Papier

Grundlagen und Einordnung

Papier ist ein flächiger Werkstoff, der im Wesentlichen aus Fasern pflanzlicher Herkunft besteht. Es entsteht, indem eine Fasersuspension, also ein dünner Brei aus Fasern und Wasser, auf einem Sieb entwässert wird. Das dabei gebildete Faservlies wird anschließend verdichtet und getrocknet. Heute stammen die Fasern vor allem aus Holz; wichtige Faserstoffe sind Zellstoff, Holzstoffe und Altpapierstoff. In Europa ist das durch Papierrecycling wiederverwertete Altpapier mittlerweile die wichtigste Rohstoffquelle. Neben Fasern enthält Papier meist Füllstoffe und weitere Zusatzstoffe.

Papier, Karton und Pappe werden unter anderem über die flächenbezogene Masse unterschieden, also Gramm pro Quadratmeter. DIN 6730 unterscheidet Papier und Pappe mit dem Grenzwert 225 g/m². Umgangssprachlich wird Karton häufig für Material von etwa 150 g/m² bis 600 g/m² verwendet; Pappe beginnt je nach Quelle bei 220 g/m², 225 g/m², 500 g/m² oder 600 g/m². Die Grenzen sind also fließend und nur ein ungefährer Anhaltspunkt.

Papierähnliche Stoffe wie Papyrus, Tapa, Amatl und Huun werden als Pseudopapiere abgegrenzt. Bei ihnen werden pflanzliche Fasern meist durch Klopfen verbunden. Richtiges Papier entsteht dagegen aus in Wasser getrennten Fasern, die auf einem Sieb entwässert und getrocknet werden. Das Verfilzen der Fasern gibt dem Blatt seinen inneren Halt.

Es gibt rund 3000 Papiersorten. Sie werden nach Verwendung in vier Hauptgruppen eingeteilt: grafische Papiere für Schreiben und Drucken, Verpackungspapier und -karton, Hygienepapiere wie Toilettenpapier und Papiertaschentücher sowie technische und Spezialpapiere wie Filterpapier, Zigarettenpapier oder Banknotenpapier.

Geschichte und technische Entwicklung

Vor Papier nutzten Menschen viele andere Schriftträger: Tontafeln, Stein, Metall, Papyrus, Wachstafeln, Bambus, Seide, Palmblätter, Birkenrinde, Holztafeln, Leder und Pergament. Papyrus wurde im Alten Ägypten seit dem dritten Jahrtausend v. Chr. verwendet. Pergament aus Tierhäuten verdrängte im mittelalterlichen Europa viele andere Beschreibstoffe, weil es haltbar und gut beschreibbar war.

Die Erfindung des Papiers wird offiziell Cai Lun zugeschrieben, der um 105 n. Chr. am chinesischen Kaiserhof das Verfahren beschrieb. Zwar gibt es chinesische Funde um etwa 140 v. Chr. und eine Beschreibung durch Xu Shen um 100 n. Chr., doch Cai Luns Verfahren gilt als erster belegter Bericht der chinesischen Papierherstellungsmethode. Die Fasern wurden gesäubert, zerstampft, gekocht und gewässert, dann mit einem Sieb abgeschöpft, getrocknet, gepresst und geglättet. In Ostasien wurden früh Leimung, Färbung, Toilettenpapier, Schöpfsiebe, Japanpapier und Papiergeld entwickelt.

In der islamischen Welt ist der Beginn der Papierherstellung umstritten: Genannt werden 750 oder 751 nach der Schlacht am Talas, doch möglicherweise wurde in Samarkand schon etwa 100 Jahre früher Papier hergestellt. Samarkand, Bagdad, Damaskus und Kairo wurden wichtige Zentren. Papier war dort für die arabische Schrift geeignet, billiger als Pergament und wurde in großen Mengen produziert. In Indien wurde Papier ab dem 13. Jahrhundert unter islamischem Einfluss eingeführt, während Palmblattmanuskripte regional noch lange wichtig blieben.

Nach Europa gelangte Papier seit dem 11. Jahrhundert über Kontakte zum arabischen Orient und zum islamischen Spanien. Das Missale von Silos von 1151 gilt als ältestes erhaltenes christliches Buch auf handgeschöpftem Papier. Im spätmittelalterlichen Europa mechanisierten wassergetriebene Papiermühlen die Zerkleinerung von Lumpen. Metall-Schöpfsiebe ermöglichten Wasserzeichen. Papier trug wesentlich zum Erfolg des von Johannes Gutenberg erfundenen modernen Buchdrucks bei. Die erste deutsche Papiermühle, die Gleismühl, wurde 1389/1390 von Ulman Stromer bei Nürnberg gegründet.

Bis in die zweite Hälfte des 19. Jahrhunderts waren Hadern, also Lumpen und abgenutzte Leinentextilien, der wichtigste Rohstoff in Europa. Wegen Rohstoffmangel wurde nach Ersatzstoffen gesucht. Wichtige Schritte waren die Nutzung von Altpapier durch Justus Claproth 1774, Nicholas-Louis Roberts Patent auf die Langsiebmaschine 1798, die Harzleimung durch Moritz Friedrich Illig 1806 und Friedrich Gottlob Kellers Holzschliffverfahren 1843. Ab etwa 1850 machte der Holzschleifer Holz als billigen Rohstoff industriell nutzbar, verursachte aber bei holzschliffhaltigen und sauer geleimten Papieren starke Alterungsprobleme wie Vergilbung und Brüchigkeit. Seit den 1980er-Jahren wird für hochwertige Drucke und Grafiken überwiegend alterungsbeständiges oder säurefreies Papier nach DIN EN ISO 9706 verwendet.

Rohstoffe und Herstellung

Papier besteht hauptsächlich aus Cellulosefasern. Cellulose ist ein Polysaccharid mit der angenäherten chemischen Formel (C6H10O5)n und bildet fast alle Zellwände von Pflanzen und Hölzern. Bei der Herstellung wird Cellulose weitgehend von Hemicellulosen, Harzen und anderen Pflanzenbestandteilen getrennt. Der Zellstoff wird mit viel Wasser versetzt und zerfasert. Dieser dünne Brei heißt in der Papiermacherei Stoff oder Zeug. Beim Maschinenauflauf enthält er über 99 % Wasser, bei der Handschöpferei etwa 97 %.

Wichtige Rohstoffe sind Holz, Altpapier, Einjahrespflanzen, Hadern und in handwerklichem Maßstab auch Dung. Zu nahezu 95 % wird Papier aus Holz hergestellt, in Form von Holzstoff, Halbzellstoff, Zellstoff oder Altpapier. Nadelhölzer wie Fichte, Tanne, Kiefer und Lärche liefern längere Fasern und damit festere Papiere; Laubhölzer wie Buche, Pappel, Birke und Eukalyptus werden oft beigemischt. Altpapier ist ein Sekundärfaserstoff und erreichte in Deutschland in den 2010er Jahren 61 % der eingesetzten Rohstoffe. Fasern können in der Praxis im Schnitt nur fünf- bis sechsmal recycelt werden, weil sie bei jeder Verarbeitung kürzer und geschädigter werden.

Aus Rohstoffen werden zunächst Halbstoffe hergestellt. Bei mechanischer Aufbereitung entstehen Holzstoffe wie Weißschliff, Braunschliff oder thermomechanischer Holzstoff (TMP). Bei chemischer Aufbereitung werden Holzschnitzel zwölf bis fünfzehn Stunden gekocht, um Cellulose von Lignin und anderen Bestandteilen zu trennen. Holz besteht chemisch aus 40 % bis 50 % Cellulose, 10 % bis 15 % Hemicellulose, 20 % bis 30 % Lignin, 6 % bis 12 % sonstigen organischen Stoffen und 0,3 % bis 0,8 % anorganischen Stoffen. Wichtige Verfahren sind Sulfatverfahren, Sulfitverfahren und Natronverfahren. Zellstofffasern sind länger, fester und geschmeidiger als viele mechanisch gewonnene Fasern.

Für weißes Papier wird Zellstoff gebleicht. Traditionelle Chlorbleiche belastet Abwasser mit organischen Chlorverbindungen. ECF-Zellstoffe werden ohne elementares Chlor, aber mit Chlordioxid oder Chlorit gebleicht; die AOX-Belastung sinkt um 60 bis 80 %. TCF-Zellstoff wird vollständig ohne Chlorverbindungen mit Sauerstoff, Ozon, Peroxoessigsäure und Wasserstoffperoxid gebleicht, hat aber geringere Faserfestigkeit. Das Organocell-Verfahren sollte Anfang der 1990er Jahre in Kelheim schwefelfrei und umweltfreundlicher Zellstoff herstellen, scheiterte aber wirtschaftlich.

Zum Ganzstoff werden Füllstoffe, Farbstoffe, Leimungsstoffe, Nassfestmittel und weitere Hilfsstoffe gegeben. Füllstoffe wie Kaolin, Calciumcarbonat, Talkum oder Titandioxid können bis zu 30 % ausmachen. Sie machen Papier glatter, weicher, opaker oder weißer. Leimung macht Papier weniger saugfähig und besser beschreibbar. Nassfestmittel halten Papier auch im feuchten Zustand begrenzt fest, erschweren aber das Recycling.

Papiermaschine und Verarbeitung

Auf der Papiermaschine wird aus dem Papierbrei eine fortlaufende Papierbahn gebildet. Die wichtigsten Stationen sind Stoffauflauf, Siebpartie, Nasspressenpartie, Trockenpartie und Aufrollung. Bei der Blattbildung wird der gereinigte und entlüftete Brei, der zu etwa 99 % aus Wasser besteht, als gleichmäßiger Strahl auf ein rotierendes Sieb gegeben. Dort läuft in wenigen Sekunden ein großer Teil des Wassers ab, und die Papierstruktur entsteht.

Bei Langsiebmaschinen richten sich viele Fasern in Bewegungsrichtung des Siebes aus. Dadurch entstehen unterschiedliche Eigenschaften in Längs- und Querrichtung, die Laufrichtung genannt werden. Auf Langsiebmaschinen gefertigte Papiere zeigen häufig Zweiseitigkeit: Die Oberseite ist glatter, die Unterseite rauer und poröser. Moderne Gap-Former spritzen den Papierbrei zwischen zwei rotierende Siebe und ermöglichen bis zu 2000 m/min bei Arbeitsbreiten von mehr als zehn Metern.

Nach dem Sieb kommt die weiche Papierbahn in die Pressenpartie. Dort wird sie zwischen Filzen und Walzen weiter entwässert. Seit Anfang der 1990er Jahre setzte sich zunehmend die Schuhpresse durch, weil sie schonender und stärker entwässert. In der Trockenpartie läuft die Bahn über dampfbeheizte Trockenzylinder, wird geglättet und aufgerollt. Für besonders glatte Papiere kann ein Kalander folgen. Gestrichenes Papier erhält zusätzlich eine Oberfläche aus Pigmenten, Bindemittel und Additiven; dadurch wird es glatter, stabiler und besser bedruckbar.

Papierformate sind international vor allem durch die A-Reihe nach DIN 476 und seit 2002 teilweise EN ISO 216 bekannt. Zählmaße nach DIN 6730 sind unter anderem Bogen, Buch, Ries und Ballen. Papier wird anschließend mit Werkzeugen und Maschinen verarbeitet, zum Beispiel mit Schere, Papiermesser, Rollenschneider, Hebelschneider, Stapelschneider oder industriellen Schneidemaschinen.

Eigenschaften und Qualität

Papier ist hygroskopisch: Es nimmt Feuchtigkeit aus der Luft auf und gibt sie wieder ab. Es ist oft inhomogen, weil Faserorientierung, Bestandteile und Füllstoffgehalt schwanken können. Es ist außerdem anisotrop, das heißt, seine Eigenschaften hängen von der Richtung in der Papierebene ab. Die Zweiseitigkeit beschreibt Unterschiede zwischen Oberseite und Unterseite, die sich etwa auf Bedruckbarkeit und Rollneigung auswirken.

Eine zentrale geometrische Eigenschaft ist die flächenbezogene Masse oder Grammatur in g/m². Normales Schreibpapier hat 80 g/m². Ein A4-Blatt wiegt damit 5 g; 1000 Blatt A4 wiegen 5 kg, 200.000 Blatt etwa eine Tonne. Die Dichte von normalem Schreibpapier liegt in der Größenordnung von 800 kg/m³, die Dicke eines Blattes bei etwa 0,1 mm.

Physikalische Eigenschaften werden unter Normklima gemessen, meist 23 °C und 50 % Luftfeuchtigkeit. Wichtige Größen sind Porosität, Glätte, Wasseraufnahme, Feuchtigkeitsgehalt, Saugfähigkeit, Leimungsgrad, Beschreibbarkeit, Bedruckbarkeit, Luftdurchlässigkeit und Aschegehalt. Mechanische Eigenschaften sind unter anderem Zugfestigkeit, spezifischer Weiterreißwiderstand, Berstwiderstand, Spaltwiderstand, Biegesteifigkeit, Falzwiderstand und Rupffestigkeit. Die Zugfestigkeit ist besonders wichtig; bei Kraftpapier ist sie der wichtigste Wert.

Optische Eigenschaften bestimmen, wie Papier aussieht und wie gut es bedruckt werden kann. Lichtundurchlässigkeit oder Opazität beschreibt, wie wenig Licht und Druck von der Rückseite durchscheinen. Helligkeit beschreibt die Lichtreflexion. Der Weißgrad ist ein technischer Kennwert für die Reflexionsfähigkeit gegenüber weißem Licht; normales Kopierpapier ohne UV-sensible Aufheller liegt nach Berger etwa bei 160. Optische Aufheller, Farbstoffe und der Farbstich beeinflussen den sichtbaren Weißeindruck.

Die Laufrichtung ist bei maschinell hergestelltem Papier wichtig. In Maschinenrichtung liegen mehr Fasern parallel; quer dazu quillt und schrumpft Papier etwa dreimal stärker. Für Druck, Falzung und Buchbindung muss die Laufrichtung beachtet werden, sonst können Passerprobleme, Verwerfungen oder Schäden an der Bindung entstehen. Alterungsbeständiges Papier soll unter anderem aus 100 % gebleichtem Zellstoff ohne verholzte Fasern bestehen, einen pH-Wert von 7,5 bis 9 haben, mindestens 3 % Calciumcarbonat als Puffer enthalten und bestimmte Durchreißwiderstände erfüllen. Lebensdauerklassen reichen von mindestens 50 Jahren bis zu Papieren, die „Alterungsbeständig“ genannt werden dürfen.

Verwendung, Markt, Umwelt und Erhaltung

Papier wird vor allem zum Schreiben, Drucken und Verpacken verwendet. In Deutschland entfielen 2015 auf Verpackungspapiere 49 % und auf grafische Papiere 38 % der Papierproduktion; Hygienepapiere sowie technische und Spezialpapiere lagen jeweils bei 6 %. Schreib- und Druckpapiere werden mit Tinte, Toner oder Druckfarbe beschriftet oder bedruckt. Verpackungspapiere reichen von Kartonagen bis zu Wellpappe und Kraftpapier. Hygienepapiere sind feinporig und saugfähig, etwa Toilettenpapier, Papiertaschentücher und Küchenrollen. Technische Papiere umfassen Filterpapiere, Kabelisolierpapiere, medizinische Papiere, Zigarettenpapier, Thermopapier und Fotopapier.

Papier ist auch ein Werkstoff der bildenden Kunst. Es dient als Träger für Malerei, Zeichnung und Druckgrafik, als Material für Scherenschnitt, Collage, Origami, Assemblage, Pappmaché und Modellbau. Aquarellpapier kann eine flächenbezogene Masse von bis zu 850 g/m² haben. Historisch gab es außerdem Luxuspapiere, also veredelte und verzierte Papiererzeugnisse etwa von 1820/1860 bis 1920/1930.

Der Papiermarkt ist groß: Weltweit wurden 2014 jährlich 406 Millionen Tonnen Papier, Karton und Pappe produziert. Die größten Produzenten waren China mit 108 Millionen Tonnen, die USA mit 73 Millionen Tonnen, Japan mit 26 Millionen Tonnen und Deutschland mit 22,5 Millionen Tonnen. Die deutsche Papierindustrie produzierte 2015 22,6 Millionen Tonnen und war damit Nummer eins in Europa und weltweit an vierter Stelle.

Umweltaspekte betreffen vor allem Recycling, Holz, Energie, Wasser und Verbrauch. Die Altpapier-Einsatzquote in Deutschland betrug 2019 78 %, das heißt, für eine Tonne Papier wurden durchschnittlich 780 kg Altpapier eingesetzt. Etwa 20 % des weltweit eingeschlagenen Holzes werden zu Papier verarbeitet. Die Branche verweist auf nachhaltige Forstwirtschaft, Zertifizierungssysteme wie PEFC und FSC sowie die Europäische Holzhandelsverordnung gegen illegalen Einschlag.

Die Papierindustrie ist energieintensiv, braucht Energie besonders zum Entfernen von Wasser aus der Papierbahn, und nutzt etwa zur Hälfte erneuerbare Energiequellen. Der spezifische Energieverbrauch sank von rund 8200 kWh/t im Jahr 1955 auf rund 2645 kWh/t, also um 68 %. Wasser dient als Transport- und Dispergiermittel für Fasern, zum Reinigen und Kühlen. Die spezifische Abwassermenge sank von knapp 50 Litern pro Kilogramm Papier in den 1970er Jahren auf etwa 7 Liter pro Kilogramm in den 2010er Jahren. Der individuelle Pro-Kopf-Verbrauch in Deutschland liegt laut INTECUS bei etwa 100 kg, gesamtwirtschaftlich bei etwa 240 kg.

Papier kann durch Schädlinge und chemische Prozesse zerstört werden. Silberfischchen und Papierfischchen fressen Oberflächen an; Anobienlarven, Bücherläuse, Schimmelpilze und Nager können weitere Schäden verursachen. Chemische Schadstoffe wie Aluminiumsulfat aus saurer Masseleimung können Säuren bilden, die Papier abbauen. Zur Konservierung nass gewordenen Papiers ist Gefriertrocknung wichtig; gegen sauren Abbau werden Masseentsäuerungsanlagen genutzt, die das Papier neutralisieren und eine alkalische Reserve einbringen. Papierforschung untersucht industrielle Fragen, Recycling, Wasserkreisläufe, Energieeffizienz, Oberflächeneigenschaften sowie historische Wasserzeichen und Alterungsverhalten.