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Verfahren zur Verbesserung der Eigenschaften von Faserstoffvliesen,
insbesondere von Papier Die vorliegende erfindung bezieht sich auf ein Verfahren
zur Verbesserung der Eigenschaften v'on Fasserstoffvliesen, insbesondere von Papier,
durch Imprägnieren mit Stärke nach dem Sprühverfahren.
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Die Verwendung von Stärke bei der Herstellung von Papier ist seit.langem
bekannt. Durch ihre gute Bindekraft ist Stärke in der Lage, die Fasern im Papier
zu binden und dadurch die Papi er festigkeit zu erhöhen. Die Faserbindung ist die
wichtigst.
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Funktion bei der Masseleimung. Dabei erfolgt das Vermischen v Faserstoffen
mit Stärke in der Masse vor der Konsolidierung des Vlieses auf-dem Sieb. Die Stärke
wird an einer beliebigen Stelle auf dem Wege vom Stofflöser zum Stoffauflauf in
trockener gelatinierteroder nicht gelatinierter Form oder in Form einer wäßrigen
Dispersion bzw. einer kolloiden Lösung zugeführt. Da die meisten Stärken eine schlechte
Retention aufweisen. lassen sie sich auf diese,Weise nur unter großen-Verlusten
in das Papierblatt bringen.
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Eine Verbesserung der Stärkeretention läßt sich-durch ein oder doppelseitige
Oberflächebehandlung eines an sich fertige Papiers mit wäßrigen Dispersionen von
nativer oder modifizier Stärke in der Leimpresse oder auf dem Kalander erreichen.
Dabei wird die Stärke in der Trockenpartie von Papier- oder Kartonmaschinen in oder
auf das Papier gebracht.
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Es ist auch bereits vorgeschlagen worden, die Leimung von Papier mit
wäßrigen Suspensionen durchzuführen, die gleichzeitig gelatinierte und nicht gelatinierte
Stärke enthalten.
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Neuerdings sind durch die canadischen Patente 704.036 und 733.296
Verfahren zur Herstellung von Zeitungspapier und Offset-Naturpapier bekannt' geworden,
wonach eine wäßrige Suspension von nicht gelatinierter nativer oder modifizierter
Stärke, gegebenenfalls zusammen mit einem Trägermaterial, während der Entwässerung
auf einem Papiermaschinensieb vor der Trocknung dem Faserstoffvlies durch Aufsprühen
zugeführt wird. Diese Arbeitsweise hat den Vorteil, daß sich die Stärkekörner bevorzugt
im Bereich der Oberfläche des Vlieses verteilen und nach dem Durchlauf durch die
Trockenpartie der Papiermaschine eine feste Faser-Stärke-Faser-Bindung bilden. Auch
werden an.der Oberfläche des Papiers lose gebundene Fasern sowie Staub und Pigmentteilchen
an den Körper des Papierblattes gebunden. Beim Bedrucken mit zäher Offsetfarbe werden
keine Teilchen abgelöst, an die'beim Papier zu unbedruckten Stellen undeden Druckplatten
zu Ablagerungen führen können.
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Wie nunmehr gefunden wurde, läßt sich nicht nur der Anwendungsbereich
des Sprühverfahrens wesentlich erweitern und auch anstelle der Masseleimung benutzen,
sondern es lassen sich auch die Eigenschaften von Faserstoffoliesen, insbesondere
von Papier, weiter verbessern, wenn die Faserstoffbahn während der Siebentwässerung
mit einer wäßrigen Dispersion von teilweise~gelatinierster bzw. teilweise in'kaltem
Wasser quellbar gemachter Stärke besprüht wird, die durch thermische und/oder chemische
oder mechanische Behandlung von nativer und/oder modifizierter nicht gelatinierter
Stärke erhalten wird,
Die teilweise gelatinierte Stärke kann durch
thermische und/oder alkalische Behandlung von nicht gelatinierter Stärke in wäßriger
Suspension bei einem Stärkefeststoffgehalt von etwa 10 0 bis etwa 40 Gew.% und bei
Temperaturen unterhalb etwa 700C bis zu einer Stein-Hall-Viskosität von etwa 15
bis etwa 50 Sekunden bei pH-Werten zwischen etwa 8 und etwa 13 erhalten werden.
Es kann aber auch so verfahren werden, daß die teilweise gelatinierte Stärke durch
mechanische Behandlung von nicht gelatinierter Trockenstärke bis zu einer Stein-Hall-Viskosität
von etwa 15 bis etwa 50 Sekunden, gemessen in wäßriger Dispersion bei einem Stärkefeststoffgehalt
von etwa 10 bis etwa 40 Gew.% und bei pH-Werten zwischen etwa 8 und etwa 13, erhalten
wird.
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Die angegebenen Viskositäten sind vorzugsweise so mit dem Stärkefeststoffgehalt
in Beziehung zu setzen, daß eine Stein-Hall-Viskosität von etwa 15 einem Stärkefeststoffgehalt
von etwa 10 Gew.% und eine solche von etwa 50 Sekunden einem Stärkefeststoffgehalt
von etwa 40 Gew.% entspricht.
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Geeignete Ausgangsstärken iiir die Herstellung der teilweise gelatinierten
Stärke sind nicht gelatinierte native Stärken, wie Mais-, Tapicka-, Milo-, Wachsmais-,
Weizen- und Kartoffelstärke, nicht gelatinierte chemisch oder enzymatisch modifizierte
Stärken, wie säuremodifizierte und oxydierte Stärken, sowie nicht gelatinierte Stärkederivate,
wi Stärkeester und Stärkeäther auch in vernetzt er port.
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Das Besprühen der Faserstoffbahn während der Siebentwässerung erfolgt
erfindungsgemäß vorzugsweise mit einer wäßrigen Stärkedispersion, welche zwischen
etwa 2 und etwa 20 Gew.% Stärkefeststoff enthält. Zweckmäßig werden 0,5 - 3%, insbesondere
1 - 2% Stärke, bezogen auf atro Faserstoff, aufgebracht. Gegegebenenfalls kann ei
auch vorteilhaft sein, daß die wäßrige Stärkedispersion außer der teilweise gelatinierten
Stärke auch
native und /oder modifizierte nicht gelatinierte oder
vollständig gelatinierte Stärke enthält. Zusätzlich können der wäßrigen Stärkedispersion
außerdem nicht stärkehaltige Stoffe, wie Borax, Aluminiumsulfat tierischer Leim,
Polyvinylalkohol Wachs-Paraffin- und/oder Kunstharsdispersionen, wasserlöschliche
Vorpolymerisate, Carboxymethylcellulose, pflanzliche Bindemittel, Seifen, optische
Aufheller, Weißpigmente und Füllstoffe zugesetzt werden.
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Die Messung der Viskosität wird mit einem Standard-Stein-Hall-Becher
vorgenommen. Das Viskosimeter wird mit der erfindungsgemäß erhaltenen wäßrigen Dispersion
oder teilweise gelatinierten Stärke gefüllt, und die Auslauf zeit in Sekunden von
100 ml Dispersion (Menge zwischen den beiden Stäben) wird gemessen. Die Angabe der
Viskosität erfolgt in den ermittelten Sekunden, Während es bei der üblichen Masseleimung
keine g-sielte Einsatzmöglichkeit für den Zusatz von Stärke gibt, kann bei der Sprüchleimung
durch die fakultative Wahl des Einsatzortes für den Sprühauftrag innerhalb des Bereiches
der Si.bentwässerung die Wirksamkeit wahlweise entsprechend der Masseleimung oder
der Oberflächenleimung eingestallt werden. Der Einsatzbereich für das erfindungsgeiäße
a-Imprägnieren mit teilweise gelatinierter Stärke nach dem Sprühverfahren liegt
zwischen dem Stoffauflauf und der Siebsaqwalze (Gautsche). Er beginnt dort, wo das
Vlies einen Feststoffgehalt Voa Mindestens etwa 2 erreicht hat.
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Der jeweils günstigste Einsatzort hängt von der Stoffzusammensetzung
und von dem Grand der Entwässerung der Siebpartie ab. Er kann ii ersten Drittel
der Siebpartie oder auch am Ende der Registerpartie liegen, wie es beispielsweise
für Zeitungspapier typisch ist. Begrenzt wird der Einsatzbereich durch einen maximalen
Feststoffgehalt des Vlieses von etwa 7%.
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Gegenüber dem bisher üblichen Verfahren der Masseleimung von Papier
werden beim Arbeiten nach dem Sprühverfahren verschiedene Vorteile erzielt. So können
Qualitätsschwankungen bei der Papierherstellung sofort ausgeglichen werden, weil
die lange Totzeit zwischen dem Zeitpunkt des Zusatzes der Stärke und der erzielten
Wirkung entfällt. Auch wird die Gefahr des Auftretens bakterieller Infektionen sowie
von Verschmutzung und Ablagerungen vermieden, weil die Stoffaufbereitung ohne Zusatz
von Stärke erfolgt. Während das Abwasser beim Einsatz von Stärke in der Masse nach
dem üblichen Verfahren durch nicht retendierte Stärke einer hohen Belastung ausgesetzt
ist (BSB5) treten derartige Probleme beim Sprühverfahren infolge nahezu vollständiger
Tetention der Stärke nicht auf. Außerdem sind gegenüber der Oberflächenleimung von
Paier mit der Leimpresse für das Sprühverfahren die Investitionskosten wesentlich
geringer.
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Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird nicht nur die Anwendungsbreite
des Sprühverfahrens wesentlich erweitert, sondern es werden auch verschiedene Vorteile
erzielt, die mit dem bisherigen Sprühverfahren nicht zu erreichen sind: 1. Die teilweise
Gelatinierung der stärkekörner bewirkt eine Vergrößerung ihren Volumens. Inforlgedessen
wird die vollständigs GElatinierung der Stärkekörner beim Durchlauf durch die Trockenpartie
der Papiermaschine leichter und vollständiger erreicht, als beim Einsatz von nativer
und/oder modifizierter nicht gelatinierter Stärke. Die Vorteilung der Stärke im
Vlies, die Faster-Stärke-Faser-Bindung und die Festigkeit des Blattes werden verbessert.
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2. Gegenüber der Verwendung von vollständig gelatinierter Stärke ergibt
sich der Vorteil, daß höhere Stärkekonzentrationen eingesetzt werden können.
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3. Durch die erfindungsgemäße Überführung der Stärke in teilweise
gelatinierte Stärke wird die Gefahr beseitigt, daß die Stärke bei niedrigen Xrocknungstemperaturen,
wie sie bei schonender Papiertrocknung erforderlich sind, oder bei kurzen Trocknungsseiten,
beispielsweise 30 Sekunden, nicht vollständig gelatiniert, weil die Temperatur,
bei der die Stärke gelatiniert, herabgesetzt ist. Diese Gefahr besteht auch bei
der Verwendung von Mischungen aus vollständig gelatinierter Stärke und nicht gelatinierter
Stärke für den nicht gelatinierten Anteil.
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4. Die gleichzeitige Verwendung von Trägersubtanzen, um die nicht
gelatinierte Stärke in Suspension zu halten, die nach dem bekannten Sprühverfahren
obligatorisch ist, kann entfallen.
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Die nachstehenden Beispiele-sollen das Verfahren näher erläutern.
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Beispiel l 100 kg native ungelatinierte Maisstärke werden in 415 l
Wasser suspendiert. Durch Einleiten von Sattdampf oder indirekte Wärmezufuhr wird
die Stärkesuspension unter Rühren auf 650C gebracht und bei dieser Temperatur etwa
21 min behandelt. Der ert für die Stein-Hall-Viskosität hat sich dann von etwa 15
auf etwa 25 s erhöht Der Gelatinierungsgrad wird durch Hinzufügen von l kg Aluminiumsulfat
in 9 1 Wasser auf einer Stein-Hall-Viskosität von etwa 25 s konstant gehalten. Die
Ansatzkonzentration der Stärkedispersion von 16 %Stärkefeststoff wird durch Verdünnen
mit 300 1 Wasser auf etwa 10 % Stärkefeststoff eingestellt. Die Viskosität beträgt
nach dem Verdünnen 15 s, gemessen mit dem Stein-Hall-Viskosimeter, bzw.
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35 cp, gemessen mit dem Brookfield-Viskosimeter (bei 100 rpm Sp 1
und 20°).
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Eine so zubereitete Stärkedispersion wurde bei der Herstellung von
Bankpostpapier 10 g/m2 auf einer Langsiebpapiermaschine eingesetzt. Durch Aufsprühen
von 1,0 % Stärke, bezogen auf atro Faserstoff, auf das Vlies während der Siebentwässerung
wurden im Vergleich zum unbehandelten Papier der Dennison-Rupfwert um 3 Punkte und
die Offset-Bedruckbarkeit deutlich verbessert.
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Beispiel 2 In 415 1 Wasser werden 100 kg native ungelatinierte Maisstärke
suspendiert,
und durch Ilinzuf-ügen von 1,17 kg Ätznatron (in 12 l Wasser gelöst) wird das pH
der Stärkedispersion auf 11,3 eingestellt. Nach dem Erwärmen auf 55 °C des Ansatzes
mit direktem Dampf oder durch indirekte Wärmezufuhr steigt die Stein-IIall-Vislcosität
innerhalb von 26 min vori 15 auf 25 s. Durch Hinzufügen von 4,5 kg Aluminiumsulfat
(in 16 1 Wasser gelöst) wird das pH auf 6,7 eingestellt und gleichzeitig die weitere
Gelatinierung gestoppt. Die so bereitete Stärkedispersion zeigt bei 16 % Stärkefeststoffgehalt
eine Brookfield-Viskosität von 250 cp bei 50°C, bzw. 335 cp bei 20°C (100 rpm, Sp.
3). Nach Verdünnen mit 330 l Wasser ist der Ansatz mit einem Stärkefeststoffgehalt
von 9,8 % gebrauchsfähig.
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Bei der Herstellung von schwachsatiniertem Natur-Offset-Papier 60
g/m2 wurden 1,5 % der Stärke, bezogen auf atro Fasserstoff, während der Siebentwässerung
auf einer Langsiebpapiermaschine durch Aufsprühen auf das Vlies gleichmäßig verteilt.
Im Vergleich zum unbehandelten Papier stieg der Dennison-Rupfwert um 2 Punkte, auch
nahm die Staubneigung deutlich ab.
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Beispiel 3 In 414 1 Wasser wird ein Gemisch folgender Zusammensetzung
eingetragen 100 kg native, ungelatinierte Maisstärke, 0,25kg Ca(OH)2, 9,375 kg Na2C03.
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Die Mischung, welche ein pH von 9,4 hat, wird auf 65°C erwärmt und
20 min lang bei dieser Temperatur belassen.
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Danach hat sich eine Stein-Hall-Viskosität von etwa 25 s eingestellt.
Die Teilgelatinierung wird durch Hinzufügen von 1 kg Aluminiumsulfat (gelöst in
9 1 Wasser) unterbrochen und das pit auf 7?1 eingestellt. Dem Ansatz werden weiterhin
2,5 kg Calciumstearatdispersion (40 Gew.%) und 300 1 Wasser hinzugefügt. Die Gebrauchsfertige
Mischung ergibt folgende Werte Stärkefeststoff : lQ,4 ; Stein-Hall-Viskosität :
16 s Durch Aufsprühen dieser Mischung auf das Vlies während der Siebentwässerung
in einer Langsiebpapiermaschine wurden im Vergleich zum unbehandelten Vlies folgende
Eigenschaften bei Bibeldruckpapier 40 g/m² verbessert: Dennison-Rupfwert : um 3
Punkte; Reißlänge : um 15 %.
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Außerdem wurden' Stauben, Offsetbedruckbarkeit, Glätte, Klang und
Steifigkeit verbessert.
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Beispiel 4 Native ungelatinierte trockene Maisstärke wird bei Raumtemperatur
solange in einer Kugel-Schwingmühle behandelt, bis bei einem Ansatz von 180 kg der
Stärke in 715 1 Wasser nach Zusatz von 3,4 kg Ätznatron in 85 1 Wasser eine Stein-Hall-Viskosität
von 50 s gemessen wird. Die so erhaltene Stärkedispersion wird mit Aluminiumsulfat
auf pH 7 und anschließend mit 800 1 Wasser auf einen Stärkefeststoffgehalt von 9,2
% eingestellt.
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Durch Aufsprühen einer so erhaltenen Stärkedispersion wurden 2 % Stärke,
bezogen auf atro Faserstoff-, auf dem Vlies von Wellenpapier 125 g/m2 während der
Siebentwässerung in einer Langsiebpapiermaschine gleichmäßig verteilt. Durch das
Besprühen erhöhte sich im Vergleich zum unbehandelt'en Papier
der
Berstdruck (nach Nullen) um 21 % und die Steifigkeit (CMT-Wert) um 16 %.
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Beispiel 5 180 kg native ungelatinierte trockene Maisstärke werden
in einer Kugel-Schwingmühle solange behandelt, bis nach dem Dispergieren in 715
1 Wasser und nach Zusatz von 3,4 kg Xtznatron (gelöst in 40 1 Wasser) eine Stein-Hall-Viskositat
von 32 s gemessen wird. Anschließend wird mit Aluminiumsulfatlösung neutralisiert
und es werden 3,6 kg Polyvinylalkohol hinzugefügt. Die Mischung wird durch direkte
oder indirekte Wärmezufuhr auf 400C erwärmt und anschließend mit 710 1 Wasser auf
einen Feststoffgehalt von 9,5 % eingestellt.
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Zeitungspapier 52 g/m², welches bei der Herstellung auf einer Langsiebpapiermaschine
während der Siebentwässerung des Vlieses - mit 1,0 % Stärke, bezogen auf atro Faserstoff'
durch Aufsprühen behandelt wurde war für den Vierfarben-Rotations-Offset-Druck hervorragend
geeignet.
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Beispiel 6 90 kg mit Natriumhypochlorit in wäßriger Suspension oxydativ
behandelte nicht gelatinierte Maisstärke werden in 415 1 Wasser suspendiert. Durch
direkte oder indirekte Wärmezufuhr wird die Stärkesuspension unter Rühren auf 650C
gebracht und bei dieser Temperatur 20 ltinuten behandelt. Die Stein-Hall-Viskosität
hat dann von etwa 15 auf etwa 20 s zugenommen. Nach dem Hinzufügen von 10 kg Quellstärke
wird die Stärkedispersion durch Verdünnen mit Wasser auf etwa 10 % StSrkefeststoff
eingestellt.
Die Viskosität gemessen mit dem Stein-Hall-Viskösimeter,
beträgt dann etwa 18 s.
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Diese Stärkedispersion wurde für die Herstellung von holzfreiem Beschichtungsrohpapier
70 g/m2 eingesetzt. Das-Vlies wurde während der Entwässerung auf einer Langsiebpapiermaschine
mit 1,5 % Stärke, bezogen auf atro Faserstoff, besprüht. Die Papieranalyse ergab,
daß im Vergleich zum unbehandelten Papier die mittlere Reißlänge um 13 %, die Bruchdehnung
(längs) um 15 % und der Berstdruck (nach Mullen) um 33 % angestiegen waren.