Papier/Vezels voor papier

Verschillende soorten vezels kunnen voor het papiermaken worden gebruikt. De bekendste is de houtvezel. In de begintijd van papier werden plantaardige vezels gebruikt zoals linnen, hennep en katoen afkomstig uit lompen. Een beruchte vezel die ooit tot papier werd verwerkt, is de asbestvezel. Tot in de zestiger jaren van de 20e eeuw werd, ook in Nederland, nog asbestpapier geproduceerd. Dit heeft geleid tot vele kankergevallen bij de papiermakers die met asbest hebben gewerkt. Ook verschillende planten, zoals bamboe in China, maar ook riet, kunnen worden gebruikt. De inzet van riet voor de productie van papier is rond de negentiger jaren van de 20e eeuw in Nederland serieus onderzocht. Houtvezels Celstof, in de vorm van houtvezel, is de belangrijkste grondstof voor papier. Andere benamingen die voor celstof in gebruik zijn, zijn pulp of papierpulp, papiervezel en cellulose. Celstof als grondstof ontstaat na de volgende bewerkingen: Hout als grondstof verzamelen, meestal kaphout uit productiebossen, dunhout en zagerijresten. Zagen, ontbasten en soms chippen. Chippen is verkleinen van hout met messen, zodat het beter verwerkt kan worden. Ontsluiten van de vezels. Bleken. Drogen en vormen tot celstofbalen. Deze laatste stap wordt alleen gedaan als het niet gaat om geïntegreerde productie van papier. Dat wil zeggen dat het papier niet op dezelfde plaats als de celstof geproduceerd wordt. Zowel naaldhout als loofhout wordt gebruikt als grondstof voor celstof. Meestal wordt celstof van eucalyptus als aparte groep naast naald- en loofhout opgevat, vanwege de speciale vezels (relatief kort maar wel dik), hoewel het eigenlijk bij het loofhout hoort. In Nederland bestaat er geen celstofindustrie. Alle celstoffen voor de productie van fijnpapier worden geïmporteerd. Typische bomen die vezels voor de papierindustrie leveren, zijn: Fijnspar (vurenhout) Grove den (grenenhout) Berk Populier Beuk Eucalyptus In tegenstelling tot wat veel wordt gedacht, zijn vezels van tropisch hardhout nauwelijks geschikt voor de productie van papier. Celstof onder de microscoop Papiervezels bekeken onder een microscoop De liginestructuur De chemische structuur van lignine Ontsluiten van vezelgrondstoffen Voor dit hoofdstuk is enige kennis van scheikunde vereist, met name over reacties Er zijn twee hoofdvormen van ontsluiten: mechanisch of chemisch. Er bestaat echter ook een tussenvorm. Mechanisch onsloten pulp wordt wel houthoudend genoemd, chemisch ontsloten pulp houtvrij. Houthoudend is een misleidende term en slaat eigenlijk op de aanwezigheid van lignine. Hout bestaat behalve uit vezels ook uit lignine. Lignine zorgt voor de verbinding van de vezels in de boom en moet dus verwijderd of behandeld worden om celstof te kunnen maken. Celstof, an sich, staat eigenlijk alleen voor chemisch ontsloten vezels; toch worden hier ook kort de mechanische ontsluitingsvormen behandeld. Mechanisch ontsluiten De eerste ontsluitingsvorm is houtslijp. Een boomstam wordt tegen een ronddraaiende slijpsteen gedrukt. Daarbij komt veel warmte vrij, zodat het hout met extra water gekoeld moet worden. De hoge temperatuur die ontstaat, verzwakt het lignine (de bindingsstof tussen de vezels), waardoor de vezel bij het slijpen vrijkomt. Een gedeelte van de vezels wordt bij dit proces verkort. De papyrusplant Houtslijper met drukverhoging De tweede ontsluitingsvorm is drukslijp. Dit is bijna hetzelfde als houtslijp, echter vindt het proces plaats onder hoge druk. Bij hogere druk kan de temperatuur ook hoger zijn, waardoor de ligninestructuur nog verder verzwakt wordt. De derde ontsluitingsvorm is thermoslijp. Dit proces loopt onder normale druk. Hierbij wordt de temperatuur in het proces geregeld. Er wordt warm hout in plaats van koud hout gebruikt. De vierde ontsluitingsvorm is RMP, refiner mechanical pulp. Hier wordt gebruik gemaakt van gechipt hout. Het hout wordt in een refiner geleid. Een refiner bestaat uit een of meer platen met messen erop. De platen draaien en drukken hierbij tegen een stilstaande plaat, waarbij de vezel bij contact met de platen en messen uit het hout wordt getrokken. De vijfde ontsluitingsvorm is CRMP, chemical refiner mechanical pulp. Dit is eigenlijk een tussenvorm tussen mechanisch en chemisch ontsluiten. Voordat de chips in de refiner geleid worden, worden ze eerst behandeld met sulfiet of bisulfiet. Hierdoor wordt een sterkere vezel verkregen, maar met een lager rendement, zodat er minder bruikbare vezels uit een boom overblijven. De zesde ontsluitingsvorm is TMP, thermo mechanical pulp. De chips worden eerst voorverwarmd, voordat ze in de refiner geleid worden. De zevende ontsluitingsvorm is CTMP, chemo thermo mechanical pulp. De chips worden behalve met warmte ook met sulfiet voorbehandeld. Deze pulp is de beste houthoudende, mechanisch ontsloten pulp. Deze laatste vorm wordt ook wel "semi-chemical" genoemd en is dus de overgang van mechanisch naar chemisch ontsluiten. Chemisch ontsluiten Er zijn twee processen voor chemisch ontsluiten: het sulfietproces en het sulfaatproces. Sulfietproces Dit proces is uitgevonden in 1880. Met het sulfietproces wordt ongeveer 15% van de celstof geproduceerd. Voor de chemische reactie wordt gebruik gemaakt van zwaveligzuur (H2SO3). Voor een voldoende hoge reactiesnelheid (tijdsduur waarin de reactie verloopt) wordt de temperatuur verhoogd tot ongeveer 120 °C. Het lignine is normaal niet oplosbaar in water. Het bisulfiet-ion (HSO3-), dat ontstaat uit zwaveligzuur, reageert met (sulfoneert) de lignine, waardoor de lignine oplosbaar in water wordt. Het zuur (H3O+) hydrolyseert de lignine met hetzelfde resultaat. Het sulfietproces is een discontinu proces. Het rendement ligt ongeveer op 55%. Sulfaatproces Het sulfaatproces is sinds 1879 in gebruik. Dit proces is alkalisch. De loog laat de houtstructuur zwellen, zodat de kookvloeistof in het hout kan indringen. Dit gebeurt bij een hoge temperatuur van 180 °C. Doordat dit proces zo agressief is, is het ook geschikt voor moeilijke houtsoorten, zoals grenenhout. De chemische reacties zijn: NaOH → Na+ + OH- Na2S + H2O → HS- + 2 Na+ + OH- HS- + H2O → H2S + OH- De actieve substantie is het hydrosulfide-ion (HS-), afkomstig van natriumsulfide (Na2S). In de kookvloeistof bevindt zich ook natronloog (NaOH) en soda (Na2CO3). De naam van het sulfaatproces komt van de stof natriumsulfaat (Na2SO4) dat bij het opwerken van de kookvloeistof tot natriumsulfide gereduceerd wordt. Het hydrosulfide-ion reageert met de methoxylgroepen (CH3O-) van de lignine in het hout en vormt CH3SH, een stinkende mercaptaan. Dit mercaptaan zorgt voor de typische geur (of stank) van een pulpfabriek. Ook worden de ketens van lignine opengebroken met de hydroxide en hydrosulfide-ionen. Het eindproduct bevat nog altijd 3 tot 5% lignine. Behalve lignine worden ook de harsen met dit proces uit het hout verwijderd. Het sulfaatproces is een continu proces. Het rendement ligt bij 45 tot 50%, dat wil zeggen dat meer dan 50% van het hout niet voor de celstofproductie kan worden gebruikt en anderszins gebruikt moet worden, of afval wordt. Bleken Voor dit hoofdstuk is enige kennis van scheikunde vereist, met name over reacties Bleken wordt gedaan om de witheid te verhogen. Ook bij bleken gaat het om reducering of behandeling van de na de vezelontsluiting overgebleven lignine. Lignine veroorzaakt op termijn een bruine verkleuring bij blootstelling aan licht. Er bestaat lignine-verwijderende bleking (waarbij lignine uit de celstof gehaald wordt) en lignine-modificerende (waarbij de lignine chemisch wordt veranderd, zodat de negatieve eigenschappen van lignine niet meer optreden) bleking. Lignine-modificerende bleking Deze bleking is erop gericht om de resonerende groepen (resonantie in een molecuul veroorzaakt de bruinkleuring) van de lignine op te breken. Dit kan met oxidatieve en reductieve bleking. Oxidatieve bleking gebeurt met waterstofperoxide H2O2 in een alkalisch milieu bij een temperatuur van 70 °C. Omdat niet alle kleurveroorzakende groepen daarmee worden geëlimineerd, moet een reducerende bleking ondernomen worden. Deze bleking wordt gedaan met hydrosulfiet (S2O4-) dat met zuurstof reageert. Deze zuurstof moet van de lignine worden genomen, zodat ook deze groepen op de lignine niet meer kleuractief zijn. Om ervoor te zorgen dat de sulfiet niet met de zuurstof uit de lucht reageert, vindt de reactie zonder lucht (bijvoorbeeld met een stikstof-atmosfeer) plaats. Deze reactie verloopt in een neutraal milieu. Lignine-verwijderende bleking De blekingstappen zijn verschillende trappen van bleking en vervolgens wassen van de pulp. Vroeger werd hoofdzakelijk met chloor (Cl2) gebleekt. Onder druk van de milieubewegingen zijn deze bleekprocessen door meer milieuvriendelijke processen vervangen. Het grootste probleem met chloorbleking is de vorming van chloorhoudende afbraakproducten. Tegenwoordig worden in het ECF-proces (elementair chloorvrij) hoofdzakelijk chloorbleekloog of hypochloriet (ClO-) en chloordioxide (CLO2) gebruikt. In het TCF-proces (totaal chloorvrij) worden de volgende stoffen toegepast: zuurstof (O2), waterstofperoxide (H2O2) en ozon (O3). Bleken wordt in meerdere trappen uitgevoerd. Bijvoorbeeld C-E-H-D-E-D, wat wil zeggen chloor, extractie met natronloog, vervolgens hypochlorietbleking, chloordioxidebleking, extractie met natronloog, chloordioxide. Chloorbleking functioneert door reactie van de chloor met de lignine, waardoor de lignine oplosbaar wordt onder vorming van zoutzuur. Hypochloriet werkt door het openbreken van de kleurveroorzakende aromaat-ringen van de lignine. Chloordioxide is een sterke oxidator en ook bij deze bleking ontstaat zoutzuur. Ook de peroxidebleking werkt door oxidatie van de aromaatringen in het lignine. De werking van de zuurstof- of ozonbleking berust op oxidatie van de lignine (zoals bij chloor). De alkali-extractie (met natronloog) moet de zure afbraakproducten van lignine verwijderen. De milieuwinst van het TCF-proces ten opzichte van het ECF-proces is beperkt en discutabel. Weliswaar ontstaan minder chloorhoudende afvalproducten, maar het rendement van hout dat in celstof omgezet wordt, is lager, dus is er meer hout nodig voor een gelijke hoeveelheid celstof. Eenjarige planten en andere plantensoorten Het overgrote deel van de plantaardige vezels voor de papierindustrie is afkomstig van hout. Een klein deel is afkomstig van grassoorten zoals suikerriet, bamboe, stro en esparto, alsook van katoen, vlas (van lijnzaad), rijst en jute (kenaf). Het probleem van dergelijke grondstoffen is het onregelmatige aanbod. De oogst is geconcentreerd rond een deel van het jaar, zodat een continue papierproductie met dergelijke vezels slechts moeilijk te realiseren is. Grassoorten leveren korte vezels op in vergelijking met houtvezels, zodat de papieren gemaakt van grassoorten over het algemeen minder sterk zijn. Daarentegen is katoen (ook wel linters genoemd) een uitstekende vezelsoort; de vezel is lang, sterk, wit, goed bleekbaar en vergeelt niet zo sterk. Katoen wordt veelal ingezet voor de productie van kunstpapieren en bankbiljetten. Oud papier Oud papier is intussen de belangrijkste vezelbron voor de papier- en kartonindustrie. Maximaal 81% van het gebruikte papier kan worden gerecycled (bij de 19% zijn soorten als tissue- en toiletpapier) Oud papier wordt op grond van de verschillende kwaliteit (en dus prijs) onderverdeeld in de volgende klassen: A: Ondersoorten B: Middensoorten C: Betere soorten D: kraftafvallen De verdeling kan overigens verschillen per land. De papierverwerkingsbedrijven leveren de betrouwbaarste papierafval. Dit betreft 52% van de totale hoeveelheid ingezameld papier en karton. 10% wordt ingezameld bij kantoorbedrijven. Oud papier wordt ook ingezameld bij de huishoudens (38%). Dit laatste levert over het algemeen een vrij lage kwaliteit oud papier, omdat het goede witte papier vermengd is met het wat minderwaardige karton. In 2005 werd volgens de The European Recovered Paper Council (ERPC) 56% van het gebruikte papier en karton weer ingezameld, hetgeen overeenkomt met 46,6 miljoen ton papier en karton. Recyclepercentages per jaar 1998 2000 2005 2010 2015 48,9% 49,8% 56% 68,5% 71,5% De redenen voor het gebruik van oud papier als grondstof zijn als volgt: Beperking van huishoudelijk afval en daarmee afvalverwerkingskosten Er is minder energie nodig om oud papier als grondstof voor te bereiden in vergelijking met verse vezels Er zijn minder bomen nodig om de gelijke hoeveelheid papier te maken en nog meer ecologische aspecten De kostprijs van oud papier is lager dan de kostprijs van verse vezels.

> Volgende: Water Samenvatting Celstof, cellulose, pulp, papiervezel, papierpulp zijn allemaal uitdrukkingen voor de belangrijkste grondstof voor papier Hout dient een aantal voorbehandelingen te ondergaan, voordat er papier van gemaakt kan worden Ontsluiten van de vezel kan mechanisch, met chemie of met een combinatie van beiden Door de houtvezel te bleken, wordt het papier witter. Lignine verkleurt het papier en wordt door bleking chemisch omgezet of verwijderd Papier kan ook gemaakt worden van eenjarige gewassen, als katoen Oud papier is inmiddels de belangrijkste grondstof voor de papierindustrie geworden Citaat "Het papier van polemisten vergeelt gelukkig snel." Simon Carmiggelt - Nederlands schrijver en columnist (1913-1987)

> Volgende pagina: Water