WO2011018151A1

WO2011018151A1 - Faserstoffhaltiges material auf cellulosebasis

Info

Publication number: WO2011018151A1
Application number: PCT/EP2010/004450
Authority: WO
Inventors: Armin Ungerer; Harald Schlosser; Marc Mohring
Original assignee: J. Rettenmaier & Söhne Gmbh + Co. Kg
Priority date: 2009-08-10
Filing date: 2010-07-21
Publication date: 2011-02-17
Also published as: EP2464787A1; DE102009036551A1

Abstract

Basismaterial als Ausgangsmaterial zum Herstellen eines flächigen, faserstoffhaltigen Gegenstandes wie Papier oder Karton, umfassend einen natürlichen oder künstlichen Faserstoff wie Cellulose, die Fasern des Faserstoffes haben einen durchschnittlichen Durchmesser von vorzugsweise unter 20 μm; - die Fasern des Faserstoffes haben eine Faserlänge von vorzugsweise 200 - 2000 μm; die Fasern sind ultrahoch gemahlen, sodass der Mahlgrad oberhalb der Messbarkeit nach Schopper-Riegler liegt.

Description

Faserstoffhaltiges Material auf Cellulosebasis

Die Erfindung betrifft das Gebiet von Stoffen, welche Cellulose enthalten. Es betrifft ferner das Gebiet der natürlichen und künstlichen Faserstoffe sowie der hieraus gefertigten flächigen Produkte. Hierzu gehören in erster Linie Papier und Karton.

Diese werden bekanntlich vorwiegend aus natürlichen Faserstoffen hergestellt, aber auch aus künstlichen Faserstoffen.

Als sogenannte Halbstoffe oder Ausgangsstoffe kommen reine Cellulosefasem in Betracht, deinkte Altpapierfasern, Fasern aus gemischtem Altpapier, Holzschliff, thermomechanisch behandelte Stoffe (TMP), chemisch-thermomechanisch behandelte Stoffe (CTMP), ferner BCTMP, fein fibrilliertes cellulosehaltiges Material. Als Zuschlagstoffe kommen organische Additive wie Nassfestmittel,

Retentionsmittel, Bindemittel oder anorganische Füllstoffe und / oder Pigmente wie zum Beispiel Calciumcarbonat, Kaolin, Tttandioxid, Zinksulfid, Bariumsulfat in

Betracht.

An Papiere und Kartons werden ganz unterschiedliche Anforderungen gestellt. Die wichtigsten sind mechanische Festigkeiten wie Reiß- beziehungsweise

Nassfestigkeit, Zugfestigkeit und so weiter, aber auch die Produktions- und

Rohstoffkosten. Daher ist die Papierindustrie bestrebt, den Füllstoffgehalt von Papieren zu erhöhen.

Dabei ist es schwierig, alle Anforderungen gleichzeitig zu erfüllen. Insbesondere die Parameter Reiß- beziehungsweise Nassfestigkeit und Erhöhung des

Füllstoffgehaltes beeinflussen sich gegenseitig. Eine Erhöhung des Füllstoffgehaltes führt zu einer Abnahme der Festigkeiten sowohl im Nasszustand bei der Herstellung als auch vom fertigen Papier. Die genannten Faserstoffe werden zunächst in die Form einer Suspension überführt, das heißt einer Aufschwemmung aus den genannten Faserstoffen und Wasser, gegebenenfalls unter Zugabe der genannten Zuschlagstoffe. Die Suspension wird in umfangreichen Aufbereitungsverfahren behandelt. Dabei werden Mahl- und

Zerkleinerungseinrichtungen verwendet, zum Beispiel Refiner. Der Mahlprozess führt zu einem Fibrillieren der Faser in der Suspension. Je nach Art und Intensität des Mahlprozesses weist die Suspension einen bestimmten Mahlgrad auf, zum Beispiel in der Einheit Schopper-Riegler gemessen. Darunter versteht man die

Entwässerungsfähigkeit der Suspension.

Nach der genannten Behandlung in der Aufbereitungsanlage wird die Suspension einem Stoffauflauf zugeführt, der am Anfang einer Papiermaschine angeordnet ist. Dieser erzeugt einen maschinenbreiten Suspensionsstrahl oder Stoffstrahl. Der

Stoffstrahl wird auf ein umlaufendes Papiermaschinensieb aufgegeben und hierbei entwässert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein trockenes Basismaterial und / oder wässrige Suspension, eine Faserstoffsuspension sowie ein Verfahren anzugeben, womit sich ein flächiges, faserhaltiges Produkt erzeugen lässt, beispielsweise Papier oder Karton. Das flächige Produkt soll eine hohe Festigkeit haben, insbesondere eine hohe Reißfestigkeit, und eine hohe Nassfestigkeit. Weiterhin wird angestrebt, die Menge an festigkeitssteigemden Mitteln möglichst klein zu halten. Hierzu gehören beispielsweise Nassfestmittel oder Bindemittel wie Stärke oder Latex. Der Anteil an Füllstoffen soll hoch sein können, ohne die Festigkeit zu beeinträchtigen. Außerdem soll ein entsprechendes flächiges Faserprodukt wie Papier oder Karton angegeben werden, das die hohen Festigkeitswerte und die übrigen genannten Qualitäten aufweist.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der selbständigen Ansprüche gelöst.

Bei dem erfindungsgemäßen Material - getrocknetes, ultrahochgemahlenes cellulosehaltiges Material oder eine wässrige Suspension daraus - geht man somit von Fasern aus, so wie eingangs erwähnt. Die Fasern enthalten hochgemahlenes cellulosehaltiges Material, vorzugsweise mit einem Faserdurchmesser von kleiner 20 μm, bevorzugt kleiner 10 μm, besonders bevorzugt kleiner 1 μm und einer Faserlänge von 30 - 3000 μm, , bevorzugt 100 - 2500 μm, besonders bevorzugt 200 - 2000 μm. Die Zugabe von Chemikalien lässt sich hierdurch minimieren,

gegebenenfalls bis auf Null. Ganz entscheidend ist, dass das Material cellulosehaltiges Material enthält. Der genannte sehr geringe Faserdurchmesser in Kombination mit der Faserlänge von 200 - 2000 μm ist vorteilhaft. Das erfindungsgemäße feinfibrillierte cellulosehaltige Material kann somit in trockener Form oder in Suspensionsform bereitgestellt werden.

Ganz wichtig ist aber die extreme Mahlung. Diese ist derart weit getrieben, dass die bekannte Mahlgrad-Prüfungsmethode nach Schopper-Riegler nicht mehr anwendbar ist, da sie einen Wert ergeben würde, der über dem Messbereich liegt (> 100 ^CSR). Das Fasermaterial ist nämlich derart hochgemahlen, dass der Wasserdurchfluss durch die Messapparatur zum Erliegen kommt. Das Fasermaterial ist somit ultra- hochgemahlen. Im Gegensatz hierzu ist der Mahlgrad einer konventionellen

Faserstoffsuspension noch gut bestimmbar, auch wenn hochgemahlen.

Zum Erfassen der Entwässerungsfähigkeit oder des Mahlgrades eines

erfindungsgemäßen, ultrahochgemahlenen Faserstoffes war es notwendig, eine andere Messmethode heranzuziehen. Diese lässt sich sowohl zur Messung des Mahlgrades eines konventionellen, gemahlenen Faserstoffes heranziehen, als auch eines erfindungsgemäßen, ultrahochgemahlenen Faserstoffes. Das Gerät und seine Arbeitsweise sollen weiter unten beschrieben werden.

Die Erfinder haben festgestellt, dass sich die Festigkeit verbesserte, obwohl der Papiermasse keine Festigkeitsmittel zugegeben wurden. Es wurde ebenso

festgestellt, dass durch Zugabe von extrem hochgemahlenem cellulosehaltigen Material die Retention der Füllstoffe/Pigmente verbessert wird und diese homogener in der Papiermatrix verteilt sind.

Dies war aus folgenden Gründen überraschend: Es ist bekannt, dass die Festigkeit eines flächigen Faserstoffes, beispielsweise eines Papieres, mit zunehmendem Mahlgrad steigt. Die Kurve der Festigkeit über dem Mahlgrad steigt somit zunächst an, bis sie ein Maximum erreicht. Sodann fällt sie ab einem bestimmten Mahlgrad wieder ab. Der Verlauf der genannten Kurve Festigkeit über Mahlgrad hängt von Parametern ab, wie Art des Faserstoffes, Art der

Mahlbehandlung. Außerdem verhalten sich die einzelnen Festigkeitsarten

verschieden. So nimmt die Trockenfestigkeit einen anderen Verlauf als die

Nassfestigkeit oder als die Falzzahl. Jedenfalls haben die Erfinder festgestellt, dass die genannte Kurve der Festigkeit über dem Mahlgrad bei einem Weitertreiben des Mahlprozesses über das bisher übliche Maß hinaus wieder ansteigt. Man könnte somit sagen, dass die Kurve gemäß der Erfindung einen ersten Wendepunkt hat, nämlich dort, wo die maximale

Festigkeit liegt, sodann aber einen zweiten Wendepunkt. Dieser befindet sich in einem Bereich, indem man bisher schon längst aufgehört hat, weiter zu mahlen. Die hierdurch erlangte Festigkeit ist somit überraschend. Die Erfindung ermöglicht dadurch zur Herstellung eines flächigen Faserstoffes die Verwendung von Fasern mit üblichem Mahlgrad in Mischung mit einem geringen Anteil von ultrahochgemahlenem cellulosehaltigen Material, wobei die Festigkeit signifikant verbessert wird.

Um ein flächiges Fasermaterial aus dem derart gewonnenen Stoff herzustellen - trockenes Basismaterial oder hieraus hergestellte Suspension -, kommen

verschiedene Verfahren in Betracht, unter anderem auch das klassische Verfahren mittels einer der zahlreichen Maschinen der Papierfabrikation. In erster Linie ist hierbei eine Papiermaschine zu nennen, umfassend einen Stoffauflauf, der einen maschinenbreiten Stoffstrom erzeugt, ferner ein umlaufendes Sieb, das dem

Stoffauflauf zugeordnet ist und von diesem den Stoffstrom empfängt. Hierbei sind die Rundsiebmaschine zu nennen, die Langsiebmaschine, und nicht zuletzt die

Doppelsiebmaschine. Das flächige Produkt lässt sich besonders vorteilhaft dadurch erzeugen, dass der aus dem Stoffauflauf austretende dünne Stoffstrom oder

Stoffstrahl in bekannterweise in den keilförmigen Einlaufzwickel eingeleitet wird, gebildet aus zwei umlaufenden Flächen. Die eine umlaufende Fläche ist in jedem Falle eine perforierte Fläche, und die andere kann auch eine geschlossene Fläche sein. Dabei ist es besonders vorteilhaft, die perforierte Fläche, nämlich ein

Papiermaschinensieb, unter Spannung um die Gegenfläche herumzuführen, und zwar derart, dass das Sieb eine Anpresskraft auf den Stoffstrahl ausübt, und damit dessen Entwässerung herbeiführt.

Gemäß einem weiteren Gedanken der Erfindung ist es zweckmäßig, ein

Basismaterial herzustellen als Gemisch aus einem ersten, erfindungsgemäßen ultrahochgemahlenen Faserstoff und einem zweiten, konventionell gemahlenen Faserstoff, der einen nach Schopper-Riegler messbaren Mahlgrad aufweist. Der

Mahlgrad des zweiten Fasermateriales kann beispielsweise bei 10, 20, 30, 40, 50, 60 Grad SR liegen.

Die Mischungsverhältnisse können variieren. So können beispielsweise die Anteile vom ersten zum zweiten Stoff bei 5, 10, 15, 20, 25 % liegen. Abweichungen sind nach oben oder nach unten möglich. Auch relativ geringe Mengen von 5 % und weniger des ersten Stoffes können ausreichen, um die Festigkeit des zu

erzeugenden flächigen Faserstoffes bedeutend zu steigern, bei gleichzeitiger Einsparung von zusätzlichen Festigkeitshilfsmitteln. Eine Zugabe von 2 bis 8 % des erfindungsgemäßen Additivs haben sich als günstig erwiesen. Überraschend ist, dass selbst geringe Mengen von beispielsweise 0,8 % zu einer überproportionalen Erhöhung der Festigkeit führen können. Somit erreicht man durch den Zusatz einer sehr kleinen Menge von ultrahochgemahlenem cellulosehaltigem Material eine höhere Festigkeit als man bei stärkerer Mahlung des gesamten Faserstoffauflaufs erreiche würde, ohne den Nachteil der schlechteren Entwässerung der

Papiermaschine. Die Erklärung liegt darin, dass selbst ein relativ kleines Quantum von hochgemahlenem erfindungsgemäßem Faserstoff ausreichen kann, um die Faser-zu-Faser-Bindung in ausreichendem Maße herzustellen und somit die

Festigkeit zu steigern, gleichwohl aber die Entwässerungsfähigkeit nicht wesentlich zu beeinträchtigen, sodass auch hoch die Geschwindigkeit des

Papierherstellungsprozesses akzeptabel ist. Ausführungsbeispiel:

Ein Laborblatt aus 100 % gemahlenem Eukalyptuszellstoff und 20% Füllstoff

(Calciumcarbonat) on top erreicht durch den Zusatz von 0,8% des

erfindungsgemäßen, ultrahochgemahlenem cellulosehaltigen Materials eine

Zugfestigkeitssteigerung von 25 %.

Die Erfinder haben ein besonderes Gerät verwendet, mit dem sich die

Entwässerungsfähigkeit eines Basismaterials beziehungsweise einer Suspension erfassen lässt, enthaltend ein erfindungsgemäßes ultrachochgemahlenes

Fasermaterial. Die Entwässerungsfähigkeit wird im Folgenden„Wasserwert" genannt.

Ein solches Gerät ist in Figur 1 dargestellt. Es umfasst die folgenden Bauteile: Ein Wasserbehälter 1 steht über ein Standrohr 2 und eine Verbindungsleitung 3 mit einem Entwässerungsgerät 4 in leitender Verbindung. Das Entwässerungsgerät 4 hängt an einem Stativ 5. Unter dem Entwässerungsgerät 4 befindet sich ein kalibrierter Glaszylinder. Ein entscheidendes Bauteil ist das Entwässerungsgerät 4. Dieses umfasst einen zylindrischen Behälter 4.1. Am oberen Ende des zylindrischen Behälters 4.1 befindet sich eine Entlüftungsklappe 4.2. Am unteren Ende des zylindrischen Behälters 4.1 befindet sich eine Trennschicht 4.3. Im Wasserbehälter 1 befindet sich Wasser mit einem Wasserspiegel 1.1. Der Höhenabstand zwischen dem Wasserspiegel 1.1 und der Trennschicht 4.3 beträgt 2 m.

Mit dem Gerät gemäß Figur 1 lassen sich der Wasserwert, die Nassdichte und der spezifische Durchfluss wie folgt bestimmen: Das Entwässerungsgerät 4 wird mit einer angefeuchteten, durchlässigen

Celluloseschicht (Schenk D-Schicht mit der Siebseite nach unten) versehen, sodass das Entwässerungsgerät 4 nach unten abgeschlossen ist. Anschließend werden 25 g Probenmaterial in 200 - 300 ml reinem Wasser aufgeschlämmt und vollständig in das Entwässerungsgerät überführt. Gleichzeitig wird eine Stoppuhr in Gang gesetzt. Nun wird das Entwässerungsgerät 4 an den Hochbehälter angeschlossen und entlüftet. Nach einer Minute werden 500 ml Wasser abfiltriert und anschließend die Zeit für die nächsten 100 ml Filtrat gestoppt.

Berechnung: (für Einwaage 25 g Probenmaterial): Ww =

Zeit in Minuten

Berechnung: (für Einwaage <25 g Probenmaterial): Ww = — —

Zeit in Minuten

Definition: Wasserwert = Durchfluss von Wasser bei 20° C und p = 0,2 bar durch eine Trennschichtfläche von 1600 cm² bei einer

Anschwemmung von 2 kg Probenmaterial (= 12,5 kg/m²)

Für hochfibrillierte Cellulose ist der Wasserwert so klein, dass die Bestimmung wie oben, jedoch unter Anwendung von 0,5 g Materialeinwaage durchgeführt wird.

Je kleiner der Wasserwert ist, umso höher ist der Mahlgrad. Ein kleiner Wasserwert bedeutet, dass die betreffende, erfindungsgemäße Suspension eine extrem geringere Entwässerungsneigung hat, eben so gering, dass sie mit einem Schopper- Riegler-Gerät nicht erfassbar ist.

Gemäß der Erfindung liegt der Wasserwert einer erfindungsgemäßen Suspension unter 10, bei einer Einwaage von 0,5 g oder weniger, insbesondere 0,2 g.

Ein flächiger Faserstoff, hergestellt aus einer Suspension der beschriebenen Art, hat eine überraschend hohe Festigkeit, ob mit oder ohne Zugabe eines Mittels zum Steigern der Festigkeit. Die Suspension führt somit auch ohne Zugabe von festigkeitssteigemden Mitteln zu einem flächigen Faserstoffmaterial mit ungewöhnlich hoher Festigkeit. Die Zugabe von Bindemitteln oder Latex ist nicht notwendig.

Bezugszeichenliste

1 Wasserbehälter

1.1 Wasserspiegel

2 Standrohr

3 Verbindungsleitung

4 Entwässerungsgerät

4.1 zylindrischer Behälter

4.2 Entlüftungsklappe

4.3 Trennschicht

5 Stativ

6 kalibrierter Glaszylinder

Claims

Patentansprüche

1. Additiv zum Zugeben zu einer Faserstoffsuspension zum Herstellen eines flächigen Gegenstandes wie Papier oder Karton, umfassend einen natürlichen oder künstlichen Faserstoff wie Cellulose,

1.1 die Fasern des Faserstoffes haben einen durchschnittlichen Durchmesser von kleiner 20 μm, vorzugsweise kleiner 10 μm, besonders bevorzugt kleiner 1 μm;

1.2 die Fasern des Faserstoffes haben eine Faserlänge von 30 - 3000 μm,

vorzugsweise 100 - 2500 μm, besonders bevorzugt 200 - 2000 μm;

1.3 die Fasern sind ultrahoch gemahlen, sodass der Mahlgrad oberhalb der

Messbarkeit nach Schopper-Riegler liegt.

2. Additiv nach Anspruch 1 , gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale: der Wasserwert der Cellulose liegt unterhalb 10 bei einer Eingabe von

0,5 g, vorzugsweise bei 0,2 g.

3. Faserstoffsuspension, umfassend einen natürlichen oder künstlichen

Faserstoff wie Cellulose, ferner ein Additiv gemäß einem der Ansprüche 1 bis 2, wobei das Verhältnis des Additivs zur Faserstoffsuspension zwischen-0,1 und 50 Gew.-% beträgt, vorzugsweise

wenigstens 0,1 %;

wenigstens 1 %;

wenigstens 2 %;

wenigstens 5 %;

wenigstens 10 %;

wenigstens 20 %;

wenigstens 30 %;

wenigstens 40 %;

wenigstens 50 %.

4. Verwendung eines Additivs gemäß einem der Ansprüche 1 bis 2 zum

Herstellen eines flächigen Faserstoffes.

5. Verfahren zum Herstellen eines flächigen Faserstoffes gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3 mit den folgenden Verfahrensschritten:

5.1 es wird eine erste Suspension mit ultrahochgemahlenen Fasern gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3 hergestellt;

5.2 die erste Suspension wird mit einer zweiten Suspension gemischt, die einen nach Schopper-Riegler messbaren Mahlgrad aufweist;

5.3 zum Herstellen des flächigen Faserstoffes wird ein Blattbildungsverfahren angewandt.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das

Blattbildungsverfahren ein Entwässerungsverfahren unter Anwendung eines Stoffauflaufes und eines umlaufenden Siebes umfasst.

7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der

Gewichtsanteil der ersten zur zweiten Suspension in einem der folgenden Bereiche liegt: