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TECHNISCHES GEBIET
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren in Verbindung
mit der Herstellung von beschichtetem Papier oder Pappe mit einem
Rohpapier oder -Pappe, von dem mehr als 50% des Trockengewichts
aus Holzstoff besteht, und auf gemäß dem Verfahren hergestellte
Papier- oder Pappeprodukte.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Um
die Druckeigenschaften und die Funktionalität zu verbessern, werden Papiere
und Pappen mit verschiedenen Beschichtungsmaterialien beschichtet.
Herkömmlicherweise
wird eine wässrige
Suspension, welche eine Beschichtungsfarbe enthält, auf eine oder beide Seiten
der Papier- oder Pappebahn aufgebracht, und das Flächengewicht
der Beschichtung wird entweder unter Verwendung eines Blatts, einer
Rolle oder einer Spitzpistole gesteuert. Die beschichtete Papierbahn
wird dann getrocknet, gefolgt von nachfolgenden Behandlungen, zum
Beispiel Kalandrieren. Da die herkömmlichen Techniken alle direkten
Kontakt der Beschichtungsvorrichtung mit der Papier- oder Pappebahn
erfordern, ist eine hohe Festigkeit der Bahn für die Laufeigenschaften der
Maschine erforderlich.
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Ein
Reißen
der Bahn im Beschichtungsbereich aufgrund eines Festigkeitsdefekts
ist der hauptsächliche
Grund für
Produktionsunterbrechungen, insbesondere falls die Beschichtung
eine aneinandergereihte („online") Verarbeitung in
Verbindung mit der Papier- oder Pappemaschine ist. Aus diesem Grund
war die Beschichtung auf Papier- oder Pappequalitäten mit
relativ fester Zellstoffbeschaffenheit begrenzt, typischerweise auf
so genannte holzfreie Qualitäten
mit Zellstoff als Hauptbestandteil. Im Falle von auf Holzstoff basierenden Papier-
oder Pappequalitäten,
zum Beispiel LWC (Low Weight Coated), MWC (Medium Weight Coated)
oder MFC (Machine Finished Coated) muss ein hoher Prozentsatz der
Halbstofffaser, gewöhnlicherweise
50%, durch so genannten Verstärkungshalbstoff
ersetzt werden, welcher ein Zellstoff ist, der sowohl in der Trocken- als
auch der Nassfestigkeit viel fester als ein Holzstoff ist, jedoch
viel teuerer ist.
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Wie
gut bekannt ist, ist Holzstoff nicht nur wirtschaftlicher und umweltfreundlicher
bei der Herstellung, sondern ebenfalls hervorragend in Druckeigenschaften
verglichen zu Zellstoff. Es gibt daher einen großen Anreiz, die Verwendung
von mechanischem Zellstoff in beschichteten Qualitäten zu erhöhen, vorausgesetzt
dass Hindernisse wie etwa die Reißprobleme ausreichend gehandhabt
werden können.
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In
dem herkömmlichen
Beschichtungsverfahren ist der Feuchtigkeitsgehalt des Rohpapiers
oder der Rohpappe ein Schlüsselwert.
Die Festigkeit der Papierbahn sinkt rapide mit dem Feuchtigkeitsgehalt.
Wenn der Feuchtigkeitsgehalt beim Eintritt in die Beschichtungseinheit
zu hoch ist, oder der Feuchtigkeitsgehalt durch Kontakt mit der
wässrigen
Beschichtungsfarbe drastisch erhöht
ist, kann ein Reißen
der Bahn auftreten und folglich den Beschichtungsvorgang gefährden. Zusätzlich zu
dem zwischenzeitlichen Trocknen des Rohpapiers oder der Rohpappe
hat die Mühle
einen Kompromiss zwischen einem so hoch wie möglichen Feststoffgehalt der
Beschichtungsfarbe auf der einen Seite, und einer geeigneten Viskosität der Beschichtungsfarbe
auf der anderen Seite zu finden. Eine zu hohe Viskosität durch Anstieg
des Feststoffgehalts führt
zu minderwertiger Beschichtungsqualität oder erhöht ebenfalls das Risiko der
Abnutzung der Beschichtungsvorrichtung.
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Eine
in
US 4,944,960 und
später
in
US 5,633,044 offenbarte
Sprühbeschichtungstechnik
stellt ein neues Mittel für
die Beschichtung von Papier und Pappe zur Verfügung. Die Technik ist durch
kontaktfreies Auftragen eines Aerosols des Beschichtungsmaterials
auf die Bahnoberfläche
gekennzeichnet, erzeugt durch angeordnete Düsen bei hohem Druck in einer
geschlossenen Kammer. Abgesehen von diesen Offenbarungen gab es
bisher keine industrielle Anwendung der Sprühtechnik, noch gab es irgendeinen
Bericht über
die Möglichkeit
der Anwendung dieser Technik, um hauptsächlich auf Holzstoff basierendes,
beschichtetes Papier oder eine Pappe zu erhalten.
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BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung nutzt die Sprühbeschichtungstechnik gemäß
US 4,944,960 und
US 5,633,044 bei der Herstellung
von beschichtetem Papier und beschichteter Pappe mit einem Rohpapier
oder einer Rohpappe mit mehr als 50% Trockengewichtsanteil an Holzstoff,
wie in Anspruch 1 definiert. Mit Holzstoff ist sowohl SGW (stone
groundwood pulp; steingemahlener Holzzellstoff), PGW (pressurized
stone groundwood pulp; unter Druck steingewalzter Holzzellstoff),
SPGW (super-pressurized stone groundwood pulp; unter Überdruck
steingewalzter Holzzellstoff), RMP (refiner mechanical pulp; Refiner-Holzstoff), TMP (thermo
mechanical pulp; thermomechanischer Halbstoff), CTMP (chemi-thermo
mechanical pulp; chemisch-thermischer Holzstoff)
oder recycelter Holzstoff jeder Art, oder eine Kombination der Holzstoffe
gemeint. Gemäß einem
Gesichtspunkt der Erfindung besteht das Rohpapier oder die Rohpappe
zu mehr als 60% Trockengewicht, bevorzugt mehr als 70% Trockengewicht
und noch bevorzugter mehr als 80% Trockengewicht aus Holzstoff.
Das verwendete Zellulose-Rohmaterial
ist bevorzugt Hartholz und/oder Weichholz, obwohl andere Rohmaterialien ebenso
denkbar sind.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist ein beschichtetes Papier
oder eine Pappe hauptsächlich basierend
auf Holzstoff mit einer minimalen Verwendung von Verstärkungshalbstoff
zu erzeugen, wobei folglich eine bessere Produktionswirtschaftlichkeit
und gleichzeitig eine Verbesserung der Produkteigenschaften, wie
etwa Bedruckbarkeit, verbessert werden, die durch eine Verwendung
von Holzstoffen gefördert
werden.
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Eine
andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, das erforderliche
Trocknen entweder des Rohpapiers vor dem Beschichtungsvorgang oder
des beschichteten Papiers nach dem Beschichtungsvorgang zu reduzieren.
Noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, ein wirtschaftlicheres
Rezept/Zusammensetzung für
die Beschichtungsfarbe zu finden, da herkömmliche Techniken einen hohen
Feststoffanteil in der Beschichtungsfarbe erfordern, welches sowohl
die Auswahl der Beschichtungspigmente begrenzt als auch die spezielle
Behandlung der Beschichtungsmischung mit zum Beispiel Dispersionsmitteln
erfordert.
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Durch
die vorliegende Erfindung wurde überraschenderweise
gezeigt, dass eine Papierbahn mit nur bis zu 10% Verstärkungszelbstoff
erfolgreich mit der Sprühbeschichtungstechnik
beschichtet werden kann. Die Festigkeitseigenschaft des beschichteten
Produkts ist gemäß den Vorversuchen
in Bezug auf Laufeigenschaften vollständig akzeptabel, und ist vergleichbar
zu mit herkömmlichen
Techniken erzeugten, ähnlichen
Produkten, aber mit 50% Verstärkungshalbstoff.
Bei der Herstellung von Pappe meint der Begriff Papierbahn, unbeschichtete
Rohpappe.
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Durch
die vorliegende Erfindung wurde ebenfalls überraschend gezeigt, dass ein
Rohpapier oder Pappe mit Feuchtigkeitsanteilen von bis zu 25%, bevorzugt
bis zu 15%, ohne Verursachung von Laufeigenschaftsproblemen in dem
Beschichtungsvorgang aufgrund des kontaktfreien Beschichtungsvorgangs
beschichtet werden kann. Der hohe Feuchtigkeitsanteil beeinträchtigt die
Beschichtungsqualität
nach dem Trocknen und Kalandrieren nicht nachteilig.
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Eine
hydrophobe Behandlung mit Leimmitteln, wie etwa Alkenylsukzinsäureanhydrid
(ASA) oder Alkylketendimer (AKD), Stärke oder anderen auf Polymeren
basierenden Leimmitteln in Mengen von 0,1–3%, bevorzugt 0,1–1% und
noch bevorzugter 0,1–0,5%
des Gesamtgewichts des Papiers oder der Pappe ergibt eine weitere
Verbesserung der Ergebnisse. Andere Zusätze, wie zum Beispiel etwa
ein Nassfestigkeitsmittel, kann ebenfalls zu dem Halbstoffansatz
gegeben werden, um weiterhin die Maschinenlaufeigenschaften und Produkteigenschaften
zu verbessern.
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Bei
der Optimierung des Beschichtungsrezepts, welches ein Beschichtungspigment,
ein Bindemittel und andere Chemikalien umfasst, zeigt die vorliegende
Erfindung weiterhin, dass das Beschichtungspigment, der Hauptbestandteil
der Zusammensetzung, vollständig
oder teilweise durch preiswerte, aus Calciumcarbonat bestehende
Füllstoffe
ersetzt werden können.
Der Gesamtgehalt an Calciumcarbonat, Füllstoffqualität oder Beschichtungsqualität, kann
wenigstens 80%, bevorzugt wenigstens 90% und bis zu 100% des für die Beschichtung verwendeten
Gesamtpigments sein. Der hohe Anteil an Calciumcarbonat resultiert
in einer höheren
Helligkeit der beschichteten Produkte im Vergleich zu Beschichtungsrezepten
mit einem hohen Kaolinanteil.
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Mit
der erfindungsgemäßen kontaktfreien
Sprühtechnik
ist das Eindringen von Beschichtungsfarbe in das Rohpapiersubstrat
geringer als mit der herkömmlichen
Kontakttechnik, wobei die Wasserretention durch das Rohpapier reduziert
ist, was einen niedrigen Feststoffanteil der Beschichtungsfarbe
ermöglicht.
Erfindungsgemäß wurde
gezeigt, dass ein Feststoffanteil von 40–60%, bevorzugt 45–55% verwendet
werden kann, ohne irgendein Verarbeitungsproblem beim Beschichten
oder Marmorierungsprobleme in den beschichten Produkten zu verursachen.
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Ferner
ermöglicht
die niedrige Viskosität
bei einem relativ niedrigen Feststoffanteil die Zugabe von synthetischen
Verdickungsmitteln, bevorzugt in einer Menge von 0,5–2% basierend
auf dem Gewicht der Beschichtungsfarbe, mit dem Zweck der Erhöhung des
Porenvolumens und folglich der Sperrigkeit der Beschichtungsschicht
auf der beschichteten Oberfläche,
ohne schlechtere Laufeigenschaften aufgrund einer durch die Zusätze verursachten
zu hohen Viskosität
zu riskieren. Dies stellt mit anderen Worten mehr Raum für Modifikationen
der Beschichtungszusammensetzung zur Verfügung. Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt
kann die Beschichtungszusammensetzung ein Protein, bevorzugt Sojaprotein,
umfassen, in einer Menge von 0,5–3% basierend auf dem Gewicht
der Beschichtungsfarbe.
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Ebenfalls
kann aufgrund der weniger strengen Erfordernisse an das Beschichtungspigment
ein recyceltes Pigment zu der Beschichtungsfarbe gegeben werden,
was folglich ansehnliche sowohl ökonomische
als auch umweltmäßige Vorteile
ergibt.
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Um
weiterhin die Maschinenlaufeigenschaften und Produkteigenschaften
zu verbessern, kann Kohlendioxidgas in der Beschichtungsfarbsuspension
gemischt und gelöst
werden. Dies hat sowohl die Wirkung der Verbesserung der Gleichmäßigkeit
der Beschichtungsschicht auf der Papieroberfläche als auch die der Stabilisierung
des Beschichtungspigments, das zu einem großen Anteil aus Calciumcarbonat
besteht. Die Beschichtungsschicht hat folglich eine bessere Stabilität und Tenazität in dem
Druckraum bei Kontakt mit beim Drucken auf der Druckmaschine verwendeten,
saurem Befeuchtungswasser.
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Gemäß einem
weiteren Gesichtspunkt wird die Beschichtung aufgetragen, um Beschichtungsgewichte
mit einem Flächengewicht
von weniger als 10 g/m2, bevorzugt weniger
als 8 g/m2 und noch mehr bevorzugt weniger
als 6 g/m2, aber wenigstens 2 g/m2 auf einer oder beiden Seiten des Rohpapiers
oder der Rohpappe zur Verfügung
zu stellen.
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Gemäß noch einem
weiteren Gesichtspunkt der Erfindung wird die Beschichtung durch
Verwendung einer oder mehrerer Düsenbereiche
innerhalb der geschlossenen Beschichtungskammer durchgeführt. Im
Falle von zwei oder mehr verwendeten Düsenbereichen können verschiedene
Beschichtungsfarbzusammensetzung nützlicherweise in den verschiedenen
Düsenbereichen
verwendet werden, um die Beschichtung zu optimieren. Ebenfalls kann
die Beschichtung gleichzeitig oder in verschiedenen Schritten, auf
einer oder beiden Seiten des Papiers oder der Pappe, als einzel- oder mehrlagige
Beschichtung durchgeführt
werden. Überdies kann
das Beschichtungsstadium in einer Papier- oder Pappemaschine, betrieben
im so genannten Online-Betrieb, durchgeführt werden, oder es kann im
so genannten Offline-Beschichten
durchgeführt
werden, welches physikalisch von der Papier- oder Pappemaschine
getrennt ist.
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BEISPIELE
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Im
Folgenden wird die Erfindung durch Beispiele erläutert. Die Ergebnisdiskussion
bezieht sich auf die Zeichnungen in denen:
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Die 1 einen
Zugfestigkeitsindex für
verschiedene Rohpapiere verwendet in den Versuchsserie 1 zeigt,
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die 2 einen
spezifischen Weiterreißwiderstand
für die
verschiedenen Rohpapiere zeigt,
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die 3 einen
Zugfestigkeitsindex für
die verschiedenen beschichteten Papiere zeigt,
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die 4 einen
spezifischen Weiterreißwiderstand
der verschiedenen beschichteten Papiere zeigt,
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die 5 die
Opazität
der verschiedenen Rohpapiere und beschichteten Papiere zeigt,
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die 6 die
Helligkeit für
die verschiedenen Rohpapiere und beschichteten Papiere zeigt,
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die 7 den
Druckglanz der verschiedenen beschichteten Papiere zeigt,
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die 8 die
Opazität
der beschichteten Papiere der Versuchsserie 2 zeigt,
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die 9 die
Helligkeit der beschichteten Papiere der Versuchsreihe 2 zeigt.
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Versuchsreihe 1: Rohpapier
mit verschiedenen Halbstoffzusammensetzungen
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In
der Tabelle 1 sind die Rohpapierzusammensetzung und die Beschichtungsfarbzusammensetzung für sieben
verschiedene Proben in der Versuchsreihe 1 gezeigt. Das in dieser
Versuchsreihe verwendete Pigment war Calciumcarbonat in Beschichtungsqualität. Das Beschichtungsgewicht
war etwa 10 g/m2 auf jeder Seite des Rohpapiers.
Als ein kommerzieller Vergleich wurde ein rakelgestrichenes Papier
mit einer Rohpapierzusammensetzung von 50% Zellstoff und 50% Holzschliff
ausgewählt,
Probe 7. Das Beschichtungspigment für den Vergleich bestand aus
70% Kaolin und 30% Calciumcarbonat, beide in Beschichtungsqualität. Aufgrund
der schlechten Festigkeitseigenschaften wurde Sprühbeschichtung
nur auf den auf Holzstoff basierenden Proben 1–6 (erfindungsgemäß) durchgeführt. Bitte
beachten, dass dort eine kleine Menge von Füllstoffen in den auf Holzstoff
basierenden Rohpapieren war. Dies schwächt das Rohpapier vermutlich
weiter. Der Sprühbeschichtungsvorgang
wurde auf einer Versuchssprühbeschichtungsmaschine
durchgeführt.
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Wie
in den 1–2 gezeigt,
hängt die
an den Rohpapieren gemessene Zugfestigkeit und der Weiterreißwiderstand
von der Halbstoffzusammensetzung ab. Die kommerzielle Vergleichsprobe
(Probe 7) mit 50% Verstärkungszellstoff
hat eine beträchtlich
höhere
Zugfestigkeit und Weiterreißwiderstand
als die erfindungsgemäß auf Holzstoff
basierenden Proben 1–6.
Nach der Beschichtung wurde der Unterschied in der Zugfestigkeit
viel kleiner. Für
den Zugfestigkeitsindex in der Richtung quer zur Maschine, wurde
die höchste
Zugfestigkeit mit den auf Holzstoff basierenden Proben erzielt, 3.
Für den
Weiterreißwiderstand
glich die Beschichtung den Unterschied, wenigstens in Richtung der
Maschine ebenfalls aus, 4.
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Bei
der Vergleichsprobe 1 und der Probe 2, beide mit den gleichen Rohpapier,
ist zu bemerken, dass ein Zusatz von 0,8% eines Nassfestigkeitsmittels
(Stärke)
die Zugfestigkeit verbesserte, während
die Zugabe eines Leimmittels die Zugfestigkeit reduzierte aber den
Weiterreißwiderstand
erhöhte.
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Die
Ergebnisse zeigen an, das Sprühbeschichten
bei Rohpapieren mit sehr viel schwächerer Zellstoffzusammensetzung
angewendet werden kann. Die Unempfindlichkeit der Rohpapierfestigkeit
bei dem Beschichtungsvorgang ermöglicht
eine einfache Angliederung des Beschichtungsstadiums in einem so
genannten Online-Betrieb, welcher stark die Produktivität erhöhen würde. Angesichts
des relativ hohen Beschichtungsgewichts, 10 g/m2 auf
jeder Seite, werden die Ergebnisse als außerordentlich gut bewertet.
Basierend auf den Ergebnissen ist es sehr wohl möglich ein niedriges Beschichtungsgewicht
zu verwenden, zum Beispiel etwa 5 g/m2.
Gleichzeitig könnte
die Menge an Holzstoff erhöht
und weiterhin die gleiche Festigkeit und die gleichen Laufeigenschaften
beibehalten werden. Für
ein Zeitungsprodukt mit niedriger Qualität, das herkömmlicherweise mit bis zu 100%
Holzstoff hergestellt und aufgrund der niedrigen Festigkeit unbeschichtet
verkauft wird, stellt das vorliegende Beschichtungskonzept einen
wirkungsvollen Weg zur Verbesserung der Oberflächeneigenschaften und der Bedruckbarkeit
zur Verfügung.
Folglich sind neue, von Zeitungen abgeleitete Produktqualitäten, möglich.
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Wie
in der 5 gezeigt, war die Opazität der beschichteten Papiere,
ein wichtiger Parameter beim Vergleich der Bedruckbarkeit, höher für die auf
sprühbeschichtetem
Holzstoff basierenden Proben. Dies ist hauptsächlich aufgrund der hohen Menge
an Holzstoff in der Rohpapierzusammensetzung so, was in einer höheren Opazität resultiert.
Obwohl die Helligkeit und der Druckglanz (6–7)
bei den sprühbeschichteten Holzstoff
basierenden Proben niedriger war, war der Anstieg in der Helligkeit
nach dem Beschichten sehr viel deutlicher für die auf Holzstoff basierenden
Proben. Der Unterschied nach dem Beschichten wurde folglich in einem
großen
Umfang minimiert. Abgesehen von der niedrigeren Rohpapierhelligkeit,
konnte die Helligkeit des beschichteten Papiers mit einer höheren Menge
an Holzstoff (Proben 4–6)
auf einen Helligkeitsniveau von etwa 75% ISO gesteigert werden.
Der Zusatz von Verdickungsmitteln in der Beschichtungsfarbe verbesserte signifikant
die Helligkeit und den Druckglanz, 6–7.
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Versuchsserie 2: Feuchtigkeitsanteil
in dem Rohpapier und neues Pigment in Füllstoffqualität
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Nach
der Erkenntnis aus der Versuchsreihe 1, das ein hauptsächlich auf
Holzstoff basierendes, beschichtetes Papier mit der Sprühbeschichtungstechnik
hergestellt werden kann, wurde für
eine neue Versuchsreihe mit einem Calciumcarbonatpigment in Füllstoffqualität (Hydrocarb
FF, Tabelle 2) durchgeführt,
um die Einflüsse
des Feuchtigkeitsanteils auf den Beschichtungsvorgang und die Beschichtungsqualität zu untersuchen.
In der Versuchsreihe 2 bestand das Rohpapier aus 90% Holzstoff und
10% Zellstoff.
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Tabelle
2 Beschichtungsfarbenzusammensetzung
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In
den 8–9 werden
die Ergebnisse für
das sprühbeschichtete
Papier gezeigt, demgemäss:
Probe
A ein sprühbeschichtetes
Papier mit 10% Feuchtigkeitsanteil bezeichnet,
Probe B mit
15% Feuchtigkeitsanteil,
Probe C mit 10% Feuchtigkeitsanteil
mit Super-Kalandrieren,
Probe D mit 15% Feuchtigkeitsanteil
mit Super-Kalandrieren,
Probe E mit 10% Feuchtigkeitsanteil
mit Weichkalandrieren,
Probe F mit 15% Feuchtigkeitsanteil
mit Weichkalandrieren.
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Die
Versuchsserie war mit Feuchtigkeitsanteilen von 10% und 15% erfolgreich,
welche als hoch für Rohpapier
angesehen werden. Der Feuchtigkeitsanteil von 15% hatte keine negative
Wirkung verglichen zu 10% Feuchtigkeitsanteil. Der Beschichtungsvorgang
ist folglich als Nass-auf-Nassbeschichten ohne zwischenzeitliches
Trocknen gekennzeichnet.
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Es
wird ferner in der Versuchsreihe 2 gezeigt, dass ein 100%-iger Ersatz
des Beschichtungspigments durch ein Calciumcarbonat in Füllstoffqualität (Hydrocarb
FF) vollständig
akzeptabel ist.
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Während die
Erfindung durch die verschiedenen Ausführungsformen der Beispiele
erläutert
wurde, muss verstanden werden, dass die Erfindung dadurch nicht
begrenzt ist, sondern innerhalb des Umfangs der Ansprüche variiert
werden kann.
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Zusammenfassung
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Verfahren
zur kontinuierlichen Herstellung von beschichtetem Papier oder Pappe
mit einem Rohpapier oder einer Rohpappe, welche zu mehr als 50%
des Trockengewichts aus Holzstoff bestehen. Erfindungsgemäß wird eine
Beschichtungsfarbe auf eine oder beide Seiten des Rohpapiers oder
der Rohpappe in der Form eines Aerosols aufgebracht, welches über angeordnete
Düsen in
einer geschlossenen Beschichtungskammer vorgesehen wird. Die Erfindung
umfasst ebenfalls das hergestellte Papier- oder Pappeprodukt.