Untersuchungen zum Recyclingverhalten von barrierebeschichteten Packmit- teln aus Papier, Karton und Pappe
J. Strauß
Zusammenfassung
Eine wesentliche Voraussetzung für die Verwendung und damit für den Verbrauch von Packmitteln aus Papier, Karton und Pappe ist die Sicherstellung der stofflichen Verwertbar- keit im Rahmen des Papierrecyclings. Die primäre Aufgabe von Verpackungen ist es, den Schutz des Packgutes während der Warendistribution sicherzustellen. Um dieser Aufgabe gerecht zu werden, müssen Packstoffe aus Papier und Pappe für bestimmte Anwendungen (Barrierewirkung) einer Veredelung unterzogen werden. Neben Folienkaschierungen bzw.
Extrusionsbeschichtungen werden in jüngster Zeit Funktionsstriche unterschiedlichster Zu- sammensetzung für diesen Zweck verwendet.
Der Beitrag gibt einen Überblick über wesentliche, heute auf dem Markt befindliche Barriere- beschichtungen auf Basis wässriger Polymerdispersionen und gibt Auskunft über das Recyc- lingverhalten und damit über das Störpotenzial bei der Aufbereitung solcher beschichteter Produkte sowie bei der Verwendung des daraus erzeugten Faserstoffes. Basierend auf die- sen Kenntnissen werden Empfehlungen sowohl für die recyclinggerechte Gestaltung der beschichteten Packmittel abgeleitet als auch Möglichkeiten zur Vermeidung bzw. Reduzie- rung von Schwierigkeiten durch eine optimierte Altpapieraufbereitungstechnologie aufge- zeigt.
Summary
One essential prerequisite for the use and thus consumption of packages of paper, paper- board and board is that there be a guarantee that such articles can be reused within the framework of paper recycling. The primary function of packages is to ensure that packaged goods are protected while they are being shipped and distributed. To meet these require- ments, packaging materials of paper and board must be upgraded for specific applications (barrier effect). In addition to lamination and extrusion coating, functional coatings have re- cently emerged for this purpose that vary in their composition.
This paper provides an overview of important polymer-dispersion-based barrier coatings cur- rently on the market. It also provides information about the recycling behaviour of coated products. This in turn demonstrates their disturbing potential in the treatment and use of pulps made of them. In view of these findings, recommendations are made for the recycling- oriented design of coated packages and possibilities are presented on how to avoid or mini- mise difficulties based on optimised recovered paper treatment technology.
1 Einleitung
Beim Verbrauch von Verpackungen in Deutschland nehmen Packstoffe aus Papier, Karton und Pappe die führende Rolle ein. Ein wesentlicher Aspekt bei der Herstellung und der Ver- edelung von Packmitteln aus Papier, Karton und Pappe ist die Sicherstellung ihrer stofflichen Verwertbarkeit im Rahmen des Papierrecyclings. Unter dem Aspekt der gesetzlichen Maß- gaben (Verpackungsverordnung) stellt dies eine zwingende Notwendigkeit dar.
Papier, Karton und Pappe sind Werkstoffe, die aus nachwachsenden oder rezyklierten Roh- stoffen hergestellt werden und unter Berücksichtigung der Veränderungen, die ihre Bestand- teile beim Rezyklieren erfahren, grundsätzlich stofflich wiederverwertet werden können. Die Vielfalt der Anforderungen, die die in der Weiterverarbeitung erzeugten Fertigprodukte auf der Basis von Papier, Karton und Pappe erfüllen müssen, macht jedoch häufig die Kombina- tion mit anderen Materialien und Hilfsmitteln erforderlich. Dadurch kann die grundsätzlich gegebene Rezyklierbarkeit des Produkts eingeschränkt oder gar unmöglich gemacht wer- den.
Verpackungen aus Papier, Karton und Pappe werden in vielfältiger Form hergestellt. Ihre primäre Aufgabe ist es, den Schutz des Packgutes während der Warendistribution sicherzu- stellen. Die gestellten Aufgaben können Verpackungen in der Regel nicht erfüllen, wenn sie ausschließlich aus Papier und Pappe hergestellt werden. Ein wesentlicher Grund dafür ist die mangelnde Barrierewirkung, die der poröse Werkstoff Papier aufweist. Packstoffe aus Papier und Pappe müssen deshalb häufig in unterschiedlichem Umfang veredelt, d.h. mit anderen Stoffen oder Materialien kombiniert werden. Dies gilt insbesondere für solche Pro- dukte, die Barriereeigenschaften gegenüber Wasserdampf oder Fett besitzen müssen. Ne- ben Folienkaschierungen bzw. Extrusionsbeschichtungen werden in jüngster Zeit auch Funk- tionsstriche unterschiedlichster Zusammensetzung für diesen Zweck verwendet.
Im Rahmen der nachfolgend beschriebenen Untersuchungen sollte geklärt werden, ob die heute auf dem Markt befindlichen Barrierebeschichtungen auf Basis wässriger Polymerdis- persionen bzw. die beschichteten Produkte recyclingfähig sind und von welchen Parametern diese Eigenschaft abhängt. Basierend auf diesen Kenntnissen sollten Empfehlungen sowohl für die recyclinggerechte Gestaltung der beschichteten Packmittel abgeleitet als auch Mög- lichkeiten der Vermeidung bzw. Reduzierung von Schwierigkeiten durch eine optimierte Alt- papieraufbereitungstechnologie aufgezeigt werden.
2 Barrierebeschichtung
Die Aufgaben der Barriere im Verpackungsbereich können sehr vielfältig sein. Das Ziel ist in jedem Fall, einen optimalen Warenschutz zu garantieren. Je nach Anforderung können da- her folgende Aufgaben zu erfüllen sein:
Verhinderung des Eindringens von Fetten oder Ölen in das Fasergefüge (fettabweisende Filme), z.B. aus Lebensmitteln oder Tiernahrung,
Wasserbeständigkeit, Wasserdampfbeständigkeit, z.B. bei trockenen Lebensmittel, tief- gekühlten Fertiggerichten (Verhinderung des Frostbrandes),
Gasdichtigkeit (z.B. Sauerstoffbarriere),
Beständigkeit gegenüber Lösungsmittel (lösungsmittelabweisende Filme/Lösungsmittel- Barriere),
Barriere gegen Aromastoffe, Duftstoffe, Schutz des Füllgutes gegen Insektenbefall,
Spezialfälle: Schutzwirkung gegenüber organischen (Bakterien) oder anorganischen (Schwermetalle) Verunreinigungen in recycelten Papier oder Pappe [31].
Die sich daraus ergebenden Anwendungsgebiete für Packmittel aus Papier und Pappe, die
verpackung (u.a. Pizzaschachteln, Fischtrays, Gefrierverpackungen, Keks- und Fleischver- packungen). Außerhalb des Lebensmittelverpackungsbereichs werden barrierebeschichtete Papiere und Kartons u.a. für Poster, Postkarten, Tapeten, heißsiegelfähige Packpapiere, Rieseinschlagpapiere, Verpackungen für Schüttgüter oder Waschpulververpackungen ein- gesetzt.
Barriereschichten werden heute noch zu einem großen Anteil durch das Aufbringen von Kunststoffen auf das Basismaterial bzw. das Kaschieren mit Kunststoff- oder Alufolien oder durch das Aufbringen von Wachs erreicht. Die Gründe für die Entwicklung und den Einsatz von wasserbasierenden Barrierebeschichtungsmitteln waren u.a. die Umgehung der Nachtei- le, die Verbundmaterialen aufweisen, nämlich Probleme mit der Rezyklierbarkeit (hoher An- teil an papierfremden Materialien, Probleme bei der Aufbereitung wie z.B. bei Wachsen), mangelnde Entsorgungsmöglichkeiten (schlechte Kompostierbarkeit) oder die DSD- Lizenzgebührenregelung (höhere Gebühren für Verbunde) [2,3].
Obwohl wässrige Polymerdispersionen für Barriereschichten bereits seit mindestens 15 Jah- ren verfügbar sind, konnten erst in letzter Zeit durch Entwicklung spezieller Emulsionspoly- mere die geforderten Barriereeigenschaften erzielt werden. Die wesentlichen Vorteile dieser Beschichtungsmedien sind eine schnelle, einfache Verarbeitbarkeit (u.a. auf Streichmaschi- nen innerhalb der Papiererzeugungslinie) und daraus resultierend hohe Produktionsge- schwindigkeiten für das beschichtete Material. Weiterhin erfüllen diese Produkte die Anforde- rungen an die Verpackung von Lebensmittel (Barriereeigenschaften, lebensmittelrechtliche Unbedenklichkeit), an die Bedruckbarkeit oder die Verschließbarkeit (z.B. Siegelfähigkeit).
Heute häufig eingesetzte Barrierebeschichtungsmittel sind wässrige Dispersionen von nied- rig oder hochmolekularen Polymerteilchen basierend auf Acrylaten, Methacrylaten, Styrolen, Butadienen, Vinylacetaten, Olefinen oder Fluorpolymere (Fluorchemikalien). Dabei können vielfältige Modifikationen über die Auswahl der Co-Monomere, der Polymerarchitektur (Mole- kulargewicht, Vernetzungsgrad) oder über den Zusatz von Hilfsmitteln erzielt werden [2,4-8].
3 Bedeutung der Rezyklierbarkeit von Produkten aus Papier und Pappe
Aus ökologischen und ökonomischen Gründen wird heute - forciert durch die abfallwirtschaft- lichen Zielsetzungen - von Produkten aus Papier, Karton und Pappe erwartet, dass sie nach dem Gebrauch stofflich wiederverwertet können. Eine wesentliche Voraussetzung ist in die- sem Zusammenhang die Rezyklierbarkeit bzw. ein recyclinggerechtes Verhalten der veredel- ten Packstoffe.
Hauptziel der stofflichen Verwertung von Papier-, Karton- und Pappeerzeugnissen durch die Papierindustrie ist das Recycling der papiereigenen Stoffe. Der Schwerpunkt liegt dabei fast ausschließlich auf der Rückgewinnung der Faserstoffe. Da es nicht das Ziel des Papier- Recyclings ist, papierfremde Bestandteile stofflich zu verwerten, müssen sie lediglich die Anforderung erfüllen, 'recyclinggerecht' zu sein. D.h. sie dürfen die Verfahren zur Altpapier- aufbereitung und zur Papierherstellung nicht stören, Kreislauf- und Abwässer nicht unzumut- bar belasten sowie die Qualität des aus dem aufbereiteten Stoff hergestellten Neupapiers nicht beeinträchtigen. Aus diesem Grund kommt der Bewertung des Störpotenzials der zu rezyklierenden Erzeugnisse eine große Bedeutung zu. Zu diesem Problemkreis sind insbe- sondere die klebenden Verunreinigungen (Stickys) oder die anionischen Störstoffe im Was- serkreislauf zu rechnen. So sind Stickys nach wie vor Ursache der meisten schwerwiegen- den Probleme bei der Altpapieraufbereitung bzw. bei der Erzeugung altpapierhaltiger Papie- re. Klebende Verunreinigungen können sich an Anlagenteilen der Papiermaschine ablagern.
Folgen dieser Ablagerungen sind erhöhte Stillstandszeiten und ein erhöhter Wartungsauf- wand. Dies wirkt sich bei den modernen, schnell laufenden Papiermaschinen durch beson- ders hohe Produktionsausfälle aus. Klebende Verunreinigungen beeinträchtigen die Papier- qualität, z.B. durch transparente Flecken und Löcher. Diese Papierfehler können zu Rekla-
mationen beim Verarbeiter, z.B. infolge schlechter Be- und Verdruckbarkeit führen und damit ebenfalls erhebliche Kosten verursachen.
Im Zusammenhang mit Barrierebeschichtungen wird häufig unter dem Begriff ‚Rezyklierbar- keit‘ ausschließlich die Zerfaserbarkeit (‚repulpability‘) beim Aufbereitungsprozess verstan- den. So erlauben in der Regel diese Beschichtungen eine vollständige Zerfaserung des Pa- piers bzw. Kartons beim AP-Aufbereitungsprozess. Mit Aussagen zu Zerfaserbarkeit allein kann aber das Recyclingverhalten dieser Beschichtungen im Altpapier-Neupapier-Kreislauf nicht charakterisiert werden. Hier sind insbesondere Aussagen zur möglichen Bildung von Stickys bzw. zu unerwünschten Wechselwirkungen mit Papierhilfsmittel beim Erzeugungs- prozess (Bildung von Sekundär-Stickys) notwendig.
4 Untersuchte Materialien
Eine Übersicht über diejenigen Produktklassen, die heute am Markt anzutreffen sind, bildete die Basis für die Auswahl der zu untersuchenden Produkte. Dazu wurde im Vorfeld eine Marktanalyse über beschichtete Packmittel durchgeführt. Der Schwerpunkt der Untersu- chungen lag auf den wasserbasierenden Polymerbeschichtungen. Zum Vergleich wurden auch einige ausgewählte Vertreter von Beschichtungen auf Basis von Fluorchemikalien so- wie auf Basis von Paraffinen/Paraffinemulsionen in die Untersuchungen mit einbezogen [9,10].
Im Vordergrund der Betrachtung standen die Beschichtungsmittel und ihr Verhalten beim Recyclingprozess und nicht die jeweiligen Substrate. Auch wenn man sich nur auf die Be- schichtungsmittel konzentriert, ergibt sich ein äußerst heterogenes Bild sowohl hinsichtlich der chemischen Zusammensetzung als auch hinsichtlich des Einsatzbereiches der unter- suchten Produkte. Bei dem Versuch einer Einteilung in verschiedene Substanzklassen wur- de hinsichtlich des Basispolymers des jeweiligen Beschichtungsmittels unterschieden. In jede Substanzklasse wurden die verschieden Vertreter der zur Verfügung stehende Proben eingruppiert. Ziel war u.a. herauszufinden, ob sich unterschiedliche Kategorien (Substanz- klassen - Polymerarchitektur) auch unterschiedlich hinsichtlich ihrer Aufbereitung verhalten.
In diesem Zusammenhang sei darüber hinaus erwähnt, dass neben den für das Basispoly- mer des Beschichtungsmittels verwendeten Monomeren, die Art der Polymerisation (Copo- lymerisation) sowie Art und Menge der Zusatzstoffe (z.B. anorganische Füllstoffe, Wachse, Harze...) über die Eigenschaften der Beschichtung entscheiden.
Tabelle 1: Einteilung der Beschichtungsmittel in verschiedene Substanzklassen (I)
Substanzklasse des Beschichtungsmittels (chemische Charakterisierung)
Einsatzzweck der Produkte Barriereeigenschaft gegenüber Dispersion auf Basis Styrol-Butadien Wasser, Wasserdampf
Dispersion auf Basis Acrylsäure / Acryl- säureester (Acrylat)
Wasser, Wasserdampf, Öle, Fette, Aromastoffe Dispersion auf Basis Vinylacetat Wasser, Fett
Dispersion auf Basis Styrol-Acrylat Wasser, Wasserdampf, Fette, Öle Dispersion auf Basis Styrol-Butadien /
Acrylat
Wasserdampf, Fette
Zum Vergleich wurden ergänzend einige ausgewählte Vertreter von Beschichtungen auf Ba- sis von Fluorchemikalien sowie auf Basis von Paraffinemulsionen in die Untersuchungen mit einbezogen.
Tabelle 2: Einteilung der Beschichtungsmittel in verschiedene Substanzklassen (II)
Substanzklasse des Beschichtungsmittels (chemische Charakterisierung)
Einsatzzweck
Barriereeigenschaft gegenüber Fluorchemikalien Fette
Kombination Fluorchemikalien und Sty- rol-Butadien
Wasser, Fette
Paraffinemulsion Wasser
Fluorchemikalien
Dispersion - Basis Acrylsäure/-ester Dispersion - Basis
Vinylacetat Dispersion - Basis
Styrol-Acyrlat
Dispersion - Basis Styrol-Butadien-Acrylat
Dispersion - Basis Styrol-Butadien Kombination - Fluor- chemikalien / Styrol-Butadien
Paraffinemulsion
Abbildung 1: Anteil des Probenaufkommens innerhalb der Substanz-/Polymerklassen
Das Ergebnis der Analyse der Substanz- bzw. Polymerklassen der in die Untersuchungen einbezogenen Proben repräsentiert recht gut den heutigen Markt für wasserbasierende Bar- rierebeschichtungen. So entspricht diese Aufteilung den Aussagen der Beschichtungs- hersteller hinsichtlich der Marktanteile der Substanzklassen. Den weitaus größten Anteil stel- len dabei Styrol-Butadien-Copolymerdispersionen gefolgt von Dispersionen auf Basis von Styrol-Acrylaten.
5 Durchgeführte Untersuchungen - Prüfung des Recyclingverhaltens an den ver- schiedenen zur Verfügung stehenden Materialien
Die ausgewählten Produkte wurden im Rahmen einer systematischen Untersuchung im La- bor einer Aufbereitung unterzogen, wobei die verfahrenstechnischen Prozesse der Altpa- pieraufbereitung simuliert wurden. Das Verhalten bei der Aufbereitung hinsichtlich möglicher Störungen (z.B. Stickys) sowie die anfallenden Reststoffmengen wurden erfasst.
Hinsichtlich der Bewertung des Recyclingverhaltens wurden folgende Kriterien herangezo- gen:
das Zerfaserungsverhalten,
die Abtrennbarkeit vorhandener Störstoffe mittels Sortierung,
das Potenzial zur Stickybildung (störungsfreie Blattbildung; Wasserbelastung - Störpoten- tial möglicher Wasserinhaltsstoffe) und die
Eigenschaften des wiedergewonnenen Faserstoffs (optische Inhomogenitäten).
Im Vordergrund der Untersuchungen stand die Bewertung eines möglichen Störpotenzials bei der Wiederverwertung im Recyclingkreislauf, welches auf die beschichteten Produkte bzw. die Beschichtungsmittel zurückzuführen ist.
Beschichtete Packstoffe
Wasserbasierende Beschichtungsmittel
Suspendierung / Zerfaserung
Siebsortierung
Durchlauf
Zerfaserungsverhalten Zerfaserungsverhalten
Filtratbewertung – Störpotenzial mög- licher Wasserinhaltsstoffe:
Gehalt an anionischen Störstoffen durch Polyelektrolyttitration, CSB, Fällung anionischer Inhaltsstoffe, Ablagerungsver- halten von potenziell klebenden Stoffen
Filtratbewertung – Störpotenzial mög- licher Wasserinhaltsstoffe:
Gehalt an anionischen Störstoffen durch Polyelektrolyttitration, CSB, Fällung anionischer Inhaltsstoffe, Ablagerungsver- halten von potenziell klebenden Stoffen
Filtrat
Bewertung des Abtrennverhaltens von Störstoffen
Bewertung des Abtrennverhaltens von Störstoffen
störungsfreie Blattbildung störungsfreie Blattbildung Faserstoff-
suspension
Abbildung 2: Untersuchungsschema
In der Mehrzahl standen die zu untersuchenden Proben als fertige, beschichtete Produkte zur Verfügung. Handelte es sich bei den Proben um Materialien von Beschichtungsmittelher- stellern, so wurden die Beschichtungen in den entsprechenden anwendungstechnischen Labors praxisnah auf ein geeignetes Substrat appliziert und dieses in der Regel – im unbe- schichteten Zustand als Referenz mit zur Verfügung gestellt. Lag nur das Beschichtungsmit- tel für die Untersuchungen vor, wurden die Beschichtungen im Labor selbst durchgeführt.
Als Basis für die o.a. Untersuchungsmethodik diente die PTS-Methode PTS-RH 021/97:
Kennzeichnung der Rezyklierbarkeit von Packmitteln aus Papier, Karton und Pappe sowie von grafischen Druckerzeugnissen [11]. Bei der Aufbereitung der beschichteten Papiere werden im Rahmen dieser Methode die verfahrenstechnischen Prozesse der Altpapieraufbe- reitung im Labor simuliert. Angewandt wurden dabei die Prüfkriterien für Produkte, die vor- wiegend für die Herstellung von Verpackungspapieren oder Kartons eingesetzt werden. Je nach Prüfergebnis werden die Produkte als rezyklierbar, bedingt rezyklierbar oder nicht rezyklierbar bewertet. Bedingt rezyklierbar sind Produkte, die entweder einen erhöhten Fremdstoffanteil aufweisen, nicht ausreichend wiederzerfaserbar sind oder wenn die aus dem aufbereiteten Stoff hergestellten Prüfblätter ein optisches störendes Erscheinungsbild (Schmutzpunkte, transparente Stellen) aufweisen. Produkte der Bewertungsstufe nicht re- zyklierbar weisen einen Fremdstoffanteil bzw. einen nichtzerfaserbaren Anteil auf, der über
einem Grenzwert liegt oder deren Prüfblätter Klebewirkung zeigen, die beim Blattklebetest zu Beschädigungen führen.
Bei Beschichtungen können bei der Altpapieraufbereitung Bestandteile der Beschichtung in Lösung gehen bzw. feindisperse/kolloidale Partikel bilden, die über die Sortiereinrichtungen bei der Altpapieraufbereitung nicht abgetrennt werden können. Diese Partikel bleiben im Fa- serstoff oder werden über die verschiedenen Eindick- bzw. Entwässerungsstufen bei der Altpapieraufbereitung mit dem Prozesswasser weitergeführt. Mit den heute vorhandenen eingeengten bzw. teilweise geschlossenen Wasserkreisläufen in den Papierfabriken kann es damit zu einer Aufkonzentration dieser potenziell klebenden Bestandteile kommen. Diese feindispersen und kolloidalen Stickys (Mikro-Stickys) können an der Papiermaschine zu Ab- lagerungen und damit zu Abrissen oder Fehlstellen im Papier führen.
Die PTS-Methode PTS-RH 021/97 beinhaltet keine Prüfung einer möglichen Belastung des Prozesswassers durch Bestandteile der Beschichtungen. Aus diesem Grund erfolgt eine wei- terführende Charakterisierung des Störpotenzials möglicher Wasserinhaltsstoffe (feindisper- se/kolloidale potenziell klebende Verunreinigungen – Mikro-Stickys) an den Filtraten des zer- faserten Altpapierstoffes. Während für die Messung der grobdispersen Stickys > 100 µm grundsätzlich befriedigende Messmethoden verfügbar sind, entziehen sich die feindisper- sen/kolloidalen Stickys immer noch einer zuverlässigen Messung. Aus diesem Grund werden mehrere Messverfahren, die indirekt Hinweise über den Gehalt geben, angewendet. Im ein- zelnen waren dies:
die Polyelektrolyttitration zur Bestimmung des Gehalts an anionischen Störstoffen (PTS- RH 001/93),
die Bestimmung des chemischen Sauerstoffbedarfs (CSB),
die Fällung anionischer Inhaltsstoffe (INGEDE-Methode 06/97), sowie
die Bestimmung des Ablagerungsverhaltens von potenziell klebenden Stoffen (modifizier- te Form der INGEDE-Methode 09/99).
6 Untersuchungsergebnisse
Die Messergebnisse bezüglich Zerfaserungsverhalten, anfallender Reststoffmenge und Stör- stoffproblematik wurden zusammenfassend bewertet, um so eine Übersicht über die Re- zyklierbarkeit der unterschiedlichen Beschichtungsmaterialien bzw. ihrer Applikation zu er- halten. In einem ersten Schritt wurde eine Gesamtübersicht über das Recyclingverhalten der im Rahmen des Projekts untersuchten Proben erstellt. Darauf aufbauend wurde eine detail- liertere Analyse des Verhaltens der Beschichtungsmaterialien durchgeführt. Bei dieser wur- den die Beschichtungsmittel in unterschiedliche Kategorien (chemische Zusammensetzung) eingeteilt, um damit Rückschlüsse auf besonders problematische Produktkategorien erhalten zu können.
6.1 Fragmentierverhalten der Beschichtungen und Potenzial zur Stickybildung (stö- rungsfreie Blattbildung)
Unter Zuhilfenahme der Ergebnisse der Stippengehaltsbestimmung sowie einer visuellen Bewertung der Rückstände auf der Lochplatte erfolgte eine Eingruppierung des Verhaltens der Beschichtungen. Wie aus Abb. 3 hervorgeht, wiesen die beschichteten Proben ein sehr heterogenes Zerfaserungs- bzw. Fragmentierverhalten auf.
starke bzw. vollständige Zerkleinerung der
Beschichtung teilweise Zerkleinerung
der Beschichtung (kleinflächige Teilchen der
Beschichtung vorhanden)
Beschichtung wenig bzw.
kaum zerkleinert
Aufteilung der untersuchten Proben nach dem Zerfaserungsverhalten
36 % 32 %
32 %
Abbildung 3: Fragmentierverhalten der untersuchten Beschichtungen
Das Fragmentierverhalten gibt erste Hinweise über das Abtrennverhalten der Beschichtung beim Altpapieraufbereitungsprozess. Eine vollständige Zerkleinerung bzw. eine Fragmentie- rung der Beschichtung in sehr kleine Teilchen schlägt sich in einem entsprechenden Verhal- ten bei der Sortierung nieder. Beim Sortierversuch können diese Beschichtungsteilchen auf- grund ihrer Größe die Schlitze passieren. Eine Abtrennung der Beschichtung durch eine Siebsortierung ist deshalb nicht möglich. Die zerkleinerten, feindispersen/kolloidalen Be- schichtungsteilchen verbleiben im Stoff oder – abhängig von der Partikelgröße – im Ab- bzw.
Kreislaufwasser. Dabei ist allerdings zu berücksichtigen, dass das Teilchengrößenspektrum der nach der Zerfaserung vorhandenen Partikel nicht das alleinige Kriterium für das Abtrenn- verhalten ist. Hier spielen auch die Form sowie die Flexibilität der Teilchen eine wichtige Rol- le.
Bei der Bewertung der Rezyklierbarkeit werden gemäß den Bewertungskriterien der PTS- Methode PTS-RH 021/97 Produkte als ‚nicht rezyklierbar‘ beurteilt, wenn die aus dem sortierten Stoff gebildeten Prüfblätter beim Blattklebetest Klebewirkung zeigen, die zu Beschädigungen des Prüfblattes, des Deckblattes oder des Gautschkartons führen. Diese Prüfung der störungsfreien Blattbildung berücksichtigt demnach auch das Sortierverhalten der nach der Zerfaserung in der Stoffsuspension vorliegenden Beschichtungsteilchen. Liegt ein für die Abtrennung mittels Schlitzplatte geeignetes Teilchengrößenspektrum vor und besitzen die Teilchen eine geeignete Form und Flexibilität, so lassen sich diese Teilchen am Trennelement vollständig abtrennen und gelangen nicht mehr in den Gutstoff der Sortierung.
Eine mögliche Klebewirkung kann von dieser Beschichtung nicht mehr ausgehen. Alle Proben bei denen beim Blattklebetest Beschädigungen feststellbar waren, weisen ein hohes Störpotenzial bei der Wiederaufbereitung auf. Über den Blattklebetest hinaus werden die Prüfblätter aus dem sortierten Stoff einer visuellen Prüfung unterzogen. Beurteilt wird, ob das optische Erscheinungsbild (Beschichtungsteilchen im Blatt vorhanden, Schmutzpunkte, transparente Stellen...) störend ist.
Tabelle 3: Aufteilung der untersuchten Proben nach der Gesamtbewertung entsprechend den Krite- rien der PTS-RH: 21/97
Aufteilung der untersuchten Proben - Gesamtbewertung
(Blattklebetest / visuelle Beurteilung)
rezyklierbar 39 %
bedingt rezyklierbar
(optische Inhomogenitäten)
25 %
nicht rezyklierbar 36 %
In Tabelle 3 ist zusammenfassend die Gesamtbewertung gemäß den Kriterien der Re- zyklierbarkeitsmethode PTS-RH: 21/97 wiedergegeben. 36 % der untersuchten Proben wur- den als ‚nicht rezyklierbar‘ eingestuft. In diese Bewertungskategorie wurden auch die Proben mit Beschichtung auf Paraffin-Basis aufgenommen, die zwar keine Klebewirkung zeigten, aber deren Prüfblätter nach dem Blattklebetest starke Verunreinigungen durch Ausbluten der nichtabtrennbaren Beschichtungspartikel aufwiesen. Diese Art der Beschichtung birgt ein hohes Störpotenzial durch eine starke Beeinträchtigung aller Qualitätseigenschaften des Papiers. 25 % der untersuchten Proben wurden als ‚bedingt rezyklierbar‘ eingestuft. Hier war keine Klebewirkung beim Blattklebetest, aber optische Inhomogenitäten zu beobachten, die von kleinen Beschichtungspartikeln im Prüfblatt verursacht waren. Da es sich bei den Proben um Verpackungen handelte, die wiederum nur zur Herstellung von altpapierhaltigen Verpa- ckungspapieren eingesetzt werden, spielen die visuell beobachteten optischen Inhomogeni- täten (kleine Beschichtungspartikel im Blatt) bei der Beurteilung nur eine untergeordnete Rolle. Eine mögliche Qualitätsbeeinträchtigung durch optisch störende Partikel kann gege- benenfalls durch eine wirksame Dispergierung dieser Partikel reduziert werden.
Folgende wesentliche Erkenntnisse lassen sich aus den Untersuchungsabschnitten Frag- mentierverhalten und störungsfreie Blattbildung hinsichtlich des Störpotenzials der Proben ableiten:
Beschichtungen, die sich vollständig zerkleinern und damit bei der Sortierung nicht ab- trennen ließen, führen beim Blattklebetest nicht automatisch zu Klebewirkungen. Abhän- gig von der Partikelgröße verbleiben die zerkleinerten, feindispersen/kolloidalen Be- schichtungsteilchen im Stoff oder gelangen bei der Blattbildung ins Abwasser. Verbleiben die Partikel im Stoff, kann das Verhalten beim Blattklebetest auf die Art der Beschichtung (Chemismus des Beschichtungsmittels – geringe bzw. keine Klebrigkeit) zurückgeführt werden. Weitaus wahrscheinlicher ist es, dass aufgrund der geringen Größe von im Blatt verbliebenen Beschichtungsteilchen – vor allem wenn sie nicht in der Oberfläche einge- bettet werden - keine intensive Klebewirkung mehr ausgeht und so auch keine Beschädi- gungen mehr eintreten können. Voraussetzungen für eine Klebewirkung sind das Vor- handensein von Teilchen, die klebrig sind, sowie ein entsprechendes Teilchengrößen- spektrum.
Die Klebewirkung beim Blattklebetest kann überwiegend auf noch vorhandene Makro- Stickys zurückgeführt werden. Beschichtungen, die nach der Zerfaserung große Teilchen aufweisen, die aber aufgrund ihrer Geometrie bzw. ihrer Verformbarkeit das Trennele- ment bei der Sortierung passieren können, tragen zur Klebewirkung bei. Das Fragmen- tierverhalten der Beschichtungen besitzt einen starken Einfluss auf das Sortierverhalten und damit auf das Störpotenzial. Partikelgrößenspektrum, Geometrie sowie die Verform- barkeit der nach Zerfaserung vorliegenden Teilchen sind die ausschlaggebenden Fakto- ren für eine vollständige Abtrennung bei der Sortierung.
6.2 Filtratbewertung – Störpotenzial möglicher Wasserinhaltsstoffe
Die Prüfung einer möglichen Belastung des Prozesswassers durch Bestandteile der Be- schichtungen (feindisperse/kolloidale potenziell klebende Verunreinigungen – Mikro-Stickys) erfolgte an den Filtraten des zerfaserten Altpapierstoffes.
Hinsichtlich der Messergebnisse aller untersuchter Proben lassen sich nach der Auswertung folgende Feststellungen treffen:
Unter Berücksichtigung der Signifikanz (Streubreite) der Messwerte für die CSB- Bestimmung, konnte für die Mehrzahl der untersuchten Produkte kein Unterschied im CSB-Wert zwischen beschichteten und unbeschichteten Proben festgestellt werden. Nur für wenige Produkte war ein signifikanter Unterschied feststellbar, wobei sich die Abso- lutwerte auf einem relativ niedrigen Niveau bewegen.
Hinsichtlich der Messergebnisse für den kationischen Bedarf (Verbrauch an kationischen Polymeren bei der Titration zum Ladungsnullpunkt – PCD-Wert), zeigen einige Produkte relativ hohe Werte, was auf ein erhöhtes Störpotenzial schließen lässt (ein hoher Wert für den kationischen Bedarf, d.h. eine hohe anionische Ladung von Filtratinhaltsstoffen, birgt die Gefahr von Reaktionen mit kationischen Additiven, wie sie z.B. beim Papierherstel- lungsprozess eingesetzt werden; wenn solche Wechselwirkungen auftreten, besteht die Gefahr der Bildung von Sekundär-Stickys).
Hinsichtlich der Menge des Fällprodukts der verschiedenen Proben ergibt sich ein sehr heterogenes Bild. Die Messwerte eines großen Teils der untersuchten Proben liegen auf einem relativ niedrigen Niveau (ein niedriger Wert bedeutet einen geringen Gehalt an po- tenziell klebenden Substanzen). Einige Proben (Beschichtungen einer Versuchsreihe, die im Labor selbst hergestellt wurden) wiesen überdurchschnittlich hohe Werte auf. Hier liegt die Vermutung nahe, dass ein spezifisches Verhalten der beschichteten Proben vor- liegt. Dabei wird vermutet, dass bei der Herstellung die Filmbildung beeinflusst wurde (ü- berdurchschnittliche Zerstörung des Emulgatorsystems), was sich entsprechend auf die Fällung auswirkte.
Die Untersuchungen der Ablagerungsneigung der Inhaltsstoffe der Filtrate zeigen, dass deutliche Unterschiede im Ablagerungsverhalten der verschiedenen Produkte vorhanden sind. So sind unter den untersuchten Produkten auch Beschichtungen, die keine Ablage- rungsneigung aufweisen. Die Unterschiede im Verhalten sind im chemischen Aufbau der Beschichtungen sowie im Abtrennverhalten zu suchen.
Bei der Gesamtbewertung der Filtrateigenschaften wird bezüglich der angewandten Metho- den der Bestimmung der Ablagerungsneigung die höchste Priorität eingeräumt. Die nachfol- gende Tabelle gibt diese Gesamtbewertung wieder. Für eine differenzierte Darstellung wurde den einzelnen Produkten entsprechend dem Störpotenzial ihrer Filtrate eine Rangnummer zugeteilt und nach dem Störpotenzial in drei Klassen (niedriges, mittleres, hohes Störpoten- zial) unterteilt. Wie der Abbildung 4 zu entnehmen ist, weist ein hoher Anteil der untersuch- ten Proben ein geringes Störpotenzial auf.
0 5 10 15 20 25 30
Ranking
niedriges
Stör- potenzial mittleres
Stör- potenzial
hohes Stör- potenzial
Aufteilung der untersuchten Proben [%]
Filtratbewertung (gesamt)
1 2 3 4 5 6 7 8 9
Abbildung 4: Aufteilung der untersuchten Proben nach den Ergebnissen der Filtratbewertung
0 20 40 60 80
niedriges Störpotenzial
Aufteilung der untersuchten Proben [%]
Potenzial zur Stickybildung: Blattklebetest - Filtratbewertung
keine
Klebewirkung
mittleres Störpotenzial Klebewirkung leichte Beschäd.
hohes Störpotenzial Klebewirkung starke Beschäd.
Abbildung 5: Aufteilung der untersuchten Proben: Gegenüberstellung - Bewertung der störungsfrei- en Blattbildung / Filtratbewertung
Bei der Gegenüberstellung der Ergebnisse des Blattklebetests und der Filtratbewertung (Ab- bildung 5) wird deutlich, dass etwa ein Drittel der Proben, die nach den Kriterien des Blatt- klebetests als ‚rezyklierbar‘ (keine Klebewirkung) eingestuft wurden, bei der Filtratbewertung ein mittleres bzw. hohes Störpotenzial aufwiesen. Dies unterstreicht die Bedeutung der Filt- ratbewertung für die Ermittlung des Störpotenzials. Eine weitere interessante Feststellung lässt sich aus dieser Gegenüberstellung ableiten: der überwiegende Teil der Proben, die
beim Blattklebetest als ‚nicht rezyklierbar‘ bewertet wurden, weisen auch bei den Filtratwer- ten ein erhöhtes Störpotenzial auf.
In einer abschließenden Bewertung wird nachfolgend auf Basis aller durchgeführten Unter- suchungen, d.h. unter Einbeziehung der Bewertung der störungsfreien Blattbildung sowie der Filtratbewertung ein Ranking aller untersuchten Proben durchgeführt.
0 10 20 30 40 50
niedriges Stör- potenzial
mittleres Stör- potenzial
hohes Stör- potenzial
Aufteilung der untersuchten Proben [%]
Potenzial zur Stickybildung - Gesamtbewertung
Abbildung 6: Aufteilung der untersuchten Proben nach dem Potenzial zur Stickybildung - Gesamt- bewertung
Bei dieser zusammenfassenden Bewertung wurden den Proben, die beim Blattklebetest leichte Beschädigungen aufwiesen und nach den Kriterien der Rezyklierbarkeitsmethode als
‚nicht rezyklierbar‘ bewertet werden, in die Kategorie ‚mittleres Störpotenzial‘ eingestuft. In die Kategorie ‚niedriges Störpotenzial‘ fallen auch Proben, die kein Störpotenzial besitzen.
Die Ergebnisse der untersuchten Proben zeigten insgesamt ein außerordentlich heterogenes Bild hinsichtlich des Aufbereitungsverhaltens bzw. des Störpotenzials des aufbereiteten Alt- papierstoffes. Abschließend lässt sich feststellen, dass ein Großteil der heute auf dem Markt befindlichen Barriereprodukte nicht bzw. nur eingeschränkt die Anforderungen der „Recyc- lingfreundlichkeit“ erfüllen.
6.3 Recyclingverhalten der untersuchten Proben und ihre Zuordnung zu unter- schiedlichen Substanzklassen
In einer weiteren Analyse des Verhaltens der Beschichtungsmaterialien wurde versucht he- rauszufinden, ob ein möglicher Zusammenhang zwischen dem Aufbereitungsverhalten und der Art des verwendeten Beschichtungsmittels besteht. Basierend auf den zur Verfügung stehenden Informationen über die Zusammensetzung der Beschichtungen, wurde eine Auf- teilung nach verschiedenen Basispolymeren vorgenommen (Substanzklassen).
0 5 10 15 20 25 30
Styrol-Butadien
Styrol-Acrylat
Acrylat
Vinylacetat
SB-Acrylat Fluorche
mikalien
Paraffin 6,8
4,1
11,3
1,5 2,3
0,3 0,1
Rückstand Lochplatte [%]
Abbildung 7: Zerfaserungsverhalten der untersuchten Proben – Aufteilung nach Substanzklassen der Beschichtungen
Abbildung 7 zeigt noch einmal deutlich das große Spektrum hinsichtlich des Zerfaserungs- verhaltens der unterschiedlichen Produkte und zwar nicht nur zwischen den einzelnen Sub- stanzklassen sondern vor allem innerhalb der Substanzklassen. So lassen sich die auf Basis von Styrol-Butadien basierenden Dispersionen zum einen komplett und rückstandsfrei zerfa- sern, zum anderen sind Produkte darunter, die den Desintegrationsvorgang vollständig un- beschädigt überstehen. Auch wenn bei einzelnen Substanzklassen nur eine geringe Anzahl von Proben zur Verfügung standen, wird doch der ausgeprägte Einfluss der Chemie der Be- schichtung auf das Fragmentierverhalten deutlich. Eine wesentliche Rolle für das Zerfase- rungsverhalten spielt dabei der Polymerkörper der Beschichtung, dessen Eigenschaften die Festigkeit des Dispersionsfilmes beeinflussen. Zieht man die Monomereigenschaften heran, so weist beispielsweise Polybutadien eine sehr niedrige Glasübergangstemperatur (-83 °C) auf und besitzt damit eine hohe Weichheit. Styrol dagegen besitzt eine sehr hohe Glasüber- gangstemperatur (100 °C) und damit eine hohe Härte. Je nach Auswahl der Monomere las- sen sich daher die Filmeigenschaften über die Polymereigenschaften beeinflussen. Darüber hinaus beeinflussen auch die Zusatzstoffe, wie z.B. die Füllstoffe (Pigmente, Wachse, Siliko- ne...) die Eigenschaften. Diese Ergebnisse machen deutlich, dass über den chemischen Aufbau die Möglichkeit besteht, das Fragmentierverhalten zu steuern.
Diese Erkenntnis lässt sich auch auf die Ergebnisse der Filtratbewertung übertragen. Stell- vertretend für die Ergebnisse der einzelnen Untersuchungen zur Filtratbewertung sind nach- folgend die Ergebnisse der Untersuchungen zur Ablagerungsneigung wiedergegeben.
Styrol-Butadien
Styrol-Acrylat
Acrylat
Vinylacetat
SB-Acrylat Fluorche
mikalie n
Paraffin
Ablagerungsneigung der Beschichtungen
Zunehme n de Abl ager u ngsnei gung
Abbildung 8: Ablagerungsneigung der Inhaltsstoffe der Filtrate der beschichteten Proben – Auftei- lung nach Substanzklassen der Beschichtungen
Bei der Ablagerungsneigung zeigt sich - ebenso wie bei den Ergebnissen der CSB- und PCD- Bestimmung sowie der Fällung - eine große Spannweite innerhalb der einzelnen Sub- stanzklassen, wobei Produkte auf Basis von Styrol-Butadien die größte Spannbreite und damit auch die höchste Ablagerungsneigung aller untersuchter Proben aufweisen. Aufgrund dieser Spannbreite ist auch keine Tendenz zu erkennen, welche Substanzklassen im Ver- gleich ein erhöhtes Ablagerungsverhalten aufweisen.
Nachfolgend sind die Gesamtbewertung der Filtratuntersuchungen sowie die Ergebnisse der Ermittlung der störungsfreien Blattbildung wiedergegeben (Abbildungen 9 und 10). Diese Ergebnisse bilden die Basis für die zusammenfassende Bewertung hinsichtlich des Potenzi- als zur Stickybildung der Beschichtungen - aufgeteilt nach den Substanzklassen (Abbildung 11).
0 20 40 60 80 100
Styrol-Butadien
Styrol-Acrylat
Acr ylat
Vinylacetat
SB-Acrylat
Fluorchemikalien
Paraffin
hohes Störpotenzial mittleres Störpotenzial niedriges Störpotenzial Filtratbewertung (gesamt) - Aufteilung der Proben [%]
Abbildung 9: Ergebnisse der Filtratbewertung der Beschichtungen – Aufteilung nach Substanzklas- sen der Beschichtungen
0 20 40 60 80 100
Styrol-Butadien
Styrol-Acrylat
Acr ylat
Vinylacetat
SB-Acrylat
Fluorchemikalien
Paraffin
Klebewirkung - starke Beschädigung Klebewirkung - leichte Beschädigung keine Klebewirkung
Aufteilung der Proben nach dem Blattklebetest [%]
Abbildung 10: Ergebnisse der Bewertung der störungsfreien Blattbildung – Aufteilung nach Sub- stanzklassen der Beschichtungen
0 20 40 60 80 100
Styrol-Butadien
Styrol-Acrylat
Acrylat
Vinylacetat
SB-Acrylat
Fluorchemikalien
Paraffin *
hohes Störpotenzial mittleres Störpotenzial niedriges Störpotenzial Potenzial zur Stickybildung (Gesamtbewertung)
Aufteilung der Proben [%]
* wegen starken ‚Ausblutens‘
Abbildung 11: Potenzial zur Stickybildung (Gesamtbewertung) – Aufteilung nach Substanzklassen der Beschichtungen
Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass eine Zuordnung des Verhaltens der einzelnen untersuchten Produkte zu ihrer jeweiligen Substanzklasse nur eingeschränkt möglich war.
Gewisse Tendenzen, z.B. beim Fragmentierverhalten, sind vorhanden, wenn man die Härte des Polymerkörpers (Glasübergangstemperatur der verwendeten Monomere) berücksichtigt.
Auch weisen Proben auf Basis Vinylacetat sowohl bei der Filtratbewertung als auch bei der Beurteilung der störungsfreien Blattbildung ein hohes Störpotenzial auf. Deutlich werden die Freiheitsgrade, die beim Aufbau bzw. bei der Modifizierung der Polymerarchitektur innerhalb der Substanzklasse möglich sind. Je nach Auswahl der Monomere lassen sich daher über die Polymereigenschaften die Filmeigenschaften beeinflussen. Darüber hinaus beeinflussen auch die Zusatzstoffe, wie z.B. die Füllstoffe (Pigmente, Wachse, Silikone...) die Eigenschaf- ten. Um hier im einzelnen mögliche Zusammenhänge zwischen Formulierung und Rezyklier- barkeit aufzeigen zu können, sind detailliertere Informationen zur Rezeptur der Beschich- tungsmittel notwendig, welche in der Regel nicht zugänglich sind. Die Beschichtungen auf Basis Paraffin wurden in die Bewertungskategorie ‚hohes Störpotenzial‘ eingestuft, da die Prüfblätter nach dem Blattklebetest starke Verunreinigungen durch Ausbluten der nichtab- trennbaren Beschichtungspartikel aufwiesen. Diese Art der Beschichtung birgt ein hohes Störpotenzial durch eine starke Beeinträchtigung aller Qualitätseigenschaften des Papiers.
7 Empfehlungen für die recyclinggerechte Gestaltung von wasserbasierenden Bar- rierebeschichtungen
Welche Empfehlungen für die recyclinggerechte Gestaltung von wasserbasierenden Funkti- onsbeschichtungen lassen sich aus den Ergebnissen der einzelnen Untersuchungen und unter Berücksichtigung der verfügbaren Informationen über Zusammensetzung bzw. Aufbau der Beschichtungsmaterialien ableiten?
Grundsätzlich sollten sich Beschichtungen durch Eigenschaften auszeichnen, die den erneu- ten Papierherstellungsprozess nicht stören. Störungen in Form von Stickys bzw. Ablagerun- gen lassen sich immer dann am besten vermeiden, wenn es gelingt die Beschichtung bzw.
die Beschichtungsteilchen möglichst vollständig während der Aufbereitung aus dem Prozess abzutrennen. Deswegen sollten Beschichtungsfilme während der Zerfaserung möglichst we- nig zerkleinert werden, damit sie in einer anschließenden Reinigungsstufe quantitativ aussor- tiert werden können. Möglichst wasserresistente, scherfeste Filme (hoher Nasszerkleine- rungswiderstand) lassen sich gut mechanisch abtrennen und minimieren so das Potenzial zur Stickybildung. Bei Produkten, deren Beschichtung nicht vollständig abgetrennt werden kann, sollte sichergestellt werden, dass die feindispersen/kolloidalen Teilchen eine möglichst geringe Störwirkung aufweisen, insbesondere sollte das Risiko zur Bildung von Sekundär- Stickys minimiert werden. Die Abtrennbarkeit sollte dabei erste Priorität besitzen.
Wie die Untersuchungen gezeigt haben, lassen sich die Eigenschaften der Beschichtungen über die Struktur des Polymerkörpers steuern. So unterstützt eine geringe Fragmentierung der Beschichtung ihre Abtrennbarkeit. Entscheidend für das Fragmentierverhalten ist dabei, wie hart oder weich der Polymerkörper ausgerüstet wird. Dies kann über die verwendeten Monomere (Glasübergangstemperatur der Monomere) und ihr Verhältnis zueinander beein- flusst werden. Je härter der Polymerfilm, desto geringer ist die Wahrscheinlichkeit, dass er bei der Stoffaufbereitung zerkleinert wird. Je nach Auswahl der Monomere lassen sich daher über die Polymereigenschaften die Filmeigenschaften beeinflussen. Darüber hinaus kann auch über die Zusatzstoffe, wie z.B. die Füllstoffe (Pigmente, Wachse, Silikone...) Einfluss auf die Filmeigenschaften genommen werden.
8 Mögliche Maßnahmen zur Vermeidung bzw. Reduzierung von Störungen bei der Wiederaufbereitung von beschichteten Packstoffen
Nach wie vor ist es wirtschaftlich am sinnvollsten, die klebenden und damit Ablagerungen verursachenden Substanzen aus dem Altpapieraufbereitungsprozess in konzentrierter Form abzuscheiden. Voraussetzung dafür ist, dass die Beschichtungen möglichst wasserresisten- te, scherfeste Filme (hoher Nasszerkleinerungswiderstand) bilden. Die von Dispersionen gebildeten Filme sind nur bedingt wasserfest. Es kommt also auch darauf an, dass beim Auf- lösen innerhalb der Altpapieraufbereitung so schonend (schonende Zerfaserung) wie mög- lich vorgegangen wird, damit die empfindlichen Polymerfilme so großflächig wie möglich bleiben und abgetrennt werden können.
Den potenziellen Gefahren, die durch störende Inhaltsstoffe in den Kreislaufwässern bewirkt werden können, kann durch geeignete Maßnahmen zur Verbesserung der Kreislaufwassersi- tuation begegnet werden. Diesen Maßnahmen kommt allgemein eine großen Bedeutung zu, da - wie festgestellt wurde - auch bei Produkten, die eine hohe Abtrennrate zeigten, ein ge- wisser – wenn auch kleiner – Anteil in die Prozesswässer gelangen kann.
Unter Berücksichtigung der Wirtschaftlichkeit ist dafür zu sorgen, dass die Belastung des Prozesswassers unterhalb eines kritischen Niveaus liegt. Dieses hängt von den jeweiligen Betriebsverhältnissen ab und muss deshalb individuell für jede Produktionsanlage betrachtet werden. Als wirkungsvolle Maßnahmen zur Verbesserung der Kreislaufwassersituation kommen eine optimierte Wasserführung bzw. ein entsprechendes umfassendes Wasserma- nagement in der Papierfabrik sowie eine Ausschleusung von störenden Inhaltsstoffen aus den Prozesswässern in Frage, um damit eine Senkung der Wasserbelastung im System zu
erreichen. Möglichkeiten zur Entlastung der Prozesswässer sind zum einen die Erhöhung der spezifischen Abwassermenge, die aus der Altpapieraufbereitung ausgeschleust wird, zum anderen eine interne Reinigung des Kreislaufwassers.
Die Wasserführung in der Papierfabrik ist mit entscheidend für mögliche Störungen des Pro- zesses. In jedem Fall sollte der Papiermaschinenkreislauf das am wenigsten belastete Teil- system sein. Eine strikte Kreislauftrennung von Altpapieraufbereitungskreislauf und Papier- maschinenkreislauf ist die Voraussetzung dafür. Damit werden unnötige Wechselwirkungen der Wasserkreisläufe vermieden (z.B. durch Papierhilfsmittel, die bei der Papierherstellung im Papiermaschinenkreislauf eingesetzt werden und in den Kreislauf des Deinkingprozesses gelangen). Dies kann erreicht werden durch eine starke Eindickung des Altpapierstoffes nach der Altpapieraufbereitung (hohe Übergabestoffdichte). Mit einer Trennung der Kreisläu- fe bzw. der Wasserführung nach dem Prinzip der Gegenstromwäsche (das im Prozess benö- tigte Wasser wird entgegen der Richtung des Stoff-Hauptstroms geführt) werden Störstoffe in der Altpapieraufbereitungsanlage konzentriert. Das so aufkonzentrierte Wasser kann entwe- der in der Altpapieraufbereitungsanlage aus dem Gesamtsystem abgeführt oder dort gezielt einer Reinigung unterzogen werden.
Angestrebt wird heute eine Einengung der Wasserkreisläufe, die eine Mehrfachnutzung der Prozesswässer ermöglichen aber auch eine Anreicherung von organischen und anorgani- schen Bestandteilen im Wasser, die Störungen verursachen können, zur Folge hat. Besteht also keine Möglichkeit die Belastung des Kreislaufes durch die Abwassermenge bzw. den Frischwassereinsatz zu regulieren, kann es notwendig sein, das Kreislaufwasser einer Rei- nigung zu unterziehen.
Durch eine optimierte interne Kreislaufwasserreinigung - optimierter Betrieb einer Mikroflota- tion - können störende Inhaltsstoffe entfernt werden. Voraussetzung für eine optimierte Rei- nigung ist ein gezielter Chemikalieneinsatz bei der Mikroflotation (unterstützender Einsatz von chemischen Hilfsmitteln zum Fällen, Fixieren und Flocken) und eine technisch und wirt- schaftlich optimale Regelung und Steuerung der Chemikaliendosierung. Wenn eine Mikroflo- tation eingesetzt wird, dann sollte sie gezielt für die Reinigung desjenigen Wasserstroms eingesetzt werden, der die höchsten Störstoffbelastung aufweist. Dementsprechend ist die Wasserführung in der Altpapieraufbereitung zu berücksichtigen.
Gelingt es nicht, über die vorhandene Sortier- und Reinigungstechnik die Beschichtungsteil- chen vollständig abzutrennen bzw. weisen die Produkte ein hohes Störpotenzial bei den Filt- raten auf, so können symptombekämpfende Maßnahmen, d.h. Maßnahmen zur Störstoffbe- kämpfung, notwendig werden.
Ablagerungen, für die feindisperse und/oder kolloidale Stickys (Mikro-Stickys) verantwortlich sind, sind vor allem deshalb problematisch, weil sie sich zum Teil erst im Verlauf des Aufbe- reitungs- und Herstellungsprozesses durch sekundäre Reaktionen mit anderen Inhaltsstoffen der Altpapierstoffsuspension bzw. des Kreislaufwassers oder Papierhilfsmitteln bilden und dadurch nur schwer beherrschbar sind. Hilfsmittel, die zu ihrer Bekämpfung eingesetzt wer- den, zielen auf die Reduktion der Klebrigkeit sowie auf die Partikelfixierung an nicht kleben- den Substanzen ab.
Eine Reduzierung der Klebrigkeit von Stickys kann dadurch erreicht werden, dass die kle- benden Partikel durch eine Oberflächenschicht in ihrer Klebrigkeit eingeschränkt werden.
Dies wird durch die Zugabe mineralischer Adsorbenzien oder nicht-ionogener Polymere er- reicht. Eine relativ große Verbreitung haben mineralische Adsorbenzien, vor allem Talk- und Bentonitmineralien, die aufgrund ihrer großen Oberfläche und ihres hydrophoben Charakters Stickys adsorbieren und dadurch maskieren. Zugegeben werden diese Stoffe im Disperger, in den Flotationsgutstofftürmen, vor der Flotation im deinkten Stoff oder vor dem Stapelturm.
Zur Fixierung der Stickys an den Fasern werden meist stark kationische Hilfsmittel einge- setzt. Die Zugabe dieser Fixiermittel erfolgt im Auslauf des Altpapierstoffbehälters oder im Auslauf der Maschinenbütte, aber auch im Stoffauflauf.
Untersuchungen haben gezeigt, dass die Ablagerungsneigung von potenziell klebenden Stoffen durch den Einsatz von Maskierungsstoffen und Fixiermitteln grundsätzlich verhindert bzw. reduziert werden. Welches Hilfsmittel in welchen Mengen zum Einsatz kommen sollte, muss im Einzelfall entschieden werden.
Abschließend sei erwähnt, dass Maßnahmen zur kurzfristigen Symptombekämpfung wie zur Reduktion der Klebrigkeit, zur Partikelfixierung an nicht klebenden Substanzen oder die Dispergierung den Nachteil haben, dass die Stickys die Papierfabrik mit dem altpapierhalti- gen Neupapier verlassen und über den Altpapier-Neupapier-Kreislauf in relativ kurzen Zeit- räumen wieder in die Papierfabrik gelangen. Infolge der in den Prozessen der Altpapierauf- bereitung wirksamen Scherkräfte oder infolge anderer Randbedingungen kann es dann zu einer Reaktivierung des Störpotenzials kommen.
Mögliche Maßnahmen zur Vermeidung bzw. Reduzierung von Störungen bei der Wiederauf- bereitung von beschichteten Packstoffen lassen sich wie folgt zusammenfassen:
• Schonende Zerfaserung zur möglichst vollständigen Abtrennung in der Altpapierstoffauf- bereitung,
• Vermeidung einer Scherbeanspruchung,
• Optimierung der Wasserkreisläufe (Kreislaufwasserführung und -reinigung),
• Gezielter Einsatz von Maskierungs- und Fixiermitteln.
9 Schlussbetrachtung
Die Ergebnisse der Untersuchungen ergaben für die geprüften Materialien insgesamt ein außerordentlich heterogenes Bild hinsichtlich des Aufbereitungsverhaltens bzw. des Störpo- tenzials des aufbereiteten Altpapierstoffes. Dabei zeigte sich, dass ein Großteil der heute auf dem Markt befindlichen Barriereprodukte die Anforderungen, die an recyclinggerechte Pro- dukte zu stellen sind, nicht bzw. nur eingeschränkt erfüllt. Die Untersuchungen lieferten wich- tige Erkenntnisse hinsichtlich der Empfehlungen für die recyclinggerechte Gestaltung der beschichteten Packmittel, wobei entsprechende Maßnahmen aufgrund der Geheimhaltung der Rezepturen nur in Kooperation mit den Beschichtungsherstellern erfolgen können. Die Verfügbarkeit der Untersuchungsmethode, die Messergebnisse und die entsprechende In- terpretation der Resultate aus Sicht des Recyclers liefern dazu einen wichtigen Beitrag. Die im Rahmen des Projektes angewandte modifizierte Vorgehensweise zur Charakterisierung des Recyclingverhaltens lässt eine praxisnahe Bewertung der Recyclingfreundlichkeit von Produkten der Papierveredelung und -verarbeitung zu. Insbesondere die Methode zur Be- wertung der Ablagerungsneigung von potenziell klebenden Stoffen hat sich als wichtiges Werkzeug erwiesen, das allerdings noch weiter zu entwickeln ist (bildanalytische Auswer- tung).
Die erarbeiteten Ergebnisse leisten damit einen Beitrag zur Entwicklung von Packstoffen, die sowohl geforderte Barriereeigenschaften besitzen und zugleich auch den ökologischen An- forderungen entsprechen. Neben der Bereitstellung von Grundlagen zur Produktoptimierung lieferte das Projekt Hinweise zur Vermeidung bzw. Reduzierung von Prozessstörungen oder Qualitätsbeeinträchtigungen.
Danksagung
Die vorliegenden Ergebnisse wurden im Rahmen des Forschungsvorhabens AiF 12 568 ge- wonnen, das durch die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen e. V.
(AiF), Köln, mit finanziellen Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Arbeit geför- dert wurde. Für die Unterstützung sei an dieser Stelle gedankt.
Ansprechpartner Johann Strauß Tel 089/12146-91 j.strauss@ptspaper.de
Papiertechnische Stiftung PTS Heßstraße 134
D-80797 München Tel. (089) 1 21 46-0 Fax (089) 1 21 46-36 e-Mail: infopaper.de Internet: www.ptspaper.de
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Tampere, Finland, June 9 – 10, 1997 5 KIMPIMÄKI T. und K. SANTAMÄKI
Barrier dispersion coating – new feasability for the packaging industry Paperi ja puu 80,249-254 (1998) Nr. 4
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1st International Polymer Dispersion Coating Conference Tampere University of Technology, 1997
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Kennzeichnung der Rezyklierbarkeit von Packmitteln aus Papier, Karton und Pappe so- wie von grafischen Druckerzeugnissen
PTS-Methode PTS-RH 021/97 PTS München, 1997
Verzeichnis der Abbildungen
Abbildung 1: Anteil des Probenaufkommens innerhalb der Substanz-/Polymerklassen Abbildung 2: Untersuchungsschema
Abbildung 3: Fragmentierverhalten der untersuchten Beschichtungen
Abbildung 4: Aufteilung der untersuchten Proben nach den Ergebnissen der Filtratbewertung
Abbildung 5: Aufteilung der untersuchten Proben: Gegenüberstellung - Bewertung der störungsfreien Blattbildung / Filtratbewertung
Abbildung 6: Aufteilung der untersuchten Proben nach dem Potenzial zur Stickybildung - Gesamtbewertung
Abbildung 7: Zerfaserungsverhalten der untersuchten Proben – Aufteilung nach Substanzklassen der Beschichtungen
Abbildung 8: Ablagerungsneigung der Inhaltsstoffe der Filtrate der beschichteten Proben – Aufteilung nach Substanzklassen der Beschichtungen
Abbildung 9: Ergebnisse der Filtratbewertung der Beschichtungen – Aufteilung nach Substanzklassen der Beschichtungen
Abbildung 10:Ergebnisse der Bewertung der störungsfreien Blattbildung – Aufteilung nach Substanzklassen der Beschichtungen
Abbildung 11:Potenzial zur Stickybildung (Gesamtbewertung) – Aufteilung nach Substanzklassen der Beschichtungen
Verzeichnis der Tabellen
Tabelle 1: Einteilung der Beschichtungsmittel in verschiedene Substanzklassen (I) Tabelle 2: Einteilung der Beschichtungsmittel in verschiedene Substanzklassen (II) Tabelle 3: Aufteilung der untersuchten Proben nach der Gesamtbewertung
entsprechend den Kriterien der PTS-RH: 21/97
