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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Einbringung von Stärke als
Masseadditiv und beim Sprühen
bei der Herstellung von Papier, Pappe und Karton.
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Stärke und
deren Derivate sind der drittwichtigste Rohstoff bei der Herstellung
von Papier, Karton und Pappe. Neben dem Zusatz zur Papierstoffsuspension
werden Stärkeprodukte
zur Zeit bei der Herstellung von Papier hauptsächlich als verkleisterte Lösung mittels
Leim- oder Filmpresse oder durch Versprühen einer Stärkesuspension
auf die initial feuchte Papierbahn appliziert.
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Im
Rahmen der vorliegenden Erfindung wird unter Stärke auch ein stärkehaltiges
Produkt, wie Mehl, verstanden.
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Aufgrund
der Vielzahl der heute in der Stoffsuspension bei der Papierherstellung
eingebrachten chemischen Additive kommt es insbesondere hier zu Konkurrenzreaktionen
der Additive untereinander. Die vorzugsweise verwendeten kationisch
modifizierten Stärkederivate
konkurrieren nicht nur mit den Hilfsmitteln, die zur Erzeugung spezifischer
Qualitätsparameter
von Papier und Karton wie z. B. Hydro phobizität, Nassfestigkeit oder Barriereeigenschaft zugegeben
werden, sondern auch mit den ebenfalls bei der modernen Papierherstellung
unbedingt notwendigen Produktionshilfsmitteln, die erst eine sichere
Produktion ermöglichen,
wie z. B. Retentions- und Entwässerungsbeschleuniger,
Biozide, Stoffentlüfter oder
Störstoffbinder.
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Hauptrohstoffe
für die
Herstellung von Stärken
und Stärkeprodukten
in Deutschland und im EG-Raum sind beispielsweise Mais, Kartoffeln
und Weizen.
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Beim
Zusatz von verkleisterter, gelöster
Stärke
zur Faserstoffsuspension, kurz als „Masseeinsatz” bezeichnet,
werden gegenwärtig
fast ausschließlich kationische
Derivate verwendet, die nicht nur aufgrund ihrer Ladungseigenschaften
gut auf der Oberfläche
von Faser- und Füllstoffen
adsorbiert werden, sondern zudem auch eine optimale Flockung der Suspensionsinhaltsstoffe
ermöglichen.
Neben der Festigkeitssteigerung des Papier wird auch die Retention
der Faserfein- und füllstoffe
im Faservlies unterstützt.
Die Aufnahmefähigkeit
der Papiermasse für kolloidal
gelöste
Stärkeprodukte
ist jedoch auf ca. 1,5 Gewichtsprozent bezogen auf den Faserstoff
begrenzt. Hierfür
gibt es unterschiedliche Ursachen. So haben Stärke und Zellulose eine ähnliche
chemische Struktur. Beides sind stark hydrophile Substanzen mit
schwach anionischer Ladung, die eine ausgeprägte Neigung zur Bildung von
Wasserstoffbrückenbindungen
haben. In wässriger
Lösung
sind diese Wechselwirkungen jedoch zu schwach und werden überlagert
durch die abstoßenden
Kräfte
aufgrund der bei beiden Substanzen vorliegenden leicht anionischen
Oberflächenladung,
die zusammen mit den bei der Ganzstoffbereitung auftretenden hohen
mechanischen Schwerkräfte
einer Retention der Stärke entgegenwirken.
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Weiterhin
führt der
Einsatz unterschiedlicher Prozesschemikalien und -hilfsmittel, die
der Faserstoffsuspension während
des Herstellungsprozesses von Papier und Karton zugefügt werden,
zu Konkurrenzreaktionen. Sie stören
die Adsorptionsprozesse an Füll-
und Faserstoffen, führen
zur Bildung von Koazervaten bzw. Ausfällungen, in deren Folge es
zu empfindlichen Betriebsstörungen
kommt. Schließlich führt der
Einsatz chemischer Additive zu einer Verringerung der Entwässerungslei stung
in der Siebpartie. Produktionseinbußen von ca. 10% sind die Folge.
Ursache dafür
sind in erster Linie die ausgesprochen hydrophilen Eigenschaften
der Polyelektrolyte und hier insbesondere das Hydrokolloid Stärke. Auch
führen ökonomische
und ökologische
Gründe
dazu, in den beiden vergangenen Dekaden, den spezifischen Wasserbedarf
bei der Herstellung von Papier und Karton zu senken. Begleitet wurde
diese Entwicklung jedoch von einer Aufkonzentrierung anorganischer und
organischer Substanzen in den Kreislaufwässern der Papierfabriken. Diese
belasteten Kreislaufwässer
schränken
die Effizienz der Additive zusätzlich
ein.
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Da
der Einsatz von Stärkeprodukten
in der Stoffsuspension anstelle von Zellstoff zur Festigkeitssteigerung
von Papier und Karton ökonomisch
vorteilhaft ist, sind Papierhersteller an einer Substitution der
Faserstoffe interessiert.
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In
jüngster
Vergangenheit wurde versucht, den Anteil von Stärke in Papier durch den Einsatz
sogenannter Dualsysteme zu steigern. Mit der Bezeichnung „Dual” wird dabei
ganz allgemein der aufeinander folgende Einsatz gegensätzlich geladener
chemischer Additive zur Faserstoffsuspension bezeichnet. Während die
ursprünglichen
Dualsysteme nur Retentionsmittelsysteme für verbesserte Flockung, Entwässerung
und Retention umfassten, wird heute auch der Einsatz gegensätzlich geladener
Stärkeprodukte
damit bezeichnet. Dabei dienen Stärke-Dualsysteme zur Steigerung
des Stärkeeinsatzes
auf bis zu 10 Gewichtsprozent, bezogen auf den Faserstoffanteil
in der Suspension.
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Aus
der
EP 1 167 434 A1 ist
ein Verfahren bekannt, bei dem eine trockene Mischung aus einer anionischen
und einer kationischen Stärke
zusammen verkleistert wird und an einer Stelle in die Stoffsuspension
dosiert wird. Diese Stärkemischung
mit leicht kationischer Überschussladung
kann im vergrößerten Mengenanteil
der Stoffsuspension zugeführt
werden.
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Aus
EP 1 143 068 B1 ist
weiterhin bekannt, bei einem Papierherstellungsprozeß mit den
Schritten einer Scherung einer koagulierten Zellstoffsuspension
und Wiederkoagulation der geschwerten Suspension durch Zusatz einer
wässrigen
Sus pension aus einem mikropartikulären anionischen Material Stärke in Form
von diskreten partikulären
Teilchen in einer Stärkeaufschlemmung
zuzugeben. Die partikulären
Stärketeilchen
bestehen dabei entweder aus unbehandelter nativer unaufgeschlossener
Stärke, oder
aus vorgekochter und daher löslicher
Stärke, welche
in einem gesonderten Herstellungsprozeß aufwendig eine gesonderte
Umhüllung
erhalten muss, um die Stärketeilchen
vor einer signifikanten Auflösung
vor der Entwässerung
zu schützen.
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Weiterhin
ist aus
EP 1 103 565
B1 bekannt, in einem Papierherstellungsprozeß feinteilige
Stärke zu
verwenden, wobei die Stärke
in einem kompliziterten chemischen Verfahren abgebaut, hydrophob
modifiziert und anschließend
einem speziellen Vernetzungsprozeß unterworfen wird.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Einbringung von Stärke als
Masseadditiv einerseits und andererseits beim Aufbringen von Stärke im Sprühverfah ren
an die Hand zu geben, mit dem eine Erhöhung des Stärkegehalts im Papier zur Verbesserung
des Festigkeitsniveaus bei hohen Entwässerungsraten und gleichzeitiger
Entlastung der Wasserkreisläufe
erzielt wird.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein
Verfahren zur Einbringung von Stärke
als Masseadditiv bei der Herstellung von Papier, Pappe und Karton
dadurch gelöst,
dass mechanisch modifizierte Stärke
in Form von diskreten partikulären
Teilchen eingebracht wird.
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Die
entsprechend eingebrachten Partikel werden erst anschließend verkleistert
und getrocknet. Die in diskreten partikulären Teilchen eingebrachte Stärke wird
beim Einsatz in der Stoffsuspension durch Filtration im Faservlies
zurückgehalten. Durch
den Ersatz kationischer Stärken
durch die partikuläre
Stärke
gemäß der vorliegenden
Erfindung als festigkeitssteigerndes Additiv kann die Menge der eingebrachten
Stärke
wesentlich vergrößert werden. Beim
Einsatz kationischer Stärken
in der Stoffsuspension war die einzubringende Menge aufgrund von Umladungserscheinungen
auf eine Menge von maximal 2 Gewichtsprozent begrenzt. Bei der erfindungsgemäßen Verwendung
partikulärer
Stärken
ist keine Begrenzung bis zu einer Zusatzmenge von ca. 8 Gewichtsprozent
festgestellt worden.
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Aus
den sich an den Hauptanspruch anschließenden Unteransprüchen ergeben
sich bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung.
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Besonders
vorteilhaft kann die partikuläre
filtrativ im Faservlies gebunden sein.
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Die
Stärke
wird mechanisch modifiziert, wobei es von besonderem Vorteil ist,
wenn die mechanische Modifikation durch Mahlen der Stärke erfolgt. Durch
den Mahlprozess erfolgt eine Aktivierung der Stärke, so dass die Effizienz
gegenüber
nativer unbehandelter Stärke
als Zusatz zur Faserstoffsuspension wesentlich gesteigert wird.
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Vorteilhaft
kann die partikuläre
Stärke
als Sprühstärke aufgebracht
werden. Gemahlene Stärken
mit herabgesetztem Verkleisterungspunkt als Sprühstärke ange wendet, erlauben eine
effektivere Verkleisterung während
der Papierbahntrocknung.
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Bei
der Produktion mehrlagiger Erzeugnisse kann durch das Aufbringen
von Sprühstärken zwischen
den Lagen eine zu hohe starke Migration in die Einzellagen verhindert
werden, wodurch eine verbesserte Lagenhaftung ermöglicht wird.
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Die
partikuläre
Stärke
kann vorteilhaft durch Mahlung von Stärke in wässriger Suspension aufbereitet
werden, wobei hier zum Mahlprozess vorzugsweise Kugelmühlen verwendet
werden.
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Alternativ
kann die partikuläre
Stärke
durch Mahlung von Stärke
im wasserfreiem Medium aufbereitet werden.
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Der
Zusatz partikulärer
unverkleisterter Stärkeprodukte
anstelle von gelösten,
verkleisterten Massestärken
zur Steigerung der Trockenfestigkeit von Papier und Pappe bei gleichzeitiger
maximaler Entwässerungsleistung
hat auf der Grundlage der vorliegenden Erfindung deswegen Erfolg,
weil es gelingt:
- – agglomerationsfrei dispergierte
ausreichend kleine Teilchen mit
- – strukturierter
Oberfläche,
- – in
feinster Verteilung auf den Faser- und Füllstoffen
- – zu
retendieren und
- – während der
Trocknung zu verkleistern.
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Im
folgenden wird die Herstellung partikulärer Stärken zum Einsatz in der vorliegenden
Erfindung beispielhaft erläutert:
- 1. Native Kartoffelstärke in Wasser gemahlen:
Jeweils
30 g native Kartoffelstärke
wird zusammen mit 1 kg Keramikkugeln und 270 ml Leitungswasser während 30
min in einer Perlmühle
bei 6.600 min–1 für einen
Ansatz unter Kühlung
gemahlen. Durch die Mahlung wird die Stärke soweit modifiziert, dass
die kristalline Struktur des Stärkekorns
destabilisiert wird.
- 2. Kartoffelstärke
in Petrolether gemahlen:
Handelsübliche native Kartoffelstärke wird
bei Normaltemperatur im Vakuum zuerst mehrere Tage über Phosphorpentoxid
und anschließend über Calciumhydrid
getrocknet. Dieses Material zeigte nach der Trockengehaltsbestimmung
bei 130°C
einen Trockengehalt von 99,9%.
Je 30 g dieser speziell getrockneten
Kartoffelstärke
werden zusammen mit 1 kg Keramikkugeln (Kugeldurchmesser ca. 2 mm)
und 270 ml Petrolether (Kochpunkt. < 40°C,
vorher ebenfalls mit Calciumhydrid getrocknet) unter Kühlung (< 20°C) während 30
min. in einer Perlmühle
bei 6.600 min–1 pro
Ansatz gemahlen.
Das Mahlgut wird wie folgt gewonnen: Mahlkörper, Mahlgut
und Lösungsmittel
werden in ein Sieb entleert. Der Teil der gemahlenen Kartoffelstärke, der
mit dem abfließenden
Lösungsmittel
in die Vorlage gelangt, ist nach dem Verdunsten des Petrolethers
sofort verwendungsfähig.
Nach dem Verdunsten des Lösungsmittels
aus der Kugelschüttung
auf dem Sieb, wird die an den Kugeln lose haftende gemahlene Kartoffelstärke durch leichtes
Schütteln
des Siebes abgetrennt. Diese Art der Mahlung führt zu Kornbruchstücken mit scharfen
Bruchkanten.