Popieriaus gamyklos: nuo medžio iki lapo

Kaip medis tampa popieriumi – kelionė prasideda miške

Kai laikote rankose knygą ar užsirašote pastabą ant popieriaus lapo, vargu ar sustojate pagalvoti apie sudėtingą kelionę, kurią medžio skaidulos atliko, kol tapo tuo baltu, lygiu paviršiumi. Popieriaus gamyba – tai fascinuojantis procesas, kuris jungia gamtą, chemiją ir pažangias technologijas. Viskas prasideda miške, kur auga medžiai, kurių mediena taps pagrindiniu žaliavos šaltiniu.

Šiuolaikinėse popieriaus gamyklose naudojami specialiai auginami greitai augantys medžiai – dažniausiai eglės, pušys, eukaliptai ar tuopos. Tai nėra atsitiktinis pasirinkimas. Medžiai auginami specialiose plantacijose, kur jie pasiekia reikiamą dydį per 10-25 metus, priklausomai nuo rūšies. Šios plantacijos veikia cikliškai – iškirtus medžius, jų vietoje sodinami nauji, todėl teoriškai procesas gali būti tvarus.

Nupjauti medžiai pirmiausia turi būti paruošti transportavimui. Šakos nukertamos, kamienai supjaustomai į standartinio ilgio rąstus – paprastai 2-3 metrų. Šie rąstai sunkvežimiais ar geležinkeliu keliauja į popieriaus gamyklą, kur prasideda tikrasis transformacijos procesas.

Nuo žievės iki skaidulų – mechaninis paruošimas

Atvežti rąstai pirmiausia patenka į specialius būgnus, kurie vadinami žievės lupimo įrenginiais. Čia mechaniškai nuimama medžio žievė – ji popieriaus gamybai netinka, nes turi daug dervų ir kitų medžiagų, kurios gadintų galutinio produkto kokybę. Nuimta žievė neišmetama – dažniausiai ji deginama gamyklos katilų kūrenimui arba perdirbama į komposto medžiagą.

Po žievės pašalinimo prasideda vienas iš dviejų galimų procesų: mechaninis arba cheminis celiuliozės išgavimas. Mechaninis būdas paprastesnis – rąstai spaudžiami prie besisukančių šlifavimo akmenų, kurie tiesiog sutrina medieną į smulkias skaidulas. Šis metodas naudojamas pigesniam popieriui gaminti, pavyzdžiui, laikraščių popieriui. Problema ta, kad mechaniškai išgautos skaidulos išlaiko daug lignino – medžio komponentą, kuris laikui bėgant gelsta ir tampa trapus.

Kokybiškesniam popieriui reikia cheminio proceso, kuris vadinamas virimo procesu. Čia susmulkinti medžio skiedrų gabalėliai (jie vadinami čipais) keliauja į milžiniškus reaktorius, panašius į didžiulius slėginius puodus. Šiuose reaktoriuose čipai virami su specialiais cheminiais tirpalais – sulfitais arba sulfatais – esant aukštai temperatūrai (apie 170°C) ir slėgiui. Šis procesas trunka kelias valandas ir jo tikslas – ištirpinti ligniną bei kitas nepageidaujamas medžiagos, palikti tik grynas celiuliozės skaidulas.

Chemijos magija – kaip skaidulos tampa baltos

Po virimo proceso gauname rudą masę, kuri dar labai toli nuo balto popieriaus, kurį įpratę matyti. Čia į pagalbą ateina balinimo procesas, kuris istoriškai buvo vienas iš labiausiai aplinkai kenksmingų popieriaus gamybos etapų. Anksčiau naudotas chloras, kuris efektyviai balino, bet kartu išskirdavo pavojingus dioksinius.

Šiuolaikinės gamyklos naudoja daug švelnesnius metodus. Dažniausiai taikomas ECF (Elemental Chlorine Free) arba dar geresnis TCF (Totally Chlorine Free) procesas. ECF naudoja chloro dioksidą vietoj gryno chloro, o TCF visiškai apsieina be chloro junginių, naudodamas deguonį, ozoną ir vandenilio peroksidą. Balinimas vyksta keliais etapais, kiekviename iš jų skaidulos tampa šviesesnės, kol pasiekia norimą baltumo lygį.

Balinimo procesas ne tik pakeičia spalvą – jis taip pat pašalina likusias dervas ir kitas priemaišas, kurios galėtų sukelti problemų tolesnėje gamyboje ar galutinio produkto kokybei. Išbalinta celiuliozės masė dabar atrodo kaip tiršta balta suspensija, kurios konsistencija primena skystą jogurtą.

Iš skysčio į lakštą – popieriaus mašinos stebuklai

Dabar prasideda pats įspūdingiausias etapas – celiuliozės masės pavertimas popieriaus lakštu. Šiuolaikinės popieriaus mašinos yra tikri inžinerijos šedevrai, kurie gali būti ilgesni nei 100 metrų ir gaminti popierių greičiu iki 100 kilometrų per valandą.

Procesas prasideda, kai celiuliozės masė, sumaišyta su vandeniu santykiu maždaug 1:99 (taip, 99% vandens!), išpilama ant judančio tinklelio – labai smulkaus metalo arba plastiko tinklo, kuris juda kaip begalinė juosta. Vanduo iš karto pradeda tekėti pro tinklelio akutes žemyn, o celiuliozės skaidulos lieka ant paviršiaus. Čia vyksta pirmasis ir svarbiausias dalykas – skaidulos pradeda susipinti tarpusavyje, formuodamos popieriaus struktūrą.

Kad pagreitintų vandens pašalinimą, po tinkleliu įmontuoti vakuuminiai siurbliai, kurie ištraukia dar daugiau drėgmės. Tinklelis šiek tiek vibruoja – tai padeda skaiduloms išsidėstyti tolygiau ir susipinti stipriau. Po kelių metrų kelio ant tinklelio, masė jau praranda didžiąją dalį vandens ir įgyja popieriaus paviršiaus formą, nors vis dar yra drėgna ir trapi.

Spaudimas ir džiovinimas – kaip popierius įgauna galutinę formą

Dabar drėgnas popieriaus lakštas pereina į presavimo sekciją. Čia jis praeinamas pro kelias poras didelių cilindrų, kurie spaudžia lakštą iš abiejų pusių. Šis spaudimas atlieka dvi funkcijas: išspaudžia dar daugiau vandens ir sutankina popieriaus struktūrą, darydamas ją vienalytesnę ir tvirtesnę. Kai kurios mašinos naudoja specialius presavimo audeklius, kurie palieka popieriuje subtilų tekstūros raštą.

Po presavimo popierius vis dar turi apie 60% drėgmės, todėl jis keliauja į džiovinimo sekciją – ilgiausią popieriaus mašinos dalį. Čia lakštas vingiuoja pro dešimtis ar net šimtus karštų cilindrų, kurie šildomi garais iš vidaus. Temperatūra šiuose cilindruose siekia 80-120°C. Popierius liečiasi su cilindrais paeiliui – kartais iš viršaus, kartais iš apačios – ir palaipsniui išdžiūsta iki galutinės drėgmės, kuri paprastai būna apie 5-8%.

Džiovinimo procesas turi būti kruopščiai kontroliuojamas. Per greitas džiovinimas gali sukelti popieriaus susitraukimą ar deformacijas, o per lėtas – sumažina gamybos efektyvumą. Šiuolaikinės sistemos naudoja infraraudonųjų spindulių jutiklius, kurie nuolat matuoja drėgmės lygį ir automatiškai reguliuoja cilindrų temperatūrą.

Apdaila ir specialūs procesai – kodėl ne visas popierius vienodas

Išdžiovintas popierius jau yra naudojamas, bet dažniausiai jis dar pereina papildomą apdailos procesą, vadinamą kalandrinimu. Tai procesas, kuomet popierius praeinamas pro labai lygius, poliruotus cilindrų poras, kurie spaudžia jį esant dideliam slėgiui. Kalendrinimas padaro popieriaus paviršių lygesnį ir blizgantesnį, pagerina jo spausdinimo savybes.

Skirtingoms reikmėms popierius gali būti dengiamas specialiais sluoksniais. Pavyzdžiui, blizgantis žurnalų popierius dengiamas molio ir latekso mišinio sluoksniu, kuris užpildomas visas paviršiaus nelygumus ir sukuria idealiai lygų paviršių spausdinimui. Šis dengimas gali būti atliekamas tiesiog popieriaus mašinoje arba atskirame įrenginyje.

Yra ir kitų specialių apdailos procesų. Vandens atsparaus popieriaus gamybai naudojami vaško ar specialių polimerų dengimai. Popierius maisto pakavimui gali būti dengtas polietileno sluoksniu. Kai kurie popieriai impregnuojami specialiais cheminiais junginiais, kurie suteikia jiems atsparumą ugniai ar antimikrobinių savybių.

Ekologija ir ateities iššūkiai – ar popierius gali būti žalias

Popieriaus gamyba istoriškai buvo viena iš labiausiai aplinką teršiančių pramonės šakų. Naudojama daug vandens, energijos, cheminių medžiagų, o atliekos galėjo būti pavojingos. Tačiau per pastaruosius kelis dešimtmečius situacija kardinaliai pasikeitė.

Šiuolaikinės gamyklos veikia uždaruose vandens cikluose – tai reiškia, kad tas pats vanduo naudojamas daug kartų, o į aplinką išleidžiamas tik minimalus kiekis, kruopščiai išvalytas. Chemikalai, naudojami virimo procese, daugumoje atgaunami ir naudojami iš naujo. Pavyzdžiui, sulfatinio proceso metu susidarantis „juodasis šarmas” (taip vadinamas išvirintas tirpalas su ištirpusiu ligninu) deginamas specialiuose katilų, kur jis ne tik generuoja energiją, bet ir leidžia atgauti chemikalus pakartotiniam naudojimui.

Daugelis gamyklų šiandien yra energetiškai savarankiškos ar net gamina perteklinę energiją. Jos degina medienos atliekas (žievę, skiedras), ligniną ir kitus šalutinius produktus, generuodamos garą ir elektrą. Kai kurios gamyklos net tiekia elektrą į bendrą tinklą.

Perdirbto popieriaus naudojimas taip pat tampa vis svarbesnis. Perdirbtas popierius gali būti naudojamas kaip žaliava naujam popieriui gaminti, nors kiekvieną kartą perdirbant skaidulos trumpėja ir kokybė šiek tiek blogėja. Paprastai popierius gali būti perdirbtas 5-7 kartus, kol skaidulos tampa per trumpos ir silpnos.

Nuo gamyklos iki jūsų rankų – kelionės pabaiga ir naujas gyvenimas

Baigtas popierius suvyniojamas į milžiniškus ritininius, kurie gali sverti kelias tonas ir būti keli metrai pločio. Šie ritiniai – tai tas produktas, kurį gamykla parduoda. Jie keliauja į spaustuves, pakuočių gamyklas, popieriaus perdirbimo įmones, kur bus supjaustyti į reikiamo dydžio lakštus ar paversti galutiniais produktais.

Įdomu tai, kad šiuolaikinė popieriaus gamykla gali pagaminti labai plačią produktų įvairovę iš tos pačios celiuliozės masės, tiesiog keisdama mašinos nustatymus, priedus ir apdailos procesus. Tas pats įrenginys gali gaminti ploną šilko popierių, tvirtą kartoną, specialų medicininį popierių ar aukštos kokybės spausdinimo popierių.

Popieriaus pramonė nuolat ieško naujų būdų, kaip pagerinti produktų savybes ir sumažinti aplinkos poveikį. Kuriamos naujos celiuliozės nanoskaidulos, kurios gali būti naudojamos ne tik popieriui, bet ir kaip stiprinimo medžiaga plastikuose ar net elektronikoje. Eksperimentuojama su alternatyviomis žaliavomis – bambuku, nendrėmis, net žemės ūkio atliekomis kaip kviečių šiaudais.

Nors skaitmeninė era sumažino kai kurių popieriaus rūšių paklausą, bendra popieriaus gamyba pasaulyje vis dar auga, ypač dėl didėjančio pakuočių poreikio. Popierius išlieka viena iš labiausiai universalių, perdirbamų ir galiausiai biologiškai skaidžių medžiagų, kurią žmonija išrado. Kelionė nuo medžio iki lapo – tai ne tik technologinis procesas, bet ir nuolatinė inovacijų ir aplinkosaugos pusiausvyros paieška, kuri tęsiasi jau daugiau nei du tūkstančius metų nuo pirmojo popieriaus išradimo Kinijoje.