Kalander jest jednym z kluczowych zespołów maszyn w ciągu technologicznym produkcji papieru, a jednocześnie jednym z najbardziej niedocenianych elementów w ocenie jakości wyrobu gotowego. To właśnie na tym etapie powierzchnia arkusza zyskuje swoją ostateczną gładkość, połysk oraz jednorodność grubości, które w dużej mierze decydują o wartości użytkowej i handlowej papieru. Zrozumienie zasad działania kalandra, zależności między parametrami procesu a właściwościami powierzchni, a także współczesnych trendów konstrukcyjnych, jest niezbędne dla inżynierów i technologów przemysłu papierniczego, zwłaszcza przy rosnących wymaganiach rynku wobec drukowności, stabilności wymiarowej i estetyki materiałów opakowaniowych oraz graficznych.
Znaczenie jakości powierzchni papieru w przemyśle papierniczym
Jakość powierzchni papieru jest pojęciem złożonym, obejmującym szereg parametrów fizycznych i optycznych. Do najważniejszych należą: gładkość, połysk, porowatość, mikroskopowa i makroskopowa równość, a także jednorodność grubości i masy powierzchniowej. Każdy z tych parametrów wpływa na zachowanie papieru podczas drukowania, zadruku cyfrowego, powlekania lub dalszego przetwarzania konwertingowego (np. laminowanie, kaszerowanie, cięcie, składanie). Bez odpowiednio ukształtowanej powierzchni, nawet dobrze zaprojektowana receptura masy włóknistej i prawidłowo przebiegający proces formowania wstęgi nie gwarantują uzyskania wyrobu o wysokiej klasie.
Przykładowo, w papierach graficznych wykorzystywanych w wysokiej jakości druku offsetowym liczy się przede wszystkim gładkość i jednorodność powierzchni, które decydują o równomiernym przyleganiu farby, ograniczeniu jej wsiąkania oraz o ostrości punktów rastrowych. Dla papierów i kartonów opakowaniowych kluczowe są: stabilność wymiarowa, odpowiednia sztywność, ale także właściwy poziom połysku i równomierność barwy, pozwalające uzyskać atrakcyjny efekt wizualny nadruków. Z kolei w papierach technicznych, takich jak papiery silikonowane, etykietowe czy papiery do powlekania folią, szczególne znaczenie ma kontrola chropowatości i profilu mikrogeometrii, od których zależy adhezja kolejnych warstw materiałów.
To właśnie na etapie kalandrowania można w znacznym stopniu korygować niedoskonałości powstałe w poprzednich fazach procesu, takich jak niewielkie wahania grubości, lokalne zagęszczenia lub rozluźnienia struktury, czy drobne defekty topograficzne na powierzchni zakładu włóknistego. Oczywiście zakres tej kompensacji jest ograniczony – kalander nie zastąpi prawidłowego formowania wstęgi ani dobrze dobranej kompozycji masy – jednak jego rola w finalnym kształtowaniu właściwości powierzchni jest trudna do przecenienia.
Z punktu widzenia ekonomiki zakładu papierniczego kalander stanowi istotne narzędzie do sterowania jakością w powiązaniu z wydajnością. Zwiększenie stopnia wygładzenia poprzez podniesienie nacisków liniowych lub temperatur może poprawić parametry optyczne i drukowe, ale jednocześnie prowadzi do spadku objętości właściwej (bulk), zmniejszenia sztywności arkusza i zwiększonych naprężeń wewnętrznych. Dlatego technolog musi znaleźć kompromis pomiędzy wymaganym poziomem jakości a kosztami energii, ryzykiem przerwania wstęgi oraz trwałością okładzin wałów kalandra.
Budowa i zasada działania kalandra
Kalander to zespół wałów ułożonych w pionową lub poziomą wieżę, pomiędzy którymi przechodzi wstęga papieru. Zadaniem kalandra jest wywarcie kontrolowanego nacisku oraz, w zależności od typu urządzenia, również działania termicznego i tarciowego na powierzchnię wstęgi. W wyniku tych oddziaływań następuje sprasowanie mikro‑nierówności, częściowe przemieszczenie włókien i wypełniaczy w warstwie powierzchniowej oraz wygładzenie struktury. Podstawowym elementem roboczym jest para wałów tworząca tzw. szczelinę kalandrową – każdy przejazd wstęgi przez szczelinę powoduje określoną zmianę topografii i grubości.
Wały kalandra można podzielić na kilka grup funkcjonalnych. Pierwszą z nich są wały stalowe o wysokiej twardości, często polerowane na wysoki połysk, a w niektórych rozwiązaniach dodatkowo chromowane. Odpowiadają one za uzyskanie gładkiej, twardej powierzchni kontaktu, która pozwala na równomierne przenoszenie nacisku wzdłuż szerokości wstęgi. Drugą grupę stanowią wały z okładziną miękką – najczęściej z tworzyw polimerowych lub włókien syntetycznych – pełniące funkcję elastycznego podparcia, umożliwiającego lokalne dopasowanie się do nierówności grubości wstęgi. Trzecią grupą są wały ogrzewane lub chłodzone, odgrywające szczególną rolę w kalandrach superkalandrach oraz soft‑kalandrach, w których kontrola temperatury powierzchni wałów ma bezpośredni wpływ na stopień uplastycznienia struktury papieru i poziom uzyskiwanego połysku.
W klasycznym, wielowałowym kalandrze papier przechodzi kolejno przez kilka lub kilkanaście szczelin międzywałowych. Każda szczelina działa jak oddzielna strefa prasowania. Suma efektów z poszczególnych przejść daje końcowy stopień gładkości i zagęszczenia. Nacisk liniowy wywierany na wstęgę jest zwykle rzędu kilkuset do kilkudziesięciu tysięcy N/m, w zależności od rodzaju papieru, prędkości maszyny i typu kalandra. Dodatkowe podgrzewanie wałów (często do temperatur powyżej 100°C dla wysokokwalitych papierów powlekanych) powoduje uplastycznienie spoiwa i wypełniaczy pigmentowych, co umożliwia ich częściowe rozlanie po mikro‑nierównościach powierzchni. W efekcie topografia staje się bardziej wyrównana, a współczynnik odbicia światła zyskuje bardziej regularny charakter, co odbierane jest jako wzrost połysku.
Bardzo istotnym aspektem działania kalandra jest kontrola profilu poprzecznego, czyli rozkładu grubości wstęgi na szerokości. Nowoczesne kalandry wyposażone są w systemy pomiarowe online, które dostarczają danych o profilu gramatury i grubości w czasie rzeczywistym. Na tej podstawie sterowane są indywidualnie strefy dogrzewania wału, sekcje docisku hydraulicznego lub segmenty wałów z regulowaną ugiętością. Pozwala to kompensować naturalne ugięcie wałów pod obciążeniem i uzyskać możliwie równomierny profil, co ma ogromne znaczenie zarówno dla procesów drukowania, jak i dalszej obróbki arkuszy (cięcie, falcowanie, składanie).
Oprócz klasycznych kalandrów maszynowych, stanowiących zintegrowaną część linii papierniczej, w wielu zakładach pracują również kalandry offline. Są one zasilane papierem w zwoju lub w arkuszach po wstępnym wykończeniu i służą do nadawania specjalnych cech, np. bardzo wysokiego połysku, głębokiego satynowania czy też strukturyzowania powierzchni (tłoczenie, mikrotłoczenie). W tego rodzaju instalacjach często stosuje się specjalne wały wzorcowe z precyzyjnie naniesioną topografią, która następnie jest odwzorowywana na papierze pod wpływem nacisku i temperatury.
Typy kalandrów i ich zastosowanie w kształtowaniu jakości powierzchni
Kalander maszynowy
Kalander maszynowy jest zwykle zlokalizowany bezpośrednio za suszarnią główną maszyny papierniczej. Jego zadaniem jest wstępne wygładzenie powierzchni, korekta profilu grubości oraz nadanie papierowi wymaganych podstawowych parametrów optycznych. Składa się zazwyczaj z kilku wałów ułożonych w stos stal–guma lub stal–kompozyt, przy czym liczba szczelin kalandrowych dobierana jest w zależności od prędkości maszyny, szerokości wstęgi i klasy produkowanego papieru. W papierach o niższej gramaturze i przeznaczonych do mniej wymagających zastosowań kalander maszynowy może być jedynym urządzeniem odpowiedzialnym za formowanie powierzchni.
Zakres regulacji nacisku i temperatury w kalandrze maszynowym jest często bardziej ograniczony niż w superkalandrach, ale za to jego praca jest ściśle zintegrowana z pozostałymi sekcjami maszyny. Pozwala to wprowadzać korekty w czasie rzeczywistym w odpowiedzi na zmiany wilgotności, gramatury czy prędkości wstęgi. W praktyce oznacza to, że kalander maszynowy pełni ważną funkcję stabilizacyjną: wyrównuje niejednorodności struktury, ogranicza wahania grubości, a także przygotowuje powierzchnię do ewentualnego późniejszego powlekania lub dalszego kalandrowania offline.
Superkalander
Superkalander jest rozwiązaniem przeznaczonym do uzyskiwania bardzo wysokiego stopnia gładkości i połysku, szczególnie ważnych w produkcji papierów powlekanych, papierów ilustracyjnych, etykietowych czy niektórych rodzajów kartonów graficznych. Składa się z wieży kilkunastu naprzemiennie ułożonych wałów stalowych i miękkich (z okładziną z filcu, bawełny lub nowoczesnych polimerów). Wały stalowe są najczęściej intensywnie ogrzewane, co w połączeniu z wysokim naciskiem liniowym powoduje silne oddziaływanie na warstwy powierzchniowe papieru.
Przejście wstęgi przez każdy kolejny szczelinowy kontakt wału twardego z miękkim skutkuje postępującym wygładzeniem mikrostruktury oraz wyciskaniem powietrza z porów przy powierzchni. W trakcie tego procesu włókna wierzchniej warstwy częściowo układają się równolegle do powierzchni, a pigmenty powłokowe lub wypełniacze mogą się przemieszczać i rozprowadzać w sposób bardziej jednorodny. W efekcie uzyskuje się bardzo wysoką gładkość i połysk, przy jednoczesnym istotnym zmniejszeniu objętości właściwej. Dlatego superkalandrowane papiery są zwykle bardziej zwarte, mniej porowate i twardsze w dotyku, co ma swoje konsekwencje w zakresie sztywności i zdolności do bigowania.
W nowoczesnych superkalandrach stosuje się zaawansowane rozwiązania konstrukcyjne: wały o regulowanej ugiętości, systemy szybkiej wymiany okładzin, automatyczną regulację temperatury oraz nacisków w funkcji prędkości wstęgi. Integracja z systemami pomiarów online pozwala na precyzyjne sterowanie procesem i utrzymanie parametrów jakości w bardzo wąskich tolerancjach. Szczególne znaczenie ma równowaga pomiędzy wymaganym połyskiem a akceptowalnym spadkiem grubości arkusza – nadmierne kalandrowanie może bowiem obniżyć sztywność poniżej poziomu wymaganego w dalszych procesach drukarskich i introligatorskich.
Soft-kalander
Soft-kalander reprezentuje nowszą generację urządzeń, w których położono nacisk na kontrolę właściwości powierzchni przy jednoczesnym ograniczeniu nadmiernego zagęszczania całego przekroju papieru. Zwykle ma on formę kilku par wałów, w każdej parze jeden wał jest stalowy i twardy, a drugi wyposażony w miękką okładzinę polimerową o ściśle dobranej sprężystości i odporności na temperaturę. Cechą charakterystyczną soft‑kalandrów jest możliwość utrzymywania stosunkowo wysokich temperatur powierzchni twardych wałów przy umiarkowanych naciskach liniowych, co pozwala na silne oddziaływanie na warstwy powierzchniowe przy ograniczonym wpływie na głębsze warstwy struktury.
W praktyce soft-kalandry stosowane są zarówno online, jak i offline, a ich elastyczność procesowa pozwala na produkcję szerokiego spektrum gatunków papierów – od niepowlekanych papierów drukowych, przez różne klasy kartonów opakowaniowych, aż po specjalistyczne papiery funkcjonalne. Umiejętne sterowanie temperaturą, wilgotnością wejściową wstęgi oraz naciskiem umożliwia uzyskanie pożądanego stopnia wygładzenia i połysku przy zachowaniu wysokiej objętości właściwej i korzystnej sztywności. Jest to szczególnie istotne dla nowoczesnych materiałów opakowaniowych, w których poszukuje się kompromisu pomiędzy atrakcyjnym wyglądem a niską masą i dobrą sztywnością.
Kalendry specjalne i strukturyzujące
Odrębną grupę stanowią kalandry przystosowane do nadawania powierzchniom papieru określonych struktur dekoracyjnych lub funkcjonalnych. W tego typu urządzeniach co najmniej jeden z wałów posiada grawerowaną lub trawioną powierzchnię, której wzór jest przenoszony na wstęgę pod wpływem nacisku i często również wysokiej temperatury. Możliwe jest uzyskanie mikrotłoczeń zwiększających powierzchnię właściwą, struktur przypominających tkaninę, skórę czy drewno, a także precyzyjnych mikrostruktur technicznych wpływających na własności tribologiczne, zdolność do zatrzymywania powłok lub adhezję klejów.
Kalendry strukturyzujące znajdują zastosowanie m.in. w produkcji papierów dekoracyjnych do laminatów meblowych, papierów do tapet, papierów higienicznych o określonej chłonności, a także w zaawansowanych materiałach filtracyjnych czy elektroizolacyjnych. W każdym z tych przypadków jakość odwzorowania wzoru i stabilność wymiarowa są bezpośrednio zależne od precyzyjnego sterowania parametrami kalandrowania: naciskiem, temperaturą, prędkością przejścia i wilgotnością wstęgi.
Wpływ parametrów kalandrowania na właściwości papieru
Nacisk liniowy i rozkład obciążenia
Nacisk liniowy jest jednym z podstawowych parametrów procesu kalandrowania. Jego wzrost powoduje zwiększenie stopnia wygładzenia i zagęszczenia warstw powierzchniowych, jednak jednocześnie przyczynia się do spadku objętości właściwej i sztywności arkusza. Dla papierów graficznych o wysokich wymaganiach względem jakości druku stosuje się często wyższe naciski, aby uzyskać niski poziom chropowatości i wysoką jednorodność topografii. Natomiast w papierach opakowaniowych preferuje się raczej niższe naciski, pozwalające zachować większą grubość i sprężystość, przy akceptacji nieco niższego połysku.
Rozkład obciążenia w poprzek wstęgi ma wpływ na profil grubości i gramatury. Nowoczesne systemy sterowania pozwalają na precyzyjne kształtowanie ugięcia wałów za pomocą wewnętrznych układów hydraulicznych lub segmentowych stref docisku. Dzięki temu możliwe jest kompensowanie odkształceń wynikających z ciężaru własnego wałów i sił prasowania, co przekłada się na bardziej płaski profil grubości i mniejsze ryzyko defektów drukarskich, takich jak różnice gęstości optycznej farby wzdłuż szerokości arkusza.
Temperatura wałów i wilgotność wstęgi
Temperatura powierzchni wałów kalandrowych znacząco wpływa na mechanizm oddziaływania na papier. Podgrzewanie wałów twardych powoduje uplastycznienie lepiszcza w powłokach pigmentowych lub wypełniaczach mineralnych, co ułatwia ich przemieszczanie i wypełnianie mikro‑zagłębień. Dla papierów powlekanych odpowiednio dobrana temperatura jest warunkiem uzyskania wysokiego połysku i bardzo dobrej gładkości, a także redukcji mikroporowatości w warstwie powłokowej.
Wilgotność wstęgi przed wejściem do kalandra jest równie istotna. Zbyt suchy papier staje się kruchy i podatny na pękanie pod wpływem naprężeń rozciągających, natomiast zbyt wilgotny może ulegać nadmiernemu odkształceniu plastycznemu i nierównomiernemu zagęszczeniu. Utrzymanie optymalnego poziomu wilgotności umożliwia elastyczną deformację struktury przy jednoczesnym zachowaniu zdolności do częściowego powrotu do pierwotnej grubości po wyjściu z kalandra. W przypadku papierów niepowlekanych kontrola wilgotności jest jednym z głównych narzędzi regulacji kompromisu pomiędzy gładkością a zachowaniem objętości właściwej.
Prędkość wstęgi i czas oddziaływania
Prędkość przejścia wstęgi przez kalander determinuje czas kontaktu papieru z powierzchnią wałów w każdej szczelinie. Przy wyższych prędkościach czas ten jest krótszy, co wymaga stosowania odpowiednio wyższych nacisków lub temperatur, aby uzyskać ten sam efekt wygładzenia. Z kolei obniżenie prędkości może zwiększyć wydajność działania kalandra, lecz kosztem ogólnej przepustowości linii produkcyjnej. Dlatego dobór parametrów musi uwzględniać nie tylko wymagania jakościowe, lecz także ekonomię procesu i planowaną wydajność produkcji.
W superkalandrach offline prędkość wstęgi może być regulowana w szerszym zakresie niż w kalandrach maszynowych, co daje większą swobodę w kształtowaniu właściwości powierzchni. W przypadku produkcji krótkich serii papierów specjalnych praktykuje się niekiedy pracę przy obniżonych prędkościach, aby uzyskać efekt bardzo wysokiego połysku lub głębokiego satynowania, których nie dałoby się osiągnąć przy standardowych prędkościach przemysłowych.
Wpływ kalandrowania na drukowność i własności mechaniczne
Kalandrowanie ma bezpośredni wpływ na drukowność, rozumianą jako zespół cech determinujących zachowanie papieru w procesach drukowania. Zwiększenie gładkości i obniżenie chropowatości prowadzi do bardziej równomiernego przenoszenia farby, zmniejszenia zjawiska przenikania farby do wnętrza struktury oraz obniżenia ryzyka punktowania i powstawania defektów związanych z niedostatecznym dociskiem formy drukowej. W druku offsetowym, fleksograficznym czy cyfrowym dobrze skalandrowana powierzchnia sprzyja wysokiej ostrości obrazu, lepszemu odwzorowaniu gradientów tonalnych i zwiększonemu nasyceniu barw.
Jednocześnie proces kalandrowania wpływa na własności mechaniczne papieru, w szczególności na jego sztywność, odporność na zginanie, pękanie i rozerwanie. Nadmierne sprasowanie powoduje spadek objętości właściwej, co z kolei prowadzi do obniżenia odporności na zginanie i pogorszenia charakterystyki ugięcia. Dla papierów i kartonów opakowaniowych jest to zjawisko niepożądane, ponieważ może utrudniać procesy bigowania, składania i napełniania opakowań, a także obniżać ich wytrzymałość podczas transportu i magazynowania. Dlatego dobór warunków kalandrowania powinien zawsze uwzględniać przyszłe zastosowanie wyrobu, aby nie poświęcać nadmiernie właściwości mechanicznych na rzecz efektów optycznych.
Znaczenie kalandrowania w kontekście zrównoważonego rozwoju
Współczesny przemysł papierniczy musi nie tylko spełniać wymagania jakościowe rynku, ale także dążyć do minimalizacji wpływu na środowisko i ograniczania zużycia energii. Kalandrowanie, jako proces energochłonny (ze względu na duże naciski, konieczność ogrzewania wałów i utrzymania wysokich prędkości), jest jednym z obszarów, w których poszukuje się rozwiązań poprawiających efektywność energetyczną. Zastosowanie nowoczesnych okładzin wałów o lepszych właściwościach tribologicznych i cieplnych, optymalizacja profilu temperatury i nacisków, a także integracja systemów automatycznego sterowania umożliwiają zmniejszenie zużycia energii na jednostkę produkowanego papieru przy jednoczesnym utrzymaniu, a nawet poprawie jakości powierzchni.
Oprócz aspektu energetycznego istotne jest również zarządzanie trwałością elementów eksploatacyjnych, takich jak okładziny miękkich wałów i powłoki wałów stalowych. Poprawa jakości materiałów, precyzyjna kontrola parametrów pracy oraz regularne monitorowanie stanu powierzchni wałów pozwalają wydłużyć okresy między przeglądami i wymianą, co przekłada się nie tylko na mniejsze zużycie materiałów, ale też na wyższy poziom stabilności jakości procesu.
Wprowadzenie zaawansowanych systemów pomiarowych do oceny topografii powierzchni papieru – zarówno online, jak i w laboratorium – umożliwia bieżące dostosowywanie parametrów kalandrowania do rzeczywistych potrzeb. Zamiast stosować nadmiarowe naciski lub temperatury „na zapas”, producenci mogą bardziej precyzyjnie dozować intensywność działania kalandra, co przynosi wymierne korzyści energetyczne i materiałowe. Coraz częściej wdraża się także algorytmy optymalizacyjne i modele predykcyjne, pozwalające prognozować wpływ zmian ustawień kalandra na docelowe właściwości wyrobu i automatycznie rekomendować optymalne punkty pracy.
Rosnące znaczenie surowców z recyklingu oraz włókien alternatywnych (np. z trawy, konopi, bambusa) powoduje dodatkowe wyzwania dla technologów kalandrowania. Tego typu surowce charakteryzują się inną morfologią włókien, inną zdolnością do tworzenia gładkich warstw powierzchniowych oraz innym zachowaniem pod wpływem nacisku i temperatury. Odpowiednia adaptacja strategii kalandrowania do specyfiki takich materiałów jest kluczowa, aby możliwe było uzyskanie porównywalnej jakości powierzchni przy jednoczesnym utrzymaniu przewag środowiskowych wynikających z zastosowania surowców alternatywnych.
Kalander, choć często postrzegany jako klasyczny element wyposażenia maszyn wytwarzających papier, pozostaje obszarem intensywnej optymalizacji i innowacji. Jego rola w nadawaniu jakości powierzchni papieru nie ogranicza się do prostego „wygładzenia” arkusza – jest to zaawansowany proces inżynierski, łączący mechanikę, termodynamikę, chemię powierzchni oraz sterowanie procesem w celu uzyskania złożonego, finalnego efektu użytkowego i estetycznego, jaki oczekiwany jest od współczesnych wyrobów papierniczych.
