DE3132841C2

DE3132841C2 -

Info

Publication number: DE3132841C2
Application number: DE3132841A
Authority: DE
Inventors: Richard Lawrence Ridgway Pa. Us Post; Robert George St. Marys Pa. Us Fort
Original assignee: Penntech Papers Inc New York Ny Us
Current assignee: Penntech Papers Inc New York Ny Us
Priority date: 1980-10-22
Filing date: 1981-08-19
Publication date: 1988-10-20
Also published as: DE3132841A1; FR2492426A1; GB2085492B; SE8104734L; GB2085492A; CA1168910A; SE457269B; AU531334B2; FI68438C; KR860000701B1; AU7424881A; US4445970A; FR2492426B1; FI812448L; KR830007956A; FI68438B

Description

Die Erfindung betrifft die Herstellung von Feinpapieren mit einem Papiergewicht von 40 bis 220 g/m², einer Stärke von 0,038 bis 0,38 mm sowie hoher Festigkeit und insbesondere Festigkeit in Z-Richtung, die sich für den Offset- oder Tiefdruck mit besonders hoher Geschwindigkeit eignen.

Feinpapiere für Offset- und Tiefdruck müssen bekanntlich hohe Festigkeit haben, und zwar hohe Zugfestigkeit als auch Festigkeit in Z-Richtung, um den Belastungen beim Druckvorgang zu widerstehen. Große Mengen an mineralischen Füllstoffen haben sich bisher - wegen ihrer nachteiligen Beeinflussung der Papier-Festigkeit - nicht als geeignet erwiesen. Normales Offset- Druckpapier hat daher einen sehr geringen Füllstoffgehalt - meist in der Größenordnung von 15 Gew.-%, ist jedoch normalerweise mit einem Oberflächenstrich versehen, der nach Trocknen der Papierbahn aufgetragen wird. Der Begriff "Feinpapier" wird im üblichen Sinne der einschlägigen Industrie angewandt und umfaßt Offset-Papiere und beschichtete Druckpapiere, Text- und Umschlagpapier, beschichtetes Zeitschriftenpapier, Buchdruckpapier und Baumwollumpenpapier, schließt jedoch "hochfeste" Papierprodukte aus.

Füllstoffe werden seit einigen Jahren bei der Herstellung von Papieren im allgemeinen und bei Feinpapieren im Besonderen verwendet; es handelt sich dabei um allgemeinen um Kaolin, Ton, Talkum, Titandioxid, Calciumcarbonat, wasserhaltige Aluminiumsilicate, Diatomeenerde und andere unlösliche anorganische Verbindungen. Die Füllstoffe haben zwei Aufgaben, nämlich kann mit ihnen aus Kostengründen das Fasermaterial gestreckt werden und es können bestimmte optische und physikalische Eigenschaften, wie Glanz und Opazität, erreicht werden. Bei der Herstellung von Feinpapieren werden Füllstoffe normalerweise in einer Menge von 4 bis 20 Gew.-% - bezogen auf das fertige Papier - angewandt, in Europa selten mehr als 30% Füllstoff und in den Vereinigten Staaten bis zu 25%. Bei der Feinpapierherstellung spielt die Wasserstoffbrückenbindung eine Rolle und ein Problem, welches bei <20% Füllstoffe auftritt, liegt darin, daß zu viel Füllstoff die Wasserstoffbrückenbindung herabsetzt und zu einem Festigkeitsverlust der Papierbahn führt. Werden Füllstoffe, z. B. zusammen mit einem Bindemittel, auf einer Streichpresse aufgetragen, sind etwas höhere Gesamt-Füllstoffgehalte tragbar.

Feinpapier mit bis zu maximal 30% Füllstoff wird normalerweise hergestellt durch Zugabe von 6,57 bis 9 kg/t kationische Stärke oder 0,45 bis 0,9 kg/t Guargummi als normales Masseleimungsmittel. Manchmal werden Latices in der Papierherstellung - nicht jedoch bei der Herstellung von Feinpapier - angewandt, wie unten noch ausgeführt werden soll, da Latices normalerweise klebrig sind und eine Verarbeitung auf einer Fourdrinier-Maschine mit hoher Geschwindigkeit erschweren.

In der US-PS 31 84 373 ist die Herstellung von Papier mit größeren als normalen Mengen an mineralischen Fasern beschrieben, jedoch finden sich keine Angaben über die Eigenschaften der damit erhaltenen Papiere. Dieses bekannte Verfahren hängt davon ab, was als synergistische Mischung von Retentions-Hilfsmitteln gemeint ist, und umfaßt ein wasserlösliches schleimiges oder klebriges Material wie Guargummi und ein wasserlösliches Polyethylenimin-Harz. In der US-PS 29 43 013 ist ein ähnliches Verfahren beschrieben, jedoch soll das dabei erhaltene Papier zur Dekoration von Verbundwerkstoffen dienen, d. h. es werden keine Anforderungen an hohe Festigkeit gestellt, wie sie bei Feinpapieren für den Offsetdruck gefordert werden.

In der Papierindustrie ist allgemein bekannt, daß die Zugabe eines anionischen Latex in der Naßpartie einer Papiermaschine zusammen mit einer kationischen Substanz, wie Alaun, zu einer Ausfällung des Latex in Gegenwart der Papierfasern und Füllstoffe führt und damit zu einer Erhöhung der Papierfestigkeit beiträgt. Diese Maßnahme wird üblicherweise bei der Herstellung bestimmter sogenannter hochfester Produkte angewandt, wie z. B. Dichtungsmaterialien, gesättigte Pappen, Dachpappen, Fußbodenbeläge. Bisher hatte man ein ähnliches Verfahren für die Herstellung von Feinpapier mit größeren als normalen Füllstoffmengen nicht in Betracht gezogen.

In einer Anzahl von Patenten - wie auch US-PS 26 57 991 - wird die Zugabe eines elektrisch aufgeladenen Latex zu dem Stoffeintrag angegeben. Durch ein anionisches System wird ein kationischer Latex leicht ausgefällt und ergibt eine zusätzliche Bindung der Fasern und demzufolge eine höhere Festigkeit des hergestellten Papiers. Diese Patentschriften beziehen sich in erster Linie auf sogenannte hochfeste Papiere, welche weitestgehend ohne Füllstoffe oder bestenfalls mit sehr geringen Anteilen an Füllstoffen oder Pigmenten hergestellt werden. Beispiele für solche Patentschriften sind die US-PS 41 78 205, die die Anwendung eines kationischen Latex beschreibt, wobei jedoch das Pigment nicht essentiell ist, und die US-PS 41 87 142, wo es um die Anwendung eines anionischen Polymer-Coadditivs mit einem kationischen Latex geht und eine solche Latexmenge angewandt wird, daß das gesamte Papiersystem kationisch wird. Die Anwendung von Füllstoffen ist jedoch nicht erwähnt. Aus der US-PS 41 89 345 geht eine extrem hohe Menge von kationischem Latex hervor.

Nach US-PS 42 25 383 wird bei der Herstellung von relativ dicken Papierprodukten, ähnlich wie bei der Herstellung von Dachpappen oder Bodenbelägen, eine Kombination eines kationischen Polymeren mit einem anionischen Latex sowie beträchtlichen Anteilen an mineralischen Füllstoffen aufgewendet. Es muß jedoch nochmals darauf hingewiesen werden, daß es sich bei den dortigen Produkten nicht um Papier für den Offset-Druck handelt und die Festigkeits-Anforderungen relativ gering sind. Wegen der auf diese Weise hergestellten beträchtlichen Dicke der Produkte erhält ein solches Produkt allein durch seine Masse zusätzliche Festigkeit.

Die US-PS 41 81 567 ist auf die Herstellung von Papier unter Verwendung eines Agglomerats eines ionischen Polymeren und relativ großer Mengen an Füllstoff gerichtet. Es können anionische oder kationische Polymere angewandt werden. Die Füllstoffe können Calciumcarbonat, Ton, Talk, Titandioxid oder deren Gemisch sein. Nach Beispiel 1 wird ein Papier mit einem Gewicht von 120 g/m² und einem Aschegehalt von 29% mit Calciumcarbonat als Füllstoff hergestellt. Im wesentlichen betrifft dieser Stand der Technik die Ausfällung des Pigments mit einem Retentions- Hilfssystem vor Zugabe in das Papiersystem.

Aus der DE-OS 25 16 097 Spalte 1, unten (entsprechend GB-PS 15 05 641) geht die Vorbehandlung von Calciumcarbonat mit einem Styrol/Butadien-Polymer-Latex zur Herstellung eines geschützten Pigments hervor, welches in der Papierherstellung vorzugsweise in einer Menge von 20 Gew.-% angewandt werden kann, jedoch wird ausgeführt, daß bis zu einer Menge von 50 Gew.-% es zu keiner oder nur einer geringen Verschlechterung der Festigkeit kommt. Aus der obigen britischen Patentschrift geht hervor, daß man einen anionischen Latex mit einer wäßrigen Suspension des speziellen Füllstoffs, welcher kationisch ist, mischen kann, z. B. hergestellt durch Mischen mit positiv geladener Stärke. Auf 100 Teile Füllstoff werden 1 bis 20 Teil(e) Latex angewandt. Der Füllstoff wurde in den Holländer oder im Stofflöser vor dem Stoffauflaufkasten zugesetzt. Beispiel 3 zeigt die Anwendung von 400 Teilen Füllstoff auf 700 Teile Holzfasern. Es muß noch darauf hingewiesen werden, daß dieses britische Verfahren eine zusätzliche Anlage und zusätzliche Verarbeitung erforderlich macht, da der Füllstoff zuerst eingekapselt und erst dieser dann dem Papiersystem zugesetzt wird. Mit anderen Worten ist das britische Verfahren ungebührlich kompliziert. Darüberhinaus bewirkt die Einkapselung einen nicht ausreichenden Schutz, um Calciumcarbonat ohne unerwünschtes Schäumen in einem sauren Medium anzuwenden.

Aufgabe der Erfindung ist es, Feinpapiere mit hoher Produktionsgeschwindigkeit, welche sich für den Offset-Druck, insbesondere den Offset-Druck mit hoher Druckgeschwindigkeit, eigenen, zu bringen.

Diese Aufgabe wird durch ein Papier gelöst, wie es in obigen Ansprüchen gekennzeichnet ist. Erfindungswesentlich dabei ist, daß für deren Herstellung ein kationischer Latex verwendet wird, also eine Dispersion von Polymerteilchen, deren Polymeres kationische Stellen aufweist, und daß der Gehalt an mineralischem Füllstoff die üblicherweise aufgewendeten Mengen beträchtlich übersteigt.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren gelingt die Herstellung eines qualitativ hochwertigen Feinpapiers mit hohem Mineralfüllstoffgehalt in wirtschaftlicher Weise zu geringen Kosten und mit hoher Produktionsgeschwindigkeit. Bevorzugt wird ein synergistisches Gemisch von mineralischen Füllstoffen angewendet.

Die erfindungsgemäßen Feinpapiere haben bevorzugt eine Stärke von 0,051 bis 0,203 mm und ein Papiergewicht bis 117 g/m² und enthalten 30 bis 70% mineralische Füllstoffe, abhängig von der in Aussicht genommenen Anwendung des Papiers, nämlich für ein Feinpapier mit einem Flächengewicht von 44,4 g/m² 30%, für ein Papier mit 60 g/m² 40%, für ein Papier mit 74 g/m² 50%, für ein Papier mit 88,8 g/m² 60% und für ein Papier mit einem Gewicht von 103,6 bis 222 g/m², vorzugsweise bis 118,4 g/m², 70% Fülstoffe.

Die erfindungsgemäßen Feinpapiere werden bevorzugt auf üblichen Fourdrinier-Papiermaschinen mit hohen Geschwindigkeiten und hoher Energieeinsparung bei hoher Produktionsleistung, aber auch auf anderen Papiermaschinen wie z. B. Zylindermaschinen, Doppeladern- Maschinen, hergestellt.

Die großen Mengen an mineralischen Füllstoffen reduzieren weitestgehend die Einstandskosten der erfindungsgemäßen Papiere. Papiere mit hohem Füllstoffgehalt sind leichter zu trocknen als normale Papiere und daher kann die Papiermaschine eine größere Laufgeschwindigkeit, z. B. eine um 10 bis 25% höhere Laufgeschwindigkeit, und damit Leistung haben. Schließlich ist die für die Trocknung des Papiers benötigte Dampfmenge geringer, gewöhnlich zum zumindest 15%, insbesondere bis zu 30% geringer, gleichbedeutend mit einer beträchtlichen Einsparung an Betriebsenergie.

Feinpapiere werden normalerweise nach den verschiedensten Verfahren aus Faserbrei von Hart- und Weichholz unter Anwendung üblicher Zusätze wie Harzleim, Alaun und polymere Retentions-Hilfsmittel hergestellt. Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich auch für die Herstellung von Papieren aus Chemiefasern anwenden. Was die Holzfasern anbelangt, kann übliches Fasermaterial eingesetzt werden. Wünschenswert ist jedoch im Stoffeintrag 50 bis 100% Hartholz-Kraftzellstoff und 50 bis 0% Weichholz-Kraftzellstoff und insbesondere 25% Weichholz-Kraftzellstoff und 75% Hartholz- Kraftzellstoff. Berechnet auf den Gesamt-Feststoffgehalt des Stoffeintrags bevorzugt man 5 bis 30 Gew.-% Weichholz-Kraftzellstoff und 15 bis 50 Gew.-% Hartholz-Kraftzellstoff.

Der Papierbrei hat bei dem erfindungsgemäßen Verfahren vorzugsweise einen sauren pH-Wert, obwohl ein saurer Stoffeintrag nicht essentiell ist. Alaun und Harzleim werden bevorzugt angewandt, sind jedoch nicht essentiell. Unter dem Begriff "Harzleim" werden hier die verschiedensten dispersen Harzleime, synthetische Harzleime und Harzderivate verstanden. Man kann auch andere Arten der Masse-Leimung anwenden. Man kann in dieses System Polyacrylamid zur Verbesserung der Trockenfestigkeit zusetzen, wodurch auch in gewissem Umfang die Naßfestigkeit auf der Papiermaschine erhöht wird.

Der bevorzugte Stoffeintrag enthält Alaun und Harzleim, vorzugsweise in einem Verhältnis von etwa 3 Teilen Alaun auf 1 Teil Harzleim, jedoch kann dieses Verhältnis variieren. Im allgemeinen rechnet man mit 2,25 bis 4,5 kg/t Harzleim, bezogen auf trockenen Stoffeintrag, wofür im allgemeinen eine Alaunmenge von 4,5 bis 9 kg/t, vorzugsweise etwa 6,75 kg/t, für einen pH-Wert von 4 bis 5 ausreicht.

Der wesentliche Punkt beim erfindungsgemäßen Verfahren ist die Anwendung eines geeigneten Latex bzw. einer Kunststoff- Dispersion. Dabei kann es sich z. B. um einen Latex aus einem Styrol/- Butadien-Polymeren, Polyacrylat, Polyvinylacetat handeln. Die meisten Latices, die für die Naßpartie angewandt werden, sind nicht notwendigerweise geeignet, weil sie ausgefällt auf den Fasern und Füllstoffen nicht haften. Am geeignetsten erwies sich ein amphoterer Latex, der unter den herrschenden Bedingungen, z. B. im sauren Milieu, kationisch wird. Kationische Latices können auch angewandt werden.

Im erfindungsgemäß zu verwendenden Latex sind die Polymeren der Teilchen kationisch bzw. werden unter den Arbeitsbedingungen kationisch - im Gegensatz zu dem Latex, wie er nach der US-PS 26 57 991 angewandt wird. Bei dem dortigen Latex werden die Teilchen der an sich ungeladenen Polymeren entgegengesetzt zu der Ladung der in der Aufschlämmung vorhandenen Fasern und Füllstoffteilchen, welche anionisch sind, aufgeladen. Durch die entgegengesetzte oberflächliche Ladung von Polymerteilchen einerseits und Fasern und Füllstoffen andererseits kommt es zur Koagulation. Bekanntlich ist der normale Papierbrei anionisch wegen der negativen Ladung der Cellulosefasern und der meisten mineralischen Füllstoffe.

Nach der bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden 2 kationische Polymere als Latex - oder auch ein kationischer und ein anionischer -, Alaun und Harzleim in den Papierbrei eingebracht. Wird auch ein anionischer Latex angewandt, so sollte die Menge an kationischen Polymeren zur Ausfällung des anionischen Latex ausreichen.

Die durch Fällung oder Koagulation des Latex gebildeten Flocken können anionisch oder kationisch sein, abhängig von Menge und Ladungsdichte des Latex, dem pH-Wert des Papierbreis und den anderen Stoffen, z. B. der Art der Fasern und der Füllstoffe, der Ladungsdichte der anionischen Materialien. Dies beruht darauf, daß die Menge an angewandtem Latex gering ist gegenüber den für die Herstellung von Pappe oder imprägnierten Bahnen angewandten Mengen. Sie liegt im allgemeinen zwischen nur 3 und 7%, bezogen auf trockenen Stoffeintrag. Trotz der geringen Mengen an Latex - was wirtschaftlich sehr vorteilhaft ist - bewirken die gebildeten Flocken jedoch eine hervorragende Retention am Sieb der Papiermaschine, was ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist. Bei einer 5 gew.-%igen Latexzugabe und kationischen Polymeren kann man beim ersten Durchgang mit einer Gesamt-Retention von etwa 87% rechnen.

Als mineralischer Füllstoff kann ein beliebiges in Wasser nicht lösliches Material dienen. Die meisten üblichen Füllstoffe der Papierindustrie können angewandt werden wie z. B. Kaolin, Ton, Talk, Titandioxid, Aluminiumoxidhydrate, Kieselsäuren und Silicate, Calciumcarbonat; nicht wünschenswert ist z. B. Diatomeenerde und weniger geeignet sind poröser gebrannter Ton und teilweise gebrannter Kaolin. Besonders wünschenswert sind verschiedene Arten von Talk. Calciumcarbonat ist in einem Papierbrei mit einem pH-Wert <7, insbesondere zwischen 4 und 5, nicht anwendbar, da es unter Bildung von CO₂ und Schäumen mit der Säure reagiert.

Eine synergetische Wirkung, und zwar in erster Linie auf die Festigkeit bei einem gegebenen Füllstoffgehalt, zeigt ein Gemisch eines neutralen Talks und eines stark anionischen Kaolins. Es wird angenommen, daß die Talkteilchen eine physikalische Affinität zu den Polymerteilchen besitzen und daher als Keim für die Ausflockung wirken. Der Talk stört nicht in dem Ausmaß die Faserbindung, wie der Kaolin. Das Verhältnis Kaolin : Talk soll in dem Gemisch 95 : 5 bis 5 : 95 Gew.-Teile, vorzugsweise 5 bis 75% Talk auf 95 bis 25% Kaolin, betragen. Berechnet auf Gesamt-Feststoffgehalt des Stoffeingangs beträgt die bevorzugte Füllstoffmenge 10 bis 30% Talk und 10 bis 30% Kaolin.

Der Ton - bevorzugt Kaolin - hat eine sehr feine Teilchengröße, z. B. etwa 0,5 µm, bis zu einer relativ groben Korngröße, z. B. maximal etwa 15 µm. Ein besonders geeigneter Ton besteht aus dünnen hexagonalen Platten, von dem 80 bis 82% eine Korngröße <2 µm und nur 0,005% eine Korngröße <43 µm besitzen. Der Talk soll vorzugsweise auf eine Korngröße <43 µm aufgemahlen sein, jedoch kann dessen Korngröße auch beträchtlichen Schwankungen unterliegen.

Das synergistische Gemisch von Talk und Kaolin kann für die Herstellung von Feinpapier mit einem Füllstoffgehalt bis zu 70 Gew.-% angewandt werden. Die mit dem amphoteren der kationischen Latex und dem synergistischen Füllstoffgemisch hergestellten Papierbahnen zeichnen sich durch hervorragende Festigkeit aus.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird anhand beiliegenden Fließschemas erläutert. In einem Mischer (5) wird Hartholz-Zellstoff (1), Fabrikationsabfälle oder Bruchpapier (2), Weichholz- Zellstoff (3) und Füllstoff (4) eingebracht. Werden mehrere Füllstoffe angewandt, so können diese bereits vorgemischt sein. Aus dem Mischer (5) gelangt die Masse dann in einen Trichter (6), in welchen Latex (7) und Harzleim (8) zugespeist werden. Der so erhaltene Papierbrei gelangt in die Bütte (9), gegebenenfalls kann man Latex und Harzleim direkt in die Bütte (9) einspeisen. Aus der Bütte (9) gelangt der Papierbrei über eine Pumpe in die Stoffbütte (10) und dabei wird in den Papierbrei Alaun (11) und kationisches Polymer (12) zugespeist. Der aus der Stoffbütte (10) kommende Papierbrei wird mit Wasser (13) aus dem Weißwassersystem verdünnt und dann zu üblichen Reinigern und Sieben (14) gepumpt. Schließlich wird der Stoffeintrag nach Zuspeisung eines Retentions-Hilfsmittels (15), z. B. ein wasserlösliches extrem hochmolekulares kationisches Acrylamid-Copolymer mit einer Dichte von etwa 0,45 g/cm³, in den Stoffauflaufkasten (16) aufgegeben.

Aus dem Fließschema ergibt sich, daß kationisches Polymer an zwei unterschiedlichen Stellen zugespeist wird. Diese Polymeren werden dem Stoffeintrag jeweils in einer Menge von 0,1125 bis 1,35 kg/t, vorzugsweise 0,225 kg/t, bezogen auf trockenen Stoffeintrag, zugesetzt. Wenn der Papierbrei die Bütte (9) verläßt, z. B. mit einem Feststoffgehalt von etwa 3%, ist das zugesetzte kationische Polymer vorzugsweise ein hochmolekulares Polyacrylamid mit einem pH-Wert von 4,6, einer Dichte von 1,1 g/cm³ und einem Feststoffgehalt (der Dispersion) von 8%, wobei die Viskosität 1500 bis 200 Pa · s beträgt.

Nachdem der Papierbrei Siebe und Reiniger verlassen hat und bevor er in den Stoffauflaufkasten (16) gelangt, wird ein zweites Mal kationisches Polymer eingespeist, und zwar normalerweise in einer Menge von 0,1125 bis 0,45 kg/t, bezogen auf trockenen Stoffeintrag. Diese zweite Polymerzugabe führt in Verbindung mit den anderen Komponenten sicher zu einer maximalen Ausflockung und wirkt gleichzeitig als Retentions-Hilfsmittel. Die 1. Polymerzugabe kann an einer beliebigen Stelle stromauf der 2. Polymerzugabe erfolgen oder - umgekehrt gesagt - die 2. Polymerzugabe erfolgt an beliebiger Stelle stromab der 1. Zugabe. Die genauen Zugabestellen hängen von der Papiermaschine ab.

Wie oben bereits darauf hingewiesen, ist die Auswahl des Latex von besonderer Bedeutung für die erfolgreiche Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, um Papiere mit hohem Füllstoffgehalt und maximaler Festigkeit zu erreichen. Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich besonders erfolgreich mit folgenden zwei Latices durchführen.

1. Ein verwendeter handelsüblicher amphoterer Acrylat-Latex ist unter neutralen Bedingungen nicht-ionisch, wird jedoch in saurem Milieu kationisch. Er ist als milchig-weiße Flüssigkeit mit einem Feststoffgehalt von 50% und einer Dichte von 1,06 g/cm³ sowie einer Brookfield LVF-Viskosität bei 25°C von 0,2 Pa · s (Spindel Nr. 2 bei 60 UpM) im Handel.
2. Ein weiterer verwendeter handelsüblicher kationischer Latex ist ein Latex eines carboxylierten Styrol/Butadien-Polymeren.

Darüberhinaus wird häufig zusätzlich ein handelsüblicher anionischer Latex verwendet. Das ist ein Latex eines carboxylierten Styrol/Butadien-Polymeren mit einem pH-Wert von 8, einem Feststoffgehalt von 45 bis 47%, einer Teilchengröße von etwa 160 nm und einem spezifischen Gewicht von 1,01 g/cm³ (US-PS 42 25 283).

Andere geeignete Latices können durch routinemäßige Untersuchungen festgestellt werden, wobei ausschlaggebend ist, ob der Latex mit einem Polymergehalt von nicht wesentlich <7% Fasern und Füllstoffe vollständig oder praktisch vollständig auszufällen vermag, zu einer guten Retention führt und Papiere liefert, die eine entsprechende Festigkeit bei hohem Füllstoffgehalt besitzen, so daß sie sich für Offset- oder Tiefdruck eignen. Solche orientierende Untersuchungen werden mit einem Stoffeintrag, enthaltend 3 bis 7% des zu prüfenden Latex und einem 1 : 1 Gemisch von Ton und Holzzellstoff in einer Vorrichtung für eine Schöpfprobe (Noble and Wood hand-sheet machine) oder einer ähnlichen Laboratoriumsvorrichtung mit Weißwasserumlauf und einem üblichen Sieb mit einer Maschenweite von 0,149 mm durchgeführt. Das Probeblatt wird dann einmal abgepreßt und dann getrocknet. Ein geeigneter Latex ist zu vollständiger oder fast vollständiger Ausfällung fähig, wenn beim Versuch das Papier das Sieb verläßt, ohne das Latexrückstände zurück bleiben. Er ergibt gute Retention, wenn in einem solchen Versuch etwa ≧ 75%, vorzugsweise zumindest 88%, Füllstoff und Fasern zurückgehalten werden, und gute Festigkeit, wenn das erhaltene Blatt zumindest 10%, vorzugsweise zumindest 16%, nach Mullen aufweist.

Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich auch dort anwenden, wo ein Streichen für eine Nachbehandlung der Papiere wünschenswert ist. Das beispielsweise in der Leimpresse angewandte Material kann aus den üblicherweise angewandten Stoffen gewählt sein, wie Stärke, Polyvinylalkohol, Polyvinylacetat, Styrol/Butadien-Copolymer, Polyacrylat, Ton, Titandioxid, Calciumcarbonat, Talk oder andere üblicherweise angewandte Stoffe und deren Kombination, die zu einer entsprechenden Oberfläche für das Bedrucken oder für andere Anwendungen beitragen können. Unter dem Begriff "Stärkeleimung" werden unmodifizierte Kartoffelstärke, Tapiokastärke, Maisstärke, anionische Stärke und deren Derivate verstanden. Besonders geeignet ist eine zu 2% hydroxyethylsubstituierte Maisstärke mit einem Feststoffgehalt von 8 bis 12% und mit einer Fluidität von 80. Diese kann in einer Menge von 13,5 bis 67,5 kg/t eingesetzt werden.

Die Erfindung wird an folgenden Beispielen weiter erläutert. Die Festigkeit wird angegeben in % Mullen, wobei Mullen definiert wird in N/cm², gebrochen durch das Papiergewicht.

Beispiel 1

Es wurden zwei Versuchsreihen zur Herstellung von Probeblättern auf einer "Noble und Wood sheet machine" durchgeführt. Als Füllstoff diente ein Gemisch von Kaolin/Talk 1 : 1. Beide Stoffeinträge enthielten 5% Latex und 0,1755 kg/t kationisches Polymer, und zwar war der Latex für den ersten Stoffeintrag der zuvor beschriebene handelsübliche anionische Latex und für den zweiten Stoffeintrag der zuvor beschriebene handelsübliche amphotere Latex. Der pH-Wert des Stoffeintrags wurde auf 4,5 eingestellt, wodurch der Latex kationisch wurde.

Die Retention war gut, die Festigkeit entsprechend und auf dem Sieb verblieb nach beiden Versuchen kein Rückstand. Der Füllstoff in dem erhaltenen Papier, hergestellt mit nur kationischem Latex, war konzentrierter, was eine weitergehende und stabilere Ausflockung anzeigt.

Beispiel 2

In obiger Laboratoriumsanlage wurden Papierproben hergestellt aus einem Stoffeintrag enthaltend 55% Kaolin, 45% Zellstoff in Form eines Gemisches aus 75% Harzholz und 25% Weichholz, 5% handelsüblicher anionischer Latex, 0,135 kg/t handelsüblicher kationisches Polymer, 1,125 kg/t dispergierter Harzleim und 4,5 kg/t Alaun.

Die Füllstoff-Retention betrug 88% und die Tonmenge im Papier 48,9%. Die Papierfestigkeit war 10,9% Mullen.

Beispiel 3

Beispiel 2 wurde wiederholt mit Ausnahme, daß anstelle des anionischen Latex der zuvor beschriebene handelsübliche amphotere Acryl-Latex angewandt wurde und der pH-Wert sauer war, so daß der Latex tatsächlich kationisch war. Alles andere entsprach dem Beispiel 2. Die zurückgehaltene Menge an Füllstoff betrug 89,6% und die Tonmenge im Papier 49,3%. Die Papierfestigkeit betrug 16,6% Mullen.

Vergleicht man Beispiel 2 und Beispiel 3, so zeigt sich der Unterschied in der Mullen-Festigkeit bei etwa dem gleichen Füllstoffgehalt. Aus diesen Beispielen geht hervor, daß ein kationischer Latex höhere Papierfestigkeiten ergibt als ein anionischer Latex.

Beispiel 4

Auf einer halbtechnischen Langsiebmaschine, die schmäler war und langsamer lief als eine normale Papiermaschine für Feinpapiere, wurde ein Versuch durchgeführt, bei dem der Stoffeintrag 46% Holz-Zellstoff, 54% mit Säure koaguliertes Kaolin, 0,225 kg/t handelsübliches kationisches Polymer, 5,4 kg/t Alaun und 2,25 kg/t dispergierten Harzleim, zusätzlich zu 5% handelsüblichem anionischem Latex, enthielt. Das erhaltene Papier mit einem Gewicht von 122,84 g/m² wurde mit 45 bis 54 kg/t ethylierter Maisstärke gestrichen. Beim ersten Durchgang betrug die Retention 73,9% und der Füllstoffgehalt des Papiers 44,7%, während die Festigkeit nach Mullen 21,7% betrug. Die gesamte Asche-Retentionswirksamkeit war 66,2%.

Beispiel 5

Das Beispiel 4 wurde zur Herstellung eines Papiers mit einem Gewicht von 70 g/m² wiederholt. Die gesamte Aschen-Retentionswirksamkeit betrug 61,3% mit einer ersten Durchgangs-Retention von 64,5%. Das Papier enthielt 41,4% Füllstoff und hatte eine Festigkeit von 14,8% Mullen.

Beispiel 6

Das Beispiel 4 wurde wiederholt, jedoch in diesem Fall anstelle des anionischen Copolymeren ein handelsüblicher Latex eines kationischen carboxylierten Styrol/Butadien-Copolymeren angewandt, und zwar in der gleichen Menge von 5%, bezogen auf den Gesamt-Feststoffgehalt des trockenen Stoffeintrags von Ton und Holzfasern. Die gesamte Aschen-Retentionswirksamkeit war 68,2% und die erste Durchgangs-Retention 81,4%. Das erhaltene Papier enthielt 47% Füllstoff und hatte eine Festigkeit von 19% Mullen.

Vergleicht man Beispiel 6 mit den Beispielen 4 und 5, so ergibt sich, daß der kationische Latex bessere Retention ergibt und sich leichter handhaben läßt als der anionische Latex. Darüberhinaus ist das Papier des Beispiels 6 fester als das des Beispiels 5.

Beispiel 7

Beispiel 6 wurde wiederholt, jedoch in diesem Fall anstelle des handelsüblichen kationischen Latex die gleiche Menge eines handelsüblichen amphoteren Polyacrylat-Latex angewandt. Die gesamte Aschen- Retentionswirksamkeit betrug 83,1% und die erste Durchgangs- Retention 81,6%. Das Papier enthielt 49,2% Füllstoff und hatte eine Festigkeit von 19,6% Mullen.

Das Verfahren nach Beispiel 7 wurde bei einem sauren pH-Wert durchgeführt, so daß der ursprünglich amphotere Latex tatsächlich kationisch war.

Vergleicht man Beispiel 7 mit Beispiel 4, so zeigt sich, daß die nach Beispiel 7 zurückgehaltene Füllstoffmenge höher und die Festigkeit nur geringfügig niederer lag. Im Vergleich mit Beispiel 5 zeigt sich eine Verbesserung sowohl bei der Retention als auch bei der Festigkeit. Die Beispiele 4 bis 7 zeigen höhere erste Durchgangs-Retentionen und Aschen-Retentionswirksamkeiten kationischer und amphoterer Latices, woraus sich ergibt, daß diese bei der Papierherstellung mit saurem Papierbrei besser geeignet sind.

Vergleichsversuch 1

Auf obiger halbtechnischer Langsiebmaschine wurde ein Papier aus einem Stoffeintrag von 50% Holz-Zellstoff und 50% Kaolin hergestellt und 5% handelsüblicher anionischer Latex von carboxyliertem Styrol/Butadien-Copolymeren und 2,25 kg/t dispergierter Harzleim sowie 5,4 kg/t Alaun angewandt. Die Aschen-Retentionswirksamkeit betrug 74,9% und die erste Durchgangs-Retention 74,5%. Das Papier wurde nicht gestrichen. Es enthielt 42,8% Füllstoff und hatte eine Festigkeit von 15,3% Mullen.

Beispiel 8

In Abwandlung obigen Vergleichsversuchs wurde der Zellstoffgehalt des Stoffeingangs auf 46% herabgesetzt und die Kaolinmenge auf 54% erhöht. Es wurde obiger amphoterer Polyacrylat- Latex unter kationischen Arbeitsbedingungen angewandt. Die Aschen-Retentionswirksamkeit betrug 73,19% und die erste Durchgangs- Retention war 76,7%. Das Papier enthielt 46,6% Füllstoff und hatte eine Festigkeit von 13,5% Mullen.

Vergleichsversuch 2

In weiterer Abwandlung des Vergleichsversuchs 1 wurden 55% Kaolin und 45% Holz-Zellstoff angewandt. Die Aschen- Retentionswirksamkeit lag bei 66% und die erste Durchgangs- Retention bei 66,1%. Das Papier enthielt 44,7% Füllstoff und hatte eine Festigkeit von nur 9,8% Mullen.

Die Vergleichsversuche 1 und 2 und das Beispiel 8 zeigen, daß - bei einem Stoffeintrag, der nicht mehr als etwa 50% Füllstoff enthält - sich ein anionischer Latex hinsichtlich der Wirksamkeit ähnlich verhält wie ein kationischer Latex, jedoch die Wirksamkeit des anionischen Latex beträchtlich abfällt - insbesondere was die Festigkeit des Papiers anbelangt -, wenn die Füllstoffmenge im Papierbrei 55% erreicht.

Beispiel 9

Auf obiger halbtechnischer Papiermaschine wurde ein Papier aus einem Stoffeintrag enthaltend 46% Holz-Zellstoff und 54% Füllstoff hergestellt, wobei der Füllstoff ein 1 : 1 Gemisch von Talk und Ton war. Der Stoffeintrag umfaßte 5% handelsüblichen anionischen Latex von carboxyliertem Styrol/Butadien-Copolymeren, 2,25 kg/t dispergiertem Harzleim, 5,4 kg/t Alaun und 0,225 kg/t handelsüblichen kationischen Latex von Polyacrylamid. Die Aschen-Retentionswirksamkeit war 73,9% und die erste Durchgangs-Retention 79,5%. Das Papier wurde mit Stärke gestrichen. Es enthielt 50,9% Füllstoff und hatte eine Festigkeit von 20,9 Mullen.

Beispiel 10

Beispiel 9 wurde wiederholt, jedoch in diesem Fall ein Füllstoff aus 46% Talk und 54% Ton angewandt. Das erhaltene Papier hatte ein Gewicht von 72,22 g/m²; die Aschen-Retentionswirksamkeit war 67,8% und die erste Durchgangs-Retention 83,6%. Das Papier enthielt 46,9% Füllstoff und hatte eine Festigkeit von 20% Mullen.

Beispiel 11

Beispiel 10 wurde wiederholt, jedoch in diesem Fall anstelle des anionischen Latex 5% obiger amphoterer Polyacrylat-Latex angewandt. Die Aschen-Retentionswirksamkeit war 78,2% und die erste Durchgangs-Retention 87,9%. Das Papier enthielt 49,3% Füllstoff und hatte eine Festigkeit von 22,1% Mullen.

Vergleicht man Beispiel 11 mit Beispiel 10, so zeigt sich wieder die Überlegenheit des amphoteren Acrylat-Latex, der bei der Anwendung kationisch war, gegenüber dem anionischen Latex bei sonst gleichen Bedingungen.

Beispiel 12

Beispiel 11 wurde wiederholt, jedoch die Füllstoffmenge auf 54% erhöht, wobei die relativen Mengen auf 21,5% Talk und 78,5% Ton geändert wurden. Die Aschen-Retentionswirksamkeit betrug 72,6% und die erste Durchgangs-Retention 87,8%. Das Papier enthielt 50,9% Füllstoff und hatte eine Festigkeit von 17,1% Mullen.

Vergleicht man Beispiel 12 mit Beispiel 11, so zeigt sich, daß die Festigkeit geringer war, obwohl die Retention sehr hoch blieb.

Beispiel 13

Beispiel 10 wurde wiederholt, jedoch wurde in diesem Fall ein Papier mit einem Gewicht von 143,26 g/m², also etwa dem doppelten Gewicht wie in Beispiel 10, hergestellt. Die Aschen-Retentionswirksamkeit betrug 83,4% und die erste Durchgangs-Retention war 83,6%. Das Papier enthielt 49,8% Füllstoff und hatte eine Festigkeit von 26,5% Mullen.

Vergleicht man Beispiel 12 mit Beispiel 10, so zeigt sich, daß bei zunehmendem Papiergewicht und Konstanz aller restlichen Faktoren bei höherem Füllstoffgehalt ein beträchtlicher Anstieg der Festigkeit dann festzustellen ist, wenn der Füllstoff ein Gemisch von Talk und Ton ist.

Die Beispiele 9 und 13 zeigen den Synergismus von Ton und Talk als Füllstoff. Aus diesen Beispielen ergibt sich, daß für alle Latex-Systeme ein Anteil von 50% Talk sich als synergetisch erweist, jedoch das synergistische Gemisch besonders wirksam ist in Verbindung mit dem amphoteren Latex zur Herstellung noch festerer Papiere.

Beispiel 14

Die nach den Beispielen 4, 7 und 12 hergestellten Papiere wurden auf einer 4-Farben-Offset-Druckmaschine (full size Mhiele 1000) mit Druckfarben für gestrichene Papiere ohne Probleme gedruckt. Alle Papiere hatten ausreichende Festigkeit. Die Laufgeschwindigkeit betrug 182,4 m/min.

Beispiel 15

Es wurde ein Vergleich zur Bestimmung der Wirtschaftlichkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens durchgeführt. Vier Stoffeinträge folgender Zusammensetzung wurden für die Papierherstellung angewandt: Der erste Versuch diente als Blindversuch und enthielt in dem Stoffeintrag 90% Holz-Faserzellstoff, und zwar 75% aus Hartholz und 25% aus Weichholz, 5,4 kg/t Alaun, 2,25 kg/t Harzleim und 10% Kaolin.

Die Proben 1 bis 3 nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wurden aus obigem Stoffeintrag mit zusätzlich 5% handelsüblichem amphoterem Polyacrylat- Latex und steigenden Anteilen an Kaolin hergestellt, wobei der Stoffeintrag für Probe 1 40%, für Probe 2 50% und für Probe 3 60% Kaolin enthielt.

Die vier Papierproben wurden auf der Haspel auf einen Feuchtigkeitsgehalt von 5% getrocknet. Die Ergebnisse sind in der Tabelle I zusammengefaßt.

Tabelle I

Aus der Tabelle I ergibt sich, daß höher gefüllte Papiere weniger Dampf für das Trocknen auf 5% Feuchte erforderlich machen, gleichbedeutend mit einer wesentlichen Energieeinsparung. Da auch für die Trocknung weniger Wasser verdampft werden muß, ist die Produktionsgeschwindigkeit größer.

Beispiel 16

Es wurde eine Reihe von Probeblättern mit unterschiedlichen Latices und Füllstoffgehalten hergestellt. Alle Stoffeinträge waren mit Ausnahme der in den Tabellen II und III angegebenen Unterschiede die gleichen. In den Tabellen sind auch die Ergebnisse mit den Vergleichsproben aufgenommen.

Tabelle II

Tabelle III

Beispiel 17

Zum Vergleich des erfindungsgemäßen Verfahrens mit dem Verfahren nach GB-PS 15 05 641 wurde eine Versuchsreihe durchgeführt. Entsprechend Beispiel 1 des Standes der Technik enthielt der Stoffeintrag 50 Teile Cellulosefasern, 48 Teile Füllstoff und 5% Latex, bezogen auf die Summe Cellulosefasern + Füllstoff. Beim Vergleichsversuch war der Füllstoff Calciumcarbonat und dieses Calciumcarbonat war mit dem Latex vorbehandelt worden. Nach der Erfindung war der Füllstoff Ton oder ein Gemisch von Ton und Talk 1 : 1. Der handelsübliche anionische Latex enthielt carboxyliertes Styrol/Butadien- Copolymer. Der handelsübliche Latex war amphoteres Polyacrylat. Die Papiere wurden auf einer Laboratoriumsanlage für Prüfblätter hergestellt. Die Ergebnisse sind in der Tabelle IV zusammengefaßt.

Tabelle IV

Aus dem zweiten Versuch der Tabelle IV ergibt sich, daß sich das System nach dem Stand der Technik für sauren pH-Wert nicht eignet, da der Latex das Calciumcarbonat nicht entsprechend schützt, so daß es in einem gewissen Ausmaß mit der Säure reagiert und es zum Schäumen kommt. 8% des Füllstoffs gehen durch Reaktion mit Alaun verloren. Das Calciumcarbonat pufferte das System auf einen pH-Wert von 5,5. Die Versuche wurden bei einem angestrebten sauren pH-Wert von 4,5 durchgeführt, der durch Alaunzugabe eingestellt worden ist.

Die Festigkeit der Prüfblätter mit kationischem/amphoterem Latex übersteigt die Festigkeit der Papiere nach dem Stand der Technik bei vorgegebenem Füllstoffgehalt. Nach dem Stand der Technik enthielt das bei einem alkalischen pH-Wert von 7,5 hergestellte Papier 39,1% Füllstoff und hatte eine Festigkeit von 8,2% Mullen. Das kationisch/amphotere Latex- System nach der Erfindung mit Ton und Talk als Füllstoffe führte zu einem Papier mit einem Füllstoffgehalt von 40,9% und einer Festigkeit von 14% Mullen und war damit den Papieren des Standes der Technik überlegen.

Beispiel 18

Auf obiger Langsiebmaschine wurde eine Reihe von Versuchen durchgeführt. Der Stoffeintrag in die Maschine umfaßte 50% Holzfasern, 25% Kaolin und 25% Talk, wobei das Fasermaterial zu 35 bis 40% aus Hartholz-Kraftzellstoff und zu 10 bis 15% aus Weichholz-Kraftzellstoff, bezogen auf den Gesamt-Feststoffgehalt des Stoffeintrags, bestand. Der amphotere Latex wurde in die Bütte der Maschine in einer Menge von 4,4%, bezogen auf den Gesamt-Feststoffgehalt des Stoffeintrags, aufgegeben. Der Harzleim wurde in einer Menge von 3,4 kg/t in die Bütte eingespeist. Alaun und der handelsübliche kationische Latex wurden an der Saugseite der Bütten- Pumpe in einer Menge von 9 kg/t bzw. 1,44 kg/t aufgegeben. Wasserlösliches kationisches Acrylamid-Copolymer wurde in den Stoffauflaufkasten in einer Menge von etwa 0,18 kg/t eingespeist. Nach der Papierbildung wurde das Papier mit einer Streichmasse mit einem Feststoffgehalt von 10% in einer Aufnahmemenge von 50 bis 52,6 kg/t versehen. Die Laufgeschwindigkeit betrug 182 m/min und die Produktionsleistung 2,025 bis 2,25 t/h.

Tabelle V zeigt die Mittelwerte nach dem Streichen, während Tabelle VI die Mittelwerte des Grundpapiers erkennen läßt.

Papiere mit einem Füllstoffgehalt von 40% weisen eine hervorragende Festigkeit auf. Die erste Durchgangs-Retention liegt zwischen 60 und 80%. Die Bahnen lassen sich leicht trocknen und gestatten erhöhte Produktionsgeschwindigkeiten. Mehrere Papierrollen wurden auf Druckwerken ohne nennenswerte Schwierigkeiten verarbeitet. Die Zugeigenschaften der so hergestellten Papiere sind in der Tabelle VII angegeben.

Tabelle V

Papiergewicht, g/m²111,3 Dicke, mm 0,190 Volumen/Gewichtsverhältnis 1,00 Glätte (Sheffield-Einheiten)
Bahnseite340 Siebseite357 Gurley-Dichte, s (100 cm³ Luft-Durchgang) 9 Mullen, N/cm² 8,90 Mullen, % 17,2 GE Glanz 83,4 Opazität, % 97,1 Asche, % 39,6 Füllstoff, % 43,9 Scott Bond, N 0,0087 Taber-Steifigkeit 3,16

Bemerkung: Probe genommen vor dem Streichen am Ende des Versuchs.

Tabelle VII

Beispiel 19

Auf der in Beispiel 18 angewandten Papiermaschine wurde eine Reihe von Versuchen durchgeführt, und zwar mit Papiergewichten von 27, 22,5 und 20,25 g/m² und mit Füllstoffgehalten von 32 bis 42%, wobei mit den beiden höheren Papiergewichten der Anteil an Weichholz-Cellulose gegenüber dem Anteil an Hartholz-Cellulose erhöht war. Auch hier erhielt man hervorragende Ergebnisse. Die Bahnen trockneten schnell und die Papiere zeigten hervorragende Bedruckbarkeit. Die Ergebnisse sind in den Tabellen VIII bis XI zusammengefaßt.

Tabelle VIII

Tabelle IX

Tabelle X

Materialanalyse

Tabelle XI

I.G.T. Bedruckbarkeits-Prüfung

Claims

1. Feinpapiere mit einem Papiergewicht von 40 bis 220 g/m² und einer Stärke von 0,038 bis 0,38 mm, hoher Zugfestigkeit und Festigkeit in Z-Richtung für Offset- und Tiefdruck mit hoher Geschwindigkeit, gekennzeichnet durch einen Gehalt von 3 bis 7 Gew.-% Feststoffe eines kationischen Latex oder eines kationisch eingestellten amphoteren Latex und 30 bis 70 Gew.-% mineralischem Füllstoff, wobei der Füllstoffanteil bei einer Zunahme des Papiergewichts von 60 g/m² auf 104 bis 222 g/m² von 40 Gew.-% auf 70 Gew.-% ansteigt.

2. Feinpapier nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Fasermaterial aus einer Mischung von Weichholz-Kraftzellstoff und Hartholz-Kraftzellstoff besteht, wobei der Anteil an Weichholz-Kraftzellstoff etwa 25 Gew.-% beträgt.

3. Feinpapier nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Füllstoff ein Gemisch von Kaolin und Talk ist.

4. Feinpapier nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Gemisch 95 bis 5 Gew.-% Kaolin und 5 bis 95 Gew.-% Talk enthält.

5. Feinpapier nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Gemisch 95 bis 25 Gew.-% Kaolin und 5 bis 75 Gew.-% Talk enthält.

6. Verfahren zur Herstellung der Feinpapiere nach den Ansprüchen 1 bis 5 mit hoher Geschwindigkeit aus einem Stoffeintrag enthaltend Fasermaterial, mineralischen Füllstoff und Retentions-Hilfsmittel, Bildung der feuchten Papierbahn und Trocknen der feuchten Papierbahn und gegebenenfalls oberflächliche Behandlung der trockenen Papierbahn, dadurch gekennzeichnet, daß ein Stoffeintrag mit 3 bis 7 Gew.-% eines kationischen Latex oder eines kationisch eingestellten amphoteren Latex - berechnet auf Trockengewicht - als Retentions-Hilfsmittel eingesetzt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Stoffeintrag mit einem sauren pH-Wert eingesetzt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Stoffeintrag, der Harzleim und Alaun enthält, eingesetzt wird.