1. Einleitung Zusammenfassung Faserumformung beim Kneten im "Hochtemperaturbereich"

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Faserumformung beim Kneten im "Hochtemperaturbereich"

W. Leonhardt

Dipl.-Chem. W. Leonhardt; PTS, Institut für Zellstoff und Papier, Heidenau

Zusammenfassung

Plastische Faserumformungen werden in vielen Prozessen während der Faserstoffaufbereitung und der Papiererzeugung beobachtet. Die Voraussetzung für derartige Faserformänderungen ist das Überschrei- ten der Erweichungstemperaturen von Faserstoffkomponenten und die Gegenwart umformender Kräfte.

Bekannt hierfür ist die Latenz ligninhaltiger Faserstoffe. Bei reinen Zellstoffen können mit der Latenz vergleichbare Erscheinungen in der Praxis nicht beobachtet werden. Die Wirkmechanismen bei der Trocknungskräuselung und der Heißzerfaserung sind mit denen der plastischen Faserumformung nicht identisch.

Faserumformprozesse im Hochtemperaturbereich prägen bestimmte Eigenschaften der Faserstoffe und der daraus hergestellten Papiere noch stärker als es durch die Latenz (reversible plastische Faser- krümmung) bekannt ist. Darunter zählen im Sinne der Papierherstellung und der Qualität vieler Produkt- gruppen positive Entwicklungen des spezifischen Volumens, der Porosität und der Entwässerbarkeit.

Festigkeits- und Gefügeeigenschaften werden dagegen verringert. Parallel zur Faserumformung wirkt stets auch eine Dispergierung auf die Eigenschaftsentwicklung der Faserstoffe. Diese wird durch beide Prozesse jedoch in gegensätzliche Richtungen beeinflusst. Deshalb kommt der Spezifik des Faserstoffs - insbesondere dem Grad der Dispergierung - bei der Beurteilung des Erfolges der Faserumformung eine besondere Bedeutung zu.

Es wurde anhand von Laborversuchen festgestellt, dass Fasern während der Knetdispergierung bei Temperaturen von über 140 °C Umformungen erfahren, die durch die übliche Latenzbeseitigung nicht rückgängig zu machen sind. Diese Temperatur kann somit als Beginn für eine Celluloseplastifizierung angesehen werden.

1. Einleitung

Je nach Verwendungszweck wird bei der Herstellung von Papier Wert auf die Entwicklung sehr spezifi- scher Eigenschaften gelegt. Die Beeinflussung der Qualitätsmerkmale erfolgt dabei durch die Variation des Faserstoffeinsatzes, der Verfahrensparameter und der Dosierung chemischer Additive. Immer wieder gibt es bei Produktions- oder Qualitätsproblemen Nachfragen, ob es nicht möglich ist, den vorhan- denen Faserstoff so zu modifizieren, dass auf Änderungen des Rohstoffeinsatzes verzichtet werden kann. In vielen Fällen wird dies durch bestimmte Produktionsschritte wie Dispergierung oder Mahlung erreicht. Festigkeits- und Oberflächeneigenschaften können dadurch beispielsweise bei Schreib- und Druckpapieren beeinflusst werden. Die Einzelfasern werden dabei fibrilliert, gequetscht, geknickt und gekürzt. Diese Faserumformungen sind irreversibel und schädigen die Faser.

Stehen jedoch Eigenschaften im Mittelpunkt des Interesses, die sich vom spezifischen Volumen oder der Porosität ableiten lassen, so kann deren Entwicklung durch Faserkrümmung erreicht werden. Damit das voluminösere Faserstoffgefüge stabil bleibt, sollten die Fasern "schonend" plastisch gekrümmt werden, möglichst ohne Knickungen und erst recht ohne Kürzungen. Prozesse wie Heißzerfaserung, fibrillierende Mahlung, Rillung, Kreppung und Knetdispergierung sind dazu geeignet und zeigen bei ligninhaltigen Faserstoffen Erfolge [1]. Die dabei erzeugte sogenannte "Latenz" ist selten zielgerichtet und wird meis- tens nicht genutzt. Ausnahmen sind das Kreppen (Rillen) von Papier und das Fluffen von Faserstoffen bei hoher Temperatur. Die Mechanismen für das Entstehen von Faserkrümmungen bei der Heißzerfase- rung sind neben der Wirkung von Strömungskräften auch auf Spannungsunterschiede bei der Trock- nung (Trocknungskräuselung) zurückzuführen. Nur bei der Heißzerfaserung und dann bei sehr hohen Temperaturen werden in der Praxis in einzelnen Fällen auch Faserkrümmungen bei Zellstoffen zielgerichtet erzeugt.

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Prinzipiell stellt sich die Frage, ob reine Zellstoffe - ähnlich wie bei der Latenz von Holzstoffen - plastisch umgeformt werden können und ob sich die daraus resultierenden Eigenschaften analog zur Latenz oder in anderer Weise entwickeln. Auch ist zu klären, ob die Gegenwart von Ligninen und Hemicellulosen in dem für eine Celluloseplastifizierung notwendigen hohen Temperaturbereich Auswirkungen auf die Ei- genschaftsentwicklungen haben.

Vom Phänomen "Latenz" (Faserkrümmung auf der Grundlage der Ligninplastifizierung, reversibel durch Rühren der Faserstoffsuspension bei Temperaturen ab etwa 60 °C) her ist bekannt, dass der Grad und die Art der Faserumformungen von den chemischen Bestandteilen und der Morphologie der Faser, der Spezifik der umformenden Kräfte (im Strömungsfeld oder durch Formelemente) und den jeweiligen Pro- zessbedingungen abhängen. Zu diesen Bedingungen gehören hauptsächlich der Feuchtegehalt des Faserstoffs bzw. des Papierblattes, die Temperatur, Chemikalieneinflüsse (pH-Wert) und die Größe und die Dauer der Krafteinwirkung (Scherkräfte, Pressdrücke). Ändert man also von geeigneten Maschinen oder Aggregaten die entsprechenden Prozessparameter, so können bestimmte Faserformen erzeugt bzw. beeinflusst werden. Diese waren immer an das Vorhandensein von Lignin gekoppelt.

Mehrere Arbeiten [2, 3, 4] weisen darauf hin, dass auch Cellulose plastifiziert werden kann, aber nicht wie Lignin oder Hemicellulose schon unter 100 °C, sondern erst bei Temperaturen über 200 °C. Auch die sehr starke Abhängigkeit der Plastifizierungstemperatur vom Wassergehalt im Fall von Lignin und Hemicellulose ist für Cellulose nicht zutreffend. Die Untersuchungen dazu wurden mit den isolierten Holzbestandteilen im quasi-stationären Zustand durchgeführt [2].

2. Methodik zur plastischen Faserumformung im "Hochtemperaturbereich"

Die Untersuchungen zu den Plastifizierungstemperaturen der Faserstoffkomponenten und möglichen Faserumformungen wurden mit einer Horizontalknetmaschine durchgeführt, die speziell für sehr hohe Temperaturen und Überdruck konzipiert wurde. Die glatten Oberflächen der Knetschaufeln und des Knettroges sind dabei Voraussetzung für eine schonende Faserbehandlung zur Erzeugung möglicher Faserkrümmungen. Die Knetmaschine ist im Drehzahlbereich (4 - 40 min^-1) und in der Temperaturwahl (0 - 280 °C) stufenlos einstellbar. Der Druck in der Knetkammer kann maximal 16 bar betragen. Diese Knetmaschine besitzt eine Drehmomentmessung, welche Energieberechnungen ermöglicht. Dies spielt für die Beurteilung der erzielten Faserumformung eine wichtige Rolle. In der Abb. 1 ist ein Beispiel für den Versuchsablauf und die Registrierung des Drehmoments dargestellt. Der spezifische Energieeintrag lässt sich aus der registrierten Ausgangsspannung (Interpolation über die Versuchsdauer) abzüglich der Leerlaufleistung berechnen.

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0

0 10 20 30 40 50 60 70 80

Zeit (min)

Spannung (V)

0-Linie (ohne Faserstoff)

Füllen

10 min Intervall

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Abb. 1: Kneten von Kraftliner bei 170 °C (Thermostattemperatur) mit Drehrichtungswechsel Problematisch ist die Angabe der tatsächlich wirksamen Temperatur. Die Temperatureinstellung und die Temperaturmessung erfolgt in einem Öl-Thermostaten. Zum Kneter wurden 10 Grad Temperaturabfall festgestellt. Hinzu kommt eine lange Aufwärmzeit des Knetgutes und eine nicht exakt bekannte Kontakt- temperatur im Spalt zwischen Trogwandung und Knetschaufel. Bei einer Temperaturanzeige von 200 °C dürfte die Temperatur im Knetraum bei etwa 160 °C liegen. Die Kontakttemperatur Faser - Trogwandung liegt hier zwischen 160 und 190 °C.

Dass diese Knetbehandlung tatsächlich kaum Faserschädigungen zur Folge hat, wird aus Abb. 2 er- sichtlich. Nachweislich konnten hier bei Holzstoffen anhand verschiedenster Prüfparameter Faserform- änderungen festgestellt werden, die ausschließlich auf Latenz zurückgeführt werden können. Anschlie- ßende Latenzbeseitigungen der gekneteten Faserstoffe stellten die Prüfwerte der Ausgangsstoffe (ohne Latenz) wieder ein. Der geringfügig höhere Wert nach der 2. Latenzbeseitigung ist der zur Faserkrüm- mung parallel stattfindenden Dispergierung zuzuschreiben.

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500

unbehandelt Lat. beseit. Kneten Lat. beseit.

Faserstoffbehandlung

Reißlänge (m)

0 10 20 30 40 50 60 70

SR-Wert

Reißlänge (m)

Entwässerungswert (°SR)

Abb. 2: Knetdispergieren von Fichten-TMP bei 100 °C (Thermostattemperatur)

Solche Prüfwerte wie Reißlänge oder SR-Wert können natürlich nicht eindeutig nachweisen, dass hier neben der Faserkrümmung keine anderen Prozesse maßgeblich wirksam werden. Erst die Bildanalyse oder in erster Näherung die Faserlängenmessung gibt darüber Auskunft. Im Beispiel (Abb. 2) wurde eine "scheinbare" nach Länge gewichtete mittlere Faserlänge nach KAJAANI (Messgerät FS 200) nach der Latenzbeseitigung des Refinerstoffs von 1,33 mm, nach dem Kneten von 1,10 mm und nach der wiederholten Latenzbeseitigung von 1,28 mm gemessen. Diese Werte bezeichnen den Abstand beider Faserenden im Strömungsfeld einer Kapillare und geben deshalb die exakte Änderung der Faserkrüm- mung und auch die wahre Faserlänge nicht wieder. Für Vergleichszwecke sind dies jedoch brauchbare und zuverlässige Angaben.

3. Nachweis für Faserumformungen im Hochtemperaturbereich

Im Rahmen der Untersuchungen zur Faserumformung im "Hochtemperaturbereich" wurden mehrere unterschiedliche Faserstoffe betrachtet (Tab. 1).

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Faserstoff Asche 575°C (%) Lignin (%)

Fichten-TMP 0,5 28

Fichten-CTMP 0,6 27

gemischtes Altpapier B12 12,9 18,9

Wellpappe W52 10,0 13,8

Testliner 15,2 1,25

Kraftliner 1,0 0,21

gebl. Fichten-Sulfitzellstoff 0,2 0,15

Tab. 1: Faserstoffauswahl für die Untersuchungen im Hochtemperaturbereich

Dieses Sortiment mit unterschiedlichen Lignin- und Aschegehalten wurde unter verschiedenen Bedin- gungen (Temperatur, Druck, Stoffdichte, Behandlungsdauer, Drehzahl) getestet und sollte somit einen guten Überblick zu möglichen Faserumformungen und daraus resultierenden Eigenschaftsentwicklun- gen geben. Da bei ligninhaltigen Faserstoffen Faserumformungen schon bei geringen Temperaturen erzeugt werden können (Latenz) und mögliche Faserumformungen im Hochtemperaturbereich deshalb überlagert würden, eignen sich für grundlegende Untersuchungen ligninfreie Faserstoffe (Zellstoffe) besser.

Die mikroskopischen Abbildungen 3 bis 6 geben darüber Auskunft, ob bei sehr hohen Temperaturen Zellstofffasern tatsächlich ähnlich der Latenz umgeformt werden können. Die Abb. 3 zeigt einen Kraftli- ner (Sulfatzellstoff), der lediglich bei Zimmertemperatur geknetet wurde, um bei der Beurteilung einer möglichen Faserkrümmung bei höheren Temperaturen den Einfluss der Dispergierung weitestgehend zu eliminieren. Die mikroskopische Aufnahme vermittelt ein Bild, welches hinsichtlich der Faserform mit unbehandeltem Kraftliner oder mit Latenz beseitigtem Holzstoff vergleichbar ist. Das Kneten hat sich auf die Faserkrümmung nicht ausgewirkt. Auch bei Knettemperaturen um die 100 °C konnten keine diesbe- züglichen Formänderungen der Fasern festgestellt werden. Sehr deutliche Auswirkungen des Knetens werden dagegen in Abb. 4 und noch verstärkt in Abb. 5 sichtbar. Diese Faserkrümmungen übertreffen an Intensität noch die stärksten Latenzerscheinungen bei der Refiner-Holzstoffherstellung. Die "scheinbare" Faserlänge und - noch eindrucksvoller - die Zugfestigkeit sind dafür Ausdruck. Dass diese Fa- serumformung sehr stabil ist, belegt die Abb. 6. Die Zellstofffaser behält selbst unter den extremen Be- dingungen einer Latenzbeseitigung (hier 20 min Behandlung im Desintegrator bei einer Drehzahl von 3000 min^-1, 2 % Stoffdichte und einer Temperatur von 95 °C) ihre neue Form. Die geringfügige Erhöhung der Reißlänge muss der dispergierenden Wirkung zugeschrieben werden. Damit wurde der Beweis er- bracht, dass durch die Plastifizierung der Zellstofffaser in Gegenwart bestimmter Scherkräfte der Latenz ähnliche Faserumformungen erzeugt werden können.

Abb. 3: Kraftliner, geknetet bei 25 °C (Reißlänge 3000 m, mittl. Faserlänge LAV 1,44 mm)

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Abb. 6: Kraftliner, geknetet bei 250 °C und "Latenz beseitigt" (Reißlänge 1100 m, mittl. Faserlän- ge LAV 1,18 mm)

Es wurde festgestellt, dass Temperaturen zwischen 140 und 150 °C für eine Zellstofffaser notwen- dig sind, um Krümmungen als Folge einer beginnenden Celluloseplastifizierung erzeugen zu können. Diese Temperaturangabe wurde aus der Thermostattemperatur unter Berücksichtigung der technologischen Gegebenheiten abgeleitet. Alle weiteren nicht gesondert ausgewiesenen Tempera- turangaben beziehen sich auf die Thermostatanzeige.

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Im geschlossenen System genügt für diese Faserumformung ein relativ kurzzeitiger Kontakt der vorge- wärmten Faser mit entsprechend erhitzten Maschinenteilen. Am Thermostat wurde eine Temperatur von mindestens 170 °C (Behandlungszeit 30 min) eingestellt. Im offenen System, wo die Temperatur im Fa- serstoff maximal 100 °C beträgt, sind für entsprechende Faserumformungen "wirksame Kontakttempera- turen" um 150 °C (190 °C Thermostattemperatur) erforderlich.

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4

Faserlänge Klasse (mm) Faserlängenverteilung gewichtet (%)

geknetet bei 25 °C geknetet bei 230 °C geknetet bei 250 °C

geknetet bei 25 °C geknetet bei 230°C geknetet bei 250°C arithmetische Verteilung 0,41 mm 0,39 mm 0,21 mm nach Länge gewichtete Verteilung 1,39 mm 1,10 mm 0,60 mm nach Volumen gewichtete Verteilung 2,27 mm 1,81 mm 1,13 mm Abb. 7: Einfluss der Knetdispergierung von Sulfitzellstoff (0,15 % Lignin) im Hochtemperaturbe-

reich auf die nach Länge gewichtete “scheinbare” Faserlänge (KAJAANI)

Höhere als die hier angegebenen Temperaturen bewirken stärkere Faserkrümmungen bzw. erfordern geringere Behandlungszeiten. In der Abb. 7 wird dafür anhand der "scheinbaren" mittleren Faserlänge und der Faserlängenverteilung ein Beispiel demonstriert. Sehr deutlich ist die Verschiebung der Vertei- lungskurve in Richtung kürzere Fasern infolge der Faserkrümmung. In extremer Weise gestaltet sich die

"Faserlängenänderung" bei der eingestellten Thermostattemperatur von 250 °C. Bei dieser Temperatur beginnt die chemische Umwandlung der Faserstoffbestandteile. Als Hinweis dafür wurden stark reduzierte Weißgrade bei Holzstoffen und Zellstoffen festgestellt.

4. Entwicklung von Faserstoffeigenschaften infolge der Faserumformung im Hochtem- peraturbereich

Nach der Feststellung, dass auch von Lignin freie Faserstoffe ähnlich der Latenz, nur bei höheren Tem- peraturen, umgeformt werden können, waren die Fragen nach den Eigenschaftsänderungen und nach der Rolle des Lignins bei Faserumformungen im Hochtemperaturbereich zu beantworten.

Die Abbildungen 8 bis 10 zeigen bei Faserstoffen mit unterschiedlichen Lignin- und Aschegehalten an den Kenngrößen Dichte und Zugfestigkeit die Auswirkungen der Faserkrümmung im Hochtemperaturbe- reich. Die vom Papiermacher in den meisten Fällen gewünschte Entwicklung beider Eigenschaften (hohe statische Festigkeit und geringe Dichte) verläuft durch diesen Knetprozess gegenläufig (vgl. dazu [5, 6]).

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0,3 0,32 0,34 0,36 0,38 0,4 0,42 0,44 0,46 0,48 0,5

TMP25 TMP110 TMP

110L TMP190

TMP 190L

CTMP25 CTM

P110 CTM

P110L CTMP

190 CTM

P190L CTMP250

CTMP250L

Faserstoff, Temperatur (°C), Latenz beseitigt L

Dichte (g/cm³)

0 1000 2000 3000 4000

Reißlänge (m)

Dichte Reißlänge

Abb. 8: Knetdispergierung im Hochtemperaturbereich von Holzstoffen (Thermostattemperatu- ren)

Bei den Holzstoffen TMP und CTMP (Abb. 8) sind beim Kneten im unteren Temperaturbereich deutliche Unterschiede zu erkennen. Bei 110 °C Knettemperatur (Thermostattemperatur) werden beim TMP ge- genüber dem Ausgangswert höhere Prüfwerte erreicht. Diese Erscheinung muss der Dispergierung zugeschrieben werden. Am Wert für die Latenzbeseitigung erkennt man aber, dass die Dispergierung in diesem Temperaturbereich nicht allein, sondern auch Latenz wirksam ist. Bei einer Temperatur von 190 °C sind schon irreversible Faserkrümmungen nachweisbar.

Die Fasern des CTMP (Mahlgrad 30 °SR, chemische Behandlung) sind gegenüber dem TMP (18 °SR) ursprünglich besser fibrilliert und dispergiert. Eine Dispergierung wirkt sich deshalb nicht mehr so stark aus. Es dominiert beim CTMP die Faserkrümmung. Die weitere leichte Reduzierung der Reißlänge bis zu einer Temperatur von 190 °C ist auf eine Verstärkung der Latenz zurückzuführen. Die Latenzbeseiti- gung kommt hier noch voll zum Tragen. Erst bei 250 °C ist eine durch die Celluloseplastifizierung be- dingte, irreversible Faserkrümmung zu erkennen. Durch die Latenzbeseitigung werden die Ausgangs- werte nicht mehr völlig erreicht.

0,4 0,45 0,5 0,55 0,6 0,65 0,7

Si25 Si110

Si110L Si1 90

Si190L Si250

Kl25 Kl110 Kl11

0L Kl190

Kl190L Kl2 50

Kl250L

Dichte (g/cm³)

0 1000 2000 3000 4000

Reißlänge (m)

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Abb. 9: Knetdispergierung im Hochtemperaturbereich von Zellstoffen (Thermostattemperatur) Ligninfreie Zellstoffe (Abb. 9) werden durch faserschonendes Kneten in einem Temperaturbereich bis etwa 130 °C nicht plastisch umgeformt. Sie erfahren durch den Dispergierprozess zumeist lediglich ge- ringfügige Schwankungen bei den Prüfwerten. Ab etwa 150 °C (Thermostattemperatur 190 °C) sind bei diesen Zellstoffen bereits nicht reversible Faserumformungen erkennbar - Reißlänge und Dichte nehmen deutlich und dauerhaft ab. Auf Grund eindeutiger Parallelen zu Latenzerscheinungen können bei Tem- peraturen unter 200 °C Auswirkungen einer beginnenden thermischen Zersetzung (Pyrolyse, Abbau Polymerisationsgrad) auf Faserstoffeigenschaften ausgeschlossen werden.

Die Änderungen der Eigenschaften beim Kneten werden durch Dispergierung und durch Faserumfor- mungen getragen. Letztere lassen sich im Fall der Holzstoffe auf die Plastifizierung von Lignin und He- micellulosen und im Hochtemperaturbereich zusätzlich auf die Erweichung der Cellulose und im Fall der Zellstoffe nur auf die Erweichung der Cellulose zurückführen.

0,3 0,35 0,4 0,45 0,5 0,55 0,6

W25 W100

W100L W20 0

W200L Tl25 Tl110

Tl110L Tl190

Tl190L AP25 AP80

AP190

Dichte (g/cm³)

0 1000 2000 3000 4000 5000

Reißlänge (m)

Abb. 10: Knetdispergierung im Hochtemperaturbereich von Altpapierstoffen (Thermostattempera- tur)

Erwartungsgemäß sind die Auswirkungen der Faserumformungen bei den untersuchten Altpapiersorten zwischen den Holz- und Zellstoffen einzuordnen (Abb. 10). Bei Altpapieren spielen neben dem Lignin- gehalt, der spezifischen Aufbereitung und der Anzahl von Recyclingstufen auch der Gehalt an Hilfsstof- fen eine Rolle. Der Testliner mit dem höchsten Zellstoffanteil zeigt relativ geringe Eigenschaftsänderun- gen nach dem Kneten - er verhält sich also wie ein bereits gut dispergierter "Zellstoff", vergleichbar mit dem Kraftliner. Bei 110 °C ist etwas Latenz und bei 190 °C zusätzlich irreversible Faserkrümmung erkennbar. Bei der Wellpappe und dem gemischten Altpapier handelt es sich ebenfalls um gut dispergierte Faserstoffe mit relativ hohem Ligningehalt. Die Dispergierung dürfte sich demnach kaum auswirken, wohl aber die Faserkrümmung. Beide Faserstoffe zeigen nach dem Kneten bei 80 °C bzw. 100 °C deutliche Latenz und bei 190 °C zusätzlich irreversible Faserumformungen, nachgewiesen bei Wellpappe durch die Werte nach der Latenzbeseitigung (W200L). Bei holzstoffhaltigen Altpapieren kann schon ein faserschonendes Kneten bei Temperaturen unter 100 °C für eine begrenzte Erhöhung des spezifischen Volumens Anwendung finden.

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0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

unbeh andelt

25/30 110/

30

190/

30

D170/

50

D210/5 0

D250/

50

Kneten unter Druck (D) bei Temperatur (°C)

SR-Wert, Saughöhe

0 50 100 150 200 250 300 350 400

Spaltarbeit

Saughöhe (mm) SR-Wert (°SR)

Spaltarbeit Scott-Bond (J/m²)

Abb. 11: Einfluss von Temperatur und Druck beim Kneten auf die Eigenschaftsentwicklung von Kraftliner

Anhand der Entwicklungen von Faserlänge, Dichte und Zugfestigkeit wird der Temperatureinfluss beim Kneten im Hochtemperaturbereich schon sehr deutlich. Aber nicht alle interessierenden Eigenschaften lassen sich von diesen Daten sicher ableiten. Die Entwässerungsfähigkeit wird hauptsächlich von der Porosität (Luftdurchlässigkeit) des Fasergefüges bestimmt und zeigt deshalb Analogien zur Dichte. Mit zunehmender Faserkrümmung verringert sich der SR-Wert, und die Luftdurchlässigkeit nimmt immer sehr stark zu. Nicht so eindeutig liegen die Verhältnisse bei der Saugfähigkeit, deren entscheidende Größe die Kapillarwirkung ist und die deshalb nicht allein vom Porenvolumen abhängt.

Zu weiteren Eigenschaften, deren Entwicklungen durch die Faserumformung nicht ohne weiteres vor- hersehbar sind, zählen die Dehnung, die Biegesteifigkeit und die Spaltfestigkeit. Die Dehnung wird nicht nur von der Faserlänge und den Zwischenfaserbindungen beeinflusst, sondern auch von der Faserkräu- selung. So kann das Aufbringen von Latenz bei abnehmender Zugfestigkeit unveränderte oder sogar verbesserte Dehnungswerte zur Folge haben. Die Spaltfestigkeit zeigt vergleichbare Abhängigkeiten.

Die Steifigkeit wird dagegen vom Elastizitätsmodul und überwiegend vom spezifischen Volumen bestimmt. Es wird deutlich, dass sich beim Kneten die Einflussgrößen dieser Kennwerte gegensätzlich entwickeln können und deshalb pauschale Aussagen zu bestimmten Faserstoffen oder zu bestimmten Versuchsbedingungen nicht möglich sind.

Am Beispiel des Kraftliners (Abb. 11), wo beim Kneten die Dispergierung eine untergeordnete Rolle spielt, soll die Temperatur abhängige Entwicklung einiger dieser Eigenschaften demonstriert werden.

Der Entwässerungswert nimmt durch das Kneten bis zum "Schwellwert" D170/50 ab und bleibt dann konstant. Diese Entwicklung stimmt mit der Faserlänge überein. Die Saughöhe nimmt bei diesem bereits gut dispergierten Faserstoff durch das Kneten bis zur Thermostattemperatur von 170 °C (Überdruck) zu und verändert sich danach kaum. Bei der Spaltarbeit sind die Verhältnisse dagegen umgekehrt, bis zu D170/50 nimmt sie ab und pegelt sich dann auf einen bestimmten Wert ein. Der positive Einfluss der Faserkrümmung auf die Spaltfestigkeit wird durch das voluminösere Faserstoffgefüge wieder aufgeho- ben. Der Dehnungswert (hier nicht dargestellt) wird beim Kneten im Hochtemperaturbereich im Fall von Kraftliner etwas verringert (1,4 auf 1,1 % bei 210 °C), beim Sulfitzellstoff jedoch in extremer Weise ver- bessert (1,0 auf 4,2 % bei 210 °C). Hier wird in besonderer Weise die starke Abhängigkeit spezieller Eigenschaften von der Spezifik des Faserstoffs deutlich.

Ob die Änderungen der Faserstoffeigenschaften dabei ausschließlich auf Faserkrümmung und Disper- gierung oder auch auf schon beginnende thermische Zersetzung der Faserstoffbestandteile zurückzu- führen sind, wurde nicht untersucht. Die folgende Tabelle 2 soll die beim Kneten im Hochtemperaturbe- reich maximal möglichen Eigenschaftsänderungen zahlenmäßig belegen. Diese Angaben berücksichti- gen weder konkrete Verfahrensparameter noch die Faserstoffspezifik.

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Prüfwert

unbehandelt kneten 250°C unbehandelt kneten 190°C unbehandelt kneten 250°C

Dichte (g/cm³) 0,45 0,33 0,57 0,42 0,63 0,43

SR-Wert (°SR) 34 16 64 47 26 13

Saughöhe (mm) 55 90 27 53 26 77

Luftdurchl. (ml/min) 1580 >5000 560 4230 1150 >5000

Reißlänge (m) 2800 1000 3300 1450 2800 1000

D(E) rel. (mN) 1250 370 900 800 1760 520

CTMP (27 % Lignin) Testliner (14% Lignin) Kraftliner (0,2 % Lignin)

Tab. 2: Maximale Eigenschaftsänderungen beim Kneten im Hochtemperaturbereich

5. Faserumformung als Prozess bei der Papierherstellung - Erfolgsaussichten

Die Entscheidung über die Einführung neuer Verfahren oder auch nur Verfahrensparameter in die indus- trielle Praxis hängt in erster Linie von den ökonomischen Aspekten ab – also von den Investitions- und noch mehr von den Betriebskosten. Beim Knetdispergieren im Hochtemperaturbereich resultieren diese in erster Linie aus den Kosten für die Behandlungsmaschinen selbst und deren Bedarf an Energie. Im Diagramm Abb. 12 sind die für die Behandlung von zwei sehr verschiedenen Faserstoffen erforderlichen spezifischen Energien in Abhängigkeit von der Temperatur, der Stoffdichte und der Verweilzeit dargestellt. Bei den Angaben ohne spezielle Bezeichnung betrug die Stoffdichte 30 % und die Behandlungs- dauer 30 min. Nicht berücksichtigt wurden die Energiebeträge für das Aufheizen. Diese sind anhand der Laboruntersuchungen nicht abschätzbar. Diesbezüglichen Aussagen müssten genauere Vorstellungen über eine praxisrelevante Maschinenkonstruktion zu Grunde liegen.

0 20 40 60 80 100 120

CTMP 25

CTM P110

CTMP 190 CTMP

190 CTM

P 190 CTMPD 230

CTMPD 230 CTMPD 25

0

Kl 25 Kl 110

Kl 190 Kl 190

Kl 190 KlD 210

KlD 250 KlD 250

KlD 250

Faserstoff, System geschlossen D, Temperatur (°C)

Energie (kWh/t)

10m in

10min 10min

20%

Abb. 12: Spezifische Energie beim Kneten in Abhängigkeit von Faserstoff, Temperatur, Stoffdich- te und Behandlungsdauer

Bei einem nahezu ligninfreien Faserstoff, bei dem die Dispergierung nicht im Vordergrund steht (hier Kraftliner, Sulfatzellstoff), wird der Energiebedarf beim Kneten erst durch die Plastifizierung der Cellulose herabgesetzt. Beim CTMP überlagern sich beim Kneten im Temperaturbereich zwischen 25 °C und 190 °C (drucklos) Dispergierung und Latenz. Eine signifikante Entwicklung des Energiebedarfs in diesem Temperaturbereich ist nicht zu erkennen. Die steifere Holzstofffaser ist dafür hauptverantwortlich.

Erst bei einer Temperatur von 250 °C im geschlossenen System wird die Holzstofffaser merklich elasti- scher.

Die spezifische Energie wird darüber hinaus durch die Behandlungsdauer (anfangs höhere Werte, vgl.

Abb. 1) und durch die Stoffdichte bestimmt. Letztere wirkt unterschiedlich in Abhängigkeit des Faser-

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stoffs und der Fahrweise (offenes oder geschlossenes System). Hinsichtlich eines notwendigen spezifischen Energieeintrages für eine Faserumformung kann zusammenfassend festgestellt werden, dass dieser im Hochtemperaturbereich generell niedrig ist und bei Zellstoffen gegenüber Holzstoffen mit stei- gender Knettemperatur abnimmt.

Im Falle einer Anwendung des Verfahrens stellt somit die energetische Situation sicher kein Problem dar. Schwierigkeiten technischer Art könnte die Auslegung von Maschinen zur Erzeugung von Faserum- formungen unter Überdruck verursachen. Andererseits wurde nachgewiesen, dass dies nicht unbedingt notwendig ist. Die Nutzung bereits vorhandener Aggregate und Maschinen bzw. ein vertretbarer Umbau stellt somit eine Alternative dar.

Für bestimmte Produktpaletten besteht in der Industrie prinzipielles Interesse an der plastischen Fa- serumformung. Bei mehreren Spezialpapierprodukten wie Imprägnierpapieren, Hygienepapieren oder Filterpapieren würde man bei Erhöhung des spezifischen Volumens, einer besseren Imprägnier- und Saugfähigkeit oder einer hohen Luftdurchlässigkeit auch eine gewisse Einbuße an Festigkeitswerten in Kauf nehmen. Andererseits ist die Reduzierung beispielsweise der Reißlänge bei der angestrebten Vo- lumensteigerung häufig so extrem, dass keine Akzeptanz besteht. Hinzu kommt, dass bei bestimmten Papiersortimenten, wie Verpackungspapieren, gleichzeitig die Forderung nach besserer Steifigkeit oder höheren Stauchwiderständen steht. Wie nachgewiesen wurde, ist eine solche Entwicklung bei Altpapier- stoffen nicht möglich. In weiteren Bereichen der Papierindustrie, wie bei Schreib- und Druckpapieren, können durch Dispergierung und einer gewissen Latenzerzeugung Oberflächeneigenschaften der Papie- re, Bedruckbarkeit, Dimensionsstabilität und bestimmte Festigkeitseigenschaften positiv beeinflusst werden. Es wird deutlich, dass über die spezielle Anwendung einer plastischen Faserumformung unter Be- rücksichtigung der Reduzierung von Festigkeitseigenschaften und der ökonomischen Vertretbarkeit in jedem Einzelfall entschieden werden muss.

Danksagung

Die vorliegenden Ergebnisse wurden im Rahmen des Forschungsvorhabens AiF 12 113 B gewonnen, das durch die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen e. V. (AiF), Köln, mit finanziel- len Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie (BMWi), Bonn, gefördert wurde. Für die Unterstützung sei an dieser Stelle gedankt.

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