<Desc/Clms Page number 1>
Verfahren zur Herstellung von Papier
Die Erfindung bezieht sich auf die Herstellung von durch Stärke verfestigtem Papier. An sich ist es bekannt, Stärke der zur Papierherstellung dienenden Masse zuzugeben. Die Stärke verbessert verschiedene Eigenschaften des Papiers, so z. B. seine Festigkeit, seine Steifheit, die Oberflächenglätte, und verhindert oder vermindert das Fasern.
Manchmal ist ungelatinierte Stärke in der Masse enthalten. Es geht aber gewöhnlich ein so grosser Anteil derartiger ungelatinierter Stärke durch das Drahtsieb der Papiermaschine verloren, dass nach der üblichen Praxis gelatinierte oder gekochte Stärke in wässeriger kolloidaler Lösung der papierbildenden Masse zugegeben wird. Wenn auch hiebei ebenfalls ein Teil durch das Drahtsieb verloren geht, so verbleibt doch gewöhnlich ein grösserer Anteil in der Papiermasse als bei der Verwendung ungelatinierter Stärke.
Durch die Zugabe von gekochter oder gelatinierter Stärke zu der wässerigen Papiermasse wird deren Viskosität erhöht. Wenn also eine erhebliche Menge gelatinierter Stärke in der Masse enthalten ist, dann wird die Zeit zur Entwässerung erhöht und dadurch die Arbeitsgeschwindigkeit der Papiermaschine verringert. Daher ist es im allgemeinen wirtschaftlich nicht durchführbar, mit mehr als einer geringen Menge an gelatinierter Stärke in der Papiermasse zu arbeiten.
Gemäss der Erfindung ergibt sich im Gegensatz hiezu die Möglichkeit zur Herstellung eines Papiers, welches die Stärke in jeder gewünschten, in vernünftigen Grenzen liegenden Menge enthält, ohne dass dadurch die Entwässerungszeit auf ein unerwünschtes Mass vergrössert wird. Nach der Erfindung ist es gleichfalls möglich, Papier herzustellen, das einen geringen Stärkeanteil, z. B. 1% bezogen auf das Gewicht des fertigen Papiers, oder das mehr Stärke als Fasern enthält.
Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass eine unter Erwärmen in Wasser gebildete kolloidale Dispersion von Mannogalactan bei einer unter der Gelatinierungstemperatur der Stärke liegenden Temperatur mit fein verteilter ungelatinierter Stärke vermischt wird, worauf die sich ergebende Suspension mit einer faserigen, zur Papierherstellung dienenden Masse gemischt, anschliessend aus dieser Masse die Faserbahn gebildet und feucht bei einer Temperatur erhitzt wird, bei welcher die Stärke in der Bahn gelatiniert. Vorzugsweise wird ein aus Johannisbrotfrucht stammendes Mannogalactan oder Guar-Mannogalactan verwendet.
Es ist zwar bekannt, Mannan-haltige Stoffe bei der Papierherstellung zu verwenden, doch werden diese als Leimungsmittel benutzt und nicht in einer mit der Erfindung vergleichbaren Weise, weshalb auch nicht die erfindungsgemässen Vorteile erhalten werden.
Stärke ist in der Natur in Form von Körnchen vorhanden, deren Grösse zwischen etwa 2 bis etwa 150 Mikron liegt, bezogen auf die Kornlängsachse. Jedes Stärkekorn hat eine äussere, leidlich widerstandsfähige Haut, welche eine Hülle bildet, die eine Masse aus leichter dispergierbarem Stoff umgibt-Wenn die Haut durch mechanische Behandlung oder üblicherweise durch Hitze beim Vorhandensein von Wasser platzt, dann tritt der Inhalt der Hülse nach aussen und bewirkt eine grosse Zunahme der Viskosität des Systems. Die Stärke ist dann gelatiniert. Manche Stärkearten gelatinieren leichter als andere, aber alle Stärken gelatinieren beim Vorhandensein von Wasser unterhalb des Siedepunktes des Wassers. Allgemein genommen beginnt die Stärke beim Vorhandensein von Wasser innerhalb eines Temperaturbereichs von 550C bis 770C zu gelatinieren.
Stärke kommt natürlich vor in Knbllen, wie z. B. Kartoffeln, oder in Wurzeln, wie z. B. Manloc-
<Desc/Clms Page number 2>
wurzeln, oder im Mark der Sagopalme oder im Getreide, wie Roggen, Weizen und Reis, und kann hieraus leicht im reinen Zustand gewonnen werden.
Die Körnchen der sogenannten Rohstärken aller dieser Pflanzenklassen sind natürlich ungelatiniert und können alle gemäss der Erfindung Verwendung finden. An sich ist es bekannt, Rohstärke mit den verschiedensten Mitteln unter Bedingungen zu behandeln, welche das Gelatinieren der Stärke verhindern, z. B. mit Säure, Oxydationsmitteln, hydroxyalkylierenden Mitteln u. dgl. Die so behandelten, sich noch im ungelatinierten Zustand befindlichen modifizierten Stärken sind ebenfalls für die Zwecke der Erfindung geeignet.
Zwecks Ausführung der Erfindung wird rohe oder modifizierte Stärke In einem wässerigen Mittel in Form von ungelatinierten Körnchen suspendiert. Diese ungelatinierte Stärke wird vor ihrer Zugabe zu der faserigen Masse bei einer Temperatur, die unter ihrer Gelatinierungstemperatur liegt, mit einer wässerigen, kolloidalen Dispersion von Mannogalactan vermischt. Die so behandelte Stärkesuspension wird anschliessend einer wässerigen, zur Papierherstellung dienenden Masse zugegeben, welche Zellulosefasern enthält. Vermutlich wird das Mannogalactan von den Zellulosefasern angezogen und wirkt gewisserma- ssen als Bindemittel zwischen den Stärketeilchen und den Fasern.
Auf jeden Fall wird, wenn die aus den Fasern und den mit Mannogalactan behandelten ungelatinierten Stärketeilchen bestehende Masse auf dem Sieb der Papiermaschine in eine Faserbahn übergeführt wird, ein wesentlich grösserer Anteil an Stärketeilchen in dieser Bahn zurückgehalten, als wenn unbehandelte Stärke Yfrwendet wird.
Im allgemeinen wird der Grossteil der behandelten Stärke zurückgehalten, während bei nicht vorbehandelter Stärke deren Hauptteil mit dem Wasser abfliesst.
Die erforderliche Menge an Mannogalactan ist im Verhältnis zu der damit-behandelten ungelati- nierten Stärke sehr gering. Weniger als etwa 2,5 kg Mannogalactan pro 1000 kg ungelatinierter Stärke ergeben eine wesentliche Bindung bzw. Zurückhaltung der Stärketeilchen in der faserbahn. Mit grösseren Mengen Mannogalactan erreicht man etwas bessere Ergebnisse. Sind jedoch ausreichend grosse Mengen ungelatinierter Stärke in der Masse enthalten, dann werden vorteilhaft nicht mehr als etwa 49, 6 kg Mannogalactan je 1000 kg Stärke verwendet, weil sonst die durch das Mannogalactan erhöhte Viskosität der Masse zu einer Verlängerung der Entwässerungszeit auf dem Drahtsieb der Papiermaschine führen würde.
Mannogalactan ist in verschiedenen SamelÙ1U1seu und Pflanzen enthalten. Die gebräuchlichsten Mannogalactane sind in den folgenden Pflanzen enthalten : a) Gummi aus unechter Akazie, auch Johannisbrotfruchtgummi oder Johannisbrotgummi benannt.
Der botanische Name der Ursprungspflanze ist Ceratonia siliqua L. b) Guar-Gummi. Dieser wird von einer Pflanze gewonnen, die den botanischen Namen Cyamposis psoralicides oder Cyamposis tetragonaloba (psoralicides) hat. c) Feuerbaum. Zu dieser Klasse gehören folgende Pflanzen ; Nutysia floribuada, Familie der Loran- thacaea, Brachychiton aerifolius, Familie der Sterculiaceae, Indischer Rhododendrum, dessen botanischer Name R. aboreum ist. d) Huisache-Strauch, dessen botanischer Name Vachellia farnesiana ist. e) Kentucky-Kaffeebaum, dessen botanischer Name Gymnocladus dioica ist. f) Mezquit mit dem botanischen Namen Proscopia juliflora. g) Palo veterde, deren botanische Namen lauten : Torreyanum, Cercidium toneyanum und Cercfdium floridum.
Die am meisten in handelsüblichen Mengen gegenwärtig erhältlichen Mannogalactane sind diejenigen, die aus dem Johannisbrot-und dem Guar-Gummi stammen oder daraus abgeleitet sind. Die handels- üblichen Mannogalactanprodukte enthalten häufig beträchtliche Mengen von zugesetzten Stärkestoffen.
Handelt es sich bei dem Zusatz um kationische Stärke, dann wird dadurch die gute Wirkung des Mannogalactans etwas erhöht, u. zw. auch dann, wenn derartige Stärke, für sich allein angewandt, nur eine geringe Wirkung in bezug auf das Zurückhalten der ungelatinierten Stärketeilchen zeigt.
Um eine, gute Wirkung bei der Ausübung der Erfindung zu erzielen, muss das Mannogalactan kolloidal in Wasser dispergiert werden. Die kolloidale Dispersion des Mannogalactans Ist leicht zu erreichen durch Umrühren und Erwärmen einer dünnen, z. B. l% igen, Mannogalactan-Suspension In Wasser, bis das Mannogalactan quillt und sich "auflöst". Zur Herstellung einer guten kolloidalen Dispersion genügt eine Erwärmung während einiger Minuten auf eine Temperatur, die nahe dem Siedepunkt des Wassers liegt, z. B. 88 C.
Einige Druckpapiersorten, insbesondere diejenigen, die wenig mineralischen Füllstoff und einen grossen Anteil eines Breies, der aus Holzschliff oder auf andere Weise mechanisch gewonnener Masse be-
<Desc/Clms Page number 3>
steht, aufweisen, werden im wesentlichen ohne Erwärmung hergestellt. Bei der Herstellung der meisten Druckpapiersorten wird jedoch die faserige Masse mehr oder weniger gemahlen und/oder verfeinert, wobei die Fasern stark gepresst und zerquetscht werden, wodurch sie aufgerauht und/oder an ihrer Oberfläche mit feinen Fäserchen versehen und in gewissem Ausmass verkürzt werden. Die Einwirkung auf die Fasern ist während des Mahlens und der Verfeinerung sehr kräftig.
Wird mit Massen gearbeitet, die eine derartige Vermahlung benötigen, dann wird vorteilhaft der wässerige Brei aus ungelatinierten, mit kolloidal dispergiertem Mannogalactan überzogenen Stärkekörnern nach dieser Behandlung zugegeben. Des weiteren ist es vorteilhaft, den Brei mit der Masse nur unter geringer Bewegung zu mischen und jede kräftige und/oder längere Bewegung nach der Zugabe des Breies bis zur Herstellung der Papierbahn zu vermeiden.
Es ist bemerkenswert, dass der pH- Wert kein kritischer Faktor für den Erfolg der vorliegenden Erfindung ist. Gute Resultate werden erhalten, gleich, ob die Masse neutral, sauer oder alkalisch ist. Es kann auch Alaun zu der Masse zugegeben werden ; dies ist aber zur Erreichung guter Resultate nicht notwendig.
Gewünschtenfalls kann man von der Verwendung von Alaun Abstand nehmen und damit die diesem anhaftenden bekannten Nachteile ganz vermeiden.
Der bei Anwendung des erfindungsgemässen Verfahrens hinsichtlich der Faltfestigkeit erzielbare Fortschritt ist aus den folgenden Versuchen zu ersehen. Die Faltfestigkeit wird auf dem M. I. T. Faltfestig- keitsprüfgerät gemessen und ist eine Zahl, die die Anzahl der Hin- und Herfaltungen angibt, die das Papier aushält, bevor es in der Faltung bricht.
Verwendet wurde eine wenig gemahlene Masse aus 35 Teilen gebleichter Weichholzfaser und 65 Teilen gebleichter Hartholzfaser (die Holzsorten stammten aus nördlichen Breiten), die so viel gelöste kalzinierte Soda enthält, dass das Wasser der Suspension einen PH-Wert von 10, 5 aufweist. Zunächst wurde ein Teil der Masse entnommen und zu einer Papierbahn A voi etwa 22, 7 kg Gewicht pro Ries geformt. Diese Bahn wurde bei einer Temperatur von etwa 100 C, die zum Gelatinieren etwa vorhandener Stärke ausreicht, getrocknet, über Nacht bei 220C und 50% relativer Feuchtigkeit belassen und mit dem M. I. T. Faltfestigkeitsmessgerät geprüft. Die Bahn A hielt dabei 30 Doppelfaltungen aus, bevor sie brach.
Zu einer anderen gleichgrossen Menge der Masse wurden 10 Gew.-% üngelatinierte, modifizierte Kartoffelstärke zugegeben, bezogen auf das Gewicht der trockenen Faser. Aus dieser Masse wurde eine Papierbahn B gebildet und diese in derselben Weise wie die Bahn A geprüft. Die Bahn B hielt 43 Doppelfaltungen aus. Es ist also eine Festigkeitszunahme von etwas über 43% gegenüber der Bahn A zu verzeichnen.
Zu einer andern gleichgrossen Menge der gleichen Fasermischung wurde, wie im Falle der Bahn B, eine gleichgrosse Menge ungelatinierte, modifizierte Kartoffelstärke zugegeben. Die in Wasser suspendierte Stärke wurde jedoch vorher mit einer 1% Mannogalactan enthaltenden wässerigen kolloidalen Dispersion vermischt, die aus einem Gew.-Teil Johannisbrot-Mannogalactan auf 100 Gew.-Teile Wasser unter Umrühren und Erwärmen während 5 Minuten hergestellt wurde. Es wurde soviel der kolloidalen Dispersion zugegeben, dass die Menge des angewandten Mannogalactans etwa 7kg pro 1000 kg ungelatinierter, modifizierter Kartoffelstärke betrug. Aus der gewonnenen Masse wurde eine Bahn C gebildet und diese in derselben Weise wie die Bahnen A und B geprüft. Die Bahn C widerstand 133 Doppelfaltungen, bevor sie brach.
Das bedeutet eine Zunahme von mehr als 340ça gegenüber der Bahn A.
Eine weitere Bahn D wurde genau so wie die Bahn C zubereitet, jedoch mit dem Unterschied, dass die bei der Bahn C verwendete ungelatinierte, modifizierte Kartoffelstärke durch ungelatinierte, rohe Kartoffelstärke ersetzt wurde. Die Bahn D hielt 189 Doppelfaltungen aus, ehe sie brach. Das bedeutet eine Zunahme von über 480% gegenüber der Bahn A.
Schliesslich wurde eine Bahn E genau so wie die Bahn C hergestellt, nur dass die bei C verwendete ungelatinierte, modifizierte Kartoffelstärke durch ungelatinierte, leicht äthylierte Getreidestärke ersetzt wurde. Die Bahn E hielt 78 Doppelfaltungen aus, ehe sie brach, was eine Zunahme von 160% gegenüber der Bahn A bedeutet.
Die vorstehenden Versuche zeigen, dass die gemäss der Erfindung hergestellten Bahnen eine überraschende Zunahme an Faltfestigkeit aufweisen. Diese grössere Festigkeit ist auf die Stärke zurückzufüh- ren, die im ungelatinierten Zustand durch das mit ihr verbundene kolloidal dispergierte oder gelöste Mannogalactan zurückgehalten wird, und auf die nachfolgende Gelatinierung der Stärke "in situ" während des Trocknens bei erhöhter Temperatur.
Um die Wirkung des Verfahrens gemäss der Erfindung bei solchem Papier zu demonstrieren, das einen hohen Gehalt an mineralischem Füllstoff enthält, wurden folgende Versuche vorgenommen :
Zu 250 g fein verteiltem Kalziumkarbonat-Füllstoff wurden 2 g Johannisbrot-Mannogalactan zuge-
<Desc/Clms Page number 4>
geben, das vorher in heissem Wasser dispergiert wurde. Der so behandelte mineralische Füllstoff wurde zu einer schwach gemahlenen wässerigen Masse hinzugegeben, die 1000 g gebleichte Faser enthielt, welche vorwiegend von Hartholzbäumen stammte. Dann wurde eine Bahn F von etwa 22, 7 kg pro Ries aus dieser Masse hergestellt und dabei gefunden, dass sie einen Füllmittelgehalt von etwa 19% und eine Faltfestigkeit von 5 Doppelfaltungen hatte.
Es wurde eine andere Bahn G auf genau die gleiche Weise wie die Bahn F hergestellt, jedoch mit dem Unterschied, dass 40 Teile fein verteilte ungelatinierte, rohe Kartoffelstärke mit dem Füllmittel gemischt wurden, bevor das Mannogalactan hinzugegeben wurde. Die so erhaltene Bahn G ergab eine Faltfestigkeit von 10 und somit eine 100% igue Zunahme gegenüber der Bahn F.
Kolloidal dispergiertes Mannogalactan ist häufig in zur Papierherstellung dienenden Massen in einer Menge von ein oder mehr Gew.-% der vorhandenen Zellulosefasern enthalten, um die Festigkeit des Papiers zu verbessern. Bei der Verwendung derartiger Mannogalactanmengen ergibt sich eine merkliche Verbesserung der Festigkeitseigenschaften einschliesslich der Faltfestigkeit. Bei den obigen gemäss der Erfindung ausgeführten Versuchen betrug jedoch die vorhandene Mannogalactanmenge uur 0, 1-0, 2 Gew.-% der Zellulosefasern. Die Wirkung einer solchen Mannogalactanmenge auf die Faltfestigkeit ist kaum wahrnehmbar und unbeachtlich.
Die aus den Beispielen ersichtliche grosse Steigerung der Faltfestigkeit ist daher der in der Papierbahn zurückgehaltenen und"in situ"gelatinierten Stärke zuzuschreiben.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Herstellung von Papier unter Verwendung von Mannogalactan als Kleber, dadurch gekennzeichnet, dass eine unter Erwärmen in Wasser gebildete kolloidale Dispersion von Mannogalactan bei einer unter der Gelatinierungstemperatur der Stärke liegenden Temperatur mit fein verteilter ungelatinierter Stärke vermischt wird, worauf die sich ergebende Suspension mit einer faserigen, zur Papierherstellung dienenden Masse gemischt, anschliessend aus dieser Masse die Faserbahn gebildet und feucht bei einer Temperatur erhitzt wird, bei welcher die Stärke in der Bahn gelatiniert.