Optimierung der First Pass Retention bei Erhaltung der guter Blattformation F. Brüning

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Optimierung der First Pass Retention bei Erhaltung der guter Blattformation

F. Brüning

Zusammenfassung

Beim Einsatz von Leimungsmitteln, insbesondere bei den synthetischen Hydrophobierungs- mittel AKD (Alkyl-Keten-Dimer) und ASA (Alkenyl Succinic Anhydride) wird eine möglichst weitgehende First-pass-Retention angestrebt. Damit wird die Bildung klebriger Störstoffag- glomerate durch nicht retendierte und in der Folge hydrolysierte Leimpartikel vermieden. In vielen Fällen der Praxis kann eine optimale Retention jedoch wegen der sie meist begleitenden Verschlechterung der Blattformation nicht realisiert werden. Diese Konkurrenzsituation verlangt intelligente und die individuellen Gegebenheiten berücksichtigende Optimierungs- strategien. Eine Voraussetzung für die Nutzung von Synergien beim Einsatz der Produkt- und Prozesschemikalien ist die möglichst umfassende Kenntnis der Wechselwirkungen. Die Aufgabenstellung des Forschungsprojekts war es, diese Wechselwirkungen praktisch zu überprüfen und verfahrenstechnisch zu optimieren. Ziel ist eine Optimierung der First Pass Retention mit dem Schwerpunkt einer verbesserten Retention von Leimungsmitteln bei Er- haltung einer guten Blattformation.

In einer Papierfabrik für grafische Papiere mit kombinierter Masse- (neutrale Harzleimung) und Oberflächenleimung wurden umfassende Prozessanalysen durchgeführt. Um die Dyna- mik und Response der PM in Bezug auf die resultierende Leimung im Detail zu studieren, wurden in Verbindung mit der Prozessanalyse in Praxisexperimenten die Masseleim- und Retentionsmitteldosierungen gezielt variiert und die zeitlich synchronisierten Online-Daten des PLS erfasst. Ein wichtiger Parameter war dabei die online gemessene Formation. Die gefundenen Korrelationen in Verbindung mit offline durchgeführten Papierprüfungen bele- gen, dass auf der Basis einer reduzierten Anzahl von Online-Daten anderer Prozessvariabler eine simulationsgestützte Voraussage der aktuellen Leimungsqualität möglich ist. Diese Ex- perimente liefern damit Grundlagen, um die bisher nur offline messbare Leimungsqualität eines Papiers noch während des Produktionsprozesses gezielt beeinflussen zu können und damit gleichzeitig auf die Parameter Retention und Formation Einfluss nehmen zu können.

In einem Screening-Verfahren im Labor wurden synthetische Masseleime mit unterschied- lichem Promotergehalt in Kombination mit Retentionsmitteln der Substanzklassen Polyethy- lenimin (PEI), Polyacrylamid (PAM) bzw. Mikropartikelsystem (PAM+Bentonit) untersucht.

Abgeleitet aus diesen Laborversuchen erfolgten Versuchsreihen auf einer Versuchspapier- maschine mit Variation der Additive und der Stoffkomponenten. Sowohl in Abhängigkeit der Retentions- wie auch der Leimungsmittel ergeben sich Differenzierungen bezüglich Retenti- on und Formation, d.h. je nach Anwendungsfall können Optima herausgearbeitet werden.

Die Optimierung der Leimungsstrategie auf der Basis einer effizienten Auswahl und Anwen- dung von Retentionssystemen verbessert die Wirtschaftlichkeit und Prozesssicherheit der Papierherstellung. Der Kenntniszuwachs bezüglich der Einflussnahme dieser und weiterer Variablen auf Blattformation trägt dazu bei, die Produktqualität zu steigern. Darüber hinaus helfen umfassende Systemanalysen unter Einbeziehung der Korrelationsanalytik, den Pa- piererzeugungsprozess noch besser zu verstehen und im speziellen Fall transparenter zu machen.

Danksagung

Das Forschungsvorhaben AiF 13629 wurde durch die Arbeitsgemeinschaft industrieller For- schungsvereinigungen (AiF), Köln, mit finanziellen Mitteln des Bundesministeriums für Wirt- schaft und Arbeit gefördert. Dafür sei an dieser Stelle gedankt.

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Abstract

When using sizing agents, especially synthetic hydrophobing agents such as AKD (alkyl ke- tene dimer) and ASA (alkenyl succinic anhydride), as much as possible of the chemical should be retained on the first pass in order to prevent non-retained and subsequently hydro- lysed adhesive particles from forming tacky agglomerates detrimental to the process. In prac- tice, however, optimum retention must often be forgone as it tends to be accompanied by poorer sheet formation. The rivalry between these two parameters calls for intelligent optimisation strategies taking into account the specific conditions of each application. To be able to use the synergetic effects of product and processing aids, papermakers must know as much as possible about their interactions. The research project was aimed at verifying the knowledge about these interactions in full-scale operations, and at optimising them from the process-technological point of view. The optimisation of first-pass retention was aimed at improv- ing the retention of sizing agents whilst ensuring good sheet formation.

The technological processes of a graphic paper mill using a combination of internal (neutral resin) and surface sizing were comprehensively analysed. To be able to thoroughly study the dynamics and response of the paper machine with respect to sizing, full-scale experiments were performed in addition to the initial process analyses. The dosing quantities of internal sizing agents and retention aids were systematically varied in these experiments, recording the synchronised online data of the PCS. Online formation measurement was a focal point of the studies. The established correlations with offline paper tests demonstrate that it is possible to predict the actual sizing quality by means of simulations based on a reduced number of online data of other process variables. Based on the experimental results, it will be possible to control the sizing quality of papers – which could only be determined offline so far - and the two parameters retention and formation during production.

A laboratory screening test was done to study synthetic internal sizing agents containing dif- ferent amounts of promoters in combination with retention aids of the substance classes polyethylene imine (PEI), polyacrylamide (PAM), and the micro-particle system PAM + ben- tonite, respectively. Based on these laboratory studies, test series were performed in a pilot paper machine, varying the additives and stock components used. Differences in retention and formation were observed in connection with both the retention aids and the sizing agents used, i.e. optima could be identified for each specific case.

An optimised sizing strategy using efficiently selected retention systems under suitable conditions increases the economic efficiency and technological stability of the papermaking process. The knowledge gained about the influences of these and other variables on sheet formation will help enhance the product quality. Moreover, comprehensive system analyses using correlation analytics will deepen the understanding of papermaking processes and increase their transparency in each specific case.

Acknowledgement

The AiF 13629 research project was sponsored by the German Federal Ministry of Econom- ics and Labour and carried under the umbrella of the German Federation of Industrial Co- operative Research Associations (AiF) in Cologne. We would like to express our warmly gratitude for this support.

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Glossar

Tab. A- 1 Glossar

Abkürzung Bezeichnung

AKD Alkyl Keten Dimer AS Ausschuss

ASA Alkenyl Succinic Anhydrid AW Abwasser

Bio Biologische Reinigung BioW Biologisch gereinigtes Wasser

CSB Chemischer Sauerstoffbedarf DDA Dynamik Drainage Analyser

DFR Dynamischer Entwässerungstester

FS Feststoff (abfiltrierbare Stoffe), Feststoffkonzentration FW Frischwasser

h’fr holzfrei (Papier aus Zellstoff)

h’h holzhaltig (Papier anteilig aus Holzstoff oder TMP) HW Handelsware (als Konzentrationsbezeichnung) KF Klarfiltrat

KW Klarwasser

otro ofentrocken (getrocknete Substanz/Papier) PAC Polyaluminiumchlorid

PAM Polyacrylamid

PDA Penetration Dynamic Analyzer (vereinfacht für PDA.C)

PDA.C Penetration Dynamic Analyzer Coating (hier: Prüfung mit Wasser) PEA Print Eveness Analyzer

PEI Polyethylenimin PLS Prozessleitsystem PM Papiermaschine ROI Return on investment SW Siebwasser

TA Trockenausschuss TEC Technikum der PTS Heidenau TF Trübfiltrat

TS Trockensubstanzgehalt V Versuch

VPM Versuchspapiermaschine

WS Wirksubstanz (als Konzentrationsbezeichnung) ZS Zellstoff

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1 Einleitung

Aus Gründen der Wirksamkeit und Wirtschaftlichkeit wird beim Einsatz von Hydrophobie- rungsmitteln, insbesondere für die zunehmend eingesetzten Reaktiv-Leimungsmittel AKD (Alkyl-Keten-Dimer) und ASA (Alkenyl Succinic Anhydride) eine möglichst vollständige und rasche Retention (First-pass-retention) im Faserstoff angestrebt. Eine verbesserte Gesamt- stoffretention hat darüber hinaus den Vorteil, dass die Anreicherung und Agglomeration stö- render Substanzen im Siebwasser-Kreislauf vermindert und damit die Bildung klebender Par- tikel vermieden werden können. In vielen Fällen der Praxis kann die optimale Retention jedoch wegen der sie meist begleitenden Verschlechterung der Blattformation nicht realisiert werden. Vaughan et al. [1] verdeutlichen mit der Darstellung nach Abbildung 1, dass die Entwicklung von Retention und Formation umgekehrt proportional verläuft und deshalb die Reserven bezüglich Entwässerung und Maschinenproduktivität wegen des drastisch an- wachsenden Formationsabfalls infolge Flockung nicht ausgeschöpft werden können.

Abbildung 1 Entwässerung und Formation in Abhängigkeit von der Zugabe eines hochmolekularen Polymers als Entwässerungshilfsmittel [1]

Diese Konkurrenzsituation verlangt intelligente und die individuellen Gegebenheiten berück- sichtigende Optimierungsstrategien. Eine große Anzahl von Veröffentlichungen widmet sich der Verbesserung von Retention und Entwässerung, der Vermeidung der Bildung klebriger Störstoffagglomerate und der Beschreibung entsprechender Additive. Auch die Phänomene der Flockenbildung mit Hilfe von Retentionsmittel-Systemen wurden untersucht und modell- unterstützt interpretiert. Die bevorzugte Affinität der Reaktiv-Leimungsmittel zu Füllstoffen und die daraus folgende Notwendigkeit guter Füllstoffretention sind ebenfalls wiederholt beschrieben worden. Relativ wenig dargestellt werden dagegen die explizit auf die Verbesse- rung der Hydrophobierung ausgerichteten Wechselwirkungen mit chemischen Additiven. Die Problemstellung dieses Forschungsprojekts war es, diese Wechselwirkungen praktisch zu überprüfen und verfahrenstechnisch zu optimieren.

2 Forschungsziel

Ziel dieses Forschungsvorhabens ist eine Optimierung der First Pass Retention mit dem Schwerpunkt einer verbesserten Retention von Leimungsmitteln bei Erhaltung einer guten Blattformation.

3 Methodik

Das methodische Vorgehen erfolgte in den Hauptschritten

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1. Vorversuche im Labor (Blattbildner) mit unterschiedlichen Leimungs- und Retenti- onsmitteln zur Vorauswahl

2. Versuche auf der Versuchspapiermaschine in PTS Heidenau mit ausgewählten Pro- dukten mit Fokussierung auf synthetische Leimungsmittel

3. Prozessanalyse an einer Papiermaschine zur Erzeugung grafischer Papiere mit Harz- leim und Mikro-/Nanopartikel-System

4. Verifizieren der nach Auswertung erfasster Prozessparameter abgeleiteten Maßnah- men an der gleichen PM

Die in diesem Bericht beschriebenen, mehrmaligen Prozessanalysen erfolgten parallel zu einem internationalen Forschungsprojekt „DOTS“ [2].Ein spezieller Teil des DOTS Projekts hatte im Verantwortungsbereich der PTS im Gegensatz zum vorliegenden Projekt das Ziel, herauszufinden, ob über verschiedene mathematische Algorithmen die Möglichkeit einer Simulation des Leimungsergebnisses für die Oberflächen- und Masseleimung besteht. Wei- ter gestecktes Ziel des DOTS-Projekts war die Entwicklung einer Entscheidungshilfe- Software auf der Basis von PLS-Online-Daten. Die gute Verfügbarkeit von Online-Daten aus der betreffenden Papierfabrik und die gute Kooperation zwischen PTS und Papierfabrik ha- ben dazu geführt, dass in unterschiedlichen Prozessaufnahmen und Versuchsreihen Daten zur Auswertung generiert werden konnten. Diese Online-Daten konnten sehr effektiv im vorliegenden FuE-Projekt in Form von „Sprungfunktionen“ und deren Antworten genutzt werden.

Diese Daten wurden ebenfalls für ein weiteres AiF-Projekt 13670 [3] mit themenverwandter Aufgabenstellung genutzt.

3.1 Wesentliche Mess- und Prüfmethoden

• Entwässerungs- und Retentionsverhalten mittels RK-Blattbildner,

• Entwässerungs- und Retentionsverhalten mittels Dynamic Filtration System (DFR Mütek)

• Zetapotential-Messung auf Basis der Faserpfropfenmethode (System SZP) zur Charakteri- sierung von Faseroberflächen und Überprüfung einer Korrelation zur Formation (Flo- ckungsmechanismen),

• Ladungsmessung („kationischer Bedarf“) mittels Partikelladungsdetektor (PCD) zur Be- stimmung der Menge an gelösten und kolloidalen anionischen Polymeren,

• pH- und Leitfähigkeitsmessung,

• Füllstoffretention durch Veraschung des bei der Entwässerung gebildeten Faservlieses,

• Quantitative Beurteilung der Blattformation mittels Bildanalysesystem PTS-DOMAS,

• Standardisierte Methoden zur Bestimmung der retendierten ASA- oder AKD-Anteile mit zuverlässigen Wiederfindungsraten liegen nicht vor. Deshalb wird zur Darstellung der Lei- mungsmittelretention der jeweils erreichte Leimungs- bzw. Hydrophobierungsgrad nach folgenden Methoden geprüft:

• Dynamische Penetrationsmessung (Ultraschall-Transmissionskurven) mittels PDA bzw.

PEA (Mütek),

• Wasserabsorptionsvermögen (Cobb) nach DIN EN 20535 (ISO 535) als Referenzver- fahren.

• Speziell für AKD soll mit Hilfe der NIR-Spektroskopie eine quantitative und schnelle Er- fassung der Leimungsmittelretention direkt am gebildeten Papierblatt erfolgen. Diese Bestimmungsmethode wurde in einem vorangegangenen Forschungsvorhaben (BMWI 372/00) entwickelt.

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3.2 Erläuterungen zur Formationsmessung

Zur Formationsbewertung können verschiedene Messmethoden angewandt werden. Im Rah- men des Forschungsprojekts kamen die folgenden zum Einsatz:

3.2.1 Online Lasertransmissionsmessgerät FMS 850 – für die Messungen inner- halb der Versuchspapiermaschine (VPM) im PTS-Technikum Heidenau Dieses Gerät zur Bewertung der zeitlichen Änderung von Formationsparametern wurde von der PTS und der Firma Vacutec GmbH, Dresden, entwickelt. Das System arbeitet mittels Laserstrahl nach dem Messprinzip der Lichtabsorption und liefert Rückschlüsse auf die opti- sche Gleichmäßigkeit in Maschinenlaufrichtung. Durch den Laser-Strahler wird ein Laser- Fokus mit einem Durchmesser von ca. 60 µm auf die Papierbahn projiziert. Das transmittier- te Licht wird auf der Gegenseite durch den Laser-Detektor elektronisch erfasst und ausge- wertet. Der Sensor ist vor der Aufrollung installiert. Um eine geschwindigkeitsunabhängige Bewertung der Formation zu erreichen, wurde das Geschwindigkeitssignal der Maschine entsprechend berücksichtigt.

Für die Bestimmung der Formation wird eine fixierte Linie in Maschinenlaufrichtung in der Breite von 30 µm gemessen und das Formationsprofil berechnet. Zur Beurteilung werden die folgenden beiden Parameter herangezogen:

Fa die mittlere (lineare) Abweichung des Profils vom Mittelwert; es wird überwiegend der Kontrast bewertet.

Fwi der Wolkigkeitsindex. Er ist abhängig von der Flockengröße und steigt mit dieser an.

Er ist für die Online-Messungen ein gutes Kriterium für die Gleichmäßigkeit der Flockengrö- ße.

3.2.2 Online Lasertransmissionsmessgerät – für die Messungen innerhalb Pa- piermaschine der Praxisuntersuchungen

Das System arbeitet mittels Laserstrahl nach dem gleichen optischen Prinzip wie unter (1) für die VPM beschrieben. Es erfolgt ebenfalls eine Punkt- bzw. Linienmessung in Laufrich- tung vor der Aufrollung in ca. 0,50 m Abstand vom Rand (TS). Da in diesem Fall die Ge- schwindigkeit während der Datenaufnahme keine Beachtung findet, bedeuten höhere Ge- schwindigkeiten größere Messpunktabstände und damit kleinere berechnete Abstände der Flockenungleichmäßigkeiten, d.h. also bessere Formation. Für Vergleiche ist daher die Ma- schinengeschwindigkeit zu beachten. Im Messergebnis sind die oben genannten Merkmale Fa und Fwi integriert. Die Messwertskala reicht von 0 = sehr gut bis 1000 = sehr schlecht.

3.2.3 PTS-Messsystem DOMAS – für die nachträgliche Bewertung der Papier- muster

Das PTS-Messsystem DOMAS [4] dient zur bildanalytischen Bewertung von Faserstoffen und Papiereigenschaften. Grundlage ist die Erfassung der Schwankung der optischen Dichte im Papier durch partielle Lichttransmissionsmessung. Aus den drei möglichen Bewertungs- methoden wird in diesem Bericht die PTS-Methode angewandt, die die flächige Grauvertei- lung definiert und der subjektiven Formationsbewertung nahe kommt.

Alle drei Verfahren liefern als Formationskennzahl in differenzierter Größenordnung einen dimensionslosen Formationsindex, der zur Bewertung der partiellen Masseverteilung in der Blattebene herangezogen wird. Dabei steht ein kleiner Formationsindex für gute Formation, d.h. gleichmäßigere Blattstruktur.

3.3 Erläuterungen zum Penetrationsmessverfahren

Bekannte Messverfahren zur Beurteilung des Leimungsgrads sind der Cobb-Wasser-Test und das HST (Hercules Sizing Test)-Verfahren. Diese Verfahren geben keinen Aufschluss über die Penetrationsdynamik. Im Gegensatz dazu ermöglicht die Messung mittels Ultra-

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schalltransmission Aussagen zur dynamischen Penetration und zum Kurzzeitverhalten der Papiere gegenüber Prüfflüssigkeiten. Aus der Beeinflussung der Ultraschallintensität in Form einer Signal-Dämpfung durch das in das Papier eindringende Wasser ergibt sich eine cha- rakteristische Penetrationskurve über der Zeit. Unterschiedliche Leimungsgrade sind somit durch die Kurvensteigung als Grad der Ultraschalldämpfung gekennzeichnet. Zur digitalen Gegenüberstellung zu anderen Daten oder Messergebnissen eignen sich die aus dem Kur- venverlauf berechneten Werte. Diese ergeben sich aus t(Max) in [s] (auch als M-Wert be- zeichnet) sowie den Flächenintegralen über dem ansteigenden (W-Wert) bzw. abfallenden (A-Wert) Kurvenast. Da das Kurvenmaximum den Zeitpunkt der vollständigen Benetzung der Papieroberfläche darstellt, stehen der W-Wert und M-Wert hauptsächlich für Oberflächenei- genschaften sowie der A-Wert für die Flüssigkeitspenetration in das Papiergefüge. In der Regel besteht eine gute Korrelation des A-Wertes zum Cobb-Wert. In allen im Folgenden aufgeführten Untersuchungen wurde als Prüfflüssigkeit entionisiertes Wasser verwendet.

3.4 Erläuterungen zum Softsensor für Leimung

Im Rahmen der bereits erwähnten Entwicklung einer Entscheidungshilfe-Software (DOTS- Projekt) zur Einflussnahme auf die Erzeugnisqualität mit Hilfe eines Soft-Sensor-Modells (Simulation) wurde speziell die datenbasierte Vorausberechnung des Leimungsergebnisses untersucht. Aus einer Liste von ursprünglich 100 Parametern wurden diejenigen herausgefil- tert, die eine entsprechende Relevanz erwarten ließen. Diese Einschränkung war unter den Gesichtspunkten der Übersichtlichkeit und der zur Verfügung stehenden Rechnerkapazitäten erforderlich. Derartige Untersuchungen bzw. die Anwendung eines Soft-Sensor-Modells können maßgeblich beitragen zur

• Ursachenfindung bisher nicht erkannter Einflüsse auf das Leimungsergebnis,

• Optimierung des Sortenwechsels,

• gezielten Einstellung / Abstufung des Leimungsergebnisses.

Das Schema in Abbildung 2 zeigt beispielhaft das grundsätzliche Vorgehen der Modellierung der Leimung. Aus einer Anzahl von Inputdaten wird ein Soft-Sensor-Modell entwickelt und kalibriert, so dass im Ergebnis die simulierte der tatsächlichen Leimungsqualität weitestge- hend entspricht.

Manipulierte Größen P009 Harzleim

P025 Stärke (Leimpresse) P127 Oberflächenleim Prozessdaten

P006 Mahlleistung P011 Kreide P013 Massestärke P014 Retentionsmittel P015 ...

P019 ...

P023 ...

Soft-sensor Modell

Leimungsqualität (Ultraschall- Penetrations- messgerät) Pea1 (W-Wert) Pea2 (M-Wert) Pea3 (A60-Wert)

W, M: Qualität der Oberflächenleimung A60: Qualität der Masseleimung

Dateninput Modell Ergebnis

Manipulierte Größen P009 Harzleim

P025 Stärke (Leimpresse) P127 Oberflächenleim Prozessdaten

P006 Mahlleistung P011 Kreide P013 Massestärke P014 Retentionsmittel P015 ...

P019 ...

P023 ...

Soft-sensor Modell

Leimungsqualität (Ultraschall- Penetrations- messgerät) Pea1 (W-Wert) Pea2 (M-Wert) Pea3 (A60-Wert)

W, M: Qualität der Oberflächenleimung A60: Qualität der Masseleimung

Dateninput Modell Ergebnis

Abbildung 2 Modellierung der Leimung (zur Definition der Leimungsqualität mittels der Werte für W, M (=Max) und A60 siehe Absatz 3.3)

In der Anwendung durchlaufen die Inputdaten das Soft-Sensor-Modell und einen Simulator, dessen Output der Operator zur Änderung von Inputdaten nutzen kann. In der Folge berechnet ein installierter Optimierer unter Berücksichtigung von Soll-Ober- und Untergrenzen als Output optimierte Prozessparameter. Diese bieten dem Operator die Entscheidungshilfe,

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beispielsweise zur Änderung der Additivdosierung mit der Zielstellung, das optimale Ergeb- nis zu erreichen (s. Abbildung 3).

Output Ergebnisse

Softsensor Update

Prozessdaten (Excel)

Simulator + Optimierer

Prozess- daten Qualitäts-

daten Labor

PLS

OPC

Output Optimale Prozessparam Entscheidung Operator

Entwicklung und Kalibrierung Softsensormodell

Output Ergebnisse

Softsensor Update

Prozessdaten (Excel)

Simulator + Optimierer

Prozess- daten Qualitäts-

daten Labor

PLS

OPC

Output Optimale Prozessparam Entscheidung Operator

Entwicklung und Kalibrierung Softsensormodell

Abbildung 3 Funktion des Optimierers

3.5 Laborversuche

Zur Vorbereitung der Technikumsversuche und zur Überprüfung der Wechselwirkungen zwischen unterschiedlichen Retentions- und Leimungsmitteln wurden in den Labors der PTS umfangreiche Versuche durchgeführt. Die Formierung erfolgte im Rapid-Köthen-Blattbildner.

Die serienmäßig durchgeführten Mischungsreihen von Leimungs- und Retentionsadditiven erbrachten umfangreiches Datenmaterial, das als Basis für Optimierungen in der Art und im Mengenverhältnis der Komponenten dient. Grundsätzlich wurde festgestellt, dass es für jede Produktkombination Ober- und Untergrenzen gibt, außerhalb derer sich entweder das Lei- mungs- oder das Retentionsergebnis verschlechtert. Die Messungen mit Hilfe der dynamischen Penetration erbrachten gerade in dieser Hinsicht sehr gute Bewertungsmöglichkeiten.

Die Auswertung beschränkte sich auf die Leimungswirkung, eine Formationsmessung an diesen Blättern lieferte keine verwertbaren Daten.

3.6 Technikumsversuche

Auf der Versuchspapiermaschine (VPM) des Technikums (TEC) der PTS in Heidenau wurden zwei Versuchsserien mit verschiedenen AKD-Typen und ASA sowie verschiedenen Re- tentionsmitteln durchgeführt. Ziel der Untersuchung war die Überprüfung der Wirkung der Variation von Leimungs- und Retentionsmitteln auf die Leimung und Formation bei weitgehend konstanten Betriebsbedingungen. Mit dem in der VPM installierten Formationsmess- system FMS 850 (s. Absatz 3.2) wurde die Formation online gemessen. Eine weitere Forma- tionsmessung anderer Art (Domas) konnte an dem auf der Versuchspapiermaschine erzeug- ten Papier vorgenommen werden.

3.7 Prozessanalysen in Papierfabriken

Eine Vielzahl von Prozess-, Stoff- und Wasser-Parametern nimmt direkt und indirekt Einfluss auf die Leimung und hieraus resultierenden Problemen. Aufgrund großer Volumina in den Stoff-/Wassersystemen von Papierfabriken bzw. der zeitlich begrenzten manuellen Bepro- bungshäufigkeit werden oftmals nur graduelle Änderungen beobachtet, die Korrelationen zur Leimung, Retention und Formation erschweren bis unmöglich machen. Dies gilt insbesondere auch für mehrlagige Produkte (Karton), soweit es die Einbeziehung von Prüfergebnissen

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am fertigen Erzeugnis betrifft, wie beispielsweise die Formation. Eine wesentliche Voraus- setzung zur Erkennung bisher nicht bekannter oder nicht näher beleuchteter Zusammenhän- ge ist die Nutzung online installierter Messsysteme, wie Prozessleitsysteme (PLS). Daher wurde eine Papiermaschine im Sortenprogramm holzfreie grafische Papiere ausgewählt und beprobt, an der die PLS-Daten für Analysen übertragbar (z.B. in Excel) und sprunghafte Än- derungen im Additivsystem möglich waren. Diese sprunghaft sich ändernden Parameter, nachfolgend als „Sprungfunktion“ beschrieben, können sowohl physikalischer (Antwortfunkti- on des PLS) als auch chemischer (Additivmenge) Natur sein. Änderungen dieser Art, die unmittelbar Einfluss auf die Produktqualität nehmen, können an einer PM nur in Ausnahme- fällen ausgeführt werden.

Während der Prozessanalysen wurde neben den Laboruntersuchungen zur Erfassung der Stoffparameter im Konstantteil eine Vielzahl relevanter Prozessparameter als Variable aus dem PLS erfasst, die die Grundlage der anschließenden Optimierungsversuche bildeten.

Darüber hinaus erfolgte die Erfassung der Formations-Zeitreihen, soweit dies technisch mög- lich war. Im Hinblick auf die der Vertraulichkeit der Rezepturen unterliegenden Beschränkun- gen werden die Einzel-Daten hier nicht aufgelistet, sondern in den Absätzen 4.2 ff in den Zusammenhang mit Ergebnissen gestellt.

4 Ergebnisse 4.1 Laborversuche

4.1.1 Voruntersuchungen zur Einstellung der Versuchsbedingungen

Zur Abgrenzung der erreichbaren Unterschiede bei Variation von Leimungs- oder Retenti- onsmitteln sowie zur Definition der Messgrößen wurden mit einem beliebigen AKD Vorunter- suchungen durchgeführt. Mit der Variation von AKD und PEI sollten die Messbarkeitsgren- zen überprüft werden. Prüfblätter aus dem Laborblattbildner kommen mit einem größeren Wassergehalt in den Trockner als Praxispapiere nach der Pressenpartie. Die Verwendung von Filterkarton zum Ablöschen unter definiertem Druck hatte die Erhöhung des Trockenge- halts zum Ziel.

Stellvertretend für die insgesamt sehr umfangreichen Laborversuche sind in den folgenden Abbildungen die Penetrationskurven aus dieser vorgenannten Versuchsserie im Komplex dargestellt. In Abbildung 4 werden die Kurven nach einer Normierung der Messwerte auf das Maximum = 100% Intensität wiedergegeben. Daraus sind im Vergleich zum einen die zeitliche Verschiebung bis zum Erreichen des Maximums (W-Wert) und zum anderen die unterschiedliche Steilheit der auslaufenden Kurve (A-Wert) ablesbar. Die über den Maxima bzw.

rechts neben den Kurven stehenden Ziffern entsprechen den Versuchsnummern. Mit höhe- ren Zugabemengen von Leim bzw. Retentionsmittel wird die Zeit t(max) größer bzw. die Steilheit der Penetrationskurve kleiner.

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Vergleich der Penetration (Mittelwerte) Normierung auf Maximum = 100%

0 20 40 60 80 100 120

0 10 20 30 40 50 60

Messdauer in s

Ultraschallintensität in %

1, 5 ungeleimt

13 15

15 18 14, 16, 17, 4, 3 21, 2 20 19 13

20 19 2

21,17 16,14 4, 3 18

5 1 2 0,5 AKD/ 0,3 PEI/ 0 PCC

3 1,0 AKD/ 0,3 PEI/ 0 PCC 4 1,5 AKD/ 0,3 PEI/ 0 PCC

16 1,0 AKD/ 0,15 PEI/ 20 PCC 17 1,0 AKD/ 0,30 PEI/ 20 PCC 18 1,0 AKD/ 0,45 PEI/ 20 PCC 13 0,5 AKD/ 0,3 PEI/ 20 PCC

19 0,5 AKD/ 0,3 PEI/ 20 PCC mFK 20 1,0 AKD/ 0,3 PEI/ 20 PCC mFK 21 1,5 AKD/ 0,3 PEI/ 20 PCC mFK Hydrophobierung zunehmend, W-Wert wird größer

Leimung zunehmend, A-Wert wird kleiner

Abbildung 4 PDA-Penetrationskurven, normiert auf Maximum

Weil in dieser Darstellung der unterschiedliche Anfangspunkt nicht erkenntlich ist, ist es sinn- voll, die Kurven zusätzlich auf den ersten Messwert zu normieren, wie dies in Abbildung 5 gezeigt wird. Damit werden Unterschiede bezüglich des W-Wertes deutlicher. Auch in dieser Darstellung sind die Versuchsnummern etwa den jeweiligen Kurvenmaxima zugeordnet, so dass daraus auch die zeitliche Verschiebung annähernd ablesbar ist.

Vergleich der Penetration (Mittelwerte) Normierung auf 1. Messwert = 100%

0 50 100 150 200 250 300 350

0 10 20 30 40 50 60

Messdauer in s

Ultraschallintensität in %

15 18

17 20 14

16 19 3

4 13

1, 5 ungeleimt 2 0,5 AKD/ 0,3 PEI/ 0 PCC 3 1,0 AKD/ 0,3 PEI/ 0 PCC 4 1,5 AKD/ 0,3 PEI/ 0 PCC

16 1,0 AKD/ 0,15 PEI/ 20 PCC 17 1,0 AKD/ 0,30 PEI/ 20 PCC 18 1,0 AKD/ 0,45 PEI/ 20 PCC 13 0,5 AKD/ 0,3 PEI/ 20 PCC

19 0,5 AKD/ 0,3 PEI/ 20 PCC mFK 20 1,0 AKD/ 0,3 PEI/ 20 PCC mFK 21 1,5 AKD/ 0,3 PEI/ 20 PCC mFK 2

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Hydrophobierung zunehmend, W-Wert wird größer

Abbildung 5 PDA-Penetrationskurven, normiert auf ersten Messwert

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Es wurde bereits erwähnt, dass der W-Wert im Wesentlichen von den Oberflächeneigen- schaften des Papiers beeinflusst wird. Dieser Wert kann sich auch durch Oberflächenappli- kationen oder Glätten/Satinage verändern. Da die hier untersuchten Papiere aber alle als so genannte Naturpapiere und ungeglättet hergestellt wurden, wird die

• Zunahme des W-Wertes der zunehmenden Hydrophobierung und demzufolge die

• Abnahme des A-Wertes der abnehmenden Wasseraufnahme, d.h. der verbesserten Mas- seleimung

des Papiers zugeordnet.

Unter diesem Blickwinkel ergibt sich aus den beiden Diagrammen pauschal:

• Bei konstanter Retentionsmittelmenge (0,3 % PEI) folgt aus einer Steigerung des AKD- Zusatzes (0,5…1,0…1,5 %) erwartungsgemäß eine deutliche Verbesserung der Hydrophobierung und Leimung.

• Bei konstanter AKD-Menge (1,0 %) wird mit ansteigender Retentionsmittelmenge (0,15…0,3…0,45 % PEI) nur die Hydrophobierung verbessert.

• Die Zwischentrocknung mit Filterkarton wirkt sich eher nachteilig aus, besonders bezüglich Hydrophobierung. Vermutliche Ursachen sind der teilweise Verlust an Leimungsmittel durch Penetration in das Filterpapier sowie Aufrauung der Papieroberfläche durch das Markieren und Abziehen des Filterpapiers.

4.2 Technikumsversuche 4.2.1 Zum Einfluss von Prozesswasser

Es ist bekannt, dass die Leimungsergebnisse stark von der Qualität des verwendeten Was- sers beeinflusst werden. In der Regel mindert Prozesswassereinsatz das Leimungsergebnis gegenüber der Verwendung von Frischwasser. Zur Abgrenzung dieses Einflussparameters wurde an der VPM eine Versuchsserie gefahren, in der ein mit AKD geleimtes Papier aus weißen Spänen mit 60 g/m² erzeugt wurde. Folgende unterschiedliche Wasserqualitäten wurden getestet:

• Frischwasser (FW)

• Klarwasser (KW) aus einem geschlossenen Kreislauf der Praxis mit Altpapierverarbeitung

• Mischung aus FW und KW in zwei Mischungsstufen 70/30 bzw. 30/70

• Biowasser (BioW), biologisch gereinigtes Wasser der gleichen Herkunft wie KW

In Tabelle 1 sind die gleich bleibenden Additiveintragsmengen sowie die in den jeweiligen Stoffauflaufproben gemessenen Ladungs- und CSB-Werte aufgezeigt.

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Tabelle 1 Versuchsübersicht

Vers.

Bez. Versuch

Leim Aquapel

320

RM1 Percol

231 l

RM2 EKA NP

780

pH ZP LF

(aus ZP) CSB

Bez. % bez.

otro FS

% bez.

otro FS

% bez.

otro FS [mV] [µS/cm] [mg/l]

200STA Nullversuch FW 0,14 0,08 0,30 7,06 -11,55 1362 1779 201STA 70FW+30geschl.KW 0,14 0,08 0,30 7,24 -11,95 2908 4105 202STA 30FW+70geschl.KW 0,14 0,08 0,30 7,24 -2,80 6380 11790

203STA geschl.KW 0,14 0,08 0,30 6,55 4,70 7362 16125

206STA Biowasser 0,14 0,08 0,30 7,75 -4,75 2470 250

Ergebnisse:

Aus Abbildung 6 ist die starke Beeinträchtigung der Leimung (A-Wert) durch Wasser mit entsprechend hoher Leitfähigkeit klar erkennbar. Mit dem Korrelations-Bestimmtheitsmaß von 0,9138 wird dies unterstrichen. In die Korrelationsberechnung wurde allerdings das Frisch- wasser nicht eingeschlossen, weil offenbar erst ab einem bestimmten Belastungsgrad eine solche Leimungsminderung relevant wird. Das Bestimmtheitsmaß unter Einbeziehung des Frischwassers ist R² = 0,7845. Aus Abbildung 6 ist gleichzeitig zu entnehmen, dass die Streubreite der Einzelmessungen mit höher belasteten Wässern zunimmt und somit ein Ver- gleich innerhalb einer Versuchsserie zusätzlich erschwert wird.

0 10 20 30 40 50 60

100 FW 70 FW

30 KW

30 FW 70 KW

100 KW 100 BioW

PDA - A60

0 2000 4000 6000 8000 10000

Leitfähigkeit [µS/cm]

PDA - A60 Leitfähigkeit

0,85

0,34

2,56

1,68

0,53 Standardabweichung PDA-A60

Abbildung 6 PDA A-Wert und Leitfähigkeit über der Wasserqualität

Auch die zunehmende Belastung des Wassers mit Inhaltsstoffen, die über den Summenpa- rameter CSB erfassbar sind, verringern das Leimungsergebnis (s. Abbildung 7).

(13)

0 5 10 15 20 25 30

100 FW 70 FW

30 KW

30 FW 70 KW

100 KW 100 BioW

Cobb60 in g/m2

0 5000 10000 15000 20000 25000

CSB in mg/l

Cobb60 CSB gem

Abbildung 7 Cobb-Wert und CSB-Wert über der Wasserqualität

Aus dieser Untersuchung, der Forderung nach Gewährleistung einheitlicher Versuchsbedin- gungen (bei Prozesswässern nicht gegeben) und der Tatsache, dass für umfangreiche Test- reihen die Beistellung notwendiger Wassermengen logistisch kaum zu beherrschen ist, wurde die Entscheidung getroffen, die im Folgenden interpretierten Technikumsversuche mit Frischwasser durchzuführen.

4.2.2 Versuchsbeschreibung

Auf der Versuchspapiermaschine der PTS Heidenau wurden mit verschiedenen synthetischen Leimungsmitteln sowie verschiedenen Retentionsmitteln holzfreies und holzhaltiges Papier erzeugt. Es sollte die Wirkung der Variation von Leimungs- und Retentionsmitteln auf die Leimung und Formation bei weitgehend konstanten Betriebsbedingungen untersucht werden. Mit dem in der VPM installierten Formationsmesssystem FMS 850 erfolgte eine On- line-Formationsmessung.

Konstante Versuchsparameter:

• holzfreies (h’fr) Papier, 80 g/m²

• 20 % Langfaser- / 80 % Kurzfaserzellstoff, Gemischtmahlung auf ca. 30 °SR

• alternativ: holzhaltiges (h’h) Papier, 80 g/m²

• 90 % TMP / 10 % Langfaserzellstoff

• Füllstoff Calciumcarbonat 30 Teile auf 100 Teile Faserstoff (otro)

• Additivmengen bezogen auf Faser- und Füllstoff-Gesamtmenge

• Frischwasser (Trinkwasserqualität), offener Kreislauf (keine Rückführung von SW1) Variable Versuchsparameter:

siehe Tabelle 2

(14)

Tabelle 2 Einsatzmengen der Leimungs- und Retentionsmittel

Ret-mittel Leim

hochmol.

PEI kation.

hochmol.

PAM kation.

hochmol. PAM + Bentonit

niedermol.

Polyamin hoch kation.

mittelmol.

PAM kation.

Wirk- substanz AKD/ASA-

Gehalt %

Leim- Zugabe %

HW % HW % HW

PAM-Zugabe

% HW / Micropart.-

Zugabe % fest % HW % HW

AKD 1, schwach kation. 12 2,34 0,20 0,04 0,02 / 0,1 0,20 0,10

AKD 2, ohne Promoter 15 1,86 0,20 0,04 0,02 / 0,1 0,20 0,10

AKD 2, ohne Promoter 15 0,93 0,20 0,04 0,02 / 0,1

AKD 3, mit Promoter 15 1,86 0,20 0,04 0,02 / 0,1

AKD 4, mit Promoter 10 2,80 0,20 0,04 0,02 / 0,1 Polyamin-2 PAM-2

AKD 5, mittel kation. 12 2,34 0,20 0,04 0,02 / 0,1 0,10 0,10

AKD 5, mittel kation. 12 1,17 0,20 0,04 0,02 / 0,1

AKD 6, C18-Typ 23 1,22 0,20 0,04 0,02 / 0,1

AKD 6, C18-Typ 23 0,61 0,20 0,04 0,02 / 0,1

ASA 100 0,08 0,20 0,04 0,02 / 0,1

Die Leimungsmittel-Zugabemengen in Handelsware (HW) wurden unter Berücksichtigung des jeweiligen AKD-Gehalts auf gleichen AKD-Wirksubstanzeintrag für alle AKD berechnet.

Zusätzliche Varianten wurden mit halbierter AKD-Menge ausgeführt. Grundsätzlich liegen die Zusatzmengen über der in der Praxis empfohlenen Einsatzmenge. Dies folgt aus einer vor- hergehenden Versuchsserie, in der bei empfohlener Einsatzmenge keine ausreichende Lei- mungswirkung erzielt wurde. Da die VPM, um stabile Verhältnisse zu gewährleisten, mit nicht im Kreislauf geführtem Siebwasser betrieben wurde, stellte sich nicht der in der Praxis übliche Gleichgewichtszustand im SW ein, der zu einer verringerten Eintragsmenge führt.

Das Leimungsmittel wurde einheitlich in der Arbeitsbütte bei Stoffauflauf-Stoffdichte zum Faserstoff gegeben, die übrigen Additive in der in Abbildung 8 gezeigten Reihenfolge in entsprechender Verdünnung mittels Dosierpumpen zugegeben. Die Verbrauchszeit der Arbeits- bütte beträgt ca. 30 Minuten.

Füllstoff Polymer Bentonit Leimungsmittel

Dosierpumpe

Fl

Dosierstelle 2

Maschinen - bütte 250 l von Mischbütte

Dosierpumpe

Fl

Dosierstelle 3

Stoffpumpe

Dosierpumpe

Fl

alternativ Dosierstelle 4

Dosierpumpe

Fl

Dosierstelle 5

Probe- nahme

Scherung

Statikmischer

Stoffauflauf

Rundverteiler

FlFlFl

(Dosierstelle 1)

Dosierpumpe

Fl

Dosierstelle 2

Maschinen - bütte 250 l von Mischbütte

Dosierpumpe

Fl

Dosierstelle 3

Stoffpumpe

Dosierpumpe

Fl

alternativ Dosierstelle 4

Dosierpumpe

Fl

Dosierstelle 5

Probe- nahme

Scherung

Statikmischer

Stoffauflauf

Rundverteiler

FlFlFl

(Dosierstelle 1)

Abbildung 8 Schema der Additivzugabe an der VPM

(15)

4.2.3 Auswertung der VPM-Versuche

Tabelle 3 Versuchsnummern-Übersicht für nachfolgende Diagramme V-Nr. Retentionsmittel Leimungsmittel

V101 0,2 PEI

V102 0,2 Polyamin 2,34 % HW

V103 0,1 PAM mmol AKD 1

V104 0,04 PAM V105 0,02 PAM/0,1 Mic V105.oF 0,02 PAM/0,1 Mic V106 0,2 PEI

V107 0,2 Polyamin 1,86 % HW

V108 0,1 PAM mmol AKD 2

V109 0,04 PAM V110 0,02 PAM/0,1 Mic V110.oF 0,02 PAM/0,1 Mic

V111 0,2 PEI 1,86 % HW

V112 0,04 PAM AKD 3

V113 0,02 PAM/0,1 Mic

V114.oF 0,2 PEI 2,8 % HW

V115 0,04 PAM AKD 4

V116 0,02 PAM/0,1 Mic

V117 0,2 PEI 0,16 % HW

V118 0,04 PAM ASA

V119 0,02 PAM/0,1 Mic V120 0,2 PEI

V121 0,04 PAM 1,17 % HW

V122 0,02 PAM/0,1 Mic AKD 5 V122.oF 0,02 PAM/0,1 Mic

V123 0,2 PEI 2,34 % HW

V124 0,04 PAM AKD 5

V125 0,02 PAM/0,1 Mic

V126 0,2 PEI 0,61 % HW

V127 0,04 PAM AKD 6

V128 0,02 PAM/0,1 Mic

V129 0,2 PEI 1,22 % HW

V130 0,04 PAM AKD 6

V131 0,02 PAM/0,1 Mic

V132 0,2 PEI 0,93 % HW

V133 0,04 PAM AKD 2

V134 0,02 PAM/0,1 Mic zum Dickstoff

tmp_V135 0,2 PEI 1,86 % HW

tmp_V136 0,04 PAM AKD 2 TMP

tmp_V137 0,02 PAM/0,1 Mic

tmp_V138 0,2 PEI 2,34 % HW

tmp_V139 0,04 PAM AKD 5 TMP

tmp_V140 0,02 PAM/0,1 Mic

V142 0,1 Polyamin-2 2,34 % HW

V143 0,1 PAM-2 AKD 5

(Korrektur: Das Suffix .of kennzeichnet Versuche ohne Füllstoff. Der Versuch 114 wurde jedoch mit Füllstoff gefahren, die korrekte Versuchsbezeichnung lautet V114 statt V114.oF.) Zur Einstellung eines einheitlichen Flächengewichts von 80 g/m² wurde je nach Retentions- wirkung die Maschinengeschwindigkeit angepasst, während alle Stoffströme auf konstante Durchsatzmenge eingerichtet waren. Diese Geschwindigkeitsdifferenzen werden als ein zu- sätzliches Retentionskriterium bewertet. Die Mehrzahl der Versuche liegt bei einer einheitli-

(16)

chen Geschwindigkeit von ca. 3,7 m/min, um in der Grenze von 80-82 g/m² (klimatisiert) zu verbleiben. Ausnahmen bilden:

AKD 3 (V111-113) – schlechtere Retention, Geschwindigkeit langsamer AKD 4 (V114-116) – bessere Retention, Geschwindigkeit erhöht

AKD 6 (V129-131) – herausragende Retention, Geschwindigkeitsmaximum TMP (V135-140) – nicht direkt vergleichbar wegen TMP.

Die Online-Formationsmessung in der VPM wurde auf diese Geschwindigkeitsunterschiede hin korrigiert, so dass vergleichbare Messpunktabstände entstehen. Die Abbildung 9 zeigt zwei Beispiele von über der Zeit aufgezeichneten Datenreihen für den Fwi-Wert. Der Verlauf im linken Bild für V133 liegt deutlich in einem niedrigeren Niveau und in engeren Grenzen als V141, ist also in der Formation besser. Dieses Ergebnis wird auch durch die Domas- Messung bestätigt.

Fwi - V133

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

0 20 40 60 80 100 120 140

Fwi - V141

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

0 20 40 60 80 100 120 140

Abbildung 9 Vergleich der Fwi-Datenreihen für die Versuche V133 und V141

Mit dem Fa-Wert wird die mittlere (lineare) Abweichung des Profils vom Mittelwert charakte- risiert, es wird überwiegend der Kontrast bewertet. Dieser ist bei TMP deutlicher als bei Zell- stoff und sorgt somit für höhere Werte. In den Fa-Datenreihen fallen die TMP-Varianten daher besonders deutlich aus der Reihe. Dass damit nicht zwangsläufig eine stärkere Wolkig- keit verbunden sein muss, zeigt das Fwi-Diagramm in Abbildung 10. Der Fwi-Wert gilt als der Wolkigkeitsindex; er ist abhängig von der Flockengröße und steigt mit dieser an. In diesem Fall sind die TMP-Varianten mit den Zellstoffpapieren etwa im gleichen Wertebereich. In diesem Diagramm sind über den Säulen die jeweiligen AKD-Typen bzw. ASA angegeben. Die- se werden im Einzelnen noch in den nachfolgenden Domas-Auswertungen näher erläutert.

Es fällt aber bereits hier eine ansteigende Tendenz, d.h. schlechter werdende Formation vom Retentionsmittel PEI über PAM zum Mikropartikelsystem auf. Die Verschlechterung der Formation bei Anwendung eines Mikropartikelsystems widerspricht den praktischen Erfah- rungen. Derartige Systeme setzen eine intensive Scherung nach Polymer- und vor Mikropar- tikelzugabe voraus. Diese technische Voraussetzung war zum Zeitpunkt der Versuche an der VPM offenbar nicht in ausreichendem Maß gegeben. Trotzdem wird es als zulässig er- achtet, die Versuche innerhalb der Mikropartikelserie untereinander zu vergleichen.

(17)

Formationsparameter des FMS 850 (VPM)

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

V106 V107 V108 V109 V110 V110.oF V111 V112 V113 V114.oF V115 V116 V117 V118 V119 V120 V121 V122 V122.oF V123 V124 V125 V126 V127 V128 V129 V130 V131 V132 V133 V134 tmp_V135 tmp_V136 tmp_V137 tmp_V138 tmp_V139 tmp_V140 V141 V142 V143

Fwi korr

AKD 2 AKD 3 ASA AKD 5

1/2 AKD 5 AKD 6

1/2 AKD 6 AKD 2 Dicks

Abbildung 10 Online-Formationsparameter Fwi

Die Online-Formationsdaten Fa und Fwi sind allerdings nicht direkt vergleichbar mit den Do- mas-Ergebnissen, wie die Korrelationsanalyse zeigte. Das Bestimmtheitsmaß der Korrelation des Fa-Werts gegen Domas-Messung beträgt R² = 0,2603, das des Fwi-Werts R² = 0,0306.

Da, wie bereits erwähnt, die Domas-PTS-Methode der subjektiven Wahrnehmung der Durch- sichtgüte recht gut entspricht, wird die weitere Auswertung auf dieser Basis vorgenommen.

In den folgenden Abbildungen sind die Formationswerte den unterschiedlichen Retentions- systemen bzw. unterschiedlichen Leimungsmitteln gegenübergestellt.

Darin bedeuten (in % HW bez. auf Gesamtstoff) PEI 0,2 % Polyethylenimin

Polyamin 0,2 % Polyamin, hoch kationisch PAM mmol 0,1 % Polyacrylamid, mittelmolekular PAM 0,04 % Polyacrylamid, hochmolekular Micro 0,02 % PAM + 0,1 % Mikropartikel fest oF ohne Füllstoff (siehe Versuchs-Nr.)

Der Leimeinsatz in Abbildung 11 bis Abbildung 13 ist, bezogen auf die Wirksubstanzmenge, vergleichbar.

(18)

Formationsindex (Domas) vs. Retentionssystem

0 2 4 6 8 10

101_3 102_3 103_2 104_3 105_2 105_4 oF

106_2 107_3 108_1 109_3 110_2 110_5 oF

Formationsindex PTS-Methode

PEI PAM

mmol MICRO MICRO

AKD 1 AKD 2

Poly-

amin PAM PEI PAM

mmol Poly-

amin PAM

Abbildung 11 AKD 1 und AKD 2 im erweiterten Retentionsmittelprogramm Formationsindex (Domas) vs. Retentionssystem

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

101_3 104_3 105_2 106_2 109_3 110_2 111_3 112_2 113_2 114_1 115_1 116_4

Formationsindex PTS-Methode

PEI PAM MICR AKD 1 schwach kat.

AKD 3 mit Promoter

PEI PAM MICR PEI PAM MICR PEI PAM MICR AKD 2

ohne Promoter

AKD 4 mit Promoter

Abbildung 12 Formationsindex im Vergleich der Leime und Retentionsmittel (1)

(19)

Formationsindex (Domas) vs. Retentionssystem

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

117_1 118_2 119_1 123_2 124_2 125_1 129_2 130_1 131_3

Formationsindex PTS-Methode

ASA (Stärkeemulsion)

PEI PAM MICR

AKD 5 mittel kation.

AKD 6 C18, hohe Konz.

PEI PAM MICR

Abbildung 13 Formationsindex im Vergleich der Leime und Retentionsmittel (2) Formationsindex (Domas) vs. Leimungsmittelmenge

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

0,93 % HW 1,86 % HW 1,17 % HW 2,34 % HW 0,61 % HW 1,22 % HW

Formationsindex (PTS-Methode)

0,2 PEI 0,04 PAM 0,02 PAM/0,1 Mic

AKD 5

AKD 2 AKD 6

Abbildung 14 Formationsindex über unterschiedlicher Leimeintragsmenge

Die grundsätzliche Aussage dieser Ergebnisse ist, dass sowohl die Retentionsmittel als auch die Leimungsmittel selbst die Formation in positiver oder negativer Richtung beeinflussen.

Unterschiedliche Kombinationen führen somit auch zu unterschiedlichen Ergebnissen und eröffnen den Spielraum für Optimierungen. Für die Retentionsmittel sind dabei in erster Linie die Molmassen bzw. die Art des Wechselwirkungsmodells (Mosaik- / Brückenbindung) maß- geblich. Für die synthetischen Leimungsmittel sind dies die Art der Kombination mit Stärke (Promoter), die chemischen Bindungsmöglichkeiten an die Zellulosefasern aufgrund ihrer Molekülstruktur und nicht zuletzt die Hydrolysestabilität.

(20)

4.2.4 PDA-Penetrationskurven

Die folgenden Diagramme zeigen einige interessante Aspekte der Leimungseffizienz auf aus denen Optimierungspotenziale für Leimungsmittelmenge und Retentionsmittelart folgen. Der Kurvenverlauf für das AKD 1 in Abbildung 15 ist typisch für ein mittel geleimtes Papier. Auf- fällig ist, dass die Leimung auf unterschiedliche Retentionsmittel reagiert, in diesem Fall mit Polyamin schlechter ausfällt. Der beste Leimungsgrad wird mit der Variante ohne Füllstoff erzielt. Das gleiche Verhalten, jedoch noch ausgeprägter, zeigt auch das AKD 2, Abbildung 16.

AKD 1 - VPM

0 20 40 60 80 100

0 10 20 30 40 50 60

Messdauer [s]

Ultraschallintensität [%]

V101 V102 V103 V104 V105 V105oF ohne Füllstoff

Polyamin

Abbildung 15 PDA-Penetrationskurve für AKD 1 mit verschiedenen Retentionsmitteln AKD 2 - VPM

0 20 40 60 80 100

0 10 20 30 40 50 60

Messdauer [s]

V106 V107 V108 V109 V110 V110oF ohne Füllstoff

Polyamin

(21)

Mit AKD 5 (Abbildung 17) wird bei „vollständigem“ AKD-Eintrag ein sehr gutes Leimungser- gebnis erreicht. Aus der Spreizung der Kurven bei der halbierten Menge AKD erkennt man, dass in diesem niedriger geleimten Bereich eine größere Empfindlichkeit gegenüber dem Retentionsmittel eintritt.

AKD 5 - VPM

vollständige und halbierte AKD-Menge

0 20 40 60 80 100

0 10 20 30 40 50 60

Messdauer [s]

V120 V121 V122 V122oF V123 V124 V125 vollständige Menge bzw. halbiert ohne Füllstoff

halbierte Menge

Abbildung 17 PDA-Penetrationskurve für AKD 5 mit verschiedenen Retentionsmitteln und unter- schiedlichen AKD-Mengen

Abbildung 18 demonstriert mehrere Einflussfaktoren am Beispiel des AKD 2. Obwohl allge- mein bekannt ist, dass die AKD-Leimung von Holzstoffen gegenüber Zellstoff schwieriger ist, wird in diesem Fall unerwarteter Weise mit dem TMP das beste Leimungsergebnis erzielt.

Ein fast deckungsgleiches Ergebnis liefert auch AKD 5 in Verbindung mit TMP.

Der Kurvenverlauf mit der Kennzeichnung Zellstoff entspricht dem AKD-Eintrag in die Ar- beitsbütte bei 0,3 % Stoffdichte (= Stoffauflauf-SD). Demgegenüber stehen die unteren Kur- ven. In diesem Fall wurde nur die Hälfte der vorgenannten AKD-Menge dem so genannten Dickstoff in der Pulper-Ableerbütte bei einer Stoffdichte von ca. 4 % zugegeben. Auch hier ist wieder eine größere Differenzierung bezüglich der Retentionsmittel erkennbar. Die Verweil- zeit des AKD in wässriger Suspension bis zum Verbrauch auf der Maschine war in diesem Fall deutlich länger, hat aber noch nicht zur Hydrolysierung des AKD geführt.

(22)

AKD 2 - VPM

0 20 40 60 80 100

0 10 20 30 40 50 60

Messdauer [s]

V106 V108 V109 V110 V132 V133 V134 V135 V136 V137 mit TMP

mit Zellstoff

halbierte Menge zum Dickstoff

Abbildung 18 PDA-Penetrationskurve für AKD 2 mit verschiedenen Retentionsmitteln, unterschiedli- chen Faserstoffen und verschiedener Zugabestelle

4.3 Praxisversuch (1)

4.3.1 Versuchsbeschreibung

Der nachfolgend beschriebene Praxisversuch erfolgte an einer Papiermaschine, auf der h’fr weißes Druckpapier, 80 g/m² , gefüllt, erzeugt wurde. Die Masseleimung erfolgte mit Harz- leimdispersion – PAC – Makropartikel-Retentions-System. Zusätzlich wurde Massestärke eingesetzt. Die integrierte Oberflächenleimung erfolgte mit Stärke und Mischpolymer.

Ziel dieses Versuchs war die Untersuchung der Auswirkungen von Sprungfunktionen bezüg- lich Prozessdaten und Produktqualität (vgl. Bemerkungen in Absatz 3.7). Die Sprungfunktio- nen bestanden im Wesentlichen aus

• Verdopplung bzw. totale Ausschaltung der Masseleimung inkl. PAC

• Abschaltung der Oberflächenleimung

• Abschaltung von Retentionsadditiven (Stärke und Mikropartikel)

• Abschaltung von Ausschuss (Rückstoff)

• 100 % entsprechen der Zugabemenge gemäß betrieblicher Standardrezeptur.

Die Abbildung 19 liefert einen pauschalen, visuellen Überblick über die Versuchsreihen an Hand der Messergebnisse der Leimung.