Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von p-Aramid Papier,
p-Aramid Papier, p-Aramid Pulpe und die Verwendung des Papiers und der Pulpe.
Papiere auf Basis von p-Aramid Pulpe werden u.a. in Dichtungen, als Kalander- oder
Filterpapier und als Reibbelagspapier für Getriebe eingesetzt. Dabei werden vielfach
immer höhere Anforderungen an die Zugfestigkeit der p-Aramid Papiere gestellt.
WO 98/46827 beschreibt ein Verfahren zur Verbesserung des Dispersionsverhaltens
wässriger Aramidfaserdispersionen durch Einstellung des pH-Wertes der Aramidfaserdispersionen
auf einen Wert > 10. Ein aus solchen Dispersionen hergestelltes
Papier zeichnet sich durch eine erhöhte Gleichmäßigkeit aus. Über die Zugfestigkeit
des Papiers wird nichts ausgesagt.
Daher stellt sich die vorliegende Erfindung die Aufgabe, ein Verfahren zur Verfügung
zu stellen, womit die Zugfestigkeit von p-Aramid Papier erhöht wird.
Ferner stellt sich die vorliegende Erfindung die Aufgabe, ein p-Aramid Papier mit erhöhter
Zugfestigkeit zur Verfügung zu stellen.
Schließlich stellt sich die vorliegende Erfindung die Aufgabe, eine p-Aramid Pulpe zur
Verfügung zu stellen, mit deren Hilfe ein p-Aramid Papier erhöhter Zugfestigkeit hergestellt
werden kann.
Die zuerst genannte Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung von p-Aramid
Papier umfassend die Schritte
a) Behandlung von p-Aramid Pulpe mit einer wässrigen oder alkoholischen
Lösung einer Base in einem Temperaturbereich von > 25 °C bis zum Siedepunkt
der Lösung, wodurch eine behandelte Pulpe resultiert, und b) Verarbeitung der behandelten Pulpe zu p-Aramid Papier.
Da es sich bei p-Aramid um ein vollaromatisches Polyamid handelt, hätte man erwartet,
dass eine Behandlung mit einer Base in einer wässrigen oder alkoholischen
Lösung im o.g. Temperaturbereich - bedingt durch den hydrolytischen Abbau der
Polyamidbindungen in der Polymerkette - die Festigkeit der Pulpefasern und die
Zugfestigkeit von mit dieser Pulpe hergestellten Papieren erniedrigt. Überraschenderweise
führt aber das erfindungsgemäße Verfahren zu einem p-Aramid
Papier mit deutlich erhöhter Zugfestigkeit, die bis zu viermal höher ist als die Zugfestigkeit
eines p-Aramid Papiers, zu dessen Herstellung die gleiche Pulpe eingesetzt
und auf die gleiche Weise wie in Schritt b) zu p-Aramid Papier verarbeitet wurde,
wobei aber die Pulpe vor Schitt b) nicht einer Behandlung gemäß Schritt a) des erfindungsgemäßen
Verfahrens unterworfen wurde.
In Schritt a) des erfindungsgemäßen Verfahrens findet die Behandlung vorzugsweise
in einem Temperaturbereich von > 50°C bis zum Siedepunkt der Lösung und besonders
bevorzugt in einem Temperaturbereich von > 80°C bis zum Siedepunkt der Lösung
statt, weil - bei ansonsten gleichen Bedingungen - in diesen Temperaturbereichen
eine behandelte Pulpe resultiert, deren Weiterverarbeitung zu einem p-Aramid
Papier mit besonders stark erhöhter Zugfestigkeit führt. Aus dem gleichen Grund findet
in Schritt a) des erfindungsgemäßen Verfahrens die Behandlung vorzugsweise
über einen Zeitraum von > 5 Minuten bis 10 Stunden und besonders bevorzugt in
einem Zeitraum von 1 Stunde bis 7 Stunden statt.
Als Base kann in Schritt a) des erfindungsgemäßen Verfahrens grundsätzlich jeder
Stoff eingesetzt werden, der einer wässrigen oder alkoholischen Lösung basische
Eigenschaften verleiht. Beispielsweise können ein Amin wie etwa Ammoniak, aber
auch (Erd-)Alkalihydroxide wie z.B. Lithium-, Natrium-, Kalium-, Magnesium-, Calcium-
oder Bariumhydroxid, Erdalkalioxide wie z.B. Calciumoxid, anorganische Carbonate
wie z.B. Natriumcarbonat, Natriumhydrogencarbonat oder Kaliumcarbonat, Alkoholate
von (Erd-)Alkalimetallen wie z.B. Natriumalkoholat, Kaliumalkoholat oder
Magnesiumalkoholat und Alkylate von (Erd-)Alkalimetallen wie z.B. Lithium- oder
Magnesiumalkylat eingesetzt werden.
Vorzugsweise wird in Schritt a) des erfindungsgemäßen Verfahrens eine 0,5 bis 2
molare wässrige oder alkoholische Lösung der Base eingesetzt.
Die Konzentration der in Schritt a) eingesetzten reinen p-Aramid Pulpe in der Lösung
der Base beträgt vorzugsweise 0,5 bis 5 Gew.% bezogen auf das Gewicht der Lösung
der Base.
Um einen besonders starken Anstieg der Zugfestigkeit des mit dem erfindungsgemäßen
Verfahren hergestellten Papiers zu erreichen, kann man vor Schritt a) die
Avivage der p-Aramid Pulpe entfernen, beispielsweise durch Extraktion der Pulpe in
einer Soxhlet-Hülse mit einem aliphatischen Alkohol.
Die Verarbeitung der behandelten Pulpe zu p-Aramid Papier in Schritt b) des erfindungsgemäßen
Verfahrens kann in an sich bekannter Weise geschehen, beispielsweise
durch Suspendieren und Dispergieren der erfindungsgemäß behandelten
Pulpe in Wasser, Blattbilden und Trocknen. Alternativ kann man nach dem
Blattbilden das Blatt heißpressen. In jedem Fall führt das erfindungsgemäße Verfahren
zu einem p-Aramid Papier, dessen Zugfestigkeit deutlich höher ist als die Zugfestigkeit
eines p-Aramid Papiers, zu dessen Herstellung die gleiche Pulpe eingesetzt
und auf die gleiche Weise wie in Schritt b) zu p-Aramid Papier verarbeitet wurde,
wobei aber die Pulpe nicht mit einer wässrigen oder alkoholischen Lösung einer Base
in einem Temperaturbereich > 25 °C bis zum Siedepunkt der Lösung behandelt
wurde.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird ferner gelöst durch ein p-Aramid
Papier herstellbar aus einer mit einer wässrigen oder alkoholischen Lösung einer
Base in einem Temperaturbereich > 25 °C bis zum Siedepunkt der Lösung behandelten
p-Aramid Pulpe.
Die Verwendung der im vorstehenden Absatz genannten p-Aramid Pulpe oder einer
gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten p-Aramid Pulpe in Dichtungen,
als Kalander- oder Filterpapier oder als Reibbelagspapier für Getriebe verleiht
den ebengenannten Gegenständen eine erhöhte Lebensdauer.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird schließlich gelöst durch eine p-Aramid
Pulpe mit einem Schopper-Riegler Wert im Bereich von 60 bis 85, vorzugsweise
mit einem Schopper-Riegler Wert im Bereich von 75 bis 82.
Aus p-Aramid Pulpen mit Schopper-Riegler Werten in den genannten Bereichen lassen
sich p-Aramid Papiere herstellen, deren Zugfestigkeit höher ist als bei Papieren,
die aus einer p-Aramid Pulpe mit einem Schopper-Riegler Wert außerhalb der genannten
Bereiche hergestellt wurden. Deshalb lassen sich p-Aramid Pulpen mit
Schopper-Riegler Werten in den genannten Bereichen vorteilhaft zur Herstellung von
p-Aramid Papier verwenden.
Die in Schritt a) des erfindungsgemäßen Verfahrens resultierende behandelte
p-Aramid Pulpe hat - aufgrund der Hydrolyse von Polyamidbindungen - eine erhöhte
Anzahl von Aminoendgruppen und damit eine erhöhte Reaktivität gegenüber Reagenzien
zur Oberflächenmodifikation der Pulpefasern. Daher lässt sich diese
p-Aramid Pulpe vorteilhaft zur chemischen Modifikation ihrer Faseroberfläche mit
Epoxiden, Ketenen, Säurechloriden, Isocyanaten, Diisocyanaten, Alkylhalogeniden,
Benzylhalogeniden oder Estern verwenden, wodurch eine p-Aramid Pulpe mit chemisch
oberflächenmodifizierten Fasern resultiert.
Die p-Aramid Pulpe mit chemisch oberflächenmodifizierten Fasern ist wegen der
durch die chemische Modifizierung eingefügten funktionellen Gruppen für eine Vielzahl
weiterer Anbindungen geeignet. Daher lässt sich die p-Aramid Pulpe mit chemisch
oberflächenmodifizierten Fasern vorteilhaft zur Anbindung von Farbstoffmolekülen
verwenden, wodurch eine gefärbte p-Aramid Pulpe resultiert.
Setzt man diese gefärbte p-Aramid Pulpe zur Papierherstellung ein, resultiert ein
gefärbtes p-Aramid Papier mit erhöhter Zugfestigkeit. Deshalb lässt sich diese gefärbte
p-Aramid Pulpe vorteilhaft zur Herstellung eines gefärbten p-Aramid Papiers
verwenden.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung werden folgende Messverfahren verwendet:
Die Zugfestigkeit wird in Anlehnung an DIN 53112 gemessen. Dazu werden aus dem
zu untersuchenden p-Aramid Blatt 8 Streifen geschnitten, deren Breite bei einem
nicht verdichteten Blatt 30 mm und bei einem kalt/heißverdichteten Blatt 15 mm beträgt.
Die Streifen werden 48 h bei 23°C und 50 % relativer Feuchte klimatisiert. Anschließend
wir die Dicke der Streifen nach DIN 53105 Teil 1 mit einem Dickenmessgerät
der Firma Frank (Belastungsmassen Nr.1 und 2, Messtaster mit 16 mm
Durchmesser) bestimmt. Die Streifen werden dann oben und unten in die Universalprüfmaschine
der Firma Zwick mit pneumatischen Probenspannbacken, induktivem
Wegaufnehmer und einer Kraftmessdose für den Bereich 0 - 2 kN eingespannt. Der
Einspanndruck beträgt 4 bar, die Einspannlänge 100 mm. Die Abzugsgeschwindigkeit
wird so eingestellt, dass der Bruch innerhalb von 20 ± 5 Sekunden eintritt. Breite
und Dicke der Streifen werden eingegeben, der Kraft/Dehnungsverlauf über das Programm
"Zug" aufgenommen und mit diesem Programm die Zugfestigkeit als Mittelwert
der 8 Streifen in MPa berechnet.
Der Schopper-Riegler Wert der p-Aramid Pupe wird gemäß der "Bedienungsanleitung
für Mahlungsgradprüfer Schopper-Riegler SR 1" der Firma Karl Schröder KG,
Weinheim gemessen.
Der Feuchtigkeitsgehalt der Pulpe wird auf einer IR-Waage LP 16 der Firma Mettler
bestimmt. Dazu werden 3 g feuchte Pulpe bei 160 °C bis zur Gewichtskonstanz getrocknet,
wobei das Gewicht in Zeitintervallen von 30 Sekunden gemessen wird.
Die Erfindung wird anhand der folgenden Beispiele weiter verdeutlicht.
Beispiel 1
9,30 g p-Aramid Pulpe der Type Twaron® 1094 der Firma Teijin Twaron mit einem
Feuchtigkeitsgehalt von 68 Gew.% werden mit 250 ml 1,25 normaler wässriger Natriumhydroxid
- Lösung versetzt. Die Mischung wird unter Rühren 6,5 Stunden zum
Rückfluss erhitzt, wodurch eine Mischung mit behandelter Pulpe resultiert.
Direkt anschließend wird die Mischung mit der behandelten Pulpe in 2,5 I Wasser
suspendiert und mit einem Aufschlaggerät der Firma Lorentzen und Wettre gemäß
den Anforderungen des Merkblatts des Vereins der Zellstoff- und Papier-Chemiker
und Ingeneure, Nr. V/4/61, Französische Papiernorm TAPPI 205, bei einer Schlagzahl
von 6000 zwei Minuten lang gerührt. Die so erhaltene Suspension wird in eine
Blattbildnersäule der Firma Ernst Haage, Mühlheim an der Ruhr, nach dem System
Rapid-Köthen (konstruiert in Anlehnung an das Merkblatt des Vereins der Zellstoffund
Papier-Chemiker und Ingeneure, Nr. V/8/76 sowie DIN 54358) eingefüllt und das
Volumen der Suspension durch Einfüllen von zusätzlichem Wasser auf 6 I erhöht.
Vor dem Einfüllen wurde die Blattbildnersäule mit einem Polypropylensiebgewebe
(Maschenweite 105 µm) versehen. Die Blattbildnersäule wird 5 Sekunden lang auf
"Strudeln" und danach auf "Absaugen" gestellt und solange gewartet, bis die Säule
über dem Sieb vollständig entleert ist. Die dazu nötige Entleerzeit beträgt 35 Sekunden.
Das gebildete Blatt wird mitsamt dem Polypropylengewebe aus der Blattbildnersäule
entnommen, mit Gewebe abgedeckt und mit einer Filzrolle abgegautscht. Dann
wird das Blatt mit Unter- und Obergewebe in einem Kontakttrockner 15 Minuten lang
bei 90 °C und Unterdruck getrocknet. Nach qualitativer Beurteilung unter der Lichtbank
wird die Blattdicke und die Zugfestigkeit gemessen. Die Zugfestigkeit des Papiers
beträgt 2,31 MPa.
Vergleichsbeispiel 1
Es wird wie in Beispiel 1 verfahren mit dem Unterschied, dass die 9,3 g p-Aramid
Pulpe nicht wie im ersten Absatz von Beispiel 1 mit wässriger Natronlauge behandelt
sondern direkt in 2,5 I Wasser suspendiert und dann wie in Beispiel 1 zu p-Aramid
Papier weiterverarbeitet wird. Die Entleerzeit der Blattbildung beträgt 17 Sekunden,
die Zugfestigkeit des p-Aramid Papiers 0,76 MPa.
Beispiel 2
Es wird wie in Beispiel 1 verfahren mit dem Unterschied, dass die mit wässriger
Natronlauge behandelte Pulpe zuerst auf einer Nutsche abgesaugt und auf der
Nutsche mit Wasser gewaschen wird, bis das ablaufende Waschwasser neutral reagiert,
und erst danach in 2,5 I Wasser suspendiert und wie in Beispiel 1 zu p-Aramid
Papier verarbeitet wird. Die Entleerzeit der Blattbildung beträgt 19 Sekunden, die
Zugfestigkeit des p-Aramid Papiers 1,04 MPa.
Vergleichsbeispiele 2-4
Es wird wie in Beispiel 1 verfahren mit dem Unterschied, dass die 9,3 g p-Aramid
Pulpe statt mit wässriger Natronlauge mit 250 ml 1 Gew.%iger wässriger Schwefelsäure
für eine Behandlungszeit t von 6, 18 und 30 Stunden zum Rückfluss erhitzt
werden. Danach wird die mit der Schwefelsäurelösung behandelte Pulpe in 2,5 I
Wasser suspendiert und wie in Beispiel 1 zu p-Aramid Papier verarbeitet. Es ergeben
sich die folgenden Entleerzeiten der Blattbildung und Zugfestigkeiten des p-Aramid
Papiers.
t (Stunden) | Entleerzeit (Sekunden) | Zugfestigkeit (MPa) |
6 | 16 | 0,73 |
18 | 17 | 0,68 |
30 | 18 | 0,75 |
Beispiele 3-5
Es wird wie in Beispiel 1 verfahren mit dem Unterschied, dass die Behandlungszeiten
in der wässrigen Natronlauge 2,5, 4,5 und 9 Stunden betragen. Danach wird die p-Aramid
Pulpe in 2,5 I Wasser suspendiert und wie in Beispiel 1 zu p-Aramid Papier
verarbeitet. Es ergeben sich die folgenden Entleerzeiten der Blattbildung und Zugfestigkeiten
des p-Aramid Papiers.
t (Stunden) | Entleerzeit (Sekunden) | Zugfestigkeit (MPa) |
2,5 | 29 | 2,14 |
4,5 | 31 | 1,78 |
9 | 25 | 1,57 |
Beispiele 6-8
Es wird wie in Beispiel 2 verfahren mit dem Unterschied, dass die Behandlungszeiten
in der wässrigen Natronlauge 2,5, 4,5 und 9 Stunden betragen. Danach wird die p-Aramid
Pulpe in 2,5 I Wasser suspendiert und wie in Beispiel 1 zu p-Aramid Papier
verarbeitet. Es ergeben sich die folgenden Entleerzeiten der Blattbildung und Zugfestigkeiten
des p-Aramid Papiers.
t (Stunden) | Entleerzeit (Sekunden) | Zugfestigkeit (MPa) |
2,5 | 20 | 1,18 |
4,5 | 20 | 1,22 |
9 | 25 | 1,08 |
Beispiel 9
Es wird wie in Beispiel 1 verfahren mit dem Unterschied, dass die Behandlungsdauer
in der wässrigen Natronlauge 2,5 Stunden beträgt. Danach wird wie in Beispiel 1 ein
p-Aramid Blatt gebildet, wobei eine Entleerzeit von 20 Sekunden gemessen wird.
Das p-Aramid Blatt wird mit einer Fontijne-Heißpresse 2 Minuten lang bei einer Temperatur
von 180 °C und einem Druck von 200 bar verpresst. Das verpresste Papier
hat eine Zugfestigkeit von 3,48 MPa.
Vergleichsbeispiel 5
Wie in Vergleichsbeispiel 1 wird ein p-Aramid Blatt gebildet, wobei eine Entleerzeit
von 18 Sekunden gemessen wird. Das p-Aramid Blatt wird mit einer Fontijne-Heißpresse
2 Minuten lang bei einer Temperatur von 180 °C und einem Druck von
200 bar verpresst. Das verpresste Papier hat eine Zugfestigkeit von 3,00 MPa.
Beispiel 10
9,30 g p-Aramid Pulpe der Type Twaron® 1094 der Firma Teijin Twaron mit einem
Feuchtigkeitsgehalt von 68 Gew.% werden zuerst 6 Stunden lang in einer Soxhlet-Hülse
mit Ethanol extrahiert, um die Avivierung zu entfernen. Danach wird die ethanolfeuchte
Pulpe wie in Beispiel 2 mit wässriger Natronlauge behandelt und zu p-Aramid
Papier verarbeitet. Die Entleerzeit der Blattbildung beträgt 18 Sekunden, die
Zugfestigkeit des p-Aramid Papiers 3,00 MPa.
Vergleichsbeispiel 6
9,30 g p-Aramid Pulpe der Type Twaron® 1094 der Firma Teijin Twaron mit einem
Feuchtigkeitsgehalt von 68 Gew.% werden zuerst 6 Stunden lang in einer Soxhlet-Hülse
mit Ethanol extrahiert, um die Avivierung zu entfernen. Danach wird die ethanolfeuchte
Pulpe wie in Vergleichsbeispiel 1 zu p-Aramid Papier verarbeitet. Die
Entleerzeit der Blattbildung beträgt 20 Sekunden, die Zugfestigkeit des p-Aramid Papiers
1,24 MPa.
Vergleichsbeispiel 7
10 kg p-Aramid Pulpe der Type Twaron® 1094 der Firma Teijin Twaron mit einem
Feuchtigkeitsgehalt von 66,5 Gew.% werden in einem Pulper, der ein Volumen von
100 I hat und mit einer schonenden Garnitur und mit einer Lochplatte mit einem
Lochdurchmesser von 10 mm ausgestattet ist, mit Wasser bis zu einer Konsistenz
von 3,5 Gew.% verdünnt. Anschließend wird die Pulpe/Wasser-Mischung 90 Minuten
lang bei 75 °C mit einer Garniturgeschwindigkeit von 1440 Umdrehungen pro Minute
gerührt. Dann wird das Wasser über einen Bandfilter entfernt. Es resultiert ein
p-Aramid Vlies mit einer Feuchte von 82,7 Gew.%, einem pH-Wert von 7,7 und einem
Schopper-Riegler Wert von 53,3. Aus 17,24 g des so erhaltenen Vlieses wird
wie in Vergleichsbeispiel 1 ein p-Aramid Papier hergestellt. Die Entleerzeit der Blattbildung
beträgt 21 Sekunden, die Zugfestigkeit des p-Aramid Papiers 0,78 MPa.
Beispiel 11
10 kg p-Aramid Pulpe der Type Twaron® 1094 der Firma Teijin Twaron mit einem
Feuchtigkeitsgehalt von 66,5 Gew.% werden in einem Pulper, der ein Volumen von
100 I hat und mit einer schonenden Garnitur und mit einer Lochplatte mit einem
Lochdurchmesser von 10 mm ausgestattet ist, mit 1,25 normaler wässriger Natronlauge
bis zu einer Konsistenz von 3,5 Gew.% verdünnt. Anschließend wird die Pulpe/Wasser/Lauge-Mischung
90 Minuten lang bei 75 °C mit einer Garniturgeschwindigkeit
von 1440 Umdrehungen pro Minute gerührt. Dann wird die Wasser/Lauge-Lösung
über einen Bandfilter entfernt. Zusätzlich wird die behandelte p-Aramid
Pulpe auf dem Bandfilter mit weiterem Wasser gewaschen, um einen Großteil
der anhaftenden Natronlauge zu entfernen. Es resultiert ein p-Aramid Vlies mit
einer Feuchte von 76,7 Gew.%, einem pH-Wert von 10 und einem Schopper-Riegler
Wert von 79. Aus 12,88 g des so erhaltenen Vlieses wird wie in Vergleichsbeispiel 1
ein p-Aramid Papier hergestellt. Die Entleerzeit der Blattbildung beträgt 34 Sekunden,
die Zugfestigkeit des p-Aramid Papiers 1,55 MPa.
Beispiel 12
Es wird wie in Beispiel 11 verfahren mit dem Unterschied, dass eine stark zerfasernde
Rührgarnitur eingesetzt wird. Es resultiert ein p-Aramid-Vlies mit einer
Feuchte von 74,7 Gew.%, einem pH-Wert von 10 und einem Schopper-Riegler Wert
von 80. Aus 11,85 g des so erhaltenen Vlieses wird wie in Vergleichsbeispiel 1 ein
p-Aramid Papier hergestellt. Die Entleerzeit der Blattbildung beträgt 38 Sekunden,
die Zugfestigkeit des p-Aramid Papiers 1,50 MPa.
Vergleichsbeispiel 8
Von einer unbehandelten p-Aramid Pulpe der Type Twaron® 1094 der Firma Teijin
Twaron wird ein Feuchtegehalt von 68 Gew.% und ein Schopper-Riegler Wert von 55
bestimmt. Aus dieser Pulpe wird wie in Vergleichsbeispiel 1 ein p-Aramid Papier hergestellt.
Die Entleerzeit der Blattbildung beträgt 18 Sekunden, die Zugfestigkeit des
p-Aramid Papiers 0,71 MPa.