Archiv Papiertechnik

Synthetischer Trockenverfestiger

Der Einsatz von Trockenverfestigern rückt bei der Herstellung nassfest ausgerüsteter Hygienepapiere zunehmend in den Fokus. Wesentliche Impulse sind dabei der wachsende Einsatz volumensteigernder Kurzfaserzellstoffe sowie Bemühungen zur Reduzierung der Energiekosten, z. B. durch Minimierung der Refinerleistung.

Ralf Winkel, Dr. Gunnar Kramer BKG Paper Solutions, Ludwigshafen

Da der Markt gleichzeitig keine Zugeständnisse hinsichtlich der Papierfestigkeiten zulässt, sind alternative Lösungen zur Kompensation bzw. Steigerung der Festigkeiten gefordert. Dies kann durch eine geschickte Kombination des Nassfestmittels mit einem geeigneten synthetischen Trockenverfestiger in nahezu idealer Weise realisiert werden.

Grundlagen der Trockenverfestigung

Die Ausbildung von Faser-Faser-Bindungen als Voraussetzung zur Gewinnung von Papierfestigkeit erfolgt über elektrostatische Wechselwirkungen an der Faseroberfläche. Neben anderen Mechanismen ist dabei die Bildung von Wasserstoffbrückenbindungen der dominierende Vorgang im Cellulosefaserverband. Aufgrund der geringen Bindungsenergie der H-Brückenbindung (ca. 2 – 65 kJ/mol) gegenüber einer ionischen (ca. 15 – 200 kJ/mol) oder kovalenten Bindung (ca. 75 – 900 kJ/mol) müssen die Reaktionspartner, sprich die Cellulosefasern, in relativer Nähe zueinander stehen, um miteinander H-Brückenbindungen eingehen zu können.

Welchen Einfluss haben die Holzart und die damit verbundene Fasermorphologie auf die Ausbildung der Papierfestigkeit? In dem Wissen, dass H-Brückenbindungen nur zwischen Dipolen entstehen und eine relativ starke Annäherung der Fasern erfordern, kann man vereinfachend folgende, die Papierfestigkeit begünstigende Einflussfaktoren nennen, die z.T. im direkten Zusammenhang mit der Fasermorphologie stehen:

· die Zahl der OH-Gruppen an der Faseroberfläche

· die Faserlänge

· die Deformierbarkeit (Flexibilität) der Fasern

Die beiden letztgenannten Faktoren sind wesentliche Voraussetzungen zur Schaffung großer Bindungsflä- chen, welche die Bildung von H-Brückenbindungen begünstigen. (Tabelle 1)

Die aufgeführten Zahlenwerte verdeutlichen die relativ großen Unterschiede zwischen den einzelnen Holzarten, welche sich auch im Festigkeitspotential verschiedener Faserstoffmischungen widerspiegeln.

Neben den traditionellen Methoden der Festigkeitssteigerung, wie Mahlung oder Erhöhung des Langfaseranteils mit den entsprechenden Begleitumständen (Erhöhung der Energie- bzw. Faserkosten, Verlust von Weichheit und Volumen), bietet sich der Einsatz von Trockenverfestigern als Alternative an. Heutzutage ist eine große Auswahl an unterschiedlichen Trockenverfestigern erhältlich. Für die Hygienepapierherstellung am bedeutendsten sind kationisch modifizierte Stärken, Polyacrylamide und Carboxymethylcellulosen (CMC). Die verfestigende Wirkung beruht bei den genannten Additiven auf einer Erhöhung der Bindungsstellen zur Ausbildung von H-Brücken bzw. der Verstärkung bestehender H-Brückenbindungen.

Auswahl und Einsatz von Trockenverfestigern

Eine kurze Betrachtung der Eigenschaften und Unterschiede:

kationisch modifizierte Stärken

· Hauptsächlich in Pulverform erhältlich (Flüssigstärken zunehmend bedeutend)

· Auflösung in Wasser mit anschließender Kochung

· Hoher apparativer Aufwand, relativ hohe Betriebskosten

· Hohe Leitfähigkeiten (> 3 mS/cm) und Wasserhärte stören

· Bei störstoffbelasteten Systemen ist ggf. ein ATC-Programm erforderlich

· Zur Festigkeitssteigerung Dosierung im Dickstoffbereich (Maschinenbütte, Niveaukasten)

· Einsatzmengen durch potentielle Ladungsumkehr begrenzt (ca. 0,4 – 1,5 Prozent)

Carboxymethylcellulose, CMC

· Hauptsächlich in Pulverform verfügbar (Flüssigprodukte erhältlich)

· Relativ hoher apparativer Aufwand zur Herstellung der Lösung (Thixotrope Eigenschaften)

· Fixiermittel verbessern die Effizienz

· Geeignet zur Ladungssteuerung und Fixierung kationischer Additive (z.B. Nassfestmittel)

· Dosierung im Dickstoff (Pulper, Mischbütte)

· Typische Einsatzmengen: ca. 0,3 – 1 Prozent

Polyacrylamide

· Hauptsächlich als Lösungen verfügbar (Pulverprodukte erhältlich)

· Einfache Dosiertechnik (Verdünnung an Dosierstelle erforderlich)

· Zur Trockenverfestigung kommen überwiegend anionisch geladene Produkte zum Einsatz

· Fixiermittel erforderlich (z.B. Nassfestmittel)

· Gut geeignet zur Ladungssteuerung

· Hohe Leitfähigkeiten (> 4 mS/cm) stören

· Typische Einsatzmengen: ca. 0,3 – 1 Prozent

Praxisversuche im halbtechnischen Maßstab

Unter modernen Produktionsbedingungen stellt es ein hohes Wagnis dar, eine neue Produktklasse ohne vorhergehende Prüfung direkt in den Erzeugungsprozess zu integrieren. Daher kommt dem Auswahlverfahren eine hohe Bedeutung zu. Ein wesentlicher Nachteil der eingeführten Methoden, wie der Bildung von Laborblättern am Rapid-Köthen, ist die oftmals eingeschränkte Aussagefähigkeit der erzielten Ergebnisse beim scale-up. Eine Methode mit wesentlich höherer Korrelation ist die Durchführung von Papiermaschinen-Versuchen im halbtechnischen Maßstab. Mit überschaubarem zeitlichem wie finanziellem Aufwand kann hierbei wesentlich gezielter auf die Faserstoffaufbereitung, die Reihenfolge der Additivzugabe sowie die Kreislaufführung, bis hin zum Einsatz von Originalkreislaufwasser eingegangen werden.

Zur Beschreibung des Potentials synthetischer Trockenverfestiger wurde für die nachfolgend dargestellten Ergebnisse ein neu entwickeltes anionisches Polyacrylamid mit dem Handelsnamen Giluton® DS AL 100 als Einkomponenten-System sowie in Kombination mit dem kationischen Trockenfestmittel Giluton® DS K ausgewählt. Neben einem prinzipiellen Vergleich der einzelnen Trockenverfestigersysteme lag der Schwerpunkt der Untersuchungen auf der Festigkeitsentwicklung bei reduzierter Mahlenergie sowie bei ansteigendem Kurzfaseranteil. Als Faserstoffe wurden Kiefernsulfat sowie Eukalyptussulfat verwendet. Zur Nassverfestigung wurde das bei der Hygienepapierherstellung bewährte Konzentrat Giluton® 20 XP eingesetzt. Um der, auch in der Tissueindustrie, weiter fortschreitenden Kreislaufschließung Rechnung zu tragen, wurden alle Untersuchungen bei einer erhöhten Leitfähigkeit um 2,5 mS/cm durchgeführt.

In Abbildung 1 sind die Ergebnisse der Festigkeitsentwicklung einer 50:50 LF/KF-Mischung bei 18°SR und 29°SR dargestellt. Bereits bei einer Dosiermenge von 2 kg/t Giluton® DS AL 100 kann das Festigkeitsniveau der höher gemahlenen Faserstoffmischung eingestellt werden, ab einer Menge von 4 kg/t stellt sich im Vergleich zum Ausgangswert + Nassfestmittel eine höhere Reißlänge ein. (Abb. 1)

Abbildung 2 beschreibt den prinzipiellen Vergleich der verschiedenen Trockenverfestiger, der z.T. deutliche Unterschiede erkennen lässt. In Kombination mit Nassfestmittel muss beim Einsatz von kationisch modifizierter Stärke dem oben beschriebenen Phänomen der Systemumladung Rechnung getragen werden, weshalb die Einsatzmengen auf etwa 1,5 Prozent beschränkt sind. Dies führt in Summe zu den geringsten Steigerungen bei der Trocken- und Nassreißlänge. Betrachtet man die CMC und Giluton® DS AL 100, erkennt man neben, im Vergleich zur Stärke, höheren Trockenreißlängen bei beiden Additiven eine Promotorwirkung auf das Nassfestmittel, welche beim CMC deutlicher ausgeprägt ist. Die höchsten Trockenreißlängen lassen sich mit Giluton® DS AL 100 erzielen. (Abb. 2)

Diese Beobachtungen bestätigen sich auch bei einer Veränderung des Fasermix, hin zu mehr Kurzfaser. Auch bei LF/KF-Verhältnissen von 50:50, 40:60 und 30:70 kann der Festigkeitsverlust mit Giluton® DS AL 100 besser kompensiert werden als mit CMC. Insgesamt bleibt jedoch ein klarer Unterschied zum Festigkeits-Niveau der 50:50-Mischung bestehen, zumindest bei dem im Fallbeispiel gewählten geringen Mahlgrad von 18 °SR.

Als Lösungsansatz bietet sich der Einsatz eines Kombinationssystems an, bestehend aus dem kat. Produkt Giluton® DS K sowie Giluton® DS AL 100, mit dem eine weitere Erhöhung der Festigkeiten erzielt werden kann. Der Effekt von Giluton® DS K, einem Polyvinylamin in wässriger Lösung, beruht dabei zum einen auf einer weiteren Bildung von H-Brückenbindungen zwischen dem Additiv und der Faser und führt ferner zu einer zonenweise Kationisierung der Faseroberfläche, was die Anhaftung des anionisch geladenen Giluton® DS AL 100 begünstigt.

Wirkungsgrad bei Einsatz auf Sekundärfasern

Zur Überprüfung der Verwendbarkeit von Giluton® DS AL 100 bei Sekundärfaserstoffen wurden die Ergebnisse des Modellsystems 50:50 LF/KF mit denen eines Markt-DIP-Stoffs verglichen. Bis zu einer Dosiermenge von etwa 10 kg/t lassen sich keinerlei Einschränkungen feststellen, die Reißlängen liegen auf ähnlichem Niveau. Beachtenswert bei beiden Faserstoffsystemen ist der Rückgang der Festigkeiten ab einer Dosiermenge von > 12 kg/t. Hierfür spielen Sättigungseffekte an der Faseroberfläche eine Rolle, so dass, zumindest beim Einkomponentensystem, kein weiteres Bindungspotential zur Anlagerung des Trockenverfestigers mehr zur Verfügung steht. Dieser Effekt ist auch bei anderen Trockenverfestigern, z.B. CMC, zu beobachten.

Zusammenfassung

Trockenverfestiger können einen wichtigen Beitrag zur Senkung der Faserstoff- und Energiekosten bei Hygienepapieren leisten. Das vorgestellte Produkt Giluton® DS AL 100 weist bei der Anwendung mit Nassfestmittel folgende Vorzüge gegenüber eingeführten Systemen wie z.B. Massestärke auf:

· einfache Handhabung durch flüssige Lieferform

· hohe Effizienz

· Einsparpotential beim Nassfestmittel dank Promotorwirkung

· Stabilisierung des wet-end dank guter Ladungskontrolleigenschaften

Durch eine Kombination mit dem Produkt Giluton® DS K lassen sich weitergehende Effekte in Bezug auf die Festigkeitssteigerung erzielen.

Aufgrund der oben genannten Vorzüge und des zu erwartenden, weiteren Anstiegs der Kosten für Energie und Emissionsabgaben wird die Bedeutung von Trockenverfestigern in der Tissueindustrie zunehmen.

Eine Langversion dieses Artikels mit weiteren Abbildungen finden Sie im Internet unter