EP1688534A1 - Verwendung von Arabinoxylanen in der Papierherstellung - Google Patents

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EP1688534A1
EP1688534A1 EP05002073A EP05002073A EP1688534A1 EP 1688534 A1 EP1688534 A1 EP 1688534A1 EP 05002073 A EP05002073 A EP 05002073A EP 05002073 A EP05002073 A EP 05002073A EP 1688534 A1 EP1688534 A1 EP 1688534A1
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
pulp
arabinoxylan
arabinoxylans
xylan
paper
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP05002073A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Jürgen Dr. Engelhardt
Christa Dr. Krüger
Nils Dr. Schröder
Tilmann Busse
Jürgen Dr. Puls
Bodo Dr. Saake
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Dow Produktions und Vertriebs GmbH and Co OHG
Original Assignee
Wolff Cellulosics GmbH and Co KG
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Publication date
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Priority to RU2007116306/12A priority patent/RU2007116306A/ru
Priority to PCT/EP2005/009657 priority patent/WO2006081845A1/de
Priority to CA002586187A priority patent/CA2586187A1/en
Priority to US11/231,016 priority patent/US20060169432A1/en
Publication of EP1688534A1 publication Critical patent/EP1688534A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • D—TEXTILES; PAPER
    • D21—PAPER-MAKING; PRODUCTION OF CELLULOSE
    • D21C—PRODUCTION OF CELLULOSE BY REMOVING NON-CELLULOSE SUBSTANCES FROM CELLULOSE-CONTAINING MATERIALS; REGENERATION OF PULPING LIQUORS; APPARATUS THEREFOR
    • D21C5/00—Other processes for obtaining cellulose, e.g. cooking cotton linters ; Processes characterised by the choice of cellulose-containing starting materials
    • D21C5/005—Treatment of cellulose-containing material with microorganisms or enzymes
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D21—PAPER-MAKING; PRODUCTION OF CELLULOSE
    • D21H—PULP COMPOSITIONS; PREPARATION THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASSES D21C OR D21D; IMPREGNATING OR COATING OF PAPER; TREATMENT OF FINISHED PAPER NOT COVERED BY CLASS B31 OR SUBCLASS D21G; PAPER NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • D21H17/00—Non-fibrous material added to the pulp, characterised by its constitution; Paper-impregnating material characterised by its constitution
    • D21H17/20—Macromolecular organic compounds
    • D21H17/21—Macromolecular organic compounds of natural origin; Derivatives thereof
    • D21H17/22—Proteins
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D21—PAPER-MAKING; PRODUCTION OF CELLULOSE
    • D21H—PULP COMPOSITIONS; PREPARATION THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASSES D21C OR D21D; IMPREGNATING OR COATING OF PAPER; TREATMENT OF FINISHED PAPER NOT COVERED BY CLASS B31 OR SUBCLASS D21G; PAPER NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • D21H23/00—Processes or apparatus for adding material to the pulp or to the paper
    • D21H23/02—Processes or apparatus for adding material to the pulp or to the paper characterised by the manner in which substances are added

Definitions

  • the present invention relates to the use of arabinoxylans as an additive in papermaking.
  • the mechanical properties of paper are influenced by a number of different parameters, both chemical and physical.
  • Several theories for explaining the tear strength properties of paper have been proposed, most of which emphasize the particular relevance of fiber-to-fiber bonding.
  • xylans from the raw material wood and its secondary product pulp is discussed.
  • the use of hardwood acetyl-4-O-methylglucuronoxylan and softwood arabino-4-O-methylglucurornoxylan is mentioned.
  • the examples of the use of xylans call the lenzing xylan. This product is obtained by alkaline extraction of beech wood pulp in the viscose process and has only low degrees of polymerization of about 35.
  • An object of the invention is therefore the use of arabinoxylans as an additive in papermaking.
  • Suitable arabinoxylans are polysaccharides which are described, for example, in various annual plants and agricultural residues such as e.g. Oat husks, straw or corn is included.
  • the arabinoxylans can be prepared by a variety of extraction techniques, e.g. be recovered with water, steam or solvents using a variety of auxiliary chemicals and by enzymatic isolation and purification steps.
  • alkaline extracted arabinoxylans, and in particular arabinoxylans from oat hulls are used, e.g.
  • the peculiarity of the arabinoxylans from oat husks in comparison to the xylans from hardwood and softwood is that they have a comparatively high number of arabinose substituents but not the 4-O-methylglucuronic acids occurring in deciduous and coniferous xylans. Compared to xylans from pulps such as Lenzing xylan, the arabinoxylans have a much higher chain length.
  • arabinoxylans are understood to mean those xylans which have 5 to 20% (w / w based on the total sample), preferably 7 to 15%, particularly preferably 8 to 13%, arabinose substituents on their main chain and less than 5 %, preferably less than 2%, more preferably less than 1% carry 4-O-methylglucuronic acid substituents (chromatographic determination of sugar after acid hydrolysis).
  • Arabinoxylans obtained by extraction of oat hulls with aqueous alkaline solution to yield an alkaline extract and subsequent precipitation of the alkaline extract in a precipitation bath of water and a water-miscible organic liquid A, whereby the alkaline extract is not neutralized prior to precipitation, are particularly preferred.
  • Such arabinoxylans usually have chain lengths of at least 100 after a possible bleaching stage. In most cases, the chain lengths of these arabinoxylans are in the range 120 to 240.
  • Another object of the invention is a process for producing a pulp comprising contacting a concentrated solution or suspension of a arabinoxylans with pulp or a pulp system containing pulp.
  • the arabinoxylan solution or suspension is added to the fiber suspension prior to foliar formation.
  • the action of the arabinoxylan also takes place in combination with other paper chemicals which are introduced into the pulp before, after or together with the arabinoxylan.
  • the use of arabinoxylan for the various products of the paper industry is advantageous.
  • paper chemicals include, for example, wet strength agents, fillers, retention aids, fixatives, defoamers, deaerators, sizing agents, optical brighteners, and colorants.
  • a homogeneous solution or suspension of arabinoxylans can be achieved, for example, by strong mechanical stress such as stirring, by the action of temperature or by means of chemicals, preferably basic chemicals such as alkali metal or alkaline earth metal hydroxides, preferably NaOH.
  • concentration of the arabinoxylan solution or suspension can be varied within a wide range of 0.1% to 40% (w / w). Preferably, the range is from 0.1 to 25% (w / w), more preferably the range from 0.5% to 10% (w / w).
  • the arabinoxylan solution or suspension may then be incubated with the pulp and the desired paper aides and high consistency additives (solids content) of up to 20% before the pulp enters the headbox of the paper machine. Then you can go through Squeezing off the supernatant solution may use unadsorbed chemicals for the next batch.
  • the pulp in the headbox i. immediately before entering the papermaking machine with the additives and the arabinoxylan solution or suspension in any order.
  • the addition of arabinoxylans in the headbox usually achieves better results than the previous incubation with the pulp.
  • arabinoxylan solution or suspension is added to the pulp suspension prior to grinding the pulp fibers.
  • the optimum amount used depends on which other paper auxiliaries are used in the mass, so that the amount of arabinoxylans used in relation to pulp in a wide range of 0.1% up to 40% (w / w) can be. Preferably, however, amounts of from 0.5 to 10% of arabinoxylan are used. In most cases, the use of paper additives already at lower Arabinoxylankonzentrationen the optimum increase in strength is achieved.
  • compositions of xylans are given as% w / w based on the total sample, obtained by chromatographic determination of sugar after acid hydrolysis
  • a 4-O-methylglucuronoxylan from birch wood (no arabinose side chains, 8.8% molar ratio of 4-O-methylglucuronic acid based on xylose units, determined by 1 H-NMR, DP about 95) was used as a 5% solution in water dissolved under heating.
  • 20 g of softwood sulfite pulp were suspended in water and mixed with the xylan solution.
  • For tests with higher amounts of xylan solution, correspondingly smaller amounts of water were used to suspend the pulp. After addition of the xylan suspensions, the pulp consistency was 7.1% in each case.
  • the experimental batches were each incubated for 2 h at 50 ° C. After incubation, the pulp was sucked through a suction filter.
  • the Lenzing xylan from beech wood pulp (no arabinose side chains, about 1% 4-O-methylglucuronic acid, DP about 35) was dissolved as a 5% solution in water with heating. 20 g of softwood sulfite pulp were suspended in water and mixed with the xylan solution. For tests with higher amounts of xylan solution, correspondingly smaller amounts of water were used to suspend the pulp. After addition of the xylan suspensions, the pulp consistency was 7.1% in each case. The experimental batches were each incubated for 2 h at 50 ° C. After incubation, the pulp was sucked through a suction filter.
  • the tear length can be improved by the addition of arabinoxylan from oat husks compared to the reference experiment by more than 1000 m. In this addition mode, increases in strength can be achieved even at lower levels of arabinoxylan use.
  • the dosage of the paper additive was consistent with a charge density of 0.013 meq / g of pulp in all experiments carried out. Subsequently, the metered addition of the Arabinoxylanans was made. After 5 minutes, the portioning and the formation of the test sheets. All experiments were carried out at room temperature. The testing of the strengths was carried out according to IS01974 (DIN EN 21974). ⁇ b> Table 5 ⁇ / b> Influence of arabinoxylan from oat husks on the tenacity of softwood sulfite pulp with the simultaneous use of a paper additive. The Arabinoxylan protest was carried out at a consistency of 0.24% after grinding of the pulp Xylan insert% (w / w) bzg. on pulp Arabinoxylan with paper additive tear length (km) reference 3944 0.09 3992 0.93 4698 2.3 5486 4.7 5629 7.0 5710 9.4 5728
  • the tear length can be significantly increased again by the addition of arabinoxylan compared to the reference experiment. It is clear from the reference that the strengths are generally at a higher level due to the use of the paper additive. However, a synergistic effect becomes apparent in the interaction with the paper additive for the action of the arabinoxylan. The increases in the breaking length are now even up to about 1800 m. The higher increases in strength are effective even at significantly lower Arabinoxylan transitmengen than in the trials without paper additive.
  • the specific volume of the pulps is indicated by the bulk, which is plotted against Tensile Tensile Strength in FIG. 2. (Influence of Arabinoxylan from Oat Flakes (9.38% on Pulp) on the Bulk Tensile Plot of Beech Sulfite Pulp) , It becomes clear that the curve for the different points of the freewheeling curve is shifted to higher bulk values. To produce a product with the desired strengths, a higher sheet volume can be generated by adding the arabinoxylan. The increased bulk leads to an increase in the light scattering coefficient and thus to better optical properties.

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft die Verwendung von Arabinoxylanen als Additiv in der Papierherstellung.

Description

  • Die vorliegende Erfmdung betrifft die Verwendung von Arabinoxylanen als Additiv in der Papierherstellung.
  • Die mechanischen Eigenschaften von Papier werden durch eine Reihe unterschiedlicher Parameter chemischer und physikalischer Natur beeinflusst. Mehrere Theorien zur Erklärung der Reißfestigkeits-Eigenschaften von Papier wurden vorgeschlagen, die meisten davon betonen die besondere Relevanz der Faser-Faser-Bindung. Unter den am häufigsten zitierten ist die Theorie, welche die Faktoren der Zwischenfaserbindungskraft der gebundenen Fläche und der Faserlänge beinhaltet.
  • Allgemeine Übereinstimmung herrscht darüber, dass die nativ im Zellstoff vorhandenen Hemicellulosen die Reißfestigkeit verbessern und zur Bildung stärkerer Faserbindungen beitragen. Diese Hemicellulosen werden aber je nach Rohstoff und Holzaufschlussverfahren während der Zellstofferzeugung stark verändert und zu einem erheblichen Prozentsatz zerstört.
  • Der Einsatz von Xylanen als Additiv in der Papierherstellung ist grundsätzlich bekannt. So beschrieben Naterova et al. (Papir a celuloza, 41, (7-8), V23-V30, 1986) den Zusatz von Maisxylanen zu Packpapier. Dabei konnte durch Zusatz von 2 % Xylan die Biegefestigkeit um 172 % gesteigert werden.
  • DE 44 09 372 A1, US 5 810 972, und WO 2004/031477 A1 beschreiben den Zusatz von hochgemahlenem Birkenzellstoff und Lenzing-Xylan im Bereich von 0,005 bis 0,14 % WO 2004/031477 A1) bzw. 0,15 bis 1,5 % (US 5 810 972, DE 44 09 372 A1) zu Tissue Produkten. Dabei wird eine positive Wirkung der Xylane bzw. des xylanreichen hochgemahlenen Birkenzellstoffs auf die Weichheit des Tissue Produktes und das Verhalten der Papierbahn am Trockenzylinder beschrieben. Die Bruchfestigkeit konnte in Maschinenrichtung um 15 bis 73 % und quer zur Laufrichtung um 17 bis 90 % gesteigert werden. Angeblich wurde auch das Verhalten in der Trockenpartie positiv beeinflusst, was aber nicht numerisch erfasst werden konnte, sondern nach der Erfahrung des Papiermachers beurteilt wurde
  • In den oben genannten Anmeldungen wird der Einsatz von Xylanen aus dem Rohstoff Holz und seinen Folgeprodukt Zellstoff besprochen. Insbesondere wird der Einsatz von Acetyl-4-O-Methyglucuronoxylan aus Laubholz und von aus Arabino-4-O-Methylglucuornoxylan aus Nadelholz genannt. Die Beispiele zum Einsatz von Xylanen benennen das Lenzing-Xylan. Dieses Produkt wird durch alkalische Extraktion von Buchenholzzellstoff im Viskoseprozess gewonnen und weist nur geringe Polymerisationsgrade von etwa 35 auf.
  • Es sind demnach verschiedene Xylane auf ihre Eigenschaften für die Fasereigenschaften oder als Papieradditiv untersucht worden. Die genannten Arbeiten zeigen aber, dass eine Verbesserung der Reißlänge mit einer Abnahme anderer Festigkeitseigenschaften oder einer nicht akzeptablen Verschlechterung der optischen Eigenschaften einhergeht.
  • Es besteht daher weiterhin Bedarf an einem kostengünstigen Papieradditiv, das eine Verbesserung der Papiereigenschaften, insbesondere der Festigkeiten, des Bulks und der optischen Eigenschaften bewirkt.
  • Es wurde nun überraschend festgestellt, dass der Zusatz von Arabinoxylanen zur Pülpe während der Papierherstellung eine deutliche Verbesserung der Papiereigenschaften ermöglicht. Durch den Einsatz von Arabinoxylan werden die Reißlänge, die Durchreißfestigkeit und auch der Bulk d.h. das Volumen der Papiere verbessert. Durch die Verbesserung des Bulks werden zusätzlich zu den Festigkeitseigenschaften auch die optischen Eigenschaften der Papiere verbessert. Überraschenderweise wird im Vergleich zu anderen Xylanen wie 4-O-Methylglucuronoxylan aus Laubhölzern oder den Lenzing-Xylanen eine deutlich höhere Verbesserung der Papiereigenschaften erreicht.
  • Ein Gegenstand der Erfindung ist daher die Verwendung von Arabinoxylanen als Additiv in der Papierherstellung.
  • Geeignete Arabinoxylane sind Polysaccharide die beispielsweise in verschiedenen Einjahrespflanzen und landwirtschaftlichen Reststoffen wie z.B. Haferspelzen, Stroh oder Mais enthalten ist. Die Arabinoxylane, können mit den unterschiedlichsten Extraktionstechniken z.B. mit Wasser, Dampf oder Lösungsmitteln unter Einsatz von verschiedensten Hilfschemikalien sowie durch enzymatische Isolierungs- und Reinigungsschritte gewonnen werden. Vorzugsweise fmden alkalisch extrahierte Arabinoxylane und insbesondere Arabinoxylane aus Haferspelzen Verwendung, die z.B. durch Extraktion der Haferspelzen mit wässriger alkalischer Lösung unter Gewinnung eines alkalischen Extrakts und nachfolgende Fällung des alkalischen Extrakts in einem Fällbad aus Wasser und einer mit Wasser mischbaren organischen Flüssigkeit A, wobei der alkalische Extrakt vor der Fällung nicht neutralisiert wird, erhalten werden können.
  • Die Besonderheit der Arabinoxylane aus Haferspelzen im Vergleich zu den Xylanen aus Laubholz und Nadelholz besteht darin, dass diese eine vergleichsweise hohe Anzahl an Arabinose-substituenten aufweisen aber nicht die in Laub- und Nadelholzxylanen auftretenden 4-O-Methylglucuronsäuren. Im Vergleich zu Xylanen aus Zellstoffen wie dem Lenzing-Xylan, weisen die Arabinoxylane eine sehr viele höhere Kettenlänge auf.
  • Unter Arabinoxylanen werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung solche Xylane verstanden, die an ihrer Hauptkette 5 bis 20 % (w/w, bezogen auf Gesamtprobe), bevorzugt 7 bis 15 %, besonders bevorzugt 8 bis 13 % Arabinose-Substituenten, und weniger als 5 %, bevorzugt weniger als 2 %, besonders bevorzugt weniger als 1 % 4-O-Methylglucuronsäure-Substituenten tragen (chromatographische Zuckerbestimmung nach saurer Hydrolyse).
  • Arabinoxylane, die durch Extraktion von Haferspelzen mit wässriger alkalischer Lösung unter Gewinnung eines alkalischen Extrakts und nachfolgende Fällung des alkalischen Extrakts in einem Fällbad aus Wasser und einer mit Wasser mischbaren organischen Flüssigkeit A, wobei der alkalische Extrakt vor der Fällung nicht neutralisiert wird, erhalten werden, sind besonders bevorzugt. Solche Arabinoxylane weisen auch nach einer eventuellen Bleichstufe üblicherweise Kettenlängen von mindestens 100 auf. Zumeist liegen die Kettenlängen dieser Arabinoxylane im Bereich 120 bis 240.
  • Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung einer Zellstoffpülpe umfassend das Kontaktieren einer konzentrierten Lösung oder Suspension eines Arabinoxylans mit Zellstoff oder einem Stoffsystem, welches Zellstoff enthält.
  • In einer Ausführungsform der Erfindung wird die Arabinoxylan-Lösung oder -Suspension vor der Blattbildung zur Fasersuspension zugesetzt. Die Wirkung des Arabinoxylans erfolgt auch in Kombination mit anderen Papierchemikalien, die vor, nach oder gemeinsam mit dem Arabinoxylan in den Faserstoff eingebracht werden. Dadurch ist der Einsatz von Arabinoxylan für die verschiedensten Produkte der Papierindustrie vorteilhaft.
  • Übliche andere Papierchemikalien sind beispielsweise Nassfestmittel, Füllstoffe, Retentionsmittel, Fixiermittel, Entschäumer, Entlüfter, Leimungsmittel, Optische Aufheller und Farbmittel.
  • Eine homogene Lösung oder Suspension des Arabinoxylans kann beispielsweise durch starke mechanische Belastung wie Rühren, durch Temperatureinwirkung oder mit Hilfe von Chemikalien, vorzugsweise basischen Chemikalien wie Alkali- oder Erdalkalihydroxiden, vorzugsweise NaOH, erreicht werden. Die Konzentration der Arabinoxylan-Lösung oder -Suspension kann in einem weiten Bereich von 0,1 % bis 40 % (w/w) variiert werden. Bevorzugt ist der Bereich von 0,1 bis 25 % (w/w), besonders bevorzugt der Bereich von 0,5 % bis 10 % (w/w).
  • Die Arabinoxylan-Lösung oder -Suspension kann dann mit dem Zellstoff und den gewünschten Papierhilfsmitteln und Additiven in hoher Stoffdichte (Feststoffgehalt) von bis zu 20 % inkubiert werden, bevor der Zellstoff in den Stoffauflauf der Papiermaschine gelangt. Dann können durch Abpressen der überstehenden Lösung eventuell nicht adsorbierte Chemikalien für den nächsten Ansatz verwendet werden.
  • In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird der Zellstoff im Stoffauflauf, d.h. unmittelbar vor dem Eintritt in die Maschine zur Papierherstellung mit den Additiven und der Arabinoxylan-Lösung oder -Suspension in beliebiger Reihenfolge vermischt werden. Die Zugabe des Arabinoxylans im Stoffauflauf erzielt dabei in der Regel bessere Ergebnisse als die vorherige Inkubation mit dem Zellstoff.
  • In einer weiteren Ausführungsform der Erfmdung wird Arabinoxylan-Lösung oder -Suspension zur Zellstoffsuspension vor der Mahlung der Zellstofffasern zugegeben.
  • Zumeist wird in einer Produktformulierung nach Erreichen einer optimalen Einsatzmenge durch eine weiter Erhöhung des Arabinoxylaneinsatzes keine weitere Steigerung der Festigkeiten und des Bulks bewirkt. Die optimale Einsatzmenge ist davon abhängig, welche anderen Papierhilfsmittel in der Masse eingesetzt werden, so dass die Einsatzmenge des Arabinoxylans bezogen auf Zellstoff in einem weiten Bereich von 0,1 % bis zu 40 % (w/w) betragen kann. Vorzugsweise werden aber Einsatzmengen zwischen 0,5 und 10 % Arabinoxylan verwendet. Zumeist wird bei Einsatz von Papieradditiven bereits bei geringeren Arabinoxylankonzentrationen das Optimum der Festigkeitssteigerungen erreicht.
  • Die Erfindung wird im folgenden durch einige Ausführungsbeispiele verdeutlich, ohne sie jedoch darauf zu beschränken.
    • Beispiele
  • In den nachfolgenden Beispielen sind, soweit nicht anders vermerkt, die Zusammensetzungen der Xylane angegeben als % w/w bezogen auf Gesamtprobe, erhalten durch chromatographische Zuckerbestimmung nach saurer Hydrolyse
    • 4-O-Methylglucuronsäure Beispiel 1 (erfindungsgemäß)
  • Ein Arabinoxylan aus Haferspelzen (9,5 % Arabinose, <1 % 4-O-Methylglucuronsäure, DP ca. 160) wurde unter Bildung einer 5-%igen Lösung in Wasser unter Erhitzen gelöst. 20 g Nadelholz-Sulfitzellstoff wurden in Wasser suspendiert und mit der Xylanlösung in den in Tabelle 1 angegebenen Mengen versetzt. Für Versuche mit höheren Einsatzmengen an Xylanlösung wurden jeweils entsprechend geringere Wassermenge zur Suspendierung des Zellstoffs eingesetzt. Nach Zugabe der Xylan-Suspensionen betrug die Stoffdichte des Zellstoffs jeweils 7,1 %. Die Versuchsansätze wurden jeweils für 2 h bei 50°C inkubiert. Nach der Inkubation wurde der Zellstoff über eine Nutsche abgesaugt.
  • Der Zellstoff wurde dann nach ISO 5264-3 in einer Jokro-Mühle 2,5 min gemahlen und Prüfblätter nach ISO 5269-2 (Rapid-Köthen method) erzeugt. Die Prüfung der Festigkeiten erfolgte nach ISO1974 (DIN EN 21974). Tabelle 1
    Menge Arabinoxylan in % (w/w) bzg. auf Zellstoff Reißlänge (km)
    0 (Referenz) 2734
    7,5 3473
    22,5 3935
    37,5 4199
  • Die Daten in Tabelle 1 zeigen, dass gegenüber dem Referenz-Zellstoff ohne Xylaneinsatz die mit Arabinoxylan aus Haferspelzen behandelten Zellstoffe erheblich höhere Festigkeiten aufweisen. Die Reißlänge steigt dabei mit steigendem Xylaneinsatz an. Die höchste Steigerung der Reißlänge durch Zugabe von Arabinoxylan aus Haferspelzen beträgt 1465 m.
    • Beispiel 2 (Vergleichsbeispiel)
  • Ein 4-O-Methylglucuronoxylan aus Birkenholz (keine Arabinose-Seitenketten, 8,8 % molares Verhältnis 4-O-Methylglucuronsäure bezogen auf Xyloseeinheiten, bestimmt per 1H-NMR, DP ca. 95) wurde als 5-%ige Lösung in Wasser unter Erhitzen gelöst. 20 g Nadelholz-Sulfitzellstoff wurden in Wasser suspendiert und mit der Xylanlösung versetzt. Für Versuche mit höheren Einsatzmengen an Xylanlösung wurden jeweils entsprechend geringere Wassermengen zur Suspendierung des Zellstoffs eingesetzt. Nach Zugabe der Xylan-Suspensionen betrug die Stoffdichte des Zellstoffs jeweils 7,1 %. Die Versuchsansätze wurde jeweils für 2 h bei 50°C inkubiert. Nach der Inkubation wurde der Zellstoff über eine Nutsche abgesaugt.
  • Der Zellstoff wurde dann nach ISO 5264-3 in einer Jokro-Mühle 2,5 min gemahlen und Prüfblätter nach ISO 5269-2 (Rapid-Köthen method) erzeugt. Die Prüfung der Festigkeiten erfolgte nach ISO1974 (DIN EN 21974). Tabelle 2
    Menge 4-O-Methylglucuronoxylan in % (w/w) bzg. auf Zellstoff Reißlänge (km)
    0 (Referenz) 2734
    7,5 2983
    22,5 3126
    37,5 3189
  • Die Daten in Tabelle 2 zeigen, dass das 4-O-Methylglucuronoxylan aus Birkenholz nur eine sehr geringe Steigerung der Festigkeiten bewirken kann. Die Wirkung dieses Xylanes beträgt weniger als 31 % der Wirkung des Arabinoxylans aus Haferspelzen.
    • Beispiel 3 (Vergleichsbeispiel)
  • Das Lenzing-Xylan aus Buchenholzzellstoff (keine Arabinose-Seitenketten, ca. 1 % 4-O-Methylglucuronsäure, DP ca. 35) wurde als 5-%ige Lösung in Wasser unter Erhitzen gelöst. 20 g Nadelholz-Sulfitzellstoff wurden in Wasser suspendiert und mit der Xylanlösung versetzt. Für Versuche mit höheren Einsatzmengen an Xylanlösung wurden jeweils entsprechend geringere Wassermengen zur Suspendierung des Zellstoffs eingesetzt. Nach Zugabe der Xylan-Suspensionen betrug die Stoffdichte des Zellstoffs jeweils 7,1 %. Die Versuchsansätze wurde jeweils für 2 h bei 50°C inkubiert. Nach der Inkubation wurde der Zellstoff über eine Nutsche abgesaugt.
  • Der Zellstoff wurde dann nach ISO 5264-3 in einer Jokro-Mühle 2,5 min gemahlen und Prüfblätter nach ISO 5269-2 (Rapid-Köthen method) erzeugt. Die Prüfung der Festigkeiten erfolgte nach ISO1974 (DIN EN 21974).
  • Die Daten in Tab. 3 zeigen, dass das "Lenzing-Xylan" aus Buchenholzzellstoff nur eine sehr geringe Steigerung der Festigkeiten bewirken kann. Die Wirkung dieses Xylanes beträgt nur 36 % der Wirkung des Arabinoxylans aus Haferspelzen. Tabelle 3
    Menge Lenzing-Xylan in % (w/w) bzg. auf Zellstoff Reißlänge (km)
    0 (Referenz) 2734
    7,5 3010
    22,5 3000
    37,5 3260
    • Beispiel 4
  • Ein Arabinoxylan (9,5 % Arabinose, <1 % 4-O-Methylglucuronsäure, DP ca. 160) aus Haferspelzen wurde als 5-%ige Lösung in Wasser unter Erhitzen gelöst. Ein Nadelholz-Sufitzellstoff wurde dann nach ISO 5264-3 in einer Jokro-Mühle 2,5 min gemahlen und Prüfblätter nach ISO 5269-2 (Rapid-Köthen method) erzeugt. Die Arabinoxylanlösungen wurden dabei jeweils in der Bütte zugegeben, die für die Portionierung der Suspension für die einzelnen Prüfblätter eingesetzt wird. In der Bütte werden jeweils 16 g Zellstoff in einer Gesamtflüssigkeit von 6,67 1 mit einer Stoffdichte von 0,24 % egalisiert. Die Arabinoxylanlösung wurde entsprechend der jeweils Einsatzmenge zugegeben. Nach 5 min erfolgte die Portionierung und die Bildung der Prüfblätter. Alle Versuche wurden bei Raumtemperatur durchgeführt. Die Prüfung der Festigkeiten erfolgte nach ISO1974 (DIN EN 21974). Tabelle 4 Einfluss von Arabinoxylan aus Haferspelzen auf die Reißlänge von Nadelholz-Sulfitzellstoff Der Arabinoxylaneinsatz erfolgte bei einer Stoffdichte von 0,24 % nach der Mahlung des Zellstoffes
    Arabinoxylaneinsatz % (w/w) bzg. auf Zellstoff Reißlänge (km)
    Referenz 2830
    4,7 3759
    9,4 4216
    28,1 4031
  • Die Reisslänge kann durch die Zugabe von Arabinoxylan aus Haferspelzen gegenüber dem Referenzversuch um mehr als 1000 m verbessert werden. Bei diesem Zugabemodus können die Festigkeitssteigerungen bereits bei geringeren Einsatzmengen des Arabinoxylans erreicht werden.
    • Beispiel 5
  • Ein Arabinoxylan aus Haferspelzen (9,5 % Arabinose, <1 % 4-O-Methylglucuronsäure, DP ca. 160) wurde als 5-%ige Lösung in Wasser unter Erhitzen gelöst. Ein Nadelholz-Sufitzellstoff wurde dann nach ISO 5264-3 in einer Jokro-Mühle 2,5 min gemahlen und Prüfblätter nach ISO 5269-2 (Rapid-Köthen method) erzeugt. Die Xylanlösungen wurden dabei jeweils in der Bütte zugegeben, die für die Portionierung der Suspension für die einzelnen Prüfblätter eingesetzt wird. In der Bütte werden jeweils 16 g Zellstoff in einer Gesamtflüssigkeit von 6,67 1 mit einer Stoffdichte von 0,24 % egalisiert. Ein kationisches Polyamid-Epichlorhydrinharz wurde als Papierhilfsmittel zugegeben und für 5 min in die Suspension eingerührt. Die Dosierung des Papieradditivs entsprach bei allen durchgeführten Versuchen konstant einer Ladungsdichte von 0,013 meq/g Zellstoff. Anschließend wurde jeweils die Zudosierung der Arabinoxylanlösungen vorgenommen. Nach 5 min erfolgte die Portionierung und die Bildung der Prüfblätter. Alle Versuche wurden bei Raumtemperatur durchgeführt. Die Prüfung der Festigkeiten erfolgte nach IS01974 (DIN EN 21974). Tabelle 5 Einfluss von Arabinoxylan aus Haferspelzen auf die Reißlänge von Nadelholz-Sulfitzellstoff bei gleichzeitigem Einsatz eines Papieradditivs. Der Arabinoxylaneinsatz erfolgte bei einer Stoffdichte von 0,24 % nach der Mahlung des Zellstoffes
    Xylaneinsatz % (w/w) bzg. auf Zellstoff Arabinoxylan mit Papieradditiv Reißlänge (km)
    Referenz 3944
    0,09 3992
    0,93 4698
    2,3 5486
    4,7 5629
    7,0 5710
    9,4 5728
  • Die Reisslänge kann durch die Zugabe von Arabinoxylan gegenüber dem Referenzversuch erneut erheblich gesteigert werden. Es wird an der Referenz deutlich, dass durch den Einsatz des Papieradditivs die Festigkeiten generell auf einem höherem Niveau liegen. Für die Wirkung des Arabinoxylans wird aber in der Wechselwirkung mit dem Papieradditiv ein synergistischer Effekt deutlich. Die Steigerungen der Reißlänge betragen jetzt sogar bis zu ca. 1800 m. Dabei werden die höheren Festigkeitssteigerungen sogar bei deutlich geringeren Arabinoxylaneinsatzmengen wirksam als bei den Versuchen ohne Papieradditiv.
    • Beispiel 6
  • Ein Arabinoxylan aus Haferspelzen (9,5 % Arabinose, <1 % 4-O-Methylglucuronsäure, DP ca. 160) wurde als 5-%ige Lösung in Wasser unter Erhitzen gelöst. Ein Buchenholz-Sulfitzellstoff wurde nach ISO 5264-3 in einer Jokro-Mühle für 2,5 min, 5 min, 10 min, 15 min und 20 min gemahlen. Anschließend wurden Prüfblätter nach ISO 5269-2 (Rapid-Köthen-method) erzeugt. Die Arabinoxylanlösungen wurden dabei jeweils mit 9,4 % (bzg. auf Zellstoff) in der Bütte zugegeben, die für die Portionierung der Suspension für die einzelnen Prüfblätter eingesetzt wird. In der Bütte werden jeweils 16 g Zellstoff in einer Gesamtflüssigkeit von 6,67 1 mit einer Stoffdichte von 0,24 % egalisiert. 5 min nach Zugabe der Arabinoxylanlösung erfolgte die Portionierung und die Bildung der Prüfblätter. Alle Versuche wurden bei Raumtemperatur durchgeführt. Die Prüfung der Festigkeiten erfolgte nach ISO1974 (DIN EN 21974). Lichtstreuungskoeffizienten wurden nach Vorschrift SCAN C 27:76 bestimmt.
  • Die Untersuchungen zeigten, dass nicht nur die Zugfestigkeit (Tensile), sondern auch die Durchreißfestigkeit (Tear) der Zellstoffe durch die Arabinoxylan-Zugabe gesteigert wurde. Der Tear-Tensile-Plot gibt die Möglichkeit Zugfestigkeit und Durchreißfestigkeit aller Proben aus der Mahlgradreihe gemeinsam zu betrachten (Figur 1, Einfluss von Arabinoxylan aus Haferspelzen (9,38 % bez. auf Zellstoff) auf den Tear-Tensile-Plot von Buchen-Sulfitzellstoff). Es wird deutlich, dass die Proben mit Zugabe des Arabinoxylans in beiden Festigkeiten deutlich bessere Werte aufweisen, so dass die gesamte Kurve zu einem höheren Niveau verschoben ist.
  • Das spezifische Volumen der Zellstoffe wird durch den Bulk bezeichnet, der in Figur 2 gegen die Tensile-Zugfestigkeit aufgetragen ist (Einfluss von Arabinoxylan aus Haferspelzen (9,38 % bez. auf Zellstoff) auf den Bulk-Tensile-Plot von Buchen-Sulfitzellstoff). Es wird deutlich, dass die Kurve für die verschiedenen Punkte der Mahlgradkurve zu höheren Bulk-Werten verschoben ist. Um ein Produkt mit den gewünschten Festigkeiten zu erzeugen, kann durch Zugabe des Arabinoxylans ein höheres Blattvolumen erzeugt werden. Der erhöhte Bulk führt zu einer Erhöhung des Lichtstreuungskoeffizienten und damit zu besseren optischen Eigenschaften.

Claims (10)

  1. Verwendung von Arabinoxylanen als Additiv in der Papierherstellung.
  2. Verfahren zur Herstellung einer Zellstoffpülpe umfassend das Kontaktieren einer konzentrierten Lösung oder Suspension eines Arabinoxylans mit Zellstoff oder einem Stoffsystem, welches Zellstoff enthält.
  3. Verfahren nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil des Arabinoxylans bezogen auf Zellstoff zwischen 0,1 und 40 % beträgt.
  4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass das Arabinoxylan mit dem Zellstoff bei Stoffdichten bis zu 20 % inkubiert wird, bevor weitere Papieradditive im Prozess eingesetzt werden.
  5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass das Arabinoxylan mit dem Zellstoff bei Stoffdichten bis zu 20 inkubiert wird nachdem der Zusatz von Papieradditiven erfolgte
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 oder 3 dadurch gekennzeichnet, dass das Arabinoxylan dem Zellstoff im Stoffauflauf oder kurz vor dem Stoffauflauf zugesetzt wird.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 oder 3 dadurch gekennzeichnet, dass der Zellstoff nach dem Zusatz von Arabinoxylan einer Mahlung in geeigneten Aggregaten, vorzugsweise Refinern, unterzogen wird.
  8. Zellstoffpülpe enthaltend Zellstoff und 0,1 % bis zu 40 % (w/w, bezogen auf Zellstoff) Arabinoxylan.
  9. Zellstoffpülpe gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Arabinoxylan an seiner Hauptkette 5 bis 20 % Arabinose-Substituenten und weniger als 5 % 4-O-Methylglucuronsäure-Substituenten trägt.
  10. Arabinoxylane , dadurch gekennzeichnet, dass sie an ihrer Hauptkette 5 bis 20 % (w/w, bezogen auf Gesamtprobe), bevorzugt 7 bis 15 %, besonders bevorzugt 8 bis 13 % Arabinose-Substituenten, und weniger als 5 %, bevorzugt weniger als 2 %, besonders bevorzugt weniger als 1 % 4-O-Methylglucuronsäure-Substituenten tragen.
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