Du bist auf der Suche nach einer nachhaltigen Verpackungslösung, die eine angenehme Haptik und ideale Voraussetzungen für einen brillanten Farbdruck bietet und zugleich äußerst reißfest und robust ist? Dann ist Zellstoffkarton die richtige Wahl. Hier erfährst du alles Wichtige zum Ausgangsmaterial Zellstoff und zu dessen Gewinnung sowie zu den Vorteilen der daraus gefertigten Verpackungen.

Das Grundmaterial: Was ist Zellstoff und woraus kann er gewonnen werden?

Zellstoff ist eine faserige Masse, die durch die chemische und mechanische Aufbereitung von Pflanzenfasern entsteht. Er besteht vorrangig aus Zellulose und ist neben Holzschliff ein wichtiges Ausgangsmaterial für die Papierherstellung.

Circa 90 Prozent des rund um den Erdball produzierten Zellstoffs wird aus Holz erzeugt. Die Verwendung von Stroh, Bagasse (faserige, gemahlene Pflanzenreste aus der Zuckerproduktion), Kenaf (Hibiscus cannabinus) und Bambus (Bambusoideae) verliert weltweit zunehmend an Bedeutung.

Als Rohstoff für die Zellstoffherstellung dienen je nach Region Industrierestholz oder Plantagenholz. In Europa und Nordamerika findet meist Sägerestholz (überwiegend Nadelholz) Verwendung, während in Südafrika, Südamerika und Australien häufig Laubholz aus Waldplantagen (Eukalyptus) genutzt wird. Das Holz wird entrindet und anschließend zu Hackschnitzeln verarbeitet. Diese werden chemisch aufgeschlossen.

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Gewinnung von Zellstoff: Die Verfahren im Überblick

Bei der Zellstoffherstellung kommen zwei chemische Verfahren zur Anwendung:

• das alkalische Sulfat-Verfahren und
• das saure Sulfit-Verfahren.

Das Sulfat-Verfahren entwickelte Carl Ferdinand Dahl (Danzig) aus einer 1851 von Hugh Burgess und Charles Watt in England konzipierten und 1854 in den USA eingeführten Methode zum Aufschluss von Holz mittels Natronlauge.

Bei ihrer Vorgehensweise machte ein hoher Natronlaugebedarf das Eindampfen, Verbrennen und erneute „Kaustifizieren“ zu einer teuren Angelegenheit. Dahl führte Natriumsulfat direkt in das Rückgewinnungssystem ein.

Dabei bemerkte er, dass das durch Reduktion gebildete Natriumsulfit eine deutlich verbesserte Faserqualität mit sich brachte. 1884 erhielt er das Patent für seine Verfahrensmodifikation.

Unter den alkalischen Bedingungen entstanden sehr feste Fasern, die jedoch dunkelbraun gefärbt waren. Daher wurden sie lange nur für die Erzeugung ungebleichter Papierprodukte wie Papiersäcke und Kartonagen verwendet.

Der Sulfitaufschluss wurde 1867 für den amerikanischen Chemiker Benjamin Chew Tilghman in den USA patentiert. Sein Verfahren nutzte eine Lösung aus Calciumbisulfit und freiem Schwefeldioxid. Ab den 1870er Jahren entwickelten Carl Daniel Ekman in Schweden sowie Alexander Mitscherlich in Deutschland die Methode zur industriellen Reife weiter. Bei der sauren Sulfitkochung nach Mitscherlich entstehen helle Fasern. Werden Hackschnitzel aus gut entrindetem Holz verwendet, lässt sich ein Weißgrad von fast 70 Prozent (ISO) erreichen. Durch die Chlorbleiche mit Chlorkalk ist eine weitere Aufhellung möglich.

Wie funktioniert die Zellstoffherstellung?

Ausgangsstoff für die Zellstofferzeugung sind möglichst gleichmäßig geformte Hackschnitzel. Die mechanische Zerkleinerung ermöglicht eine homogene Imprägnierung des Holzes mit der jeweiligen Aufschlusslösung. Bei zu groben Hackschnitzeln ist die Imprägnierung unvollständig.

Das führt zu unaufgeschlossenen Rückständen. Zu kleine Hackschnitzel wiederum haben den Nachteil, dass die Fasern zu kurz ausfallen. Sägewerksabfall (Spreißel) eignet sich daher ebenso wenig zur Zellstoffproduktion wie zerspantes Holz.

Beim Sulfat-Verfahren werden die Hackschnitzel für drei bis sechs Stunden bei einem Druck von 7 bis 10 bar in Natronlauge, Natriumsulfat und anderen alkalischen Flüssigkeiten gekocht. Bei einer Temperatur von bis zu 170 °C werden Hemizellulosen, Lignine und andere Holzbausteine alkalisch gelöst.

Das Lignin wird durch einen nukleophilen Angriff des Sulfid-Anions gespalten und geht in lösliches Alkali-Lignin, die sogenannte Schwarzlauge, über. Diese wird mit Hilfe von Zellulosefiltern vom zurückbleibenden Zellstoff abgetrennt.

Durch einen geringen Einsatz von Schwefel kann mit diesem Verfahren aus minderwertig geltenden, harzreichen Holzarten wie Fichte, Kiefer oder Pinie ein Zellstoff mit guten papiertechnischen Eigenschaften hergestellt werden.

Allerdings lassen sich beim Aufschluss nur circa 45 bis 55 Prozent des verwendeten Rohmaterials in Form von Zellulose gewinnen. Da mit steigendem Chemikalieneinsatz oder höherer Kochdauer oder Temperatur die Selektivität stark abnimmt, lässt sich der Grad des Aufschlusses auch nicht unbegrenzt steigern.

Circa 95 Prozent der Zellstoff-Weltproduktion werden im Sulfat-Verfahren erzeugt.

Beim Sulfit-Verfahren werden holzinhaltsstoffarme, gut entrindete Hölzer (Fichte, Buche, Tanne, Pappel) in saurem oder auch neutralem Milieu aufgeschlossen. Als Kationen kommen Calcium-, Magnesium-, Natrium- und/oder Ammoniumionen zur Anwendung.

Das Lignin wird einer Sulfonierung unterworfen und dabei in ein wasserlösliches Salz der Ligninsulfonsäure überführt, das sich leicht aus der Faser entfernen lässt.

Abhängig vom jeweiligen pH-Wert verbleiben die im Holz vorhandenen Hemizellulosen mit der Zellulose in der Faser oder werden durch saure Hydrolyse in Zucker umgebaut und gehen in die wässrige Phase über.

Die auf diese Weise erzeugten sehr hellen Zellstoffe finden heute fast ausschließlich bei der Chemiezellulose- oder Papierherstellung Verwendung. Um mit dem Sulfit-Verfahren 1000 Kilogramm Zellstoff herzustellen, werden circa fünf Festmeter Holz sowie 90 kg Schwefel benötigt.

Eine Variante der Sulfitmethode ist das Calciumbisulfit-Verfahren. Hierbei wird das zu Hackschnitzeln verarbeitete Holz sieben bis 15 Stunden in Druckkochern mit Calciumhydrogensulfit gekocht. Dabei werden die Holzstückchen so weich, dass sie sich leicht zerdrücken lassen.

Nach dem Kochen werden sie zu Fasern mit zwei bis vier Millimetern Länge zerkleinert, gewaschen, gegebenenfalls gebleicht und anschließend in Form dicker Pappen getrocknet. Die so entstehenden Zellstoffe sind besonders rein und werden deshalb vorzugsweise für chemische Anwendungen genutzt.

Nachteil dieses Verfahrens ist, dass sich die Chemikalien nicht rückgewinnen lassen. Dadurch ist es wenig wirtschaftlich und wird kaum noch zur Sulfitzellstoff-Herstellung eingesetzt.

Eine weitere Abart der Sulfitmethode ist das Magnesiumbisulfit-Verfahren. Dieses funktioniert ähnlich wie die Calciumbisulfit-Variante. Im Gegensatz zu dieser ist es jedoch kontinuierlich anwendbar und bietet eine gute Chemikalienrückgewinnung. Zum Einsatz kommt es vor allem zur Chemiezellstoff-Erzeugung aus Fichtenholz.

Wovon hängt die Qualität des Zellstoffes ab?

Abhängig davon, ob der Zellstoff aus Laub- oder Nadelholz hergestellt wurde, bestehen qualitative Unterschiede. Nadelholz-Zellstoff hat lange, feste Fasern mit durchschnittlich 3,3 mm Länge. Dadurch gibt er Papier eine Armierung.

Laubholz-Zellstoff hat nur etwa 1 mm lange Fasern. Er eignet sich am ehesten zur Erzeugung glatter Papiere (Schreib-, Kopierpapiere) oder zur Tissue-(Hygienepapier-)Produktion. Neben den grundlegenden Eigenschaften der Rohstoffe spielt die Güte der bei der Verarbeitung durchlaufenen Reinigungs- und Mischverfahren eine entscheidende Rolle für die Produktqualität.

Relevant sind insbesondere die beim Sulfat-Verfahren zur Anwendung kommende Zellstoffkochung in der Natronlauge, die darauffolgende Filtrierung und Wäsche des Kochguts sowie das Bleichen, bei dem der Zellstoff mit unterschiedlichen Oxidantien behandelt wird.

Die Prozessqualität in der Zellstoffherstellung wird über zahlreiche pH-, Leitfähigkeits-, Temperatur- und Druckmessstellen gewährleistet. Auf diese Weise lässt sich sicherstellen, dass während der gesamten Produktion die optimalen Parameter herrschen.

Qualitätsverluste entstehen vor allem durch einen zu intensiven Aufschluss, eine zu starke Faserkürzung oder durch Fehler bei der Zellstoffbleiche. Qualitätswerte der mechanischen Festigkeitsprüfung sind die Reißlänge und die Durchreißfestigkeit.

Außerdem gibt es einen Zusammenhang zwischen dem Polymerisationsgrad des Zellstoffs und der Faserfestigkeit. Hinweise auf den Grad der Faserschädigung kann eine Analyse der Viskosität gelöster Faserproben erbringen.

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Wie entsteht aus Zellstoff Zellstoffkarton?

Im ersten Arbeitsschritt wird der Zellstoff in seine Fasern zerlegt und zu einem wässrigen Brei zermahlen. Aus diesem werden mit mehreren Siebpartien auf Langsiebmaschinen gleichzeitig einzelne Papierbahnen erzeugt. Diese werden in nassem Zustand aufeinandergepresst (gegautscht), wobei sie sich miteinander verfilzen.

Mittels Glättzylinder wird die Oberfläche eingeebnet und das Blattgefüge verdichtet. Eine in der Leimpresse aufgetragene Stärkelösung sorgt für Rupffestigkeit und Staubfreiheit. Abschließend wird je nach Produkt ein- oder beidseitig eine pigment-, bindemittel- oder kreidehaltige Streichmasse aufgebracht.

Welche Vorteile bietet Zellstoffkarton?

Bei der Nutzung von Karton als Werkstoff und Verpackungsmaterial ergeben sich grundsätzlich folgende Vorteile:

• Umweltfreundlichkeit: Karton besteht aus nachwachsenden Materialien und lässt sich vollständig recyceln.
• Flexibilität: Dank unterschiedlicher Materialqualitäten lassen sich optimale Lösungen für jeden erdenklichen Bedarf finden.
• Schutz: Kartons aus Wellpappe sind äußerst stabil und schützen ihre Inhalte während des gesamten Logistikprozesses.
• Bedruckbarkeit: Kartons eignen sich sehr gut für eine individuelle Bedruckung.

Zellstoffkarton unterscheidet sich von anderen Kartonsorten dadurch, dass er komplett holzfrei ist. Er ist somit säurefrei und zeichnet sich durch eine hohe Altersbeständigkeit aus. Außerdem besitzt er sehr gute Festigkeitseigenschaften und ist biege- und spaltfest.

Um ein hochwertiges Druckergebnis zu gewährleisten, muss Karton aus Zellstoff eine ausreichende Rupffestigkeit aufweisen. Anderenfalls würden beim Bedrucken die in der Druckfarbe enthaltenen Lösungsmittel in das Papier eindringen, was die Klebkraft der Farbe erhöhen würde.

Das Auftragen von Stärke in der Leimpresse erhöht die Rupffestigkeit der Vorder- und Rückseite und verhindert zugleich die Staubbildung. Gestrichener und ungestrichener Zellstoffkarton eignet sich für alle gängigen Weiterverarbeitungs- und Druckverfahren. Er lässt sich gut stanzen, ritzen und rillen und ist sowohl bedruckbar als auch lackier- und bronzierbar.

Zellstoffkarton zählt zu den wichtigsten Verpackungsmaterialien im Bereich der Food- und Non-Food-Konsumgüter.

Fazit

Aus nachwachsenden Rohstoffen gefertigt und in einen nahezu geschlossenen Stoffkreislauf eingebunden, eignet sich Zellstoffkarton optimal für alle, die Wert auf nachhaltige Produkte legen. Mit seiner weißen, glatten Oberfläche bietet er beste Voraussetzungen für das Bedrucken, Bemalen, Folieren, Folienbeschichten, Lackieren oder Kaschieren.

FAQ

1. Worin besteht der Unterschied zwischen Zellstoffkarton und anderen bedruckbaren Kartons?

   Beim Zellstoffkarton handelt es sich um einen zwei- oder dreilagigen Karton aus reinem Zellstoff. Bei anderen Druckkartons (zum Beispiel Chromokarton) kann die Einlage auch aus gebleichtem Holzstoff und/oder Altpapier gefertigt sein.

2. Eignet sich Zellstoffkarton zum Verpacken von Lebensmitteln?

   Nach der Empfehlung des Bundesinstituts für Risikobewertung (BfR) zertifizierter Zellstoffkarton eignet sich für den Direktkontakt mit trockenen, nicht fettenden Lebensmitteln.

3. Ist Zellstoffkarton kompostierbar?

   Zellulosereiche Materialien können von Mikroorganismen zu Humus, Kohlendioxid und Mineralverbindungen abgebaut werden. Karton aus chemisch unveränderter Zellulose ist daher problemlos kompostierbar. Stark bedruckten Zellstoffkarton solltest du jedoch aus ökologischen Gründen dem Altpapierrecycling zuführen.