Tremasse og papir

Papirfiber fra tre

Uansett hvilket råmateriale som brukes ved papirfabrikasjonen består papir av små fibre som er sammenfiltret. Det kan godt tilsettes lim for å få et fastere papir, eller det kan settes til fyllstoffer for å oppnå spesielle egenskaper, men det er ikke nødvendig. Friksjonen mellom fibrene er stor nok til å hindre at papiret faller fra hverandre.

For flere hundre år siden var man klar over at vepsene er i stand til å lage papir fra tre. Kunne man avlure vepsen metoden, hadde man løst et stort problem. Selv om vi i dag i hovedtrekkene vet hvordan vepsene gjør det, kan ikke metoden brukes industrielt. Den første som klarte å løsrive fiber fra tre og lage et stykke papir av det, var Friederich Gottlob Keller.

Dersom vi studerer en fiberbunt i et mikroskop, ser vi følgende:

Midtlamellen består av lignin (trestoff) som best kan forklares som det stoffet som limer fibrene sammen. For å frigjøre fibrene må derfor ligninet løses opp. Fibrene varierer en del i størrelse fra det ene treslaget til det andre. Granfibrene er fra ca 2,6 mm til 3,8 mm lange, og 0,03 mm tykke. Bjørk har en fiberlengde på bare 1,2 mm og en tykkelse på 0,01 mm. Et vanlig skriveark A4, 80 gram inneholder omkring 10 millioner fibre.

Oppfinneren av treslipemetoden

Friederic Gottlob Keller ble født i Hainichen i Saxen i 1816. Han var utlært vever og drev dette yrket i mange år. Han har selv fortalt at han i 1840 leste et sted at det ganske snart måtte utvikles metoder til å skaffe seg et annet råstoff enn filler til papirfremstillingen, ganske enkelt fordi det ikke ville være nok av dem. Dette problemet ville han løse, og han klarte det. Som de fleste andre tenkte også Keller på hvepsens "papirfabrikasjon" og mente at tre måtte være et brukbart materiale. Først forsøkte han å koke sagflis i natronlut. I virkeligheten forsøkte han å lage cellulose. Han fikk ikke noe brukbart resultat av det. Så husket han at han som barn hadde festet kirsebærsteiner til en pinne og slipt dem slik at de kunne brukes til halskjede. Under slipingen ble noe av pinnen slipt bort. Han la også merke til at når vannet tørket bort, så restene ut som papir. 1843 gikk han i gang med å slipe så meget masse på en vanlig slipestein at han kunne lage 80 papirark. Formen han brukte til å lage papir hadde han laget etter en beskrivelse han hadde funnet i en bok. De neste årene forsøkte han å komme frem til en praktisk utnyttelse av oppfinnelsen. I 1846 kom han i forbindelse med Heinric Voelter i Bautzen, som kjøpte oppfinnelsen og videreutviklet den. Keller ble ikke rik på sin oppfinnelse. Da det ble oppdaget at han levet i svært små kår ble det derfor foretatt en innsamling blant bedriftene som utnyttet hans oppfinnelse. Da Keller døde i 1895, var tresliperiene blitt en betydelig industri. Alle aviser, ukeblader og tidskrifter i verden var avhengig av masse fra sliperiene som uten unntak var basert på hans oppfinnelse. Norge var blitt verdens største eksportør av tremasse.

Slik virker slipeapparatet

Slipeapparatet er ganske enkelt oppbygget. Det består av en stor slipestein og tre "lommer" hvor veden blir presset mot steinen med et hydraulisk stempel. Når steinen roterer, vil den rive løs fibrene i veden. Hele tiden blir det sprøytet på vann. Dersom vannet blir borte, vil det begynne å brenne i veden etter bare noen sekunder. Vannet blir brukt om igjen. Friksjonsvarmen gjør at vannet blir varmt. Veden nærmest steinen blir oppvarmet til 70 grader. Samtidig vil slipekornene på steinen lage små vibrasjoner i veden. Til sammen gjør det at midtlamellen svekkes og fibrene frigjøres lettere. Veden slipes langs langsiden slik at fibrene slites fra hverandre.

Slipeapparat for tremasse fra 1917

Lommeslipeapparatet som vises i utstillingen er laget av Myrens Verksted i Christiania. Denne typen slipeapparater er hovedsakelig utviklet i Norge av Kværner Brug og Myrens Verksted. (J&A Jensen og Dahl) Det var først i bruk ved Namdal Træsliberi, Lausnes.

I 1970-årene ble det flyttet til A/S Trælandsfos hvor det ble brukt frem til frem til stansen i 1981. Slipeapparatet var altså i bruk i 64 år. Slik lommeslipeapparatet står her, fikk det sin endelige utforming omkring 1900. Grunnen til at det kalles lommesliper er at det er utstyrt med tre lommer for veden. På toppen av lommene sitter det en hydraulisk presse som presser veden mot steinen med stort trykk. Mens operatøren fyller en lomme, er de andre lommene i bruk til sliping. På den måten kan apparatet brukes kontinuerlig.

For å drive apparatet med tre fulle lommer kreves det ca 750 hestekrefter. De fleste slipeapparater av denne typen som var i bruk i Norge ble drevet direkte av en turbin. Fortsatt finnes det en del store direktedrevne slipeapparater i drift her i landet. De største (skruslipere) krever 2800 hestekrefter.

Gave fra A/S Trælandsfos

Beskrivelse av cellulose-prosessene

Bruk av kjemikalier er sentralt i industriell fremstilling av cellulose. Det er to hovedmetoder for å frigjøre cellulosefibrene fra tre: Syre som oppløsningsmiddel (Sulfitt-prosessen) og base (lut) som oppløsningsmiddel (Sulfat-prosessen).

Bildet viser en modell av en Kamyr cellulosekoker fra Tofte Cellulosefabrikk. Modellen vises i utstillingen

NTM 17242

Sulfittprosessen
Treflisene kokes under trykk i en kokeveske som består av svovelsyrling (H2SO3) og kalsiumbisulfitt (CaHSO3). Derved oppløses lamellene av lignin og cellulosefibrene frigjøres.

Svovelsyrling får man ved en reaksjon mellom vann (H2O) og svoveldioksyd (SO2): SO2 + H2O àH2SO3.
Kalsiumbisulfitt får vi ved en reaksjon mellom svovelsyrling og kalsiumkarbonat (CaCO3): H2SO3 + CaCO3 à CaHSO3 + H2O + CO2.
SO3 får vi ved en reaksjon mellom svovel (S) og oksygen: S+O2 à SO2, altså en vanlig forbrenning.

Ved reaksjonen mellom lignin og svovelsyrling dannes det en sterk syre, lignosulfonsyre, som misfarver fibermassen. Kalsiumsulfitt nøytraliserer denne syren, og derved reduseres misfarvingen. Sulfittprosessen ble meget utbredt, men kan ikke brukes for harpiksrike tresorter som for eksempel furu. Den har i det senere tid gått sterkt tilbake på grunn av utslipproblemer, men metoder for utnyttelse av ligninet har vært med på å redusere utslippsproblemet vesentlig.

Sulfatprosessen
Sulfatprosessen har en forløper i natronlutprosessen. Natronlut er et forholdsvis kostbart stoff, og det var først da man kom frem til den såkalte sulfatprosessen at koking med lut kunne konkurrere med sulfitprosessen. Lut har den fordelen at den løser opp harpiks. Furu kan derfor brukes som råstoff. Sulfatprosessen ble funnet opp av Carl F. Dahl i 1884.

I sulfatprosessen er også natronlut (NaOH) en viktig bestanddel av kokevesken, men den innholder også natriumsulfid, (Na2S). Det spesielle med sulfatprosessen er at det tapet man har av natrium under prosessen erstattes av natrium sulfat, som er et rimelig stoff. I en sulfatfabrikk har natriumsulfat ikke noe med kokeprosessen å gjøre, men bare som råstoff til den kjemiske prosessen som lager kokevesken. Siden dette er det økonomiske grunnlaget for denne celluloseprosessen tar vi med hovedlinjene:

Den brukte kokeluten dampes inn, og det oppløste ligninet brennes opp. Den kjemiske reaksjonen kan skrives slik:
Karbon (2C) + oksygen (2O2) à2C02.
Natronluten (NaOH) reagerer samtidig med karbondioksyd (CO2) :
2 NaOH + 2 CO2 à Na2CO3 + H2O.
I samme prosess tilsettes natriumsulfat og vi får :
2 Na2 SO4 + 2C = Na2S + 2CO2.
Dette blandingsproduktet løses i vann (brukt til vasking av massen). For å få natriumkarbonat over til natriumhydroksyd tilsettes lesket kalk (CaOH2) og følgende reaksjon skjer:
Na2CO3 + Ca (OH)2 à 2NaOH + CaCO3.
CaCO3 er ikke løselig i vann. Det felles ut og synker til bunns. Væsken går så inn i kokeren igjen.

Bildene viser fabrikkområdet til Södra Cell Tofte på Hurum i Buskerud. Tofte er Norges størtste cellulosefabrikk. Den er i dag eid av det svenske skogindustrikonsernet Södra.
Klikk på bildene for en større versjon med bedre detaljer. På Södra Toftes hjemmesider kan du lære mer om en moderne cellulosefabrikk, og prøve deg som fabrikksjef!

KAMYR oppfangermaskin (1927)

Ved fremstillingen av cellulose og tremasse tilsettes store mengder vann. For at produktet skal være salgbart, må så meget som mulig av vannet fjernes. Oppfangermaskinen gjør dette på en enkel og billig måte. Maskinen består av fire deler: 1. Innløpskassen hvor massen flyter inn i maskinen, 2. sieberen, en stor sylinder hvor vannet blir suget ut av massen, 3. pressverket som presser ut mer vann og 4. saksen som deler opp arkene.

Karlstad Mekaniske Verkstad og Myrens Verksted gikk i 1920-årene sammen om å bygge maskiner for treforedlingsindustrien. Denne maskinen er et resultat av dette samarbeidet. Maskinene avløste de tidligere "pappmaskinene" som var meget arbeidskrevende. Maskinen er laget på Myrens Verksted i Oslo. Maskinen sto først på Ulefoss, hvor den tok opp tremasse. Senere ble den flyttet til Katfos, hvor den i mange år tok opp cellulose. Kamyr laget over 450 slike maskiner i forskjellige størrelser. MAskinen som vises i utstillingen er en av de minste.

Maskinene er ikke lenger så aktuelle fordi de fleste fabrikkene ikke selger tremasse eller cellulose, men ferdig papir. Massen blir da pumpet direkte over fra massefabrikken til papirfabrikken.

De ulike delene av oppfangermaskinen:

Innløpskasse
Massen inneholder opptil 98% vann når den kommer til innløpskassen. Hensikten med innløpskassen er å regulere tilførselen av massen til maskinen slik at den kommer i en jevn strøm, i riktig mengde, for at de ferdige arkene skal få riktig tykkelse.

Sieber
Ordet sieber kommer fra tysk, og betyr sil. Massevellingen renner fra innløpskassen opp i trauet under siebersylinderen. Inne i sylinderen er det er kraftig undertrykk. Endestykkene på sylinderen er tette mens selve sylinderen er laget av en perforert plate. Utenpå er den dekket av en duk som kan holde fibrene tilbake mens vannet går igjennom. Vannet blir derfor suget gjennom duken og inn i sylinderen. Mesteparten av vannet forsvinner på den måten. Massen går over fra å være en tynn velling til en tykk grøt. Denne "grøten" går videre til pressverkene.

Pressverk
Det er to pressverk. Begge har samme funksjon, å presse mer vann ut av massen. Etter at massen har gått gjennom 2. pressverk er tørrstoff -innholdet øket til 45 %. 45% cellulose eller tremasse selges under betegnelsen 50% våt masse fordi tørr masse naturlig inneholder 90% masse og 10 % vann.

Saks
Selv om massen inneholder 55% vann er den så tørr at den kan deles opp i ark. Massen er nå blitt vanlig salgsvare.

Ballepresse
For at massearkene skal kunne transporteres må de pakkes i baller. Arkene blir presset sammen i en hydraulisk presse og buntet med ståltråd. Samtidig blir også ballene veiet. Vanlig vekt på en slik masseballe er 150 kg.

Papirmasse

Fra tremasse eller cellulose er det ett stadium til man må igjennom før man kan begynne selve papirfremstillingen. Det er å male fibermassen til den kvaliteten som trengs for de forskjellige papirtypene. I utstillingen vises en såkalt hollender som ble brukt til dette

Hollenderen - Hensikt og virkemåte.

De mange forskjellige papirtypene krever forskjellig fiberstruktur. For å tilpasse fiberstrukturen ble det i mange år brukt hollendere. Hollenderne var en forbedring i forhold til stampeverket. De består av tre deler, selve trauet, grunnverket og kubben.

Trauet er rett og slett det store trauet for massen. Grunnverket er et sett med "kniver" som ligger i bunnen av trauet. Kubben er en roterende kubb med et sett kniver på tvers av omkretsen. Malingen består i at deler av massens fibre blir slitt av i lengderetningen og at deler av massen blir knadd slik at de fine hårene, fibrillene, blir løsere. Massen går i hollenderen til den ønskede fiberstrukturen oppnåes. Tiden kan variere fra en time til flere timer. Avstanden mellom knivene i kubben og grunnverket har meget å si for malingen.

Snitt gjennom en hollender.
Kubben (A) roterer i pilens retning og fører massen mot grunnverket (B) hvor selve malingen foregår. Deretter går massen over til den andre halvdelen av hollenderen. Massen går på denne måten rundt og rundt til den er ferdig malt. Hollenderne var i bruk i flere hundre år. De er nå avløst av møller med langt større kapasitet.

Hollenderen som vises i utstillingen ble brukt Ved Alvøens Papirfabrikk frem til 1981. Betegnelsen "hollender" har den fått fordi maskinen først og fremst ble tatt i bruk av hollandske papirmakere, selv om den egentlig er en tysk oppfinnelse helt tilbake til 1600-tallet. Papirmassen går rundt i hollenderen i en stadig strøm. Når det skulle lages skrivepapir gikk massen rundt i to timer før den var ferdig.

Gave fra Alvøens Papirfabrik A/S

Papirfremstilling

Grunnlaget for all papirfremstilling er å lage papirmasse ved å løse tre- eller teksitilfiber opp i vann, ta denne massen opp på en sil, og så presse og tørke bort vannet slik at bare fibrene er igjen. Dette kan gjøres for hånd, slik det ble gjort i tidligere tider. Papiret vi bruker til daglig er imidlertid laget i store papirmaskiner. Det fins store papirfabrikker i Norge. Se lenkesiden for å finne mer om disse.

Håndlaging av papir

Etter at papirmassen ble gjort ferdig i et stampeverk eller en hollender, ble den tatt opp fra en bøtte med en ramme. I rammen er det spent opp stoff eller netting, slik at den virker som en sil.
Det er viktig å få massen jevnt fordelt utover hele rammen. Vannmerket er brodert i duken. Der vil vannet ikke så lett renne gjennom, slik at papiret vil bli litt tynnere. Fibrene vil flyte litt vekk fra de tettere stedene på duken. Denne delen av prosessen tilsvarer viren på papirmaskinen. Rammen blir snudd og arket lagt på en filt og deretter i en presse for å presse ut vannet. Dette tilsvarer presspartiet på papirmaskinen. Til slutt blir arkene hengt opp på snorer for tørking. Dette tilsvarer tørkepartiet på papirmaskinen.
Arbeidet med å dyppe rammene ned i fibervellingen var meget tidkrevende. Dessuten satte rammene en begrensning i papirarkets størrelse. Opfinnelsen av papirmaskinen fikk derfor meget stor betydning.

Tørking
Helt frem til midten av 1800-tallet ble arkene hengt opp på snorer for å tørke. Alle papirmøllene hadde derfor et tørkeloft. Bildet som er fransk fra 17-hundretallet, viser at dette var arbeide som ble utført av kvinner. Det er tvilsomt om de hadde så pene kjoler til daglig. De første papirmaskinene hadde heller ikke tørkesylindere, så selv etter at de var tatt i bruk, ble arkene hengt opp på tørkeloftet. Etter at fibermassen var tatt opp med rammen, og vannet var rent av, ble arkene lagt i en stabel med filt mellom hvert ark. Deretter ble hele stabelen lagt inn i en skrupresse og mesteparten av vannet presset ut.

Papirmaskinen - en viktig oppfinnelse

Oppfinnelsen av papirmaskinen har hatt avgjørende betydning for kulturutviklingen i verden. Billig papir har sammen med boktrykkerkunsten vært det viktigste grunnlaget for utviklingen av det moderne samfunn.

I 1798 fikk franskmannen Louis-Nicolas Robert patent på en papirmaskin. Prinsippet for denne maskinen er i store trekk det samme som gjelder for dagens maskiner. Han skriver i innledningen til patentansøkningen:

"Gjennom mange år har jeg arbeidet i en av landets mest betydningsfulle papirmøller. Det har vært min drøm å forenkle arbeidet med å fremstille papirark, for, på den ene siden å senke produksjonskostnadene, men først og fremst å kunne fremstille papir i uvanlige lengder på helt maskinelt vis, uten hjelp av papirarbeidere".

Robert solgte patentet til sin arbeidsgiver Leges Didot. Han overlot rettighetene i England til sin svoger, den engelske ingeniøren John Gamble. John Gamble inngikk samarbeide med brødrene Fourdrinier som var papirhandlere. De engasjerte den dyktige mekanikeren/ingeniøren Bryan Donkin til å videreutvikle Roberts papirmaskin. Det ble bygget et eget verksted for dette, og i 1804 ble den første brukbare papirmaskinen satt i drift ved Frogmore Mill, TwoWaters, ved Hemel Hempstead.

De første maskinene hadde ikke tørkeinnretning, men i 1820 patenterte Thomas Crompton dampoppvarmete tørkesylindere slik den utstilte papirmaskinen fra Alvøen har. Bryan Donkin bygget 192 papirmaskiner frem til 1857.

Papirmaskin fra 1930, brukt ved Alvøens Papirfabrikk

Papirmaskinen som vises i utstillingen er laget i Tyskland av Escher-Wyss og ble brukt av Alvøens Papirfabrikk fra 1930 til 1981. Maskinen, som var ganske liten selv da den var ny, er beregnet på produksjon av spesielt finere sorter papir. Alvøen laget for eksempel papir av 100% klutemasse for hjemmelsdokumenter for eiendommer, sjekkpapir, papir for obligasjoner og papir for 10 kronerseddelen på denne maskinen. Dessuten ble brevpapiret "Alvøen 1797" laget på denne maskinen. Dette ble brukt til kjærlighetsbrev, høytidelige innbydelser, gratulasjonskort o.l. Fortsatt lages "Alvøen 1797", men ikke i Norge. Ferdiggjøringen, linjering og konvolutter utføres i Alvøen nå som før.
Bildet viser maskinen sett fra innløpskassen - starten av prosessen hvor våt papirmasse suges opp på wiren og starter sin ferd gjennom maskinen på vei til ferdig papir.

Slik maskinen står i utstillingen er den noe forkortet. Opprinnelig var det flere tørkesylindere og et pressverk til. Maskinen er en typisk langviremaskin hvor massen kommer fra innløpskassen ut på en vire hvor mesteparten av avvanningen foregår. Dette er den opprinnelige formen på papirmaskiner, slik den oppsto i begynnelse av 1800-tallet. Fortsatt er dette grunnformen for de fleste papirmaskinene. Norges nyeste, og verdens største papirmaskin PM 6 ved Saugbruksforeningens anlegg i Halden er i prinsippet langt på vei lik denne maskinen, men kapasiteten er 300 ganger større.
Bildet viser papirmaskinen sett motsatt vei, fra rulleapparatet, hvor det ferdige papiret samles opp på rull.

De ulike delene av papirmaskinen:

Innløpskasse
For å få massevellingen til å flyte jevnt utover, blir den spedd opp med vann. Hele 98% av vekten er vann. Bare 2% er fiber som blir til papir. Denne tyntflytende massen blir pumpet inn i innløpskassen. Derfra renner den ut på viren. Det er ved innløpskassen at papirtykkelsen blir fastlagt. Jo større åpning det er ved innløpskassen, desto tykkere blir papiret.

Vire
Etter at massevellingen har forlatt innløpskassen, kommer den ut på viren. Viren er en endeløs nettingduk hvor mesteparten av vannet renner av. Først renner vannet gjennom viren. For å holde viren oppe og samtidig stryke av viren er det mange små valser på undersiden. Etter hvert går avvanningen tregere. Det er derfor plassert sugekasser under bakerste delen av viren. For at fibrene skal legge seg mest mulig i alle retninger, er virepartiet hengslet i bakerste ende. I forreste ende er det et skakeapparat som får viren til å svinge frem og tilbake i små krappe svingninger.

Dandyrull
Det er dandyrullen som lager vannmerkene. Vannmerket er laget som en liten forhøyning i dandyrullen. Den presser noen av fibrene litt bort, slik at papiret blir litt tynnere på det stedet. Dandyrullen gir også massen et svakt trykk mot viren for å få et fastere papir.

Gusk
Gusken har to funksjoner. Den skal drive viren, og det er ved gusken at den våte papirbanen forlater viren og går over på filten i presspartiet.

Pressverk
Opprinnelig var det tre pressverk til denne maskinen, men bare to er bevart. Hensikten med pressverkene er å få ut mest mulig vann før papirmassebanen går inn i tørkepartiet, for å spare energi. Det er langt billigere å presse vannet ut mellom to valser enn å tørke det ut.

Tørke
Opprinnelig var det noen flere tørkesylindere i tørkepartiet på maskinen. Selv etter presspartiet inneholder massen ca 50% vann. For å få et tonn tørt papir må vi altså tørke bort et tonn vann. Sylindrene er oppvarmet med damp. Dampen ledes inn i sylindrene i den ene enden, og avgir varmen ved at den går over til vann (kondenserer). Inne i tørkesylindrene er det noen små øser som løfter opp kondensatvannet slik at det kan renne ut gjennom avløpsrøret i sentrum av syliderne. Filtene skal holde på, og føre den skjøre papirbanen gjennom tørkepartiet. De små sylindrene er tørkesylidrene for filten.

Rulleapparat
Rulleapparatet skal rulle opp det ferdige papiret. Papiret rulles opp på en tambur, som i dette tilfelle er en kjerne av tre med en jernaksel. Mellom rulleapparatet og drivakselen er det en slurekobling slik at papiret rulles med samme strekk, enten rullen er stor eller liten.