Polymere Oberflächenleime in der Wellpappenrohpapiererzeugung - papierundtechnik.de

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Polymere Oberflächenleime in der Wellpappenrohpapiererzeugung

Der Markt für Wellpappenrohpapiere in Europa hat bis zum Jahr 2018 durch neue Kapazitäten im Umfang von über zwei Millionen Tonnen weiter an Dynamik gewonnen. Bei nahezu allen Projekten hat man sich für den Einbau einer Filmpresse oder ähnlichem und damit zur Oberflächenleimung entschieden. Der Artikel gibt eine Einführung in die Chemie polymerer Oberflächenleime, beleuchtet anwendungstechnische Aspekte und gibt einen Ausblick auf weitere Möglichkeiten zur Funktionalisierung von Papieroberflächen.

Ralf WinkelKurita Europe GmbH

Die Oberflächenleimung ist seit vielen Jahren der Standard bei der Herstellung von AP-basierten Wellpappenrohpapieren. Zur Einstellung der hydrophoben Eigenschaften kommen dabei in der überwiegenden Zahl der Anwendungen polymere Oberflächenleimungsmittel zum Einsatz. Kurita hat während der letzten beiden Jahrzehnte durch konsequente Weiterentwicklung seiner PERGLUTIN®-Reihe dabei immer wieder neue Benchmarks gesetzt (Abb. 1).

Dies sind die Vorzüge der Oberflächenleimung bei der Herstellung von Wellpappenrohpapieren:

  • Die Sofortleimungswirkung ohne Nachreife-Effekt ermöglicht die
    direkte Weiterverarbeitung des Papiers und minimiert Lagerkosten.
  • Die sehr stabile Leimung auch bei hohen Aschegehalten im Basispapier – kein Leimungsschwund über die Lagerdauer („Fugitive Sizing“) wie von Reaktivleimsystemen bekannt.
  • Eine einseitige Leimung ist auch bei einlagigen Former-Konzepten möglich.
  • Die mögliche Kombination mit basischen oder direkten Farbstoffen zur Färbung in der Oberfläche.
  • Eine deutliche Vereinfachung der Wet-End-Chemie und dadurch die Minimierung störender Ablagerungen.
  • Die höchste Wirtschaftlichkeit (spez. Auftragsmengen 1g/m2).

Chemie Polymerer Oberflächenleimungsmittel

Styrol-Acrylat-Emulsionscopolymere (SAE) haben sich zur Oberflächenleimung von Wellpappenrohpapieren als Additive der Wahl etabliert. Sie werden über die Copolymerisation von Styrol mit Acrylsäure und verschiedener Acrylsäure-Derivate in einem mehrstufigen, radikalischen Emulsionspolymerisationsprozess synthetisiert. Durch Variation der ionogenen Monomere lässt sich der Ladungscharakter von leicht anionisch, amphoter bis kationisch einstellen. SAE-Leimungsmittel sind somit über einen weiten pH-Bereich einsetzbar und bedürfen keiner zusätzlichen Hilfsmittel zur Fixierung an der Faser (Abb. 2).

SAE-Copolymere werden im Wesentlichen durch folgende Kenngrößen charakterisiert:

  • Die Ladungsdichte [meq/g] – die Ladungsdichte gibt die Anzahl geladener Anteile in einer Längeneinheit des Polymers an, welche u. a. für das Aufzugsverhalten auf die Faser verantwortlich sind.
  • Die Ladungsaktivität [mol-%] – der Mol-Anteil kationisch und/oder anionisch geladener Bestandteile im Polymer.
  • Die Glasübergangstemperatur [°C] – als Glasübergang bezeichnet man den reversiblen Übergang in einem amorphen Polymer – oder in einem amorphen Bereich eines teilweise kristallinen Polymers – von einem viskosen oder kautschukartigen („weichen“) Zustand in einen harten und relativ spröden Zustand, der zur Ausbildung eines Filmes unerwünscht ist.
  • Die Minimale Filmbildende Temperatur [°C] – diese Temperatur, die in einer Polymeremulsion üblicherweise unterhalb der Glasübergangstemperatur des Polymers liegt, definiert den Zustand, ab dem die Polymeremulsion einen homogenen Film ausbildet; die Leimflottentemperatur muss oberhalb dieser Temperatur liegen.
  • Den Trockengehalt [%] – der Trockengehalt ist ein Maß für den Gehalt leimungsaktiver Substanzen in der Handelsware.

Eine vergleichende Bewertung verschiedener Polymerleimungsmittel auf Basis nur eines Parameters, zum Beispiel des Trockengehaltes, ist nicht zureichend, um daraus etwa die Leistungsfähigkeit des Leimungsmittels abzuleiten.

Zur Leimung eines Testliners mit einer typischen Cobb60-Anforderung zwischen 25–50 g/m2 kommen üblicherweise kationische SAE-Typen zur Anwendung. Sie besitzen eine gute Verträglichkeit zu den meisten nativen Stärken, aufgrund ihrer kationischen Ladung eine hohe Faseraffinität und, verbunden damit, die höchste Effizienz.

Auf die richtige Einstellung kommt es an – anwendungstechnische Aspekte beim Einsatz polymerer Leimungsmittel

Zur optimalen Nutzung der Produkteigenschaften eines polymeren Oberflächenleimes sind neben der Qualität des Basispapiers und den mechanischen Bedingungen des Auftragsaggregates vor allem die Kenntnis und entsprechende Anpassung der chemisch-physikalischen Verhältnisse in der Leimflotte entscheidend (Abb. 3).

Von wesentlicher Bedeutung ist die Qualität des verwendeten Wassers, mit einem Anteil von bis zu 95 Prozent der mit Abstand größte Bestandteil der Leimflotte. In einer Papierfabrik stehen unterschiedlichste Wasserqualitäten für die Stärkeleimverdünnung zur Verfügung, welche sich zum Teil erheblich im pH-Wert, der Leitfähigkeit sowie dem Gehalt an Feststoffen, teils in kolloidal gelöster Form, unterscheiden. Abbildung 4 zeigt den Einfluss der Wasserqualität auf die Leimperformance.

Eine angedachte Verwendung von Klar- beziehungsweise Rückwässern zur Verdünnung der Leimflotte ist vor der Umsetzung auf jeden Fall kritisch zu prüfen und der Nutzen in Form von eingespartem Frischwasser gegen den Aufwand durch höhere Leimungskosten abzuwägen. Hier können weitergehende Wasseraufbereitungsmaßnahmen wie zum Beispiel Membranfiltrationsanlagen hilfreich sein.

Neben der Leitfähigkeit muss bei der Anwendung ebenso der pH-Wert beachtet werden. Kationische Polymerleime haben ihr Wirkungsoptimum im sauren pH-Bereich.

Da die Produkte sauer eingestellt sind, reicht die enthaltene Säure im Normalfall zur Einstellung eines moderat sauren pH-Wertes der Leimflotte im Bereich pH 4 – pH 5 aus.

Bei hohen Wasserhärten und der damit verbundenen Pufferkapazität des Verdünnungswassers kann die im Produkt enthaltene Säure hierfür mitunter nicht mehr ausreichen, wodurch der Leimflotten-pH-Wert ggf. im neutralen Bereich verharrt. Je nach Hydrolyse-Verhalten des eingesetzten Oberflächenleimes kann dies zu erheblichen Mehrverbräuchen führen (Abb. 5).

Auch die Stärke hat einen erheblichen Einfluss auf den Oberflächenleim, sowohl die verwendete Stärketype als auch deren Abbaumethode betreffend. Die in Europa hauptsächlich Verwendung findenden Oberflächenstärken sind native Weizen-, Mais- und, mit deutlichem Abstand, Kartoffelstärken. Neben dem Gehalt an Amylose und Amylopektin unterscheiden sich diese Stärken auch im Gehalt anderer Begleitstoffe. Dabei kann der Gehalt an Lipiden und Proteinen eine negative Beeinträchtigung des Leimungsmittels zur Folge haben. Kartoffelstärken zeichnen sich hier durch den niedrigsten Gehalt aus, gefolgt von Mais- und Weizenstärke.

Ein weiterer Einflussfaktor, ebenfalls in direktem Zusammenhang zur Stärke stehend, ist das Penetrationsverhalten der Leimflotte, welches neben der Restfeuchte des Basispapiers wesentlich durch Temperatur, Konzentration und Viskosität der Leimflotte beeinflusst wird. Da die Leimflotte unter anderem als Trägermedium für den Oberflächenleim fungiert, wird mit zunehmender Flottenpenetration auch vermehrt Leim in die z-Richtung transportiert, was die Tendenz zu höheren Leimverbräuchen fördert. Um diesem Phänomen entgegenzuwirken, ist eine regelmäßige Kontrolle der Stärkeflotte im Betrieb dringend anzuraten. Dass eine alleinige Überprüfung der Stärkekonzentration hierfür nicht ausreichend ist, zeigt Abbildung 6.

Trotz unveränderter Stärkekonzentration führte die geringere Flottenviskosität infolge einer Überdosierung des Enzyms im gezeigten Beispiel neben einer schlechteren Festigkeitsentwicklung zu einem Mehrverbrauch des Oberflächenleims in einer Größenordnung von 50 Prozent.

Weitere Möglichkeiten zur Wertschöpfung mit polymeren Oberflächenleimungsmitteln

Polymere Oberflächenleimungsmittel haben sich seit ihrer Einführung als kostengünstige und leistungsfähige funktionelle Papieradditive etabliert.

Dank intensiver Entwicklungsarbeit eröffnen sich dem Papierhersteller neue Potentiale:

  • Im Bestreben nach tiefergehender Schonung von Ressourcen und Einsparung von Kosten gewinnen Kraftlinerersatzpapiere mit einem hohen Altpapier-Anteil zunehmend an Bedeutung. Neben hervorragenden mechanischen Eigenschaften, unter anderem zur nassfesten Verklebung, erfordern diese Papiere in vielen Fällen eine besonders harte Leimung (Cobb1800 90 g/m2). Durch den Einsatz von PERGLUTIN® K 600 gelingt dies im Gegensatz zum Herstellungsprozess frischfaserbasierter Kraftliner, auch ohne Verwendung eines Masseleimungsmittels, sowohl bei Linern mit weißer als auch brauner Decke. Dies bei einem hervorragenden Kostenverhältnis, welches bis zu 30 Prozent unter den spezifischen Kosten einer Kombinations- bzw. Masseleimung liegt.
  • Eine hohe Sortenvielfalt erfordert die Anwendung unterschiedlichster Additive in der Oberfläche, zum
    Beispiel von Farbstoffen, optischen Aufhellern, Pigmenten, Fettdichtmitteln oder Vernetzern. Dies stellt hinsichtlich der Kompatibilität hohe Anforderungen an das Leimungsmittel. Der nichtionische Oberflächenleim PERGLUTIN® 400 verbindet eine hervorragende Verträglichkeit zu einer Vielzahl an Oberflächenadditiven mit dem hervorragenden Kostenniveau eines kationischen Oberflächenleimes, dies über einen weiten pH-Bereich.
  • Faserbasierte Rohstoffe aus Papier und Karton eignen sich hervorragend zur Entwicklung variabler, modularer Raumkonzepte, zum Beispiel als Leichtbauwände oder -möbel. Ein limitierendes Element ist dabei häufig der Brandschutz, ferner müssen diese Produkte zur Verarbeitung eine Leimung aufweisen. Durch eine Kombination von anorganischen Flammschutzmitteln (z. B. PYREX®) und dem anionischen Polymerleimungsmittel PERGLUTIN® A 380 lassen sich diese Funktionen durch Oberflächenauftrag in einem Arbeitsgang simultan einstellen.