Papier – najwspanialszy materiał ludzkości?

Papier towarzyszy ludzkości od ponad 2000 lat. Znasz go pod różną postacią, począwszy od pudełek na pizzę, a skończywszy na notesie. Jest to materiał, z którym dosłownie każdy twórca ma kontakt, zatem warto poznać go bliżej.

Wprowadzenie

Papier to jeden z podstawowych materiałów towarzyszących człowiekowi przez większość jego życia. Jest tak wszechstronny, że prawie nie zauważamy, gdy używamy go do różnych celów. Papier ma wiele zastosowań:

Pozwala zapisać i przechowywać cenną wiedzę (książki, notatniki);
Przenosi nasze pakunki, począwszy od paczek świątecznych po kanapki na drugie śniadanie (pudełka papierowe, papier śniadaniowy);
Wspomaga budownictwo (płyty kartonowo-gipsowe, izolacje kablowe);
Dba o naszą higienę (ręczniki papierowe, papier toaletowy);

… i wiele więcej.

Ta niepozorna, płaska rzecz, która w odróżnieniu od innych materiałów konstrukcyjnych łatwo ulega zniszczeniu, pozwoliła stworzyć obecną cywilizację. Myślisz, że przesadzam? Cóż, konsumpcja wyborów papierniczych na zakończenie roku 2020 wyniosła 399 mln ton, a w roku 2030 przewiduje się, że przekroczy 462 ml ton. Wraz z postępem cywilizacyjnych wykładniczo rośnie wykorzystanie papieru.

Jak wiedza na temat papieru (wyrobów papierniczych) ma się do działalności twórców dzieł artystycznych? Papier w postaci arkuszy brystolu, kartek lub notatników to podstawowe narzędzia pracy każdego rzemieślnika. Od kowala po architekta, wszyscy wytwórcy i projektanci w swoich dziełach korzystają z:

Papierowej dokumentacji technicznej (w dobie programów CAD i tabletów wydruk projektu to ciąż podstawa);
Papierowych szablonów do wykonywania płaskorzeźby, tatuażu lub cyzelowania;
Masy papierowej do wykonywania modeli rzeźb, rekwizytów oraz innych form przestrzennych;
Kolorowych tapet i brystoli do wykańczania wnętrz;

…, a to tylko kilka przykładów.

Czym jest papier?

Pod kątem technicznym, wszystkie produkty papierowe można zaliczyć do kompozytów. Ich podstawą jest masa włóknista. Włókna to przeważnie mocna, elastyczna celuloza (czasami włókna syntetyczne, mineralne lub pochodzenia zwierzęcego). Stosuje się także ścier drzewny, włókna pochodzące z papieru lub makulatury odpadowej. Ponadto mogą wystąpić wypełniacze, środki zaklejające, barwniki oraz inne chemiczne środki pomocnicze. Papier (a raczej wyrób papierowy) jest produktem powstałym poprzez operacje, takie jak:

Spilśnienie (zagęszczenie masy) włókien celulozowych;
Odwodnienie;
Prasowanie;
Suszenie oraz wykańczanie.

Warto zaznaczyć, iż obecnie stosowane masy celulozowe pochodzą głównie z przerobu drewna metodą chemicznego roztwarzania. Natomiast wspomniany ścier to rozwłóknione drewno otrzymane się w procesie mechanicznego ścierania. Naturalnie, nie musimy wycinać drzew, by pozyskać celulozę. Występują rośliny, które mają jej dużą zawartość (czasami o wiele większą), jak np.:

Bawełna;
Len;
Juta;
Ramia;
Słoma zbożowa.

Ze względu na różną zawartość mas włóknistych, można wyróżnić różne ich różne odmiany. Przykładowo w Polsce rozróżnia się:

D (papiery drzewne) – ścier i makulatura z dodatkiem mas celulozowych;
BD (papiery bezdrzewne) – masy celulozowe lub/i masy długowłókniste;
PD (papiery półdrzewne) – masy celulozowe z dodatkiem ścieru lub/i masy półchemicznej;
M (papiery mieszane) – włókna różne.

Czy wiesz , że...

Amerykańscy leśnicy hodują odporne na choroby, szybko rosnące drzewa przeznaczone wyłącznie na produkcję papieru. W 1984 r. w amerykańskich lasach posadzono 94 miliony ulepszonych genetycznie sadzonek sosny pinus taeda. Tamtejsi właściciele plantacji przewidują, że te drzewa, gdy dojrzeją, zaspokoją przewidywane zapotrzebowanie na celulozę i papier w USA jeszcze w XXI wieku. To bardzo dużo zważywszy na fakt, że przeciętny Amerykanin zużywa rocznie 317 kilogramów papieru.

Należy zaznaczyć, iż papier (jak większość kompozytów włóknistych) jest materiałem anizotropowym. Oznacza to, że papier zależnie od kierunku biegu włókna w wytworze papierniczym występują różne wartości wytrzymałości mechanicznej. W przypadku papieru obciążenie zrywające wzdłuż włókien jest większe o 50 – 100% niż w kierunku poprzecznym. Wydłużenie w kierunku poprzecznym jest o ok. 2 – 4% większe niż w kierunku wzdłużnym.

Papier czy wyrób papierniczy?

Poruszając temat papieru, muszę zaznajomić Cię z poprawnym nazewnictwem. Zacznijmy od tego, że wszystkie materiały powstałe masy papierniczej określa się mianem „wyroby papierowe”. Dzieli się je na wytwory papierowe i przetwory papierowe. Te pierwsze są to tworzywa włókniste otrzymane w postaci arkuszy lub wstęg. Natomiast przetwory papiernicze to już produkty otrzymane poprzez obróbkę wytworów papierniczych. Zalicza się do nich procesy chemiczne (np. nasycanie, powlekanie) oraz mechaniczne (np. sklejanie, wykrawanie).

W tym artykule, co kilka zdań pada słowo papier. Jednakże tak naprawdę nie powinienem nim szastać. Podstawową do odpowiedniego nazewnictwa różnych wyrobów papierowych jest ich gramatura. To ich masa jednostkowa, czyli masa jednego metra kwadratowego materiału. Przemysł papierniczy dzięki tej wielkości dzielą wybory papierowe na:

Bibuła – gramatura do 28 g/m²;
Papier – gramatura 29 – 160 g/m² (norma ISO wskazuje, że do 225 g/m²);
Karton – gramatura 161–315 g/m²;
Tektura – gramatura powyżej 315 g/m² (norma ISO wskazuje, że powyżej 225 g/m²⁾;

Do celów poligraficznych najczęściej wykorzystywany jest zakres od 40 do 450 g/m². Naturalnie w Europie i na Świecie występują różne podziały oficjalne i zwyczajowe określenia wyrobów papierowych. Dlatego pamiętaj, że przy ewentualnych zamówieniach najlepiej używać gramatury i formatu, a nie określeń typu papier lub tektura.

Zatem określenie papier jest raczej nazwą potoczną. Podobnie jak tworzywa polimerowe nazywa się plastikiem (tak jak pewien materiał wybuchowy).

Produkcja papieru

Wskazuje się, że pierwszy papier powstał z włókien drzewa morwowego, miazgi bambusowej, konopi, szmat i starych sieci rybackich. Surowce połączono ze sobą poprzez ubijanie z dodatkiem wody w kamiennym moździerzu. Powstałą papkę, rozcieńczano, a następnie czerpano sitem, prasowano, suszono na słońcu i w końcu wygładzano na kamiennej płycie.

Obecnie produkcja papieru jest procesem ciągłym i odbywa się na maszynach papierniczych. Jak już wcześniej wspominałem, masy włókniste otrzymuje się ze zrębków drzewnych, ścieru drzewnego oraz makulatury pochodzącej z recyklingu. Na poniższym rysunku przedstawiam schemat procesu produkcyjnego.

Rys.1. Schemat ideowy produkcji papieru

Oczyszczone surowce włókniste mieli się w młynach. Następnie transportuje się je do maszyny papierniczej. Składa się ona z trzech części:

Sitowej;
Prasowej;
Suszącej.

Schemat budowy takiej maszyny przedstawiono na poniższym rysunku. Na jego podstawie będę kontynuował dalszy opis procesu produkcji

Rys.2. Uproszczony schemat maszyny papierniczej

Czy wiesz , że...

Mielenie ma bardzo niską sprawność – nie przekracza 30%. Ponadto jest najbardziej energochłonną operacją w trakcie produkcji papieru (zużywa nawet 40% energii elektrycznej wykorzystywanej w papierni).

W pierwszej części maszyny dochodzi do formowania wstęgi papieru przy użyciu sit. Rozcieńczoną masę podaje się na sito, gdzie ma miejsce odwadnianie masy przez zagęszczanie zawiesiny. Wraz z upływem czasu oraz z dostarczaniem nowej masy na sita, włókna się spilśniają. Zwiększenie zagęszczenia całej tej masy zwiększają skrzynki ssące, które pozwalają ją odwodnić o dodatkowe 6 – 14%. Między nimi znajduje się eguter – walec obciągnięty metalowym sitem. Służy on do właściwego rozłożenia włókien przez wywarcie nacisku na formującą się wstęgę papieru. Dzięki niemu dochodzi do odpowiedniego sprasowania pilśni i wytworzenie pasma papieru o pożądanej grubości. Dalej dochodzi do wyciśnięcia wody i końcowego spilśnienia na dwóch walcach wyżymaka.

Kolejna część maszyny (prasowa) zapewnia prasowanie wytworzonej wstęgi, co zapewnia dalsze jej odwodnienie. W trzeciej części maszyny dochodzi do suszenia na rozgrzanych powierzchniach obracających się cylindrów. Dalej może już dochodzić do uszlachetnia papieru poprzez np. powlekanie dodatkowymi substancjami.

Co nieco o właściwościach papieru

Papier, który swoje istnienie rozpoczął w starożytnych Chinach, w ciągu setek lat był wytwarzany przez wiele kultur. Mimo to sposoby jego produkcji niezbyt się różniły, a w stosunku do czasów dzisiejszych, nie za bardzo uległy zmianie (głównie doszło do mechanizacji i automatyzacji). Natomiast pod względem jego właściwości doszło do diametralnej zmiany. Powstało wiele rodzajów papieru pod względem zastosowań. Jak ma to miejsce w przypadku innych materiałów, wybór konkretnego typu papieru często dokonuje się właśnie ze względu na wybrane cechy. Do najważniejszych parametrów papieru zalicza się:

Gęstość

Odległość pomiędzy dwiema przeciwległymi powierzchniami arkusza, wyrażana w milimetrach. Jej pomiar przeprowadzany jest na płaszczyźnie 2 cm² przy nacisku 98,1 kPa. Najczęściej występujące wartości tego wymiaru dla arkusza papieru, mieszą się w przedziale 0,05 – 0,25 mm.

Grubość

Jest to stosunek masy do objętości (w przypadku papieru to 1 cm³), którą wyraża się g/cm³ (zamiennie po przeliczeniu w kg/m³). Produkty papierowe nie zawsze są jednorodne w każdej części materiału. W związku z tym ich gęstość jest wielkością pozorną. Papiery dokumentowe, pergaminowe charakteryzują się większą wartością (0,8-1,2 g/cm³), natomiast papiery bibułowe mniejszą (0,3-0,5 g/cm³).

Białość

Bardzo istotna cecha materiałów piśmienniczych oraz kierowanych do drukowania. Dla nich białość powinna mieścić się w granicach od 65% (papier gazetowy) do 90% (papier powlekany). Jako porównawczy wzorzec bieli (100%), używa się tlenek magnezu (MgO).

Nieprzezroczystość

Kolejna ważna cecha materiałów piśmienniczych oraz kierowanych do drukowania. Nieprzezroczystość określa stopień nieprzepuszczania promieni słońca przez kartkę papieru, które padają z drugiej jej strony. Przekłada się to na czytelność zapisu. Pomiar dokonuje się poprzez określenie białości pojedynczej, niezapisanej lub niezadrukowanej kartki papieru nakładowego, umieszczonej na czarnej podkładce w stosunku do białości warstwy wielu tych kartek, które całkowicie nie przepuszczają światła. Jako dobrą nieprzezroczystość określa się taką, która przewyższa 90%.

Czy wiesz , że...

Spośród 20 000 znanych gatunków drzew tylko 40 gatunków uważa się obecnie za nadające się do przetworzenia na pulpę. Aż 14% ze wszystkich wycinanych na świecie drzew służy do produkcji papieru. Gdyby poddać recyclingowi połowę papieru obecnego na Świecie, uratowano przed wycięciem 20 milionów akrów lasów.

Wytrzymałość

Ważna cecha m.in. dla papierów pakowych oraz przeznaczonych na mapy. Jest to wytrzymałość wyrobu papierowego na działanie sił zewnętrznych. Zalicza się tu: obciążenie zrywające, rozciągliwość, odporność na przedarcie, odporność na naderwanie, odporność na zginanie, odporność na łamanie, twardość, ściśliwość, sztywność, miękkość. Pomiar wytrzymałości przeprowadza się m.in. na zrywarki oraz aparatach Elmendorfa (testery siły przedarcia). Przykładowo odporność na przedarcie jest uznana za dobrą, jeśli siła wymagana do przedarcia wynosi ok. 1 – 2 N. Naturalnie można zwiększyć wytrzymałość papieru poprzez dodanie odpowiednich dodatków (np. kauczuku syntetycznego).

Stabilność wymiarowa

Jest to podatność papieru na odkształcenia liniowe pod wpływem wilgoci. Istotne jest to dla papierów przeznaczonych do drukowania z udziałem wody lub innych cieczy. Podczas takich procesów papier może ulec odkształceniom.

Stopień hydrofobizacji (zaklejenia)

Jest to podatność papieru na zwilżanie i odporność na przenikanie cieczy. Dobry gatunkowo papier powinien przyjmować farbę bez rozlewania się jej na jego na powierzchni. Stopień hydrofobizacji określa się poprzez pomiar szerokości paska wykonanego specjalną farbą, który jeszcze się nie rozlewa. Wynik podawany jest w milimetrach.

Połysk

Istotna cecha m.in. dla papierów ilustracyjnych. Jako wzorca połysku używa się czarne szkło, dające 100% połysku. Papiery matowe (gazetowe) mają połysk ok. 5%, maszynowe gładkie (te do biurowych drukarek) to 10 – 15%, satynowane (ilustracyjne, wklęsłodrukowe) to ok. 30%, a powlekane sięgają zakresu 50 – 95%.

Odporność na starzenie

Ważna cecha m.in. dla papierów przeznaczonych na dokumenty, książki, wizytówki lub karty okolicznościowe. Określa zmiany wytrzymałości, zżółknie oraz poziom kruszenia się i rozpadu papieru pod dłuższym czasie. Analiza tej cechy ma zazwyczaj charakter badań długoterminowych, w których próbki papieru wystawia się na ciągłe działanie określonych czynników (np. promieniowania UV).

Kilka słów na zakończenie

Nauczyciele i wykładowcy mawiają:

„Papier, jest najwytrzymalszym materiałem, ponieważ zniesie każdą zapisaną bzdurę”

Z pewnością jest to materiał, dzięki któremu ludzkość się rozwinęła. Myślę, że można go zrównać pod względem ważności ze stopami żelaza oraz szkłem. Jednakże pod kątem różnorodności zastosowania to właśnie papier zajmuje pierwsze miejsce. Ma to także odzwierciedlenie w wytwórstwie artystycznym. Bez wyrobów papierowych wiele dzieł nie ujrzałoby światła dziennego.

Poza przeznaczeniem papieru, jako materiału pomocniczego w projektowaniu oraz wytwarzaniu dóbr, stanowi on także surowiec artystyczny. Mam tu na myśli podkład do wykonywania rysunków, odpowiednio ukształtowane arkusze w formy artystyczne (np. origami) lub produkty wykonane na bazie np. pulpy z makulatury. To ostatnie stanowi świetnym surowiec do dzieł wytwarzanych zgodnie z ideą upcyclingu. Warto zaznaczyć, iż większość typów wyrazu artystycznego przy użyciu papieru nie wymaga specjalnych urządzeń lub dużych nakładów energetycznych i finansowych. Sporo z nich możesz wykonywać we własnym domu. Wiedz, że już sama ręczna produkcja arkuszy papieru (tzw. czerpanego) przeznaczonego, jako podkłady pod wiersze, listy jest rzemiosłem artystycznym.

Do stworzenia tego artykułu skorzystano z:

Fietz M.: „Waste paper – origin, processing, usage”, Engineering sciences and technologies, 2016, Vol. 2(21)
Jakucewicz S.: „Papier, tektura i karton – co to takiego?”, Opakowanie, 2012, Nr 12
Zagórska L.: „Kilka faktów o … papierze”, www.autenti.com, XI.2021
Przybysz K.: „Technologia celulozy i papieru. Technologia mas włóknistych 2”, Wydawnictwa Szkolne i Pedagogiczne, Warszawa 1997.