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Verfahren zur Herstellung eines blattförmigen Materials auf Faserbasis
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines blattförmigen
Materials auf Faserbasis, wie z.B. Papier.
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Bei der Herstellung von Papier und Karton werden seifige Substanzen
als Schlichtmittel zusammen mit Fu'llstoffen zugefügt, um beispielsweise die mechanische
Festigkeit, die Abriebfestigkeit, die Tintenaufnahmefähigkeit, die Farbe und Undurchsichtigkeit
des Endproduktes zu verbessern.
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Die seimigen Substanzen sind gewöhnlich Natrium - Kolophonium-Seifen,
Wachs oder Bitumen (als Emulsionen) und/ oder Stärke.
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Wenn zu dieser Behandlung des Papiers Stärke benutzt wird, kann die
Stärke vor der Papierbildung der Suspension der papierbildenden Fasern zugefügt
werden oder die Behandlung
kann nach der Papierbildung durchgeführt
werden. Wenn gelierte, vorgelierte oder sogar unbehandelte Stärke einer Autschwemmung
papierbildender Fasern vor ihrer Trocknung zur Bildung des Papiers zugefügt wird,
kann ein Teil der Stärke, und manchmal ein großer Teil der Stärke, im Abwasser verloren
gehen und die vom Papier aufgenommene Stärkemenge ist dementsprechend gering. Wo
die Behandlung nach der Papierbildung durchgeführt wird, ergibt sich eine unerwünschte
Kostenerhöhung, weil beispielsweise weitere Trocknungsstufen erforderlich werden,
obwohl die Stärkeverluste gering sind oder auch überhaupt nicht auftreten.
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In früheren Jahren wurden fur diese Papierbehandlung Spezialstärken
vorgeschlagen, z.B. kationische Stärken, d.h. quartäre Stärken, welche der AuSschwemmung
der papierbildenden Fasern vor der Trocknung zugefügt wurden. Wegen der Natur dieser
Spezialstärken wurden die Verluste im Abwasser auf ein Minimum herabgesetzt. Diese
Stärken sind jedoch teuer und bei ihrer Anwendung können die Herstellungskosten
des Papiers wieder auf einen unerwünschten Betrag ansteigen. Es wurde nun entdeckt,
daß die weniger aufwendigen Stärkeformen aus einer Lösung und/oder kolloidalen AuSschwemmung
auf eine verhältnismäßig billige und wirksame Weise ausgefällt werden können, und
dies in einer Form, die es ermöglicht, daß ein großer Teil der Stärke, wenn nicht
gar alle Stärke, bei dessen Herstellung in das blattförmige Material, wie z.B. Papier,
als Zusatzmittel eingebettet wird.
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Es wurde außerdem entdeckt, daß Hemizellulose in gleicher Weise behandelt
werden kann, um ähnliche Ergebnisse zu liefern.
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Demgemäß sieht die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung
eines blattförmigen Materials auf Faserbasis vor, bei dem eine faserige Matte durch
Trocknen einer wässerigen AuSschwemmung papierbildender oder zahn~ licher Fasern
in Gegenwart von Stärke und/oder Hemizellulose gebildet wird, wobei die Stärke und/oder
Hemizellulose als Ausfällung vorhanden ist, die dadurch gebildet ist,
daß
Stärke-und/oder Hemizellulose in einer Lösung und/oder kolloidalen AuSschwemmung
in Wasser auf einen neutralen oder alkalischen pH-Wert in Gegenwart eines mehrwertigen
Metallkations gebracht wird, das mit der Stärke oder Hemizellulose bei diesem pH-Wert
einen unlösbaren Komplex bilden kann, und daß das Ablaufenlassen bzw. die Trocknung
durchgeführt wird, während der pH-Wert der Aufschwemmung neutral oder alkalisch
ist.
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Die beim erfindungsgemäßen Yerfalwen benutzte Stärke kann reine Stärke
sein oder ein stärkeenthaltendes Material, wie z.B. ein Getreidemehl (z.B. Weizenmehl),
Sagomehl oder Tapiokamehl. Wenn ein stärkeenthalterides Material benutzt wird, wird
einiges oder alles Material, mit dem die Stärke verbunden ist, z.B. Gluten, im Fall
eines Getreidemehls, mit der Stärke zusammen ausgefällt. Zusätzlich können abgeschwächte
Stärken und modifizierte Stärken1 z.B. teilweise alkylierte, vorgelierte, veresterte
oder oxydierte Stärken, benutzt werden.
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Die Stärke kann aus der Lösung und/oder kolloidalen Aufschwemmung
während, vor oder nach der Vermischung mit der faserigen Aufschwemmung ausgefällt
werden. Vorzugsweise wird die Ausfällung während oder nach der Vermischung durchgeführt.
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Die Stärke kann in die Lösung und/oder Aufschwemmung eingebracht werden,
indem die Stärke oder ein stärkeenthaltendes Material zusammen mit Wasser erhitzt
wird und kann anschließend durch die Verwendung einer wässerigen Lösung eines mehrwertigen
lfetallhydroxydes oder einer wässerigen Lösung eines mehrwertigen Metallsalzes ausgefällt
werden, worauf der pH-Wert durch beispielsweise ein Alkalimetall oder alkalische
mrdmetallhydroxU^de oder wässeriges Ammoniak auf einen neutralen oder alkalischen
Wert eingestellt wird.
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Alternativ kann die Stärke oder das Stärke enthaltende Material mit
einer wässerigen Löazig eines Alkalimetallhydroxydes, vorzugsweise mit Natrium-
oder Kaliuihydroxyd oder wässerigem Ammoniak behandelt werden, um eine wässerige,
stärkeenthaltende Lösung zu bilden. Die Stärke kann dann ausgefällt werden durch
Zufügung einer wässerigen Lösung eines mehrwertigen Metallhydroxydes oder -salzes,
unter der Voraussetzung, daß im letzteren Falle der pH-Wert, falls notwendig, auf
einen neutralen oder alkalischen Wert eingestellt ist. Die Einstellung kann wiederum
durch ein Alkalimetall oder ein alkalisches Erdmetallhydroxyd oder wässeriges Ammoniak
bewirkt werden.
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Weiter und vorzugsweise kann die Stärke oder ein stärkeenthaltendes
Material in Gegenwart von Wasser mit einer neutralen oder saueren Komponente eines
mehrwertigen Metalls behandelt werden, um die Stärke zu lösen. Die Stärke kann dann
aus einer solchen Lösung beispielsweise, wie vorstehend erwähnt, durch Einstellung
des pH-Wertes auf mehr als 7 ausgefällt werden.
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Wenn die Stärke durch Verwendung eines alkalischen wrdmetallhydroxydes
in Gegenwart eines anderen mehrwertigen Metallkations ausgefällt wird, wird ein
gemischter Komplex gebildet.
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Bei Verwendung vorgelierter Stärke kann der wässerigen Faseraufschwemmung
ein Pulver zugefügt und wenigstens teilweise im Wasser der Aufschwemmung vor der
Ausfällung aufgelöst werden.
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Die Stärke und/oder Hemizellulose kann durch Verwendung irgendeines
mehrwertigen Metallkations ausgefällt werden, das geeignet ist, unter neutralen
oder alkalischen Bedingungen einen unlösbaren Komplex zu bilden.
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Die Eignung oder dgl. eines bestimmten mehrwertigen Metallkations
für die Anwendung im erfindungsgemäßen Verfahren kann wie folgt festgestellt werden:
Es wird eine wasserlösliche Verbindung des Kations in Wasser gelöst um eine 1-molare
Lösung zu ergeben. Es wird ein Raumteil der Lösung zwei Raumteilen einer wässerigen
Lösung und/ oder kolloidalen Aufschwemmung hinzugefügt, die 162 g/l Stärke (entsprechend
1 Mol Glukose) enthält. Das Auftreten einer voluminösen, weißen Stärkeausfällung
bei Einstellung des pH-Wertes auf etwa 10, falls erforderlich, zeigt die Brauchbarkeit
an.
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Man nimmt an, daß die Ausfällung der Stärke oder Hemizellulose durch
die Vereinigung von Glukoseemheiten in der Stärke oder Hemizellulose und einem Hydroxyd
des mehrwertigen Metallkations über eine Wasserstoffbindung bewirkt wird. Falls
deshalb bei einem bestimmten pH-Wert bei irgendeinem bestimmten Kation keine Ausfällung
auftritt, die den vorstehend genannten Anforderungen entspricht, sollte der pH-Wert
verändert werden, bis er zur Bildung des Hydroxyds vorteilhaft ist.
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Vorteilhafterweise können Verbindungen von Kalzium, Barium, Magnesium,
Strontium, Zink oder Aluminium, wie z.B. Hydroxyde,-ahloride, Nitrate, Sulfate und
Azetate benutzt werden.
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Vorzugsweise wird ein Kation benutzt, das in der Fort, in der es eingearbeitet
wird, oder in einer Form, in der es durch einfache Nachbehandlung erhalten wird,
die Funktion eines Füllers des Endproduktes erfüllen kann.
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Bevorzugte neutrale oder sauere Verbindungen, die benutzt werden,
um die Starke lösbar zu machen, sind Ealziunchlorid, Nagnesiumchlorid, Nagnesiumsulfat,
Zinksulfat und Aluminiumsulfat.
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Die Hemizellulose kann zusätzlich oder als Alternative zur Stärke
als Hemizellulose vorgesehen werden, die inhärent in der Faseraufschwemmung vorhanden
ist. Vorzugsweise wird j bedoch zusätzliche Hemizellulose durch Zerkleinerung einer
Papierpulpe in einem Schläger zur Bildung einer feinen, Hemizellulose enthaltenden
Aufschwemmung zubereitet. Die zusätzliche Hemizellulose kann vor, während oder nach
der Vermischung mit der Faseraufschwemmung ausgefällt werden, vorzugsweise während
oder nach der Vermischung.
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Das Endprodukt des erfindungsgemäßen Verfahrens ist neutral oder alkalisch,
während die meisten aus derzeit benutzten Verfahren erhaltenen Papiere leicht sauer
sind. Obwohl dies keine Rolle spielt, wenn das Papier weiter mit alkalischem Material
behandelt wird, beispielsweise bei geriffeltem Karton, bei dem alkalische Klebemittel
benutzt werden, und im allgemeinen erwünscht ist, weil alkalische Papiere über längere
Zeitabstände stabiler sind, kann es bei gewissen Anwendungen nachteilig sein. Falls
dies der Fall ist, kann das Papier nach dem Trocknen durch Behandlung mit einem
saueren Material neutralisiert oder sauer gemacht werden.
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Wie vorstehend erwähnt wurde, wird vorzugsweise zur Ausfällung der
Stärke und/oder der Hemizellulose ein Kation benutzt, das eine Verbindung bilden
kann, die die Aufgabe eines Füllers im Papier übernehmen kann. Die Bildung eines
Füllers an Ort und Steile kann vorteilhafterweise durch Behandlung mit einem geeigneten
saueren Material durchgeführt werden, um wenigstens eine Neutralisierung zu erhalten.
Wenn das Kation ein alkalisches Erdmetall ist, kann beispielsweise das faserige
Material in Gegenwart von Kohlendioxyd getrocknet werden, um freie Stärke oder Hemizellulose
und. ein Metallknrbonatnalz im faserigen Material zu bilden.
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Das in der Atmosphäre vorhandene Kohlendioxyd kann selbst wenigstens
eine teilweise Neutralisierung des faserigen Materials beim Trocknen bewirken.
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Wenn ein anderer Füller in das faserige Material eingeschlossen werden
soll, als er durch das mehrwertige Metallkation geliefert wird, wird vorzugsweise
die Stärke und/oder Hemizellulose in Gegenwart des Füllers und vor -der Vermischung
mit der Faseraufschwemmung ausgefällt.
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Der in der Faseraufschwemmung enthaltene Anteil an Stärke und/oder
Hemizellulose hängt von den Eigenschaften ab, die beim Endprodukt erwünscht sind.
Eine größere Festigkeit und Tintenaufnahmefähigkeit wird erreicht, wenn das Verhältnis
von Zusatzstoffen zum Papier groß ist. In das erfindungsgemäße Verfahren können
andere Zurichtschritte eingeschlossen werden, um ein blattförmiges Material auf
Faserbasis zu schaffen, das weitere Zusatzstoffe enthält.
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Um eine im wesentlichen vollständige Ausfällung der Stärke und/oder
der Hemizellulose zu erreichen, ist gewöhnlich wenigstens das Äquivalent eines mehrwertigen
Metallatoms notwendig für vier, vorzugsweise zwei, Glukoseeinheiten in der Stärke
und/oder Hemizellulose. Wie vorstehend erwähnt wurde, nimmt man an, daß unter den
Beaxngungen des erfindungsgemäßen Verfahrens das mehrwertige Metallkationhydroxyd
sich selbst durch Wasserstoffbindung an das Glukosemolekül anlagert, wodurch Wassermoleküle
verdrängt werden und wodurch möglicherweise eine Netzstruktur erzeugt wird, wodurch
die Ausfällung bewirkt wird. In ähnlicher Weise lagern sich alle überzähligen mehrwertigen
fletallkatlonen an den Hydroxylgruppen der Zellulose Lind irgendwelcher Hemizellulose
in den Fasern selbst an und können dadurch als Füllstoffe im Endprodukt festgehalten
werden.
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Obwohl ein Atom eines zweiwertigen Metalls, z.B. Kalzium, Barium,
Iagnesium oder Zink für zwei Glukoseeinheiten theoretisch ausreichend sein sollte,
um die Stärke und/oder Hemizellulose auszufällen und obwohl ein Verhältnis von 1
:-4 benutzt werden kann, um im wesentlichen eine vollständige Ausfällung zu erhalten,
wird in der Praxis ein
Übermaß bevorzugt, d.h. mehr als ein Atom
pro zwei Glukoseeinheiten. Der Grund dafür ist, daß wegen der Fasern gewöhnlich
Zucker, lösbare Zellulose, Lignin und andere absorbierende Materialien vorhanden
sind, wie auch Salze und Kohlendioxyd im Wasser, die durch die basischen Materialien
gesättigt werden müssen. Außerdem kann durch Verwendung eines Übermaßes an Ausfällmittel
in Gestalt eines mehrwertigen Metalls auf einfache und wirksame Weise eine große
Füllstoffmenge in das Endprodukt eingebettet werden, falls es erforderlich ist.
Das ist insbesondere der Fall, wenn Xalziumhydroxyd, Magnesiushydroxyd oder Bariumhydroxyd
benutzt wird, weil das Erzeugnis, wie vorstehend erwähnt, weiter Kohlendioxyd aufnehmen
kann, um einen Karbonat füller zu schaffen.
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Falls eine starke Undurchsichtigkeit bei einem Papier erforderlich
ist, kann diese dadurch erhalten werden, daß Salze benutzt werden, die ausreichend
Farbkörper erzeugen. Beispielsweise werden durch Verwendung von Zinksulfat und KalziumBydroxyd
als Ausfällmiffel Zinkhydroxyde und Kalziumsulfate in feiner Verteilung im Enderzeugnis
gebildet, die dem Erzeugnis eine hohe Undurchsichtigkeit und Weiße verleihen.
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Weiterhin ist es vorteilhaft, ein Übermaß eines Ausfällmittels in
Form eines mehrwertigen Metalls zu verwenden, weil dadurch der Faserverlust im Abwasser
verringert werden kann.
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Falls ein anderer als der durch das mehrwertige Metallkation gebildete
Füller miteingeschlossen wird, wurde gefunden, daß der Anteil, der im Abwasser verloren
geht, insbesondere wenn die Ausfällung in Gegenwart des Füllers und vor der Hinzufügung
zur Faseraufschwemmung durchgeführt wird, verringert wird, und man nimmt an, daß
dies auf die Wirkung der ausgefällten Stärke und/oder Hemizellulose zurückzuführen
ist.
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Obwohl eine im wesentlichen vollständige Ausfällung der Stärke und/oder
Hemizellulose bei dem erfindungsgemäßen Verfahren,erreicht werden kann, kann der
Anteil des ausgefällten Materials im Endprodukt geringer als 100 % sein und zwar
in Abhängigkeit vom Verlust anteil in der Xrocknungsstufe. Wenn ein grober Draht
zur Trocknung der Faseraufschwemmung benutzt wird, kann während der Trocknung ausgefällte
Stärke und/oder Hemizellulose verloren gehen.
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Selbst wenn ein grober Draht benutzt wird, wurde jedoch gefunden,
daß über 75 % und mehr der Ausfällung im Endprodukt erhalten werden. Es folgt nun
lediglich beispielsweise die Beschreibung eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
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AusführuKsbeispiel Einer in einem Hollander enthaltenen wässerigen
Dispersion gemischter Fasern aus Abfallpapier, die 5 Gewichtsprozent Fasern enthielt
(etwa 70 GewichtsprQzent Kraftpapier und 30 Gewichtsprozent Zeitungspapier) wurden
10 Gewichtsprozent Kalziumhydroxyd, bezogen auf das trockene Fasergewicht, zugegeben.
Diese Mischung wurde durch eine Zwischenstufe zur Qualitätsverbesserung geleitet
und in einem Vorsatzgerät mit Rücklaufwasser auf 1 Gewichtsprozent Faserkonzentration
verdünnt.
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In dieser Stufe wurde eine gekochte Lösung von Eartoffelstärke, die
6 Gewichtsprozen* Stärke und 4 Gewichtsprozent Magnesiumsulfat, bezogen auf das
trockene Fasergewicht, enthielt, unter Rühren in die Faserdispersion eingebracht.
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Die weiteren Verfahrens stufen zur Bildung der Fasermatte erfolgten
maschinell in üblicher Weise.
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Das vorstehend beschriebene Verfahren wurde wiederholt mit der Ausnahme,
daß ein Zusatz von 6 Gewichtsprozent gekochter Stärke, bezogen auf das trockene
Fasergewicht, die Hinzufügung
von Kalziumhydroxyd ersetzte. Außerdem
entfiel die Stärke/Magnesium-Sulfat-Lösung.
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Die erhaltenen Papiere lieferten die folgenden Prdfungaergebnisse:
Ring- Axiale Berst- Stärke Füller steifig- Festig- festig- (Gew.-%) z. B.Asche)
keit keit im keit (Gew.-%) (kg) gerafften (kg/cm2) bzw. gewellten Zustand (kg) Papier
ohne 9,53 10,89 1,41 1,3 1,8 Zusatz von Ca(OH)2 und MgS04 Papier mit 13,61 24,95
1,69 5,8 10 Zusätzen Die Eigenschaften des erfindungsgemaß erzeugten Papiers (mit
Zusätzen) machen es als Wellmaterial für Wellpappe geeignet.
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Patentansprüche