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Herstellung vereinfacht

Es wird zunehmend anspruchsvoller, Verpackungen aus Altpapier in guter Qualität zu erzeugen, da die Qualität der Fasern durch das Recycling stetig abnimmt und die Schließung von Papierkreisläufen die Wirksamkeit der funktionalen Additive negativ beeinflusst. Vor diesem Hintergrund erscheint jede Vereinfachung der Chemie in der Nasspartie hilfreich. Zum Beispiel durch die Verlagerung von Leimung und Färbung in die Leim- oder Filmpresse.

Dr. Jan-Luiken Hemmes, Senior Manager, Global Business Development,Kemira Pulp & PaperAlexander Wahl, Senior Manager, Commercialization, Sizing & Surface Additives, Kemira Pulp & Paper

Papier und Papierverbundstoffe sind mit nahezu 50 % Anteil mengenmäßig das wichtigste Verpackungsmaterial in Europa1,2. 87 % der Verpackungen aus Papier, Karton und Pappe werden wiederverwendet, in der Folge enthalten 78 % aller Verpackungen in Europa Altpapier. Dabei wird inzwischen eine durchschnittliche Holzfaser 6- bis 7-mal recycelt. Um die Qualitätseigenschaften der altpapierhaltigen Verpackungen zu gewährleisten, muss, neben der Zuführung von etwa 30 % meist höherwertiger Faser aus importierten, gefüllten Verpackungen, ein relativ kleiner, aber steigender Anteil an Frischfasern und höherwertigem Altpapier in den Kreislauf zugeführt werden.

Durch verschiedene Prozessoptimierungen wird auch die Energieeffizienz laufend gesteigert. Dies geschieht durch Wärmerückkopplungssysteme sowie durch die Verringerung des spezifischen Wasserverbrauchs pro Tonne produzierten Papiers.

Zusätzlich ändern sich jedoch auch die Märkte, sowie die gesetzlichen und politischen Rahmenbedingungen, in denen das Papierrecycling stattfindet. Durch die Zunahme des Distanzhandels, aber auch die veränderten Konsumgewohnheiten sind erhebliche Veränderungen in der Sortenvielfalt, bei den Mengen und den funktionellen
Eigenschaften der Verpackungsprodukte zu erwarten3.

Die Europäische Union strebt eine europäische Kreislaufwirtschaft für die derzeit etwa 60 Millionen Tonnen umfassende Menge Papier und Papierverbundstoffe an, um die derzeitige Recyclingquote bis 2020 europaweit von 71,5 % auf 74 % zu erhöhen4. Dazu sind erhebliche Anstrengungen nötig, insbesondere zielen diese auf eine stärkere Durchsetzung der getrennten Sammlung von Altpapier in allen europäischen Ländern, sowie auf die Verbesserung des Recyclings und der Faserausbeute von Papierprodukten im gesamten Papierkreislauf ab.

Die Papierindustrie kann nur durch
Kooperation entlang der Wertschöpfungskette auch in Zukunft ihrer Vorreiterrolle in der effizienten Ressourcennutzung gerecht werden. Diese Kooperationen helfen bei der Verbesserung der Energie, Faserausbeute und nicht zuletzt der Prozesschemie und dem Einsatz funktioneller chemischer Additive.

Welche Vorteile können von einer Verlagerung der Hydrophobierung erwartet werden?

Die höheren Recyclingraten und die Erweiterung des Spektrums um unterschiedlichste Verbundpapiere ergeben auch einen immer variableren Rohstoffeintrag. Höhere Anteile an Fein- und Füllstoffen führen zu einer immer höheren Gesamtoberfläche des Stoffsystems. Dies resultiert in einem höheren Verbrauch von funktionalen Chemikalien. Speziell die höhere Dosierung von Masseleimungsmittel kann an Papiermaschinen zu Problemen mit Ablagerungen führen. Es sind aber auch steigende Verbräuche anderer Papierchemikalien (Retention, Entschäumer, festigkeitssteigernde Additive, etc.) zu beobachten. Um diesem Trend entgegenzuwirken, kann die Hydrophobierung von der Masse in die Leimpresse verlagert werden. Dadurch erfolgt eine Entlastung der Stoffsysteme und somit eine Effizienzsteigerung der übrigen Additive. Zusätzlich wird durch Reduktion des Ablagerungspotentials die Runability der Maschine positiv beeinflusst. Auf schwankenden Rohstoffeintrag und somit auch die unterschiedliche Leimbarkeit des Stoffes kann in der Leimpresse wesentlich schneller reagiert werden. 100 % Retention des Leimungsmittels und ein wesentlich geringerer Einfluss der Leimbarkeit der Stoffzusammensetzung führen zu stark reduziertem Einsatz von Leimungsmittel und dies natürlich zu geringeren Gesamtkosten des Leimungssystems.

Kostenersparnisse bis zu 50 % sind möglich. Die Steuerung der Wasseraufnahme (Cobb 60) für Ober- und Rückseite kann in der Leimpresse ebenfalls einfacher und effizienter durchgeführt werden.

Einsatz von kationischem Oberflächenleim FennoSize S C

Die kationischen auf Styrolacrylat basierenden Fennosize S C-Leime sind eine sehr kosteneffiziente Alternative zur herkömmlichen Masseleimung. Die Dosierstelle für Oberflächenleime im Leimpressenkreislauf sollte so gewählt werden, dass gute Durchmischung gewährleistet ist. (z. B.: vor der Kreislaufpumpe), siehe Abb 2. Die erforderliche Menge richtet sich nach den Qualitätsanforderungen des Endproduktes sowie der Rohstoffzusammensetzung. Je nach Produkt, Flächengewicht und Hydrophobierungsgrad wird die Wasseraufnahme der Probe bei verschiedenen Kontaktzeiten gemessen (Cobb; 60sec, 180sec, 1800 sec).

Die Kompatibilität mit der Oberflächenstärke sowie anderen Additiven in der Leimpresse (z. B. Farbstoffen, Entschäumern oder Trockenverfestigern ist zu beachten und kann in Vorversuchen überprüft werden. Dabei ist die Ladung, Viskosität, Feststoffgehalt und Temperatur der Stärke für die Effizienz der Leimung von besonderer Bedeutung. Der Grund hierfür wird offensichtlich, wenn man den Leimungsmechanismus näher betrachtet (Abb. 3).

Die Oberflächenstärke als Trägermedium bestimmt die Verteilung der Leimungspartikel im Papier. Naturgemäß ist eine hohe Konzentration der Leimungspartikel an der Papieroberfläche die effizienteste Art der Hydrophobierung. Im Falle der hier beschriebenen kationischen Leimungsmittel werden durch zusätzliche Wechselwirkung der kationisch geladenen Partikel mit den anionisch geladenen Papierfaseroberflächen eine erhöhte Konzentration des Leimungsmittels an der Oberfläche und damit eine effizientere Leimung erhalten. Schließlich ist das Temperaturprofil in der Nachtrockenpartie so einzustellen, dass die Partikel schmelzen und durch Spreitung und Orientierung der hydrophoben Gruppen eine gute Leimung erzielt wird.

Wenn die Oberflächenleimung nicht oder nur schlecht funktioniert

Für eine gleichmäßige Leimung sind auch Oberflächen- und Querprofil nach der Filmpresse oder Leimpresse wichtig. Das heißt, Walzenprofile, Vordosieraggregate und Trockenprofile beim Einlauf in die Leimpresse müssen gleichmäßig sein. Allerdings ist hier die Empfindlichkeit nicht so hoch wie zum Beispiel beim Farbauftrag, da das Leimungsmittel in der Trockenpartie noch eine gewisse Mobilität hat und einiges an Ungleichmäßigkeit ausgleichen kann. In der Leimpresse braucht man mehr Leimungsmittel auf Grund der höheren Penetration der Flotte. Die Filmpresse erlaubt mehr Spielraum für die Einstellung und Dosiermenge des aufgetragenen Produktes.

Bei der Stärke ist nicht nur die Viskositätseinstellung nach dem Enzymabbau kritisch. Auch die Qualität der Stärke, insbesondere Verunreinigungen und im Produkt enthaltene Entschäumer können die Leimungseffizienz deutlich beeinträchtigen.

Erfahrungen aus der Praxis am Beispiel Testliner

In der Praxis kann man deutliche Einsparungen in den Leimungskosten erreichen, wenn die Papiere nicht massegeleimt sein müssen, ein gleichmäßiger Auftrag erreicht werden kann und die Komponenten der Leimflotte aufeinander abgestimmt sind (s. Tabelle).

Im Fallbeispiel war die Aufgabe bei
einer 2-lagigen Papiermaschine für die Herstellung von Testliner bzw. Fluting aus 100 % Altpapier einen Wechsel von anionischer Flotte zu einem kationischen System durchzuführen. Hauptziel war es, die Gesamtkosten des Systems deutlich zu verringern. Zusätzlich sollte eine Verringerung der Dosiermengen und eine Verbesserung der Durchsicht (hauptsächlich sogenannte „pinholes“) erreicht werden. Vor der Umstellung wurde die Leimung mit
einer anionischen Styrolacrylat Emulsion durchgeführt. Anionische Direktfarbstoffe wurden sowohl in die Leimpresse, als auch in die Masse dosiert.

Nachdem alle Komponenten in Laborversuchen auf Kompatibilität geprüft und die Rheologie der Leimflotte auf die Arbeitsbedingungen der Filmpresse eingestellt waren, konnte die Umstellung auf kationische Farbstoffe und kationisches Leimungsmittel problemlos durchgeführt werden. Die Dosiermenge des Oberflächenleimungsmittels konnte mehr als halbiert werden. Weitere Einsparungen wurden durch eine deutliche Verringerung der Gesamtmenge der dosierten Farbstoffe möglich. Offensichtlich waren im Fall der kationischen Formulierung sowohl das Leimungsmittel wie auch der Farbstoff deutlich weniger ins Blatt penetriert. Die Qualitätssteigerung durch gleichmäßigere Leimung sowie die Verbesserung der Durchsicht durch Abdeckung der „Pinholes“ konnten eindeutig nachgewiesen werden. Gesamtkostenersparnis für Färbung und Leimung lagen in diesem Fall bei 25 %.


Abb. 1: Dosierstellen im Leimpressenkreislauf