4.3.1 Vorversuche Verwendete
Dispergiermittel Als Dispergiermittel wurden sowohl für die in der Papierindustrie typische Dispergiermittel, als auch Chemikalien aus anderen Bereichen verwendet:
• Na-Polyacrylat in wässriger Lösung (POL)
• Polycarboxylat in wässriger Lösung (COA)
• Lösung eines modifizierten Harnstoffes (BK)
• Lösung eines Polyvinylpyrrolidon (PVP)
• modifiziertes Na-Citrat (CIT)
• Polyvinylalkohol (PVO)
• Carboxymethylcellulose (FIN)
• synthetischer Polyelektrolyt (DOL)
Verwendete
Dispergiergeräte Für die Dispergierungen wurden insgesamt drei verschiedene Dispergiergeräte eingesetzt:
• Highspeed Disc Disperser (HSD),
• Ultraturrax und eine
• Kugelmühle.
Sie wurden wegen ihrer unterschiedlichen Scherspannung ausgewählt, wobei der HSD die niedrigste und die Kugelmühle die höchste Scherspannung er-zeugten. Obwohl der HSD keine guten Erfolgsaussichten besaß, wurde er den-noch mit einbezogen, da er das typische Dispergiergerät in der Papierindustrie darstellt.
Fazit der
Vorversuche Anhand der Vorversuche konnten insgesamt folgende Ergebnisse erzielt wer-den:
• Die BHF-Partikel (P0-2) wurden von den Streichpigmenten (CaCO3) partiell umgeben, wobei kleinere Agglomerate immer noch vorhanden waren.
• Die in den Streichfarben eingesetzten Standard-Dispergiermittel wiesen in den ersten Vorversuchen hinsichtlich der Dispergierung des BHF-Pulvers keine signifikanten Unterschiede auf.
• Einsatz des Labordispergers und des Ultraturrax führten zu keiner
• Die Vorversuche mit der Kugelmühle zeigten die besten Ergebnisse be-züglich Deagglomeration der BHF-Partikel.
• Im gemischten Streichfarbensystem war eine Unterscheidung der Parti-kel im Rahmen der Zetapotentialmessungen nicht möglich. Zudem wa-ren die Dispersionen zu dickflüssig und opak. Ein Verdünnen der Dis-persion führte zu einem sofortigen Absinken der BHF- Partikel.
• Die Bewertung der Dispergier-Qualität über die Bestimmung der Teil-chengrößenverteilung der dispergierten BHF-Partikel unter Einsatz ei-nes MasterSizers war ebenfalls nicht zielführend. Bei dieser Untersu-chungsmethode muss die zu prüfende Probe (hier: Dispersion aus BHF-Partikeln und Dispergiermittel) mit destilliertem Wasser verdünnt werden, wodurch eine sofortige Reagglomeration der BHF-Partikel stattfand.
• REM-Aufnahmen waren im System BHF/Streichpigment nicht zielfüh-rend, da eine Unterscheidung zwischen den Streichpigmenten und BHF-Partikeln nicht möglich war.
Daraus wurden folgende Schlussfolgerungen abgeleitet:
• Da mit den Streichpigmenten immer noch Agglomerate vorhanden wa-ren, wurde das BHF-Pulver bei den weiteren Streichversuchen ohne Streichpigment-Zusatz dispergiert. Damit sollte auch die Analyse der Dispergier-Qualität mittels REM-Aufnahmen ermöglicht werden.
• Bei den weiterführenden Dispergierversuchen wurden ausschließlich die Kugelmühle und später die Rührwerkskugelmühle verwendet.
• Zusätzliche Dispergiermittel sollten ausgewählt werden, um die Disper-gierung weiter zu optimieren.
4.3.2 Dispergierversuche mit der Kugelmühle
Allgemein In den Vorversuchen hat sich gezeigt, dass mit der Kugelmühle zum Dispergie-ren von BHF-Partikeln (P0-2) die besten Ergebnisse erzielt wurden, weshalb sie für die weiteren Versuche genutzt wurde.
Alle Dispergierversuche wurden ohne Zusatz von Streichpigmenten durchge-führt. Die Mahlkörper für die Kugelmühle waren aus ZrO2 und hatten einen Durchmesser von 1,4 mm. Die Dispersionen wurden jeweils für 15 min disper-giert.
Fazit Anhand der erzielten Ergebnisse konnte folgende Erkenntnisse gewonnen wer-den:
• Die ionischen Dispergiermittel führten zu einer nicht ausreichenden Dispersionsstabilität, die anhand der geeigneten Untersuchungsmetho-den „Zeitabhängiges Sedimentationsverhalten“ und „Relatives Sedi-mentvolumen“ eindeutig analysiert werden konnte.
• Die Schutzkolloide, die kationischen Polymere und die Kieselsäure führ-ten zu guführ-ten Dispersionsstabilitäführ-ten. Die langkettige Stärke mit mittlerer Kationisierung zeigte die beste Dispersionsstabilität.
• Anhand der Viskositätsmethoden konnte festgestellt werden, dass im Hochscherbereich (>10000 1/s) sich die Viskositätswerte aller unter-suchten Dispersionen im Bereich von 3 – 60 mPas bewegten. Damit besaßen alle Dispersionen in diesem Bereich eine Viskosität <100 mPas und können somit als Streichfarben problemlos verarbeitet wer-den. Im mittleren Scherbereich (100 – 10000 1/s) zeigten alle Dispersi-onen ein stark abfallendes Viskositätsniveau bis <100 mPas. Damit liegt kein außergewöhnliches Viskositätsverhalten vor, das bei einer Verar-beitung als Streichfarbe Probleme verursachen könnte. Im niedrigen Scherbereich (<100 1/s) sind keine ausgeprägten Fließgrenzen zu beo-bachten. Es ist ein gradueller Abstieg der Viskosität festzustellen. Ins-gesamt waren somit alle untersuchten Dispersionen hinsichtlich ihres Viskositätsverhaltens und damit ihrer Verarbeitbarkeit im Streichprozess als unproblematisch einzustufen.
• REM-Aufnahmen haben sich als eine sehr effiziente und aussagekräfti-ge Analysemethode zur Bewertung der BHF-Partikel-Vereinzelung er-wiesen.
Für die nächste Optimierungsreihe wurden aufgrund der bisher erzielten Ergeb-nisse vier Dispergiermittel auserwählt:
• carboxylierter Polyvinylalkohol (PVA)
• Polycarboxylat in wässriger Lösung (COA)
• langkettige Stärke, mittlerer Kationisierung (ST1)
• Kieselsäure (AE)
• Mischung Schutzkolloid mit anionischem Dispergiermittel.
4.3.3 Weiter führende Dispergierversuche mit der Kugelmühle
Einleitung Folgende weiterführende Strategien wurden aufgestellt, um die Dispergierquali-tät zu verbessern:
• Erhöhung des Anteils des Dispergiermittels PVA von 2 auf 10 Teile (Musterbezeichnung: PVA1 und PVA1.2).
• Einsatz von PVA und COA in Kombination (Musterbezeichnung: Kombi1)
• Einsatz von AE und COA in Kombination (Musterbezeichnung: Kombi2)
• Einsatz von ST1 (langkettige Stärke mit mittlerer Kationisierung) in un-terschiedlichen Anteilen und Feststoffgehalten
(Musterbezeichnung: ST1 5%ig / 50 Teile
ST1.2 5%ig / 2 Teile
ST1.3 5%ig / 10 Teile
ST1.4 10%ig / 10 Teile
ST1.5 10%ig / 25 Teile)
Für die Kombinationsversuche gab es zwei Angriffspunkte:
• Kombi 1: Kombination eines Schutzkolloids mit einem anionischen Disper-giermittel im Verhältnis 1:1. Die Dispersion wurde mit 1 Teil PVA und 1 Teil COA hergestellt, wobei das BHF-Pulver zuerst mit PVA dispergiert wurde und nach 10 min COA hinzu gegeben wird.
• Kombi 2: Kombination Kieselsäure (AE) mit einem anionischem Disper-giermittel. Das BHF-Pulver wurde in AE dispergiert. Nach 10 min wurde COA dazugegeben.
Die Idee dazu war, dass nachdem sich die Kieselsäure bzw. das Schutzkolloid an die BHF-Oberfläche angelagert hatte, das anionische Dispergiermittel helfen sollte, die Dispergierung noch besser zu stabilisieren.
Fazit Anhand der dargestellten Ergebnisse sind folgende Schlussfolgerungen zuläs-sig:
• Anhand der REM-Aufnahmen konnte aufgezeigt werden, dass die langket-tige Stärke mit mittlerer Kationisierung die besten Resultate hinsichtlich der Dispergierung des BHF-Pulvers (P0-2) lieferte.
• Diese Systeme haben auch eine signifikante Änderung der Steigung der Viskositätskurven gezeigt. Dies weist auf eine verringerte Partikel-Partikel-Wechselwirkung hin.
• Die beste Dispergierqualität wurde mit der 10%-igen kationischen Stärke mit 25 Teilen erzielt.
Aus verarbeitungstechnischen Gründen wurde jedoch die Einsatzmenge der kationischen Stärke für die Herstellung von Papiermustern für die ersten Feld-versuche auf 15 Teile reduziert.