DE102020116925A1 - Aqueous adhesive mixture for gluing paper materials and a method for producing the same - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft eine wässrige Klebstoffmischung zum Verkleben von Papiermaterialien umfassend Stärke und Kieselsol. Sie betrifft ferner ein verklebtes Papierprodukt, verklebt mit der erfindungsgemäßen wässrigen Klebstoffmischung sowie die Verwendung einer erfindungsgemäßen wässrigen Klebstoffmischung zum Zusammenkleben von Papieroberflächen. Außerdem betrifft sie ein Verfahren zum Herstellen einer entsprechenden wässrigen Klebstoffmischung.The present invention relates to an aqueous adhesive mixture for gluing paper materials, comprising starch and silica sol. It also relates to a glued paper product glued with the aqueous adhesive mixture according to the invention and the use of an aqueous adhesive mixture according to the invention for gluing paper surfaces together. It also relates to a method for producing a corresponding aqueous adhesive mixture.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine wässrige Klebstoffmischung zum Verkleben von Papiermaterialien umfassend Stärke und Kieselsol. Sie betrifft ferner ein verklebtes Papierprodukt, verklebt mit der erfindungsgemäßen wässrigen Klebstoffmischung sowie die Verwendung einer erfindungsgemäßen wässrigen Klebstoffmischung zum Zusammenkleben von Papieroberflächen. Außerdem betrifft sie ein Verfahren zum Herstellen einer entsprechenden wässrigen Klebstoffmischung.The present invention relates to an aqueous adhesive mixture for bonding paper materials comprising starch and silica sol. It also relates to a bonded paper product, bonded with the aqueous adhesive mixture according to the invention, and the use of an aqueous adhesive mixture according to the invention for adhering paper surfaces. It also relates to a method for producing a corresponding aqueous adhesive mixture.
Stand der Technik:State of the art:
Bei der Papierverarbeitung und insbesondere bei der Herstellung von Wellpappen kommen Klebstoffmischungen insbesondere Stärkeleime zum Einsatz, welche die einzelnen Papierlagen verbinden. Zur Vernetzung der Stärkemoleküle in Stärkekleistern und Steuerung der rheologischen und klebetechnischen Eigenschaften, ist der Zusatz von Borax (Natriumtetraborat) bislang essentiell. Seit 2010 sind Borsäure und Natriumborate von der European Chemical Agency (ECHA) als CMR Stoffe (cancerogen, mutagen und reprotoxisch) „besonders besorgniserregend“ eingestuft. 2011 erfolgte im Rahmen von REACH eine Verschärfung der Einstufung, die alle Borverbindungen als SVHC-Stoffe zusammenfasste (Substances of Very High Concern) und eine Kennzeichnung ab einem Gehalt von 0,1 % vorschreibt. Ab 2015 ist zusätzlich die Kennzeichnung „Health hazard“ verpflichtend. Am 1.7.2015 hat die ECHA die Empfehlung ausgesprochen, Borax in die Liste der Stoffe nach Anhang XIV der REACH-Verordnung aufzunehmen. Dies hätte zur Folge, dass ein Einsatz ab 2021 nur noch mit einer speziellen Zulassung, möglich wäre.In paper processing and especially in the production of corrugated cardboard, adhesive mixtures, in particular starch glues, are used, which connect the individual layers of paper. To cross-link the starch molecules in starch paste and control the rheological and adhesive properties, the addition of borax (sodium tetraborate) has so far been essential. Since 2010, boric acid and sodium borate have been classified by the European Chemical Agency (ECHA) as CMR substances (carcinogenic, mutagenic and reprotoxic) "of particular concern". In 2011, as part of REACH, the classification was tightened, summarizing all boron compounds as SVHC substances (Substances of Very High Concern) and requiring labeling from a content of 0.1%. From 2015, the “Health hazard” label will also be mandatory. On July 1, 2015, ECHA issued the recommendation to include borax in the list of substances according to Annex XIV of the REACH regulation. As a result, use from 2021 would only be possible with a special license.
Die Folgen für die Wellpappenindustrie wären weitreichend. Beim Versuch die vorgeschriebenen Grenzwerte einzuhalten, nehmen zahlreiche Wellpappenhersteller und -verarbeiter eine schlechtere Verklebbarkeit und eine niedrigere Produktionsgeschwindigkeit in Kauf. Dies wirkt sich nachteilig auf die Produktivität und die Qualität der Verpackung aus.The consequences for the corrugated board industry would be far-reaching. When trying to adhere to the prescribed limit values, numerous corrugated cardboard manufacturers and processors accept poorer gluing properties and lower production speeds. This has a detrimental effect on the productivity and the quality of the packaging.
Erfolgt eine weitere Verschärfung der EU-Richtlinie zur Einstufung borhaltiger Substanzen, oder wird die Zulassung zur Anwendung von Borax in Wellpappenklebstoffen vollständig entzogen, so können handelsübliche Stärkeklebstoffe für die Wellpappenherstellung nicht mehr eingesetzt werden. Da Bor-verbindungen bei der Herstellung von Stärkeleimen nach heutigem Stand der Technik unersetzlich sind, besteht die Gefahr, dass Stärke mit der Wellpappenindustrie einen der wichtigsten Märkte verliert und vollständig durch erdölbasierte Klebstoffsysteme ersetzt wird.If the EU directive on the classification of substances containing boron is tightened up, or if the approval for the use of borax in corrugated cardboard adhesives is completely withdrawn, commercially available starch adhesives can no longer be used for the production of corrugated cardboard. Since boron compounds are irreplaceable in the production of starch glues according to the current state of the art, there is a risk that starch will lose one of the most important markets with the corrugated cardboard industry and will be completely replaced by petroleum-based adhesive systems.
Herstellprozess von Wellpappe und WellpappenklebstoffenManufacturing process of corrugated cardboard and corrugated cardboard adhesives
Wellpappe ist aus einer oder mehreren Lagen eines gewellten Papiers aufgebaut, das auf eine Lage oder zwischen mehreren Lagen eines anderen Papiers oder einer Pappe geklebt ist. Je nach Anzahl der Lagen des gewellten Papiers und der somit verklebten Deck- und Zwischenlagen, gibt es eine Unterteilung in einseitige, einwellige, zwei- und dreiwellige Wellpappe. Die Herstellung von Wellpappe erfolgt dabei in einer Wellpappenanlage (WPA).Corrugated cardboard is made up of one or more layers of corrugated paper that is glued to one layer or between several layers of another paper or cardboard. Depending on the number of layers of the corrugated paper and the thus glued cover and intermediate layers, there is a subdivision into one-sided, single-wall, two- and three-wall corrugated cardboard. Corrugated cardboard is manufactured in a corrugated cardboard plant (WPA).
Der typische Herstellungsprozess ist durch drei Arbeitsschritte gekennzeichnet:
- - Prägen der Welle (Riffeln),
- - Beleimen der Wellenberge,
- - Aufeinanderpressen von Welle und Decke.
- - embossing of the wave (corrugation),
- - Gluing the wave crests,
- - Pressing shaft and ceiling together.
Im ersten Schritt wird das Papier im Vorheizer erwärmt und befeuchtet. Dadurch wird die erforderliche Elastizität erreicht, damit das Papier verformt werden kann. Anschließend wird dieses unter Druck- und Hitzeeinwirkung zwischen zwei zahnradartig ineinandergreifenden Riffelwalzen hindurchgeführt. Dabei wird die Welle ausgeformt („geriffeit“).In the first step, the paper is heated and moistened in the preheater. This gives the necessary elasticity so that the paper can be deformed. Then, under the action of pressure and heat, this is passed between two corrugated rollers that mesh with one another like a gear. The wave is shaped ("corrugated").
Nach dem Riffeln halten Vakuum oder Überdrucksysteme die gewellte Papierbahn auf der Riffelwalze, bis sie durch die Verklebung mit der Deckenbahn fixiert wird. Auf die Spitzen der Wellenberge des gewellten Papiers wird dann Klebstoff auf Stärkebasis aufgebracht, wodurch die Welle mit einer glatten Deckenbahn zur einseitigen Wellpappe verklebt wird.After the corrugation, vacuum or overpressure systems hold the corrugated paper web on the corrugating roller until it is fixed by gluing it to the top sheet. Glue based on starch is then applied to the tips of the corrugation peaks of the corrugated paper, whereby the corrugation is glued to a smooth cover sheet to form the one-sided corrugated cardboard.
Wird in einem Kaschierwerk auf die einseitige Wellpappe eine zweite Deckenbahn aufgeklebt, entsteht dadurch die einwellige Wellpappe. Werden weitere einseitige Wellpappen aus gewellter und glatter Papierbahn hinzugefügt, entsteht mehrwellige Wellpappe.If a second cover sheet is glued to the one-sided corrugated cardboard in a lamination plant, this creates the single-wall corrugated cardboard. If more single-sided corrugated cardboard made of corrugated and smooth paper web is added, the result is multi-corrugated cardboard.
In der Heiz- und Zugpartie werden die Wellpappenbahnen über Heizplatten (bis 180 °C) gezogen. Hierbei wird den Klebestellen und dem Papier die notwendige Wärme zum Verkleben zugeführt. Gleichzeitig wird auch überschüssige Feuchtigkeit entzogen.In the heating and pulling section, the corrugated cardboard sheets are pulled over heating plates (up to 180 ° C). The heat required for gluing is supplied to the glue points and the paper. At the same time, excess moisture is also removed.
Zur Verklebung von Wellpappen kommen nahezu ausschließlich Stärkeklebstoffe auf Basis von Mais, Kartoffeln, Weizen und in geringen Mengen auch auf Erbsenbasis zum Einsatz. Stärke ist ein pflanzliches Polysaccharid, das aus α-D-Glucose-Einheiten besteht. Je nach Frucht und Provenienz besteht sie aus unterschiedlichen Kohlenhydratanteilen an schwerer löslichem Amylose und leichter löslichem Amylopektin.Starch adhesives based on corn, potatoes, wheat and, in small quantities, also based on peas are used almost exclusively for gluing corrugated cardboard. Starch is a vegetable polysaccharide that consists of α-D-glucose units. Depending on the fruit and provenance, it consists of different carbohydrate proportions of poorly soluble amylose and more easily soluble amylopectin.
Schlüsselprozess bei der Wellpappenherstellung, ist die feste Klebverbindung der gewellten Papierbahn mit dem Deckenpapier möglichst innerhalb weniger Millisekunden. Die hierfür am häufigsten eingesetzten Stärke-klebstoffe werden bevorzugt im sogenannten Stein-Hall-Verfahren hergestellt. Zur Herstellung eines Stein-Hall Leimes werden im ersten Schritt ca. 11 Gew.-% bis 14 Gew.-% des Gesamtstärkeanteils in Gegenwart von Wasser und Natronlauge unter Wärmeeintrag vollständig verkleistert. Die im sogenannten „Primäransatz“ enthaltene Stärkeportion wird auch als Primär-oder Trägerstärke bezeichnet und dient zur Einstellung der Viskosität und des Wasserrückhaltevermögens. Die im Kleister gelöste Stärke dient außerdem als Antiabsetzmittel für den restlichen Stärkeanteil, der im Folgeschritt in seiner nativen granulären Form zugegeben und als Sekundärstärke bezeichnet wird. Abschließend wird den Stein-Hall-Leimen im Stand der Technik Borax (Natriumtetraborat) als Additiv beigefügt. Dieser beeinflusst als Vernetzer die rheologischen Eigenschaften der Stärkeklebstoffe und kommt vor allem zur Steuerung der Abbindegeschwindigkeit (Beschleunigung der Leimvernetzung), der Stabilität und der Oberflächenbenetzbarkeit zum Einsatz. Weitere Additive sind nach Bedarf Weichmacher, Entschäumer und rheologische Hilfsmittel.The key process in the manufacture of corrugated cardboard is the firm adhesive bond between the corrugated paper web and the liner within a few milliseconds, if possible. The starch adhesives most frequently used for this are preferably manufactured using the so-called Stein-Hall process. To produce a Stein-Hall glue, in the first step approx. 11% by weight to 14% by weight of the total starch content is completely gelatinized in the presence of water and sodium hydroxide solution with the introduction of heat. The starch portion contained in the so-called “primary batch” is also referred to as primary or carrier starch and is used to adjust the viscosity and the water retention capacity. The starch dissolved in the paste also serves as an anti-settling agent for the remaining starch content, which is added in its native granular form in the subsequent step and is referred to as secondary starch. Finally, borax (sodium tetraborate) is added as an additive to the Stein-Hall glues in the state of the art. As a crosslinker, this influences the rheological properties of the starch adhesives and is primarily used to control the setting speed (acceleration of glue crosslinking), stability and surface wettability. Further additives are plasticizers, defoamers and rheological auxiliaries as required.
Die
Im Allgemeinen enthält die Mischung aus 11-14 Gew.-% Trägerstärke und 86-89 Gew.-% Sekundärstärke. Der Gesamtfeststoffgehalt beträgt etwa 25-27 %. Dem Primäransatz wird Natronlauge zugesetzt, um den Verkleisterungspunkt auf ca. 53-55 °C herabzusetzen. Tabelle 1: Exemplarische Stein-Hall-Rezeptur
Borax als rheologisches Additiv in WellpappenklebstoffenBorax as a rheological additive in corrugated cardboard adhesives
Bor wird im Stand der Technik zur nativen Stärke im Sekundäransatz als Borax (Natriumtetraborat Na2B4O7 ·10 H2O) oder als Borsäure (H3BO3) hinzugegeben. Durch die Reaktion zwischen Natronlauge und Natriumtetraborat bei der Vermischung der Primär- und Sekundäransätze, entsteht Natriummetaborat, das bei hohen pH-Werten (10-13) sogenannte Boraxbrücken zwischen benachbarten Stärkemolekülen durch Kondensationsreaktion und Wasserstoffbrückenbindungen ausbildet. Die dreidimensionale Vernetzung der Stärkemoleküle durch Borax resultiert in stark verzweigten Polymerketten, die eine Erhöhung des Molekulargewichtes der Stärke zur Folge haben. Die erheblich verstärkte Immobilisierung der Stärkemoleküle führt zur höheren Viskosität und verbesserten Klebe- und Fluideigenschaften des Klebstoffes. Die Wirkung von Borax zeigt sich insbesondere im Verkleisterungspunkt der Stärke, wenn die hohe Viskosität des Klebstoffes für die optimale Vereinigung von Decken- und Wellenpapier erreicht wird - sogenannter „green bond“. Neben der verbesserten Filmbildung des Stärkeklebers auf dem Papier, hat Borax einen positiven Einfluss auf das Wasserrückhaltevermögen des Klebstoffes. Seine hohe Viskosität wirkt dem Verlust von Wasser und Primärstärke in der Klebezone (Penetration in das Faserinnere) entgegen. Auf diese Weise bleibt genug Stärke zur optimalen Verkleisterung übrig. Außerdem wirkt Borax gleichzeitig als Konservierungsmittel.In the prior art, boron is added to native starch in the secondary batch as borax (sodium tetraborate Na 2 B 4 O 7 · 10 H 2 O) or as boric acid (H 3 BO 3 ). The reaction between caustic soda and sodium tetraborate when the primary and secondary batches are mixed together produces sodium metaborate, which at high pH values (10-13) forms so-called borax bridges between neighboring starch molecules through a condensation reaction and hydrogen bonds. The three-dimensional cross-linking of the starch molecules by borax results in highly branched polymer chains, which increase the molecular weight of the starch. The significantly increased immobilization of the starch molecules leads to a higher viscosity and improved adhesive and fluid properties of the adhesive. The effect of borax is particularly evident in the gelatinization point of the starch, when the high viscosity of the adhesive is achieved for the optimal combination of liner and corrugated paper - so-called "green bond". In addition to the improved film formation of the starch adhesive on the paper, borax has a positive influence on the water retention capacity of the adhesive. Its high viscosity counteracts the loss of water and primary strength in the adhesive zone (penetration into the fiber interior). In this way, enough starch remains for optimal gelatinization. In addition, borax also acts as a preservative.
Borax als GefahrstoffBorax as a hazardous substance
Borverbindungen sind im hohen Maße gesundheitsschädlich. Zu den akuten Auswirkungen zählen Reizwirkungen an Schleimhäuten, gastrointestinale Störungen, Effekte am zentralen Nervensystem und Hautschädigungen nach massiver Intoxikation. Da Borax hauptsächlich über den Atemtrakt aufgenommen wird, sind in Leimküchen Atem- und Körperschutzmaßnahmen vorgeschrieben. Aus diesen Gründen ist Borax in Verpackungen mit direktem Lebensmittelkontakt unerwünscht. Borax ist als wassergefährdender Stoff (WGK 1: schwach wassergefährdend) eingestuft und darf dem Abwasser nicht zugeführt werden. Da Borsubstanzen erfahrungsgemäß erst nach 8 bis 10 Jahren abgebaut werden, stellen diese aufgrund der langen Verweilzeit im Altpapierrecycling zudem eine indirekte Belastung für die Umwelt dar. Alternative boraxfreie Stärkeklebstoffe würden entscheidend zur Umweltentlastung beitragen. Ihr Einsatz könnte den Altpapierkreislauf entlasten, und somit zu seiner Selbstreinigung beitragen.Boron compounds are harmful to health to a high degree. The acute effects include irritation to the mucous membranes, gastrointestinal disorders, effects on the central nervous system and skin damage after massive intoxication. Since borax is mainly absorbed through the respiratory tract, breathing and body protection measures are mandatory in glue kitchens. For these reasons, borax is undesirable in packaging that comes into direct contact with food. Borax is classified as a water-polluting substance (WGK 1: slightly water-polluting) and must not be discharged into the wastewater. Since experience shows that boron substances only degrade after 8 to 10 years, they also represent an indirect burden on the environment due to the long retention time in waste paper recycling. Alternative borax-free starch adhesives would make a decisive contribution to environmental relief. Their use could relieve the waste paper cycle and thus contribute to its self-cleaning.
Seit 2010 sind Borsäure und Natriumborate von der European Chemical Agency (ECHA) als CMR Stoffe (cancerogen, mutagen und reprotoxisch) „besonders besorgniserregend“ eingestuft. 2011 erfolgte im Rahmen von REACH eine Verschärfung der Einstufung, die alle Borverbindungen als SVHC-Stoffe zusammenfasste (Substances of Very High Concern) und eine Kennzeichnung ab einem Gehalt von 0,1 % vorschreibt. Beim Versuch die vorgeschriebenen Grenzwerte einzuhalten, nehmen zahlreiche Wellpappenhersteller- und -verarbeiter eine schlechtere Verklebbarkeit und eine niedrigere Produktionsgeschwindigkeit in Kauf. Dies wirkt sich nachteilig auf die Produktivität und die Qualität der Verpackung aus.Since 2010, boric acid and sodium borate have been classified by the European Chemical Agency (ECHA) as CMR substances (carcinogenic, mutagenic and reprotoxic) "of particular concern". In 2011, as part of REACH, the classification was tightened, summarizing all boron compounds as SVHC substances (Substances of Very High Concern) and requiring labeling from a content of 0.1%. When trying to adhere to the prescribed limit values, numerous corrugated cardboard manufacturers and processors accept poorer gluing properties and lower production speeds. This has a detrimental effect on the productivity and the quality of the packaging.
Erfolgt eine weitere Verschärfung der EU-Richtlinie zur Einstufung borhaltiger Substanzen, oder wird die Zulassung zur Anwendung von Borax in Wellpappenklebstoffen vollständig entzogen, so können handelsübliche Stärkeklebstoffe für die Wellpappenherstellung nicht mehr eingesetzt werden. Da Borverbindungen bei der Herstellung von Stärkeleimen nach heutigem Stand der Technik unersetzlich sind, besteht die Gefahr, dass Stärke mit der Wellpappenindustrie einen der wichtigsten Märkte verliert und vollständig durch erdölbasierte Klebstoffsysteme ersetzt wird.If the EU directive on the classification of substances containing boron is tightened up, or if the approval for the use of borax in corrugated cardboard adhesives is completely withdrawn, commercially available starch adhesives can no longer be used for the production of corrugated cardboard. Since boron compounds are irreplaceable in the production of starch glues according to the current state of the art, there is a risk that starch will lose one of the most important markets with the corrugated cardboard industry and will be completely replaced by petroleum-based adhesive systems.
Im Patent
Neben Natriumpolyacrylat werden in Dokument
Als Ersatz für Borax werden im Dokument
Ein weiterer Ansatz ist die in der
Ein weiterer Nachteil von Natriumaluminat im Stärkeleim ist die hohe Einsatzmenge die notwendig ist, um eine ähnliche Klebewirkung wie mit Borax zu erreichen. Der so herbeigeführte stark alkalische pH-Wert führt dazu, dass die Sekundärstärke bei niedrigen Temperaturen verkleistert und keine native Stärke zum spontanen Verkleben verbleibt. Darüber hinaus ist eine direkte Übertragbarkeit in die Wellpappenherstellung aufgrund anderer verfahrenstechnischer Bedingungen bei der Hülsenproduktion schwierig. Hintergrund ist der hohe Produktionsdurchsatz, der für die Verklebung eine angepasste Kinetik der Klebkraftentwicklung sowie zur Trocknung und Planlage der Wellpappe erfordert.Another disadvantage of sodium aluminate in starch glue is the high amount required to achieve an adhesive effect similar to that of borax. The resulting strongly alkaline pH value means that the secondary starch gelatinizes at low temperatures and no native starch remains to spontaneously stick together. In addition, direct transfer to corrugated cardboard production is difficult due to other process-related conditions in core production. The background to this is the high production throughput, which requires adapted kinetics of the bond strength development for the gluing and for the drying and flatness of the corrugated cardboard.
Ein anderer Lösungsansatz wird in
Beim aktuellen Stand der Technik zur boraxfreien Verklebung von Wellpappen hat sich bisher keines der vorgeschlagenen Verfahren durchsetzen können. Dies liegt daran, dass entweder die rheologischen und klebtechnischen Eigenschaften der Boraxsysteme nicht erreicht werden oder die dargestellten Substitute ebenfalls toxikologisch kritisch bewertet werden. Der Einfluss auf die Rheologie beschränkt sich in der Regel darauf, dass die Klebstoffe strukturviskos eingestellt werden. Damit wird jedoch der erforderliche Viskositätsanstieg zum Aufbau des „green bonds“ nur unvollständig erreicht, so dass der Einsatz von Borax als Option offengehalten wird und die resultierenden Klebstoffe nicht frei von Bor und seinen Verbindungen sind.In the current state of the art for borax-free gluing of corrugated cardboard, none of the proposed methods has so far been able to establish itself. This is due to the fact that either the rheological and adhesive properties of the borax systems are not achieved or the substitutes shown are also critically assessed from a toxicological point of view. The influence on the rheology is usually limited to the fact that the adhesives are made structurally viscous. However, this only partially achieves the viscosity increase required to build up the “green bond”, so that the use of borax is kept open as an option and the resulting adhesives are not free from boron and its compounds.
Vor diesem Hintergrund war es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Klebstoffmischung anzugeben, die geeignet zum Verkleben von Papiermaterialien ist und ein Bestandteil umfasst, der die für die Herstellung von Wellpappenverklebung notwendigen Vorteile von borhaltigen Verbindungen wenigstens teilweise ebenfalls bereitstellt, sodass die Menge an Bor in der Klebstoffmischung ggf. reduziert werden kann bei gleichzeitigem Erhalt der Klebe- und Verarbeitungseigenschaften. Bevorzugt war es dabei, dass komplett auf borhaltige Verbindungen verzichtet werden kann.Against this background, it was the object of the present invention to provide an adhesive mixture which is suitable for gluing paper materials and comprises a component which at least partially also provides the advantages of boron-containing compounds necessary for the production of corrugated cardboard gluing, so that the amount of boron in the Adhesive mix can be reduced if necessary while maintaining the adhesive and processing properties. It was preferred that boron-containing compounds can be completely dispensed with.
Um den Aufwand durch Austausch der Klebstoffmischung für die Hersteller von Papierprodukten, insbesondere Wellpappenhersteller möglichst gering zu halten, sollten ferner bevorzugt die bestehenden Maschinenkonfigurationen beim Einsatz der gesuchten Klebstoffmischung bestehen bleiben können. Es sollte also bevorzugt die Möglichkeit bestehen, die Klebstoffmischungen an die Anforderungen gängiger Wellpappenherstellungsanlagen anzupassen, sodass der industrielle Einsatz der gesuchten Klebstoffmischungen sichergestellt ist. Insbesondere bevorzugt sollte dabei einer oder mehrere der nachfolgenden oder besonders bevorzugt alle Punkte möglich sein:
- - Einstellen der rheologischen, verfahrens- und prozesstechnischen Anforderungen der neuen Klebstoffansätze an die Wellpappenproduktion
- - Keine maschinenbaulichen Modifikationen zur Anpassung der Wellpappenherstellung an die boraxfreien Klebstoffe
- - Unveränderte Produktions- und Qualitätssicherheit der Wellpappe
- - Nach wie vor uneingeschränkte Rezyklierbarkeit der Wellpappen, hergestellt mit neuem Klebstoffsystem
- - Adjustment of the rheological, procedural and procedural requirements of the new adhesive approaches to the corrugated cardboard production
- - No mechanical modifications to adapt the corrugated cardboard production to the borax-free adhesives
- - Unchanged production and quality security of the corrugated cardboard
- - Unrestricted recyclability of the corrugated cardboard, manufactured with a new adhesive system
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine wässrige Klebstoffmischung zum Verkleben von Papiermaterialien, umfassend Stärke und Kieselsol.This object is achieved by an aqueous adhesive mixture for bonding paper materials, comprising starch and silica sol.
Papiermaterialien im Sinne der vorliegenden Erfindung sind bevorzugt Wellpappenrohpapiere basierend auf Zellstoff, die sich in Deckenpapiere und Wellenpapiere einteilen lassen. In Abhängigkeit der mechanischen Festigkeit lassen sich Deckenpapiere in Kraftliner, Testliner und Schrenz unterteilen. Insbesondere Letztere weisen einen mehr oder minder hohen Anteil an Altpapieren auf. Wellenpapiere werden vorwiegend für die Welle verarbeitet und zeichnen sich durch hohe Steifigkeiten aus. Zur Verarbeitung von Wellenpapieren stehen Wellenstoff und Halbzellstoff zur Verfügung. Die Flächengewichte variieren bezogen auf die Papiersorte zwischen 50 bis 450 g/m2.Paper materials in the context of the present invention are preferably corrugated cardboard base papers based on cellulose, which can be divided into liner papers and corrugated papers. Depending on the mechanical strength, liner papers can be divided into Kraftliner, Testliner and Schrenz. The latter in particular have a more or less high proportion of waste paper. Corrugated papers are mainly processed for the corrugation and are characterized by their high rigidity. For processing corrugated paper, corrugated pulp and semi-cellulose are available. The basis weights vary based on the type of paper between 50 and 450 g / m 2 .
Stärke im Sinne der vorliegenden Erfindung entspricht dabei in der weiter oben beschriebenen Definition von Stärke. Bevorzugte erfindungsgemäß einzusetzende Stärke stammt aus Weizen, Mais, Kartoffeln, Reis, Erbsen und deren Mischungen. Besonders bevorzugte Stärke stammt aus Weizen, Mais, Kartoffeln und deren Mischungen.Starch in the sense of the present invention corresponds to the definition of starch described above. Preferred starch to be used according to the invention comes from wheat, corn, potatoes, rice, peas and mixtures thereof. Particularly preferred starch comes from wheat, corn, potatoes and their mixtures.
Kieselsol im Sinne der vorliegenden Erfindung sind kolloidale Dispersionen von Polykieselsäurepartikeln mit 10 - 60 Gew.-%, bevorzugt 10 - 30 Gew.-% der Partikel in Wasser. Die in diesem Zustand als nicht agglomeriert vorliegenden Primärpartikel sind bevorzugt anionisch im pH-Bereich von 1 - 14, insbesondere im pH-Bereich von ≥8 gegen Agglomeration stabilisiert. Sie haben mittlere Partikelgrößen im Bereich von 1 - 200 nm, bevorzugt 1 - 50 nm, weiterbevorzugt 1 -15 nm. Die Partikelgrößen können dabei bevorzugt monomodal oder bimodal, weiterbevorzugt monomodal verteilt vorliegen.For the purposes of the present invention, silica sols are colloidal dispersions of polysilicic acid particles with 10-60% by weight, preferably 10-30% by weight, of the particles in water. The primary particles present in this state as non-agglomerated are preferably anionically stabilized against agglomeration in the pH range from 1-14, in particular in the pH range ≥8. They have mean particle sizes in the range from 1 to 200 nm, preferably 1 to 50 nm, more preferably 1 to 15 nm. The particle sizes can preferably be distributed monomodally or bimodally, more preferably monomodally.
Im Zweifelsfall wird die mittlere Partikelgröße mittels Elektromikroskopie bestimmt, wobei jeweils der im Elektronenmikroskop erscheinende größte Durchmesser als der zu wertende Durchmesser gilt und aus mindestens 100 Partikeln das Zahlenmittel bestimmt wird.In case of doubt, the mean particle size is determined by means of electromicroscopy, the largest diameter appearing in the electron microscope being the diameter to be evaluated and the numerical mean being determined from at least 100 particles.
Die Teilchengröße kann in Lösung mittels dynamischer Lichtstreuung (DLS) bestimmt werden. Als Teilchengröße wird der Median (D50-Wert) der Partikelgrößenverteilung angeben. Alternativ kann die Teilchengröße durch Transmissionselektronenmikroskopie bestimmt werden. Dazu werden mindestens 100 Partikel ausgemessen und eine Partikelgrößenverteilung gebildet.The particle size can be determined in solution by means of dynamic light scattering (DLS). The median (D50 value) of the particle size distribution is given as the particle size. Alternatively, the particle size can be determined by transmission electron microscopy. For this purpose, at least 100 particles are measured and a particle size distribution is formed.
Im Gegensatz zu wässrigen Dispersionen aus festen Kieselsäuren, verlaufen bevorzugt bei der Herstellung von Kieselsolen alle Fertigungsschritte in flüssiger Phase. Zum Beispiel ausgehend von wässrig alkalischer Wasserglaslösung erfolgt das Partikelwachstum nach Dealkalisierung durch Ionenaustausch auf die geforderte Partikelgröße mit abschließender Partikelstabilisierung (bevorzugt). Bevorzugt sind die Polykieselsäure-/Siliziumdioxid-Partikel überwiegend annähernd kugelförmig (d. h. das Verhältnis des größten zu kleinstem Durchmessers einer Kugel beträgt maximal 2 bevorzugt maximal 1,5).In contrast to aqueous dispersions of solid silicas, all manufacturing steps in the manufacture of silica sols preferably take place in the liquid phase. For example, starting from an aqueous alkaline waterglass solution, the particle growth takes place after dealkalization by ion exchange to the required particle size with subsequent particle stabilization (preferred). The polysilicic acid / silicon dioxide particles are preferably predominantly approximately spherical (i.e. the ratio of the largest to the smallest diameter of a sphere is a maximum of 2, preferably a maximum of 1.5).
Im Sinne der vorliegenden Erfindung ist es möglich, dass „Kieselsol“ elektrostatisch stabilisierte Polykieselsäure-/Siliziumdioxid-Partikel umfasst, wobei bevorzugt ist, dass sämtliche entsprechende Partikel elektrostatisch stabilisiert sind.In the context of the present invention, it is possible that “silica sol” comprises electrostatically stabilized polysilicic acid / silicon dioxide particles, it being preferred that all corresponding particles are electrostatically stabilized.
Ferner ist es möglich, dass „Kieselsol“ im Sinne der vorliegenden Erfindung oberflächenmodifizierte Polykieselsäure-/Siliziumdioxid-Partikel umfasst, wobei es auch möglich ist, dass sämtliche Polykieselsäure-/Siliziumdioxid-Partikel entsprechend modifiziert sind.It is also possible for “silica sol” in the sense of the present invention to include surface-modified polysilicic acid / silicon dioxide particles, it also being possible for all of the polysilicic acid / silicon dioxide particles to be modified accordingly.
Bevorzugt ist eine optionale Oberflächenmodifikation mit Aluminium, was zum Beispiel durch den Zusatz von Aluminiumsalzen erfolgen kann. Alternativ bevorzugt kann die Oberfläche durch Reaktion mit Silanen organisch modifiziert werden. Durch die Modifikation von Silanen ist es möglich, die Partikel neben der vorzugsweise elektrostatischen Stabilisierung auch sterisch zu stabilisieren.An optional surface modification with aluminum is preferred, which can be done, for example, by adding aluminum salts. Alternatively, the surface can preferably be organically modified by reaction with silanes. By modifying silanes, it is possible to sterically stabilize the particles in addition to the preferably electrostatic stabilization.
Überraschenderweise hat sich herausgestellt, dass die Zudosierung zu Kieselsol im Sinne der vorliegenden Erfindung die Bereitstellung eines Stoffes darstellt, der der wässrigen Klebstoffmischung ähnliche oder zum Teil sogar günstigere Eigenschaften im Sinne der Papierverklebung vermittelt als borhaltige Verbindungen. Zwar ist im Sinne der vorliegenden Erfindung Bor nicht unbedingt ausgeschlossen als Bestandteil der wässrigen Klebstoffmischung, es ist aber möglich, den Boranteil erheblich zu reduzieren oder sogar vollständig darauf zu verzichten, was natürlich im Sinne der oben beschriebenen Bedenken gegen die borhaltigen Verbindungen wünschenswert ist.Surprisingly, it has been found that metering into silica sol in the context of the present invention represents the provision of a substance which imparts properties similar to or in some cases even more favorable properties in terms of paper bonding than boron-containing compounds to the aqueous adhesive mixture. Although boron is not necessarily excluded as a component of the aqueous adhesive mixture for the purposes of the present invention, it is possible to reduce the boron content considerably or even to do without it, which is of course desirable in the context of the concerns described above about the boron-containing compounds.
Dementsprechend bevorzugt ist eine erfindungsgemäße wässrige Klebstoffmischung, umfassend ≤0,5 Gew.-% Bor, bezogen auf das Gesamtgewicht der wasserfreien Klebstoffmischung nach Aushärtung und bevorzugt kein Bor.Accordingly, preference is given to an aqueous adhesive mixture according to the invention, comprising 0.5% by weight of boron, based on the total weight of the anhydrous adhesive mixture after curing, and preferably no boron.
Die Wirkung von Borax beruht auf der Vernetzung freier Hydroxylgruppen der Stärke unter Bildung von Borsäurestärkeestern und/oder Wasserstoffbrückenbindungen, die den geforderten Viskositätssprung unter Ausbildung des „green bond“ zur Folge haben. Alternativ sind Vernetzungsreaktionen auf Basis von Kieselsolen denkbar, die im wässrigen Milieu als Kolloide vorliegen und durch elektrostatische Aufladung ihrer Partikeloberflächen gegen Agglomeration und Gelierung stabilisiert werden. Die Stabilisierung erfolgt in der Regel durch Alkalizugabe, wodurch eine gleichsinnige elektrisch negative Aufladung aller Kieselsol - Partikel erzeugt wird. Bei Verlust der Stabilisierung erfolgt die irreversible Agglomeration durch Übergang vom unvernetzten Sol in den räumlich vernetzten Gelzustand. Die Stabilität wird dabei unter anderem durch die Teilchengröße und die Konzentration der Siliziumdioxidpartikel beeinflusst. Nimmt die Feststoffkonzentration während der Verarbeitung eines entsprechend modifizierten Papierklebstoffes in der Wellpappenanlage durch Verdampfung, Verdunstung oder durch Wegschlagen von Wasser ins Papiersubstrat zu, wird der Abstand zwischen den Kieselsol - Partikeln so weit verringert, bis die elektrostatische Abstoßung von der auf sehr kurzem Abstand wirkenden van Waals Anziehung überkompensiert wird und spontan die Gelierung einritt, was den geforderten sprunghaften Viskositätsanstieg zur Folge hat.The effect of borax is based on the cross-linking of free hydroxyl groups of the starch with the formation of boric acid starch esters and / or hydrogen bonds, which result in the required jump in viscosity with the formation of the “green bond”. Alternatively, crosslinking reactions based on silica sols are conceivable, which are present as colloids in an aqueous medium and are stabilized against agglomeration and gelation by electrostatic charging of their particle surfaces. Stabilization is usually carried out by adding alkali, which creates a negative electrical charge in the same direction for all silica sol particles. If the stabilization is lost, the irreversible agglomeration takes place through the transition from the uncrosslinked sol to the spatially crosslinked gel state. The stability is influenced, among other things, by the particle size and the concentration of the silicon dioxide particles. If the solids concentration increases during the processing of a correspondingly modified paper adhesive in the corrugated cardboard system due to evaporation, evaporation or due to the water getting into the paper substrate, the distance between the silica sol particles is reduced until the electrostatic repulsion from the van, which acts at a very short distance Waals attraction is overcompensated and gelation occurs spontaneously, which results in the required sudden increase in viscosity.
In eigenen Versuchen haben die Erfinder festgestellt, dass Langzeitstabilisierungen der erfindungsgemäßen wässrigen Klebstoffmischung in vielen Fällen empfindlich auf die Zugabe mehrwertiger Ionen reagieren. Es ist aber auch möglich, erfindungsgemäße wässrige Klebstoffmischungen einzusetzen, ohne dass weitere Kationen vorhanden sind, also solche, bei denen alle vorhandenen Kationen lediglich aus der Kieselsol-Komponente und ggf. zugesetzter Natronlauge stammen.In their own experiments, the inventors have found that long-term stabilizations of the aqueous adhesive mixture according to the invention are in many cases sensitive to the addition of polyvalent ions. However, it is also possible to use aqueous adhesive mixtures according to the invention without further cations being present, that is to say those in which all cations present originate only from the silica sol component and optionally added sodium hydroxide solution.
Dementsprechend ist erfindungsgemäß eine wässrige Klebstoffmischung bevorzugt, umfassend (i) keine Kationen zusätzlich zu denen des Kieselsols und der Natronlauge oder (ii) zwei- und/oder mehrwertige Kationen.Accordingly, an aqueous adhesive mixture is preferred according to the invention, comprising (i) no cations in addition to those of the silica sol and sodium hydroxide solution or (ii) divalent and / or polyvalent cations.
Alternativ oder zusätzlich zur Salzzugabe sind verschiedene Kieselsol-Qualitäten von Interesse. Es ist also möglich, die erwünschten Eigenschaften durch Auswahl geeigneter Kieselsole zu erzielen. Dabei ist es grundsätzlich so, dass je größer die spezifische Oberfläche der Kieselsol-Partikel bzw. je kleiner die Partikel sind, desto größer ist deren Reaktivität.As an alternative or in addition to the addition of salt, various silica sol qualities are of interest. It is therefore possible to achieve the desired properties by selecting suitable silica sols. It is basically the case that the larger the specific surface area of the silica sol particles or the smaller the particles, the greater their reactivity.
Dementsprechend ist eine erfindungsgemäße wässrige Klebstoffmischung bevorzugt, wobei das Kieselsol über eine mittlere Partikelgröße von 1 nm - 200 nm, bevorzugt 1 nm - 50 nm, weiter bevorzugt 1 nm -15 nm verfügt und/oder wobei die spezifische Oberfläche der Partikel im Kieselsol 25 m2/g - 1500 m2/g, bevorzugt 100 m2/g - 1500 m2/g, weiter bevorzugt 200 m2/g -1000 m2/g beträgt.Accordingly, an aqueous adhesive mixture according to the invention is preferred, the silica sol having an average particle size of 1 nm-200 nm, preferably 1 nm-50 nm, more preferably 1 nm -15 nm and / or the specific surface area of the particles in the silica sol being 25 m 2 / g-1500 m 2 / g, preferably 100 m 2 / g-1500 m 2 / g, more preferably 200 m 2 / g -1000 m 2 / g.
Selbstverständlich können die gewünschten Eigenschaften auch dadurch beeinflusst werden, dass eine geeignete Menge an Kieselsol vorhanden ist, dementsprechend ist es erfindungsgemäß bevorzugt, dass der Anteil an siliciumdioxidhaltigen Partikeln aus dem Kieselsol in der erfindungsgemäßen Klebstoffmischung bezogen auf das Gesamtgewicht der wasserfreien Klebstoffmischung nach Aushärtung 1 Gew.-% bis 15 Gew.-%, bevorzugt 1 Gew.-% bis 5 Gew.-% beträgt.Of course, the desired properties can also be influenced by the fact that a suitable amount of silica sol is present; accordingly, it is preferred according to the invention that the proportion of silicon dioxide-containing particles from the silica sol in the adhesive mixture according to the invention based on the total weight of the anhydrous adhesive mixture after curing is 1 wt. -% to 15% by weight, preferably 1% by weight to 5% by weight.
Grundsätzlich gilt, dass die spezifische Oberfläche der Partikel im Kieselsol im Zweifelsfall mittels der BET-Methode bestimmt wird.In principle, the specific surface area of the particles in the silica sol is determined using the BET method in case of doubt.
Generell hängen die Geliergeschwindigkeit und die Festigkeit des resultierenden Gels von Typ, Konzentration, Elektrolytkonzentration und Elektrolytart ab. Der Viskositätsanstieg erfolgt nach einer Inkubationsperiode (Verarbeitungszeit) sehr rasch, was für den überraschend adäquaten Ersatz von Borax spricht. Die alkalischen oder sauren, anionischen bzw. die sauren, kationischen Kieselsoltypen sind im Gegensatz zu Borax nach der Gefahrstoffverordnung und entsprechenden EG-Richtlinien nicht kennzeichnungspflichtig und toxikologisch unbedenklich.In general, the rate of gelation and the strength of the resulting gel depend on the type, concentration, electrolyte concentration and type of electrolyte. The increase in viscosity occurs very quickly after an incubation period (processing time), which speaks in favor of the surprisingly adequate replacement of borax. The alkaline or acidic, anionic or the acidic, cationic types of silica sol, in contrast to borax, do not require labeling according to the Hazardous Substances Ordinance and the corresponding EC guidelines and are toxicologically harmless.
Kieselsole gehören zur Stoffklasse der Kieselsäuren. Weitere Vertreter dieser Klasse sind Wassergläser, Kieselgele sowie gefällte und pyrogene Kieselsäuren. Alle genannten Typen lassen sich auf Monokieselsäure (Orthokieselsäure) Si(OH)4 zurückführen und beschreiben einen mehr oder minder hohen Kondensationsgrad unter Abspaltung von Wasser hin zu Meta- und Polykieselsäuren. Am Ende dieser Kette steht das als Quarz SiO2 bezeichnete Anhydrid der Kieselsäure. Neben den beschriebenen Kieselsolen weisen die ebenfalls nanopartikularen pyrogenen Kieselsäuren und die wasserlöslichen Wassergläser als Alkalisalze niedermolekularer Kieselsäuren einen geringen Kondensationsgrad auf und galten zum Teil als potentielle Boraxsubstitute, während hochkondensierte Kieselsäuren in Form von Kieselgelen oder gefällten Kieselsäuren im Sinne der Idee nicht Frage kommen.Silica sols belong to the class of silicic acids. Other representatives of this class are water glasses, silica gels and precipitated and pyrogenic silicas. All types mentioned can be traced back to monosilicic acid (orthosilicic acid) Si (OH) 4 and describe a more or less high degree of condensation with the elimination of water to form meta- and polysilicic acids. At the end of this chain is the silica anhydride , known as quartz SiO 2. In addition to the silica sols described, the likewise nanoparticulate pyrogenic silicas and the water-soluble water glasses as alkali salts of low molecular weight silicas have a low degree of condensation and were in some cases considered to be potential substitutes for borax, while highly condensed silicas in the form of silica gels or precipitated silicas are out of the question in the sense of the idea.
Folgerichtig wurden in der
Bevorzugt ist eine erfindungsgemäße wässrige Klebstoffmischung, wobei die Stärke sowohl granulär als auch kolloidal dispergiert vorliegt.An aqueous adhesive mixture according to the invention is preferred, the starch in both granular and colloidally dispersed form.
Es hat sich im Sinne der Erfindung herausgestellt, dass diese Form der Stärken mit den erfindungsgemäß einzusetzenden Kieselsolen besonders gut zusammenwirken, um die gewünschten Eigenschaften im Sinne der Papierverklebung zu erzeugen.It has been found in the context of the invention that this form of starch interacts particularly well with the silica sols to be used according to the invention in order to produce the desired properties in terms of paper bonding.
Erfindungsgemäß bevorzugt ist eine erfindungsgemäße wässrige Klebstoffmischung, wobei die Klebstoffmischung ein Stein-Hall-Leim ist.According to the invention, an aqueous adhesive mixture according to the invention is preferred, the adhesive mixture being a Stein-Hall glue.
Ein Stein-Hall-Leim wird dabei hergestellt, wie oben beschrieben. Dabei ist es im Sinne der vorliegenden Erfindung selbstverständlich, dass Bor kein essentieller Bestandteil eines Stein-Hall-Leimes ist.A Stein-Hall glue is produced as described above. In the context of the present invention, it goes without saying that boron is not an essential component of a Stein-Hall glue.
Stein-Hall-Leime werden schon seit langer Zeit erfolgreich in der Papierverklebung eingesetzt, dies gilt insbesondere für die Herstellung von Wellpappe.Stein-Hall glues have been used successfully in paper bonding for a long time, especially in the manufacture of corrugated cardboard.
Teil der Erfindung ist auch ein verklebtes Papierprodukt, verklebt mit einer erfindungsgemäßen Klebstoffmischung.Part of the invention is also a bonded paper product, bonded with an adhesive mixture according to the invention.
Diese Papierprodukte können einen verringerten, bevorzugt keinen Borgehalt aufweisen.These paper products can have a reduced, preferably no, boron content.
Besonders bevorzugt ist ein erfindungsgemäßes Papierprodukt, das eine Wellpappe umfasst, wobei die Wellpappe mit der erfindungsgemäßen Klebstoffmischung verklebt wurde. Dabei ist eine „Wellpappe“ im Zweifelsfall im Sinne der oben gegebenen Beschreibung zu verstehen.A paper product according to the invention which comprises a corrugated cardboard is particularly preferred, the corrugated cardboard having been glued with the adhesive mixture according to the invention. In case of doubt, “corrugated cardboard” is to be understood in the sense of the description given above.
Teil der Erfindung ist auch die Verwendung einer erfindungsgemäßen wässrigen Klebstoffmischung zum Zusammenkleben von Papieroberflächen, insbesondere zur Herstellung von Wellpappen.Part of the invention is also the use of an aqueous adhesive mixture according to the invention for gluing paper surfaces together, in particular for producing corrugated cardboard.
Ferner ist Teil der Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen wässrigen Klebstoffmischung, umfassend die Schritte a) Bereitstellen von Stärke, b) Bereitstellen von Kieselsol, c) ggf. Bereitstellen weiterer Bestandteile und d) Dispergieren der bereitgestellten Bestandteile, wobei es selbstverständlich bevorzugt ist, dass die genannten Bestandteile in einer oben beschriebenen bevorzugten Variante bereitgestellt werden.Furthermore, part of the invention is a method for producing an aqueous adhesive mixture according to the invention, comprising the steps a) providing starch, b) providing silica sol, c) optionally providing further constituents and d) dispersing the provided constituents, whereby it is of course preferred, that the components mentioned are provided in a preferred variant described above.
Teil der Erfindung ist ferner ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen verklebten Papierproduktes, umfassend die Schritte
- a) Bereitstellen einer wässrigen Klebstoffmischung nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
- b) Bereitstellen der zusammenzuklebenden Papierteile und
- c) Verkleben der zusammenzuklebenden Papierteile mit der wässrigen Klebstoffmischung.
- a) providing an aqueous adhesive mixture according to one of claims 1 to 8,
- b) providing the pieces of paper to be glued together and
- c) gluing the paper parts to be glued together with the aqueous adhesive mixture.
Allgemein konnten im Rahmen der Erfindung durch Definition und Erprobung alternativer Vernetzungssysteme, innovative sogar boraxfreie Stein-Hall-Leime unter Berücksichtigung typischer Laufzeiten von Wellpappenmaschinen und wirtschaftlicher Aspekte in die industrielle Praxis überführt werden. Die Eignung der Neuentwicklung orientiert sich am Leistungsspektrum etablierter boraxhaltiger Klebstoffsysteme.In general, within the scope of the invention, through the definition and testing of alternative cross-linking systems, innovative even borax-free Stein-Hall glues could be transferred into industrial practice, taking into account the typical running times of corrugated cardboard machines and economic aspects. The suitability of the new development is based on the range of services of established borax-containing adhesive systems.
Das Ziel einer Alternative für Borax in Wellpappenleimen wurde u. a. durch eine Kombination kolloidaler Kieselsole in Gegenwart mehrwertiger Ionen in Form wässriger Salzlösungen erreicht. Hierbei ist der Einsatz wässriger Salzlösungen als Co-Additiv eine hinreichende aber nicht in allen Fällen notwendige Bedingung. Das heißt, dass das Ziel bei Verwendung erfindungsgemäßer kolloidaler Kieselsole auch ohne Zusatz von mehrwertigen Ionen in Form wässriger Salzlösungen erreicht werden kann.The aim of an alternative to borax in corrugated cardboard glue was achieved, among other things, by combining colloidal silica sols in the presence of polyvalent ions in the form of aqueous salt solutions. The use of aqueous salt solutions as a co-additive is a sufficient but not necessary condition in all cases supply. This means that when using colloidal silica sols according to the invention, the aim can also be achieved without the addition of polyvalent ions in the form of aqueous salt solutions.
Die erfolgreiche Erprobung dieses Systems wurde am Beispiel eines Kieselsols und einer wässrigen Calziumhydroxidlösung im Rahmen von Technikums- und Betriebsversuchen nachgewiesen und war Beleg für die Praxistauglichkeit. Die erfindungsgemäßen Klebstoffmischungen orientierten sich bevorzugt an der konventionellen Zusammensetzung und dem üblichen Herstellprozess von Stein-Hall Leime. Im Wesentlichen wurde die Zugabe von Borax durch Zudosierung von Kieselsol und Salzlösung ersetzt. Die Verarbeitung und die Laufeigenschaften der erfindungsgemäßen Klebstoffmischungen waren an industriellen Wellpappenanlagen unauffällig. Die boraxfreie Verklebung hatte keinen negativen Einfluss auf die Festigkeits- und Nassfestigkeitseigenschaften der hergestellten Wellpappen. Darüber hinaus war die erzielte Verklebungsfestigkeit Welle/Decke mindestens gleichwertig mit der boraxhaltigen Referenz. Die uneingeschränkte Rezyklierbarkeit des Verpackungsmaterials konnte auch beim kompletten Boraxersatz bestätigt werden. Gemessen am Leistungsspektrum boraxhaltiger Leimsysteme, werden die Erwartungen an das neue Additivsystem mehr als erfüllt.The successful testing of this system was demonstrated using the example of a silica sol and an aqueous calcium hydroxide solution in the context of pilot plant and operational tests and was proof of its practical suitability. The adhesive mixtures according to the invention are preferably based on the conventional composition and the usual production process for Stein-Hall glues. Essentially, the addition of borax has been replaced by the addition of silica sol and salt solution. The processing and the running properties of the adhesive mixtures according to the invention were inconspicuous in industrial corrugated cardboard plants. The borax-free bonding had no negative impact on the strength and wet strength properties of the corrugated cardboard produced. In addition, the achieved bond strength shaft / ceiling was at least equivalent to the borax-containing reference. The unrestricted recyclability of the packaging material could also be confirmed with the complete replacement of borax. Measured against the performance spectrum of borax-containing glue systems, the expectations of the new additive system are more than fulfilled.
Die erfindungsgemäßen Klebstoffmischungen weisen die folgenden Vorteile auf:
- - Die erfindungsgemäßen Klebstoffmischungen erlauben hohe Verarbeitungsgeschwindigkeiten.
- - Eine mit Borax vergleichbare Nassfestigkeit der hergestellten Wellpappen konnte nachgewiesen werden.
- - Die Stapelstauchwiderstände untersuchter Wellkisten sind auf dem Niveau des boraxhaltigen Pendants.
- - Es sind keine Alterungseinflüsse auf die Festigkeitseigenschaften nachweisbar.
- - Die uneingeschränkte Rezyklierbarkeit der boraxfreien Wellpappen wurde bestätigt.
- - Die Verarbeitungseigenschaften der hergestellten Schachteln sind gut.
- - Alle relevanten lebensmittel- und chemikalienrechtlichen Zulassungen sind ohne Einschränkungen erreichbar.
- The adhesive mixtures according to the invention allow high processing speeds.
- - A wet strength of the corrugated cardboard produced that is comparable to that of borax could be demonstrated.
- - The stacking compressive strengths of the corrugated crates examined are on the level of their borax-containing counterparts.
- - There is no evidence of aging effects on the strength properties.
- - The unlimited recyclability of the borax-free corrugated cardboard was confirmed.
- - The processing properties of the boxes produced are good.
- - All relevant food and chemical approvals can be achieved without restrictions.
Beispiele:Examples:
Die vorgestellten Typen an Kieselsolen unterscheiden sich in der Partikelgrößenverteilung bzw. in ihrer spezifischen Oberfläche. Mit Levasil 200A/30 liegt zusätzlich eine oberflächenmodifizierte Variante vor, bei der oberflächengebundenes Silizium partiell durch Aluminium ersetzt wurde. Tabelle 2: Charakterisierung der untersuchten Kieselsole
Beispiele 1 bis 7: Brabender-Viskograph Messungen von wässrigen WeizenstärkesuspensionenExamples 1 to 7: Brabender Viscograph measurements of aqueous wheat starch suspensions
Zur Untersuchung der Verkleisterung und des rheologischen Verhaltens eines Weizenstärke-Wasser Gemisches in Gegenwart von Natronlauge und verschiedener Vernetzungsadditive wurden fachspezifische Brabender-Viskograph Messungen durchgeführt. Hierbei werden die einzelnen Mischungen mit einer konstanten Aufheizrate von 1,5 K min1 von 30 °C auf 85 °C erwärmt. Bei 85 °C wird die Temperatur für 5 Minuten gehalten und danach mit einer Abkühlrate 1,5 K min-1 auf eine End-Temperatur von 45°C gekühlt. Die Drehzahl beträgt 75 U min-1. Die Zusammensetzungen der Mischungen werden in Tabelle 3 wiedergeben. Neben den genannten Kieselsolen werden zum Vergleich auch Mischungen mit jeweils typischen Mengen an Borax als Referenz und ein kommerziell verfügbarer Vernetzer unter dem Namen „Gilunal A“, der in Stärkeklebstoffen zur Wellpappenklebung empfohlen wird, untersucht. Tabelle 3: Zusammensetzung wässriger Weizenstärkesuspensionen
Anhand der erhaltenen Brabender-Kurven kann der Einfluss der unterschiedlichen Additive verglichen werden.The influence of the different additives can be compared on the basis of the Brabender curves obtained.
Die Kurve zur Mischung aus Beispiel 2 gibt den Messverlauf eines typischen Stärkeleimes mit Boraxzugabe wieder. Der abfallende Kurvenverlauf ab einer Messzeit von 60 Minuten ist auf die bereits vollständige Gelierung des Leimes zurückzuführen, sodass das Messgerät nicht mehr in der Lage ist, weitere rheologische Effekte messtechnisch zu erfassen.The curve for the mixture from Example 2 shows the measurement profile of a typical starch glue with the addition of borax. The falling curve from a measuring time of 60 minutes is due to the already complete gelation of the glue, so that the measuring device is no longer able to measure further rheological effects.
Die Messungen zeigen, dass beide Kieselsol-Typen in unterschiedlichen Anteilen (Beispiele 4 bis 7) im Gegensatz zu Gilunal A (Beispiel 3) einen ausgeprägten Vernetzungseffekt bewirken, der durch einen deutlichen Anstieg der Viskositätskurven in Folge einsetzender Vergelung während der Abkühlphase ab einer Messzeit von 50 Minuten gekennzeichnet ist. Dieses Verhalten ist vergleichbar mit der Wirkung von Borax (Beispiel 2). Tabelle 4: Einfluss verschiedener Vernetzungsadditive auf das Verkleisterungsverhalten
Trotz kaum sichtbarer Unterschiede im Vernetzungsmechanismus der Kieselsolbeispiele, zeigen die unterschiedlichen Verkleisterungstemperaturen (siehe Tabelle 4) auf, dass eine erhöhte Kieselsol-Zugabe (7%) den Quellvorgang der Stärkekörner zu verlangsamen scheint (verzögerte Verkleisterung, sichtbar durch höhere Temperaturen beim Verkleisterungsbeginn- und maximum). Das bedeutet, dass die optimale Zugabemenge an Kieselsol ein Maximum durchläuft.Despite barely visible differences in the crosslinking mechanism of the silica sol examples, the different gelatinization temperatures (see Table 4) show that an increased silica sol addition (7%) seems to slow down the swelling process of the starch granules (delayed gelatinization, visible through higher temperatures at the start and maximum of gelatinization ). This means that the optimum amount of silica sol added is maximized.
Beispiele 8 bis 10: Herstellung von Wellpappe unter BetriebsbedingungenExamples 8 to 10: Manufacture of corrugated cardboard under operating conditions
Bei der Herstellung von einwelliger Wellpappe wurden zwei boraxhaltige Stein-Hall Leime (Beispiele 8 und 9) mit einer boraxfeien Alternative (Beispiel 10) unter betrieblichen Bedingungen hergestellt und verglichen. Tabelle 3: Zusammensetzungen von Stein-Hall Leimen der Beispiele 8 bis 10
Die Leimpräparation läuft nach folgendem Schema ab. Die Primärstärke wird in das auf 30 °C erwärmte Primärwasser gegeben und gemischt. Das Rührwerk ist auf ca. 1000 UpM eingestellt. Anschließend wird die Natronlauge eingerührt, wobei die Geschwindigkeit des Rührwerks auf 1500 UpM erhöht und 15 min lang geschert wird.The glue preparation proceeds according to the following scheme. The primary starch is added to the primary water heated to 30 ° C and mixed. The agitator is set to approx. 1000 rpm. The sodium hydroxide solution is then stirred in, the speed of the stirrer being increased to 1500 rpm and shearing for 15 minutes.
Für die Beispiele 8 und 9 werden nacheinander das Sekundärwasser, die Sekundärstärke und Borax zugegeben. Davon abweichend erfolget die Präparation von Beispiel 10, indem anstelle von Borax zuerst das Kieselsol (Levasil CT24PL) und zum Schluss Kalziumhydroxid in Form einer wässrige Dispersion zugeben werden. Hierbei wird das Salz zuvor in Wasser gelöst bzw. dispergiert, indem die 14-fache Menge an Sekundärwasser bezogen auf das Eigengewicht des Salzes entnommen wird.For Examples 8 and 9, the secondary water, the secondary starch and borax are added one after the other. In a departure from this, the preparation of example 10 takes place in that instead of borax, first the silica sol (Levasil CT24PL) and finally calcium hydroxide are added in the form of an aqueous dispersion. The salt is dissolved or dispersed in water beforehand by removing 14 times the amount of secondary water based on the weight of the salt itself.
Die Rührerdrehzahl wird auf 1500 UpM - max. 2000 UpM - erhöht und der Stein-Hall-Ansatz weitere 15 min zur Komplettierung geschert. Hinsichtlich Feststoffgehalt, Viskosität und Gelierpunkt liegen die Beispiele im „Soll-Bereich“.The stirrer speed is increased to 1500 rpm - max. 2000 rpm - and the Stein-Hall approach is sheared for a further 15 minutes to complete. With regard to solids content, viscosity and gel point, the examples are in the “target range”.
Zur Herstellung der einwelligen Pappe mit B-Welle wird Wellenstoff-Papier mit 90 g/m2 von Parenco für Welle, Innen- und Außendecke verwendet. Es wurden drei Versuche bei jeweils 100, 200 und 250 m/min gefahren.To produce the single-wall cardboard with a B- flute, corrugated paper with 90 g / m 2 from Parenco is used for the flute, inner and outer ceiling. Three tests were carried out at 100, 200 and 250 m / min each.
Versuch A: Verbindung von Welle und Innendecke mit Beispiel 8 sowie Anbindung der Außendecke mit Beispiel 9 (ausschließlich boraxhaltige Verleimung)Experiment A: Connection of shaft and inner ceiling with example 8 as well as connection of the outer ceiling with example 9 (exclusively borax-containing gluing)
In der einseitigen Maschine (single facer) wird die durch Riffelwalzen geformte Papierbahn unter Verwendung von Beispiel 8 (boraxhaltig) mit der Innendecke verklebt, sodass einseitige Wellpappe entsteht. Im Kaschierwerk (double facer) werden die Wellenspitzen der einseitigen Wellpappe mit Leim aus Beispiel 9 (boraxhaltig) beleimt und die vorgewärmte Außendecke mit der einseitigen Wellpappe beim Einlauf in die Trockenpartie verbunden.In the one-sided machine (single facer), the paper web formed by corrugated rollers is glued to the inner ceiling using Example 8 (containing borax), so that one-sided corrugated cardboard is produced. In the laminating plant (double facer), the corrugated tips of the one-sided corrugated cardboard are glued with glue from Example 9 (containing borax) and the preheated outer cover is connected to the one-sided corrugated cardboard when it enters the dryer section.
Versuch B: Verbindung von Welle und Innendecke mit Beispiel 8 (boraxhaltig) sowie Anbindung der Außendecke mit Beispiel 10 (boraxfrei)Experiment B: Connection of shaft and inner ceiling with example 8 (containing borax) and connection of the outer ceiling with example 10 (borax-free)
Auch in diesem Versuch werden Welle und Innendecke mit dem boraxhaltigen Beispiel 8 verleimt, während die Außendecke mit der boraxfeien Alternative (Beispiel 10) auf die einseitige Wellpappe kaschiert wird.In this experiment, too, the corrugation and inner ceiling are glued to the borax-containing example 8, while the outer ceiling is laminated to the one-sided corrugated cardboard with the borax-free alternative (example 10).
Versuch C: Verbindung der Welle mit Innen- und Außendecke durch Beispiel 10 (ausschließlich boraxfreie Verleimung)Experiment C: Connection of the shaft with the inner and outer ceiling using example 10 (exclusively borax-free gluing)
In diesem Versuch wird sowohl für die einseitige Wellpappe als auch für die anschließende Kaschierung die boraxfeie Alternative (Beispiel 10) verwendet.In this experiment, the borax-free alternative (example 10) is used both for the one-sided corrugated cardboard and for the subsequent lamination.
Aus allen Versuchsanordnungen werden Wellpappenproben entnommen und branchenüblichen Prüfungen auf deren Festigkeit unterzogen.Corrugated cardboard samples are taken from all test set-ups and subjected to industry-standard tests for their strength.
1. Kantenstauchwiderstand (ECT)1. Edge crush resistance (ECT)
Der Kantenstauchversuch nach
2. Flachstauchwiderstand (FCT)2. Flat crush resistance (FCT)
Flachstauchversuche werden nach den Normen
Die Druckeinwirkung bei der sich Welle nicht mehr zurückbildet, wird durch den Wert FCTFmaxLokal wiedergegeben.The pressure applied by the wave no longer regresses is represented by the value FCT FmaxLocal .
3. Pin Adhesion Test (PAT)3. Pin Adhesion Test (PAT)
Beim Pin Adhesion Test wird nach Tappi T 821 ein verklebter Wellpappestreifen am Boden und Decke mit Hilfe von Stahlnadeln getrennt. Das Versuchsergebnis ist die auftretende Maximalkraft bezogen auf die Gesamtlänge der Verklebung.In the Pin Adhesion Test, according to Tappi T 821, a glued strip of corrugated cardboard is separated on the floor and ceiling with the help of steel needles. The test result is the maximum force that occurs based on the total length of the bond.
4. Box Compression Test (BCT)4. Box Compression Test (BCT)
Um die maximale Last zu ermitteln, die eine ungefüllte Wellpappenverpackung aushält, bevor sie zusammenbricht, wird der BCT-Test (Stauchprüfung) nach
Die ECT-, FCT-, PAT- und BCT- Untersuchungen an den fertigen Wellpappen zeigen nur marginale Unterschiede bezogen auf die unterschiedlichen Produktionsgeschwindigkeiten auf. Folglich kann das boraxfreie mit Kieselsol additivierte Beispiel 10 in allen Maschinengruppen der WPA ohne Einbußen in den Festigkeiten eingesetzt werden.The ECT, FCT, PAT and BCT tests on the finished corrugated cardboard show only marginal differences in relation to the different production speeds. As a result, the borax-free example 10 with silica sol additive can be used in all machine groups of the corrugator without any loss of strength.
Die unterschiedlichen Wellpapenproben wurden auf ihre Rezyklierbarkeit untersucht. Die Prüfungen umfassten das Zerfaserungsverhalten, das Potenzial zur Stickybildung (störungsfreie Blattbildung) und die Eigenschaften des wiedergewonnenen Faserstoffes im Hinblick auf optische Inhomogenitäten.The different corrugated cardboard samples were examined for their recyclability. The tests included the defibering behavior, the potential for sticky formation (fault-free sheet formation) and the properties of the recovered fiber material with regard to optical inhomogeneities.
Aufgrund der durchgeführten Untersuchungen und entsprechend den Kriterien der PTS-Methode PTS-RH: 021/97 werden die Proben als „rezyklierbar“ bewertet. Folglich hatte die Additivierung Kieselsol (Beispiel 10) keine nachteiligen Effekte auf die Rezyklierbarkeit von Wellpappen.Based on the tests carried out and in accordance with the criteria of the PTS method PTS-RH: 021/97, the samples are assessed as "recyclable". Consequently, the addition of silica sol (Example 10) did not have any adverse effects on the recyclability of corrugated cardboard.
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- DIN EN ISO 3035 [0084]DIN EN ISO 3035 [0084]
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