Pembuatan kertas

Di tahun 1799, seorang Prancis bernama Nicholas Louis Robert menemukan proses untuk membuat lembaran-lembaran kertas dalam satu wire screen yang bergerak, dengan melalui perbaikan-perbaikan alat ini kini dikenal sebagai mesin Fourdrinier. Penemuan mesin silinder oleh John Dickinson di tahun 1809 telah menyebabkan meningkatnya penggunaan mesin Fourdrinier dalam pembuatan kertas-kertas tipis. Tahun 1826, steam cylinder untuk pertama kalinya digunakan dalam pengeringan dan pada tahun 1927 Amerika Serikat mulai menggunakan mesin Fourdrinier.

Peningkatan produksi oleh mesin Fourdrinier dan mesin silinder telah menyebabkan meningkatnya kebutuhan bahan baku kain bekas yang makin lama makin berkurang. Tahun 1814, Friedrich Gottlob Keller menemukan proses mekanik pembuatan pulp dari kayu, tapi kualitas kertas yang dihasilkan masih rendah. Sekitar tahun 1853-1854, Charles Watt dan Hugh Burgess mengembangkan pembuatan kertas dengan menggunakan proses soda. Tahun 1857, seorang kimiawan dari Amerika bernama Benjamin Chew Tilghman mendapatkan British Patent untuk proses sulfit. Pulp yang dihasilkan dari proses sulfit ini bagus dan siap diputihkan. Proses kraft dihasilkan dari eksperimen dasar oleh Carl Dahl pada tahun 1884 di Danzig. Proses ini biasa disebut proses sulfat, karena Na₂SO₄ digunakan sebagai make-up kimia untuk sisa larutan pemasak.

Pulping Proses Dalam Skema Pembuatan Kertas

Secara garis besar ada 2 tahapan proses pembuatan kertas, yaitu;
1. Proses membuat pulp atau bubur kertas; dari skema diatas dimulai dari "woodyard" sampai dengan proses pemutihan atau "bleaching",
2. Proses membuat lembaran kertas; dimulai saat bubur kertas atau pulp mulai masuk ke mesin kertas atau paper mesin sampai dengan lembaran kertas tergulung rapi dalam gelondongan atau roll.

Pada prakteknya kedua proses besar diatas tidaklah perlu menjadi satu kesatuan proses dalam suatu pabrik kertas atau terintegrasi. Bukannya tidak umum suatu pabrik kertas harus membeli bubur kertas dari perusahaan pulp. Pabrik kertas tersebut hanya memiliki mesin kertas saja. Demikian pula suatu pabrik bubur kertas atas pertimbangan strategi bisnisnya, hanya mempunyai mesin "pulping" bubur kertas saja. Walaupun proses pembuatan pulp dan kertas adalah dua proses yang berbeda, namun mereka terkait erat satu sama lain dan saling mempengaruhi dalam proses dan produksi lembaran kertas. Seperti air sungai dimana air di hilir dipengaruhi oleh sumber di hulu.

Proses Pulping

Proses pulping atau pembuatan bubur kertas dapat diuraikan menjadi 9 bagian atau tahapan, sebagai berikut;

1· Woodyard – Dimana sebuah lapangan luas umumnya terbuka tempat menerima dan menyimpan kayu gelondongan yang selanjutnya proses pengkulitan, pemotongan kecil-kecil & penyaringan potongan kayu.

2· Barker – dalam proses penghilangan kulit kayu ini grlondongan kayu dimasukkan dalam "debarking drums", gelondongan silinder berputar mengakibatkan gelondongan kayu ikut berputar dan bergesekan satu dengan yang lain melucuti kulit kayunya.

3· Chipper – mesin pemotong gelondongan kayu menjadi ukuran kecil yaitu kurang dari 2 cm dan setipis 1/2 cm.

4· Screen – diperlukan filter penyaring untuk memisahkan potongan kayu yang lebih besar dari target ukuran diatas, dan menghilangkan debu mesin potong yang tidak perlu.

5· Digester – prinsipnya seperti panci masak didapur tempat ibu atau istri anda masak. Potongan kayu yang disebut chips dimasak dengan suhu dan tekanan yang tinggi dalam suatu larutan kimia penghancur. Larutan dan proses masak ini akan melembutkan dan akhirnya memisahkan serat kayu yang diinginkan dari "lignin" yaitu unsur kayu semacam lem yang menahan serat kayu bersatu.

6· Chemical Recovery and Regeneration – proses sampingan kimia inorganik yang diolah ulang dari proses "memasak" sebelumnya, untuk memasak kembali. Bahan kimia buangan dari proses memasak sebelumnya masih dapat diproses ulang, tidak dibuang begitu saja.

7· Blow Tank – ibaratnya setelah selesai dimasak maka makanan disimpan dalam panci penyimpan untuk disajikan kemudian sesuai selera masing-masing individu, apa mau sedikit asin, manis, indah didekorasi dan lain sebagainya. Disini serat kayu sudah terpisah satu sama lain, secara resmi mereka sudah disebut pulp atau bubur kertas.

8· Washing – "mesin cuci" ini akan membersihkan sisa-sisa larutan kimia dan ligin yang masih tertinggal, yang dikirim keproses nomor 6 yaitu chemical recovery process. Ibaratnya saat anda masak nasi, maka beberapa kali anda mentiriskan air beras yang anda cuci sebelum dimasak supaya kotoran hilang. Harap diingat disini anda bukan bertujuan membuatnya menjadi putih bersih! Pada tahap ini bubur kertas secara alami berwarna coklat dan umunya digunakan untuk membuat kertas kantong dan corrugated box yang coklat.

9· Bleaching – proses pemutihan bubur kertas menggunakan kimia pemutih atau bleach, yang tujuan utamanya khusus untuk membuat kertas cetak atau kertas budaya. Jadi proses pemutihan sangat relatif tergantung pada jenis kertas yang akan dibuat.

Proses di Mesin Kertas; Stock Preparation & Wet End

Dengan selesainya proses pemutihan atau bleaching dari proses besar pertama pulping, maka anda memasuki tahapan proses besar kedua yaitu proses di mesin kertas. Ada dua kemungkinan kondisi bubur kertas yang disuplai ke mesin kertas, yaitu: (lihat dan klik artikel terkait dibawah Skema Proses Kertas; Proses pulping)
1. Bubur kertas basah
2. Bubur kertas kering berupa lembaran yang dibundel dalam bentuk bal

Gambar diatas menunjukkan proses pulp dan kertas terintegrasi, dimana pulp yang masih basah langsung disalurkan kebagian "Wet End" dari mesin kertas. Bila suatu pabrik harus membeli dari luar atau disuplai dari perusahaan pulp yang berlokasi berjauhan, maka umumnya pulp atau bubur kertas dalam lembaran kering. Baik basah atau kering, pulp tetap diproses atau dipersiapkan oleh tahapan wet end sebelum kemudian masuk ke dry end.

Proses di Mesin Kertas
Secara kondisi stock atau bubur kertas diproses, maka proses di mesin kertas dibagi dua yaitu wet end and dry end. Namun secara urutan proses maka ada 9 bagian proses, yaitu:
1· Beater, bila pulp kering yang dipakai sebelum proses refiner
2. Refiners
3· Cleaners dan screeners
4· Headbox
5. Wire
6· Presses
7· Dryers
8· Size Press/Dryers
9· Reel

Stock Preparation
Stock preparation adalah proses mengkondisikan bubur kertas sedemikian rupa sehingga serat serat siap untuk diproses pada mesin kertas sesuai dengan target produktifitas, efisiensi dan kualitas kertas yang ingin dicapai. Bubur kertas pada tahapan ini banyak mengandung air dilakukan dalam kondisi basah atau Wet End, untuk memudahkan proses dan menjadi media proses itu sendiri. Pada puncaknya di bagian Head Box, kandungan air bisa sekitar 99.5% sementara sisanya 0.5% yang disebut stock adalah serat dan bahan penambah lainnnya (wet end additives).

Ini bak memasak didapur dimana anda harus memotong bawang hingga halus, daging, mencampur dengan garam supaya dagingnya merasuk, mencuci bahan masakan supaya bersih dan sehat.

Ada 3 proses secara umum yaitu;
1. Memisahkan serat dari satu sama lain, memotong dan menghaluskan; ada 2 bagian yang digunakan yaitu, Beater dan Refiner

2. Membersihkan serat dari kotoran, yaitu menggunakan Cleaner (centrifugal) dan Screener dimana kedua alat ini ditemukan terpisah satu sama lain. Cleaner sebagai tahap pembersih pertama dan relatif serat berukuran lebih besar dari serat pada Screener. Screener terletak sebelum Headbox dimana ukuran serat jauh lebih halus.

3. Menambahkan bahan penambah - wet end additives, ada beberapa bahan penambah diantaranya; filler, sizing, color dye, optical brightening agent (OBA), deformer dll.

Bagian Wet End
1· Refiners – Alat penghalus serat dimana bubur kertas dipotong dan dihancurkan kecil-kecil. Proses ini bertujuan meningkatkan properti kekuatan dan "bonding" serat (bersatunya serat satu sama lain). Gambar diatas menggunakan Jordan Refiner dimana proses "jordaning" terjadi dimana bubur kertas diuraikan, dipotong dan distribusi rata. Sistim Jordan memompa dan mendesak campuran bubur melewati rongga yang sangat sempit dalam proses penghalusan serat.

Bila digunakan pulp kering, maka pabrik menggunakan Pulp Beater, dimana pulp yang kering dimasukkan kedalam tangki penghancur dan dicampur air untuk dibasahkan sebelum campuran bubur masuk ke refiner.

2· Cleaners – Alat pembersih serat, dimana serat pulp yang bersih akan terangkat keatas dan kotoran yang lebih berat akan turun kebawah tabung pembersih. Alat pembersih ini menggunakan "centrifugal force" (kuatan putar) menyebabkan material yang berat dan solid kehilangan momentum pada sisi dinding dalam cleaner. Efek ini membuat material berat tadi lebih cepat turun kebawah tabung dibanding fiber yang ringan.

Sebelum fiber masuk ke Headbox, serat di saring kembali dengan Screener untuk mendapatkan ukuran serat dan bahan yang lain yang seragam agar siap didistribusikan pada mesin pembentuk lembaran kertas selanjutnya.

3· Headbox – bubur kertas yang bersih dan bercampur dengan filler dan kimia penambah lainnya atau disebut stock, kemudian dicampur dengan air untuk membuat "furnish." Furnish adalah 99.5% air dan 0.5% stock. Furnish disalurkan kedalam Headbox, dimana diregulasi sedemikian rupa agar stock terdistribusi merata disepanjang box dan stock tidak bergumpal.

4. Wire (dari mesin kertas Fourdriner)
Berfungsi membentuk bentangan lembaran kertas dengan menyaring furnish terhadap air yang menjadi media pembawa. Air disaring sedemikian rupa lewat lobang halus (mesh) permukaan wire, dan furnish terdiri dari serat dan filler tertahan diatasnya.

Mengapa "Papermaker" Membutuhkan "Retention Aids"

Sejak awal mula berkecimpung dalam dunia kertas anda mungkin selalu dibingungkan dengan "retention aids", terlebih bagi anda yang terlibat dalam proses pembuatan atau pengembangan kualitas kertas. Retention Aids sendiri dalam arti harfiahnya adalah bahan kimia pembantu yang menolong bahan campuran kertas dalam "proses persiapan" (stock preparation) tetap tertahan pada serat bubur kertas, tidak terbuang habis saat proses drainase (pengurasan) pada tahapan penyaringan (wiring) air berlangsung.

Mekanisme pengurasan
Pengurasan air terjadi disebabkan stock bubur kertas mempunyai kandungan air yang sangat tinggi atau encer bisa mencapai 99.5%, dengan kata lain hanya mengandung sekitar 0.5% serat kertas dan bahan campuran. Seperti anda ketahui kertas kering hanya mempunyai rata-rata 5% saja. Disini terjadi proses pembuangan yang diteruskan dengan pengeringan air yang luar biasa besar dalam proses pembuatan kertas.

Retention Aids sangat dibutuhkan pada saat stock bubur kertas disaring oleh wire pada proses "wiring", disini seolah-olah stock bubur kertas diayak. Diharapkan serat bubur kertas tertahan bersamaan dengan campuran kimia lainnya seperti filler (bahan pengisi), warna dan fines (yaitu serat bubur kertas yang sangat halus atau bahan lain yang lebih kecil dari lubang wire.

Disamping lobang saringan atau wire yang relatif besar dari fines dan filler, ada alat sejenis pisau hydrofoil yang dilengkapi dengan vacum penghisap berada dibawah wire untuk membantu pengurasan air.

Perbandingan ukuran material dan wire
Serat pendek bubur kertas mendekati 1 mm, dan serat panjang adalah mendekati 3 mm. Fines yang erdiri dari serat yang sangat halus dan tau bahan lainnya mempunyai ukuran dibawah 76 mikron atau 0.076 mm. Ukuran dari bahan pengisi atau filler kurang lebih 1 mikron atau 0.001 mm.

Ukuran lobang wire sendiri sekitar 76 mikron atau 0.076 mm. Nah, anda bisa membayangkan betapa ruginya pabrik kertas bila bahan yang ditambahkan dalam stock bubur kertas terbuang percuma lewat dari lobang wire.

Mekanisme Retention Aids
Retention aids yang berfungsi mengurangi banyaknya bahan terbuang percuma dari sistim penyaringan air, mempunyai beraneka ragam bahan kimia dengan tingkat efisiensi dan mekanisme proses kimia yang berbeda disesuaikan dengan efek samping dalam mencapai tujuan laba rugi perusahaan dan kualitas kertas yang ingin dicapai.

Secara prinsip teknis, retention aids membuat bahan yang sangat halus tadi menempel dan melekat pada serat bubur kertas yang ukurannya relatif lebih besar dari lobang wire. Dengan demikian, perusahaan kertas dapat menekan biaya produksi akibat terbuangnya bahan campuran dan fines tadi. Disamping itu kualitas kertas yang ingin dituju dapat diatur sedemikian rupa dengan hadirnya bahan pengisi dan bahan campuran lainnya, dimana mereka dapat menentukan sifat cetak kertas seperti kehalusan, poros, penyerapan tinta dan lain sebagainya.

Optimasi Retention Aids
Penambahan yang tidak terkontrol atas retention aids atau kurang baiknya dapat menyebabkan masalah drainase atau pengurasan air yang melambat. Ada 3 faktor kombinasi yang dapat menimbulkan kejadian buruk ini, yaitu; jumlah fines yang sangat tinggi, gramatur kertas yang tinggi, ditambah dengan retensi yang jelek.

Fines akan cenderung menumpuk dan menyumbat lobang saringan dan menyebabkan kualitas kertas menjadi jelek dimana formasi tidak rata, dan proses pembuatan kertas sendiri tidak stabil atau konsisten.

2 Tipe Utama Bahan Kimia yang Membantu Retensi
Pertama adalah Coagulant, umumnya bermuatan positif sangat tinggi yang dicampur dalam bentuk cair pada stock bubur kertas. Prinsip kerjanya adalah menetralisi muatan negatif dari serat bubur kertas dan bahan negatif dan polimer negatif lainnya dalam proses pembuatan kertas. Dengan berkurangnya sifat penolakan antara permukaan serat bubur kertas, ditargetkan fines akan mendekat ke serat dan bersatu satu sama lainnya.

Coagulant - seperti poly-dimethylamine-epichlorohydrin ( umumnya disebut polyamine) mempunyai sifat pengikatan yang relatif lemah, dimana mekanismenya bersandar pada gaya Van der Walls (London dispersion forces). Biasanya papermaker tidak culup hanya mengandalkan coagulan untuk mendapatkan tingkat First Pass Retention (FPR).

Kedua adalah Flocculants, yaitu larutan polimer yang mempunyai berat molekul yang sangat berat atau tinggi. Copolymer dari acrylamide (PAM products) merupakan golongan paling umum flocculant yang digunakan sebagai retention aids dalam proses pembuatan kertas. Berat dari PAM products ini berkisar dari 4 samapi 20 juta grams per mole (berat molekul). Akibat dari besarnya berat molekul ini, mereka mempunyai sifat properti sbb;

1. Bentuk atau konfigurasi rata-rata dlam larutan mempunyai bentuk yang panjang seperti mi atau spagheti yang berbelit satu sama lain, dan mempunyai jarak sisi-ke-sisi satu sama lain berkisar 0.1 sampai 1 mikron (0.0001 mm sampai 0.001 mm), yang kurang lebih seukuran bahan pengisi (filler) kaolin atau calcium carbonate.

2. Sekali molekul-molekul ini melekat satu sama lain pada permukaan serat, akan sangat susah untuk dilepaskan, kecuali ada kondisi dramatis yang terjadi dalam sifat kimia larutan. Singkatnya, sifat flocculant adalah irreversible!

What Makes Paper Different from Similar Materials?

The short answer is the chemical and physical nature of paper's components, plus the hydrogen bonds that hold the fibers together. Paper consists essentially of:

Cellulose fibers
- Cellulose fibers, which are the main component of the raw material - pulp. The individual fibers are present in a network, as can be seen by looking at the torn edge of a piece of paper. These fibers occur in nature, and also contain hemicellulose, which is similar to cellulose.
The adhesive power of hemicellulose and cellulose is achieved by hydrogen bonding. Each cellulose fiber is bonded to its adjacent fibers by thousands of hydrogen bonds. They are chemical bonds that are weaker than the chemical ionic and covalent bonds that hold most materials in the world together. Mechanical entanglement of the fibers makes only a minor contribution to holding fibers together.

Lignin
which accompanies the cellulose fibers. Lignin contributes towards yield from the fibrous raw material (usually wood). It also improves general strength properties (eg: unbleached softwood kraft pulp) including stiffness (eg: corrugating medium), although by acting as a polymer rather than by interfiber bonding. On the negative side, it turns brown during chemical digestion and is also unstable to light. Lignin is therefore removed or bleached, but only to the extent that it cannot be tolerated in a specific grade of paper, because these steps make the paper more expensive.

Paper additives
chemicals) are added to most paper grades to improve specific paper properties. Eg: dyes, kaolin, starch.
The properties of paper differ widely - according to the paper grade. The properties of individual grades are achieved by appropriately influencing the above components during the relevant pulp and paper manufacturing stages.

Difference
The properties of paper differ widely - according to the paper grade. The properties of individual grades are achieved by appropriately influencing the above components during the relevant pulp and paper manufacturing stages.
Paper thus differs from 2 familiar and similar materials:
- Textiles, where the fibers are held together mainly by mechanical entanglement. Eg: weaving.
- Nonwovens, where the fibers are bonded together either by strong chemical bonding agents, or by melting adjacent fibers, or by mechanical entanglement.
The fibrous raw materials, used for both these 2 materials, are mainly synthetic polymers - with their associated different properties. Even when cellulose fiber is used (eg: cotton, linen or wood pulp), little or no lignin is present.