PTS-FORSCHUNGSBERICHT IK MF 090022 GEZIELTE STEUERUNG DER MORPHOLOGIE VON HOCHGEFÜLLTEN SPEZIALPAPIEREN DURCH ERFORSCHUNG MATERIAL- UND PROZESSABHÄNGIGER WIRKMECHANISMEN

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PTS-FORSCHUNGSBERICHT IK MF 090022

GEZIELTE STEUERUNG DER MORPHOLOGIE VON

HOCHGEFÜLLTEN SPEZIALPAPIEREN DURCH

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Titel

GEZIELTE STEUERUNG DER MORPHOLOGIE VON HOCHGEFÜLLTEN SPEZIALPAPIEREN DURCH ERFORSCHUNG MATERIAL- UND PROZESS- ABHÄNGIGER WIRKMECHANISMEN

S. Schramm

Inhalt

1 Zusammenfassung ... 2

2 Abstract ... 3

3 Einleitung... 5

4 Versuchsdurchführung... 6

5 Beschaffung und Charakterisierung der Versuchsmaterialien... 8

6 Untersuchung relevanter Einflussparameter auf die Rohstoffverteilung – Papiermaschine / Glättanlage ... 9

7 Auswertung und Untersuchung der Wirkmechanismen auf die Morphologie der Papiere ... 13

8 Optimierte Einflussparameter / Beeinflussung der Rohstoffverteilung- Papiermaschine / Glättanlage ... 25

9 Auswertung und Untersuchung der Wirkmechanismen und Erstellung des Beratungstools ... 28

10 Anwendung des Beratungstools auf die Papiermaschine / Glättanlage... 45

11 Auswertung und Untersuchung der Wirkmechanismen; Prüfung und Fertigstellung des Beratungstools ... 47

12 Wirtschaftlichkeitsrechnung ... 52

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1 Zusammenfassung

Thema Gezielte Steuerung der Morphologie von hochgefüllten Spezialpapieren durch Erforschung material- und prozessabhängiger Wirkmechanismen

Ziel des Projekts Ziel des Forschungsvorhabens war es, die relevanten Maschinen- und Pro- zessparameter einer Langsieb-Papiermaschine und einer Trockenverdich- tungsanlage zu identifizieren, um die Morphologie (Rohstoffverteilung) von hochgefüllten Papieren gezielt zu beeinflussen. Die Arbeiten sollten ermögli- chen, die aufgrund der Vielzahl an möglichen „funktionellen Füllstoffen“ sehr komplexen Wirkmechanismen zu verstehen und damit dem Papierhersteller ermöglichen, die wichtigsten Maschinen- und Prozessparameter vorab in ausreichendem Umfang einstellen zu können. Auf Basis dieser Wirkmecha- nismen sollte das Beratungstool „Hochgefüllte Spezialpapiere“ erarbeitet werden, das für Produktentwicklungen und Prozessoptimierungen in Form einer Dienstleistung genutzt werden kann.

Rohstoffauswahl Innerhalb der Untersuchungen zur Rohstoffauswahl, zeigte sich die Bedeutung der Faserstoffauswahl und der Faserstoffbehandlung. Eine optimale und angepasste Faserstoffauslegung ist Grundlage für das Erreichen eines homo- genen Blattgefüges. Die verfügbare Faseroberfläche entscheidet über das Flockungs- und Entwässerungsverhalten, die Voraussetzung für eine stabile Prozessführung sind. Wird von dem hochgefüllten Spezialpapier eine Weiter- verarbeitbarkeit (z. B. Riffeln oder Falten) abverlangt, so sind Langfaserzusät- ze empfehlenswert. Entscheidend sind zudem die Füllstoffeigenschaften, wie Geometrie, Dichte, Partikelgrößenverteilung, Ladung und spezifische Oberflä- che.

Maschinen- parameter

An der Technikums-Papiermaschine konnte die erfolgreiche Herstellbarkeit hochgefüllter Papiere mit unterschiedlichen Füllstoffen und unter unterschiedlichen Randbedingungen demonstriert werden. Die füllstoffabhängigen Funktio- nen bleiben dabei erhalten. Es zeigte sich, dass Maschinen- und Prozess- parameter entscheidend Einfluss nehmen, wie Siebauswahl, Entwässerungs- geschwindigkeit, Nasspressendruck, Trocknungsprofil sowie Glätt- bzw.

Verdichtungsparameter.

Beratungstool Es wurde ein Beratungstool erarbeitet, das eine systematische Herangehens- weise an die Entwicklung von Spezialprodukten ermöglicht. Die wichtigsten Einflussfaktoren können damit abgestimmt und an das gewünschte Produkt- profil ausgelegt werden. Mit Hilfe des Tools können Anwenderunternehmen mit minimiertem Aufwand und Risiko Produkte auf Basis hochgefüllter Papiere entwickeln. Einem potentiellen Papierhersteller werden somit Irrwege und offene Fragen zum nicht trivialen Herstellungsprozess erspart. Das Beratungs- tool basiert auf einem Entscheidungsbaum, der zu einer konkreten Empfeh- lung für Rohstoff-, Maschinen- und Prozessparameter führt.

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Danksagung Die Ergebnisse wurden im Rahmen des Forschungsvorhabens IK-MF 090022 gewonnen, das im Programm zur "Förderung von Forschung und Entwicklung bei Wachstumsträgern in benachteiligten Regionen" mit finanziellen Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie (BMWi) über den Projekt- träger EuroNorm Gesellschaft für Qualitätssicherung und Technologie mbH aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert wurde.

Dafür sei an dieser Stelle herzlich gedankt.

Unser Dank gilt außerdem den beteiligten Firmen der Papier-, Zuliefer- und Anwenderindustrie für die Unterstützung der Arbeiten.

2 Abstract

Theme Targeted control of the morphology of highly filled specialty papers by the investigation of material and process dependent mechanisms.

Project objective The aim of the research project was to identify the relevant machine and process parameters of a fourdrinier paper machine and a dry calender to be able to control the morphology (raw material distribution) of highly filled papers. The results should lead to an understanding of the complex mechanisms caused by the multitude of „functional fillers“, enabling the paper manufacturer to adjust the most important machine and process parameters sufficiently in advance. Based on these mechanisms, a consulting tool for

„highly filled papers“ was to be developed for product development and process optimization in the context of services to be provided to the paper industry.

Selection of raw materials

The examinations regarding the choice of raw materials showed the impor- tance of fibre selection and treatment. An optimum fibre selection is a prereq- uisite for achieving a homogeneous sheet structure. The available fibre surface is critical to the flocculation and drainage behaviour and necessary for a stable process management. If the highly filled specialty paper is to be converted (e. g. corrugated of folded), the addition of long fibres is advisable.

The filler properties, e. g. geometry, density, particle size distribution, charge and specific surface, are further crucial parameters.

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Machine parameters

The producibility of highly-filled papers with different fillers under various boundary conditions could be validated on the pilot paper machine. The filler- specific functions were retained. The examinations showed that machine and process parameters, like wire material selection, drainage speed, wet press pressure, drying profile and calendering parameters, have a decisive influ- ence.

Consulting tool A consulting tool was developed, permitting the systematic development of special products. The most important parameters can be adjusted to the desired product profile. By means of the tool, industrial users are able to develop products based on highly filled papers with minimized costs and risk.

Potential paper manufacturers can avoid errors and open questions regarding the non-trivial production process. The consulting tool is based on a decision tree leading to concrete recommendations for parameters relevant to raw materials, machine and process.

Acknowledge- ment

The research project IK-MF 090022 was funded by the German Federal Ministry of Economics and Technology BMWi in the programme for the

"Promotion of Research, Development and Innovation in disadvantaged areas" based on the decision of the German Parliament and carried out under the umbrella of EuroNorm in Berlin. We would like to express our warm gratitude for this support.

We would also like to express our thank to the involved paper producing companies, suppliers and user industry for supporting project performance.

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3 Einleitung

Einsatz von Füllstoffen

Der Einsatz von Füllstoffen in Papier erfolgt im Wesentlichen, um gezielt die optischen Eigenschaften (Weiße, Opazität, Glanz), die Oberflächeneigenschaf- ten (z. B. Porosität, Glätte) und die Bedruckbarkeitseigenschaften (Druckglanz, Vermeidung des Durchschlagens und Durchscheinens der Druckfarbe) zu verbessern. Bei den meisten Anwendungen tragen Füllstoffe wegen des deutlichen Preisgefälles zwischen Faser- und Füllstoffen zur Kostenreduzie- rung bei der Papierherstellung bei [1]. Der Füllstoffgehalt marktüblicher Papie- re liegt im allgemeinen bei maximal 40 Gewichtsprozent.

Hochgefüllte Papiere

Ein neuer Ansatz zur Herstellung von Spezialpapieren besteht darin, funktiona- le Füllstoffe im Papier hochgradig anzureichern. Bei Füllstoffgehalten von bis zu 90 Gew.-% wird das Eigenschaftsprofil des Papiers durch den Füllstoff nicht mehr nur ergänzt oder modifiziert, sondern von ihm geprägt. Der Füllstoff mit seinen spezifischen Eigenschaften (z. B. Sinterfähigkeit, Adsorptionskraft, Wärmespeicherkapazität oder elektrische Leitfähigkeit) liegt in „papierartiger“

Konsistenz vor [2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9].

Die hochgefüllten Papiere können papiertypisch weiterverarbeitet (Beschich- tung, Formgebung, Glättung) und dementsprechend variabel den entspre- chenden Anwendungssystemen zugeführt werden. Die papiertechnische Realisierung derartig hochgefüllter Papiere stellt eine besondere Herausforde- rung dar und setzt eine Anpassung des Papierherstellungs-, Veredelungspro- zesses sowie die gezielte Anordnung der Rohstoffe (wie Füllstoff, Bindemittel, Faserstoff) in z-Richtung voraus [10, 11, 12].

Produkte auf der Basis hoch- gefüllter Papiere

Werden Papiere mit einem hohem Anteil, in Einzelfällen bis zu 90 Gew.-%, dieser Füllstoffe gefüllt, resultieren daraus wirtschaftlich interessante Halbzeu- ge mit papieruntypischen Funktionen / Eigenschaften, die z. B. als

 Keramische und metallische Filter- oder Stützstrukturen,

 Papierfiltersysteme auf dem Automobilsektor zur Luft- oder Kraftstoffreini- gung,

 Verpackungssysteme mit Funktionserweiterungen,

 Raumluftentfeuchter im Bereich der Klimatechnik,

 Abrasions-, Reib- oder Gleitoberflächenbeschichtungen,

 Neuartige Dekorpapiere mit Brandschutzeigenschaften,

 Katalysatoren und Katalysatorenträger

effektiv genutzt oder dazu verarbeitet werden können. Aufgrund des hohen Füllgrads kommen die Eigenschaften der Füllstoffe optimal zur Geltung, während die Cellulosefasern als Armierung und der Latex als Binder für Stabilität und Festigkeit sorgen.

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Wissensdefizite Im Stand der Technik sind die optimalen Prozessparameter für Papiere mit Füllstoffgehalten bis 40 Gewichtsprozent durchaus bekannt. Allerdings lassen sich diese Erkenntnisse nicht auf Papiere mit einem Füllstoffgehalt von mehr als 70 Gewichtsprozent übertragen, da aufgrund der in Richtung Füllstoff verschobenen Volumenverteilung andere Wirkmechanismen auftreten.

Forschungs- bedarf

Allgemeingültige Kenntnisse zur gezielten Einstellung der Papiermorphologie (insbesondere der Rohstoffverteilung und Porosität im Papier) wurden bisher für extrem hochgefüllte Papiere nicht veröffentlicht. Es ist deshalb notwendig den Wissenstand auf Basis des vorhandenen Wissens über füllstoffhaltige Papiere (z. B SC-Papiere mit einem Füllstoffgehalt zwischen 34 und 36 Ge- wichtsprozent) zu erweitern.

Aufgrund der Vielzahl an möglichen „funktionellen Füllstoffen“ ist es dazu notwendig, die auftretenden Wirkmechanismen zu verstehen. Je nach Füll- stoffcharakteristika soll es damit dem Papierhersteller möglich sein, die wichtigsten Maschinen- und Prozessparameter vorab in ausreichendem Umfang einstellen zu können.

Für hochgefüllte Spezialpapiere (Füllstoffgehalt > 40 Gew.-%) existieren keine Grundlagen und Erfahrungen über Wirkmechanismen, welche im Prozess der kontinuierlichen Papierherstellung zum tragen kommen. Die Einflussnahme auf die Morphologie des Papiers (Rohstoff- und Porengrößenverteilung im Papier) über variable Maschinen- und Prozessparameter des Papierherstellungs- und Trockenverdichtungsprozess wurde noch nicht untersucht.

Ein Beratungstool ist notwendig, das die in den Prozessen auftretenden Wirkmechanismen beschreibt und damit Spezialpapierherstellern und Anwen- dern von funktionellen pulverförmigen Materialien ermöglicht, wesentlich schneller und unter drastischer Reduzierung der notwendigen Pilot- und Praxistests auf Kundenwünsche zur speziellen Produktentwicklung in Richtung funktionserweiteter Spezialpapiere (wie z. B. Sinterpapiere) zu reagieren.

Zielstellung Zur Klärung der offenen Fragestellungen wurde ein Forschungsprojekt durch- geführt, bei dem die relevanten Maschinen- und Prozessparameter einer Langsieb-Papiermaschine und einer Trockenverdichtungsanlage identifiziert wurden, um die Morphologie (Rohstoffverteilung) von hochgefüllten Papieren gezielt zu beeinflussen und zu ermöglichen, die produktspezifischen Füllstoffe gezielt im Papierquerschnitt zu fixieren und zu binden.

4 Versuchsdurchführung

Einleitung Um die Zusammenhänge, Wirkmechanismen und Prozessparameter an verschiedenen Füllstoffen zu untersuchen, wurden verschiedene Füllstoffe auf der Versuchspapiermaschine in Heidenau mit verschiedenen Prozessparametern zu hochgefüllten Papieren mit Füllgraden > 70 Gew.% verarbeitet. Die Papiere wurden auf der für das Projekt modifizierten Glättanlage verdichtet und an- schließend charakterisiert. Am Beispiel der Sinterpapiere wurden Sinterbrände und Charakterisierung des Endproduktes im Rahmen eines Unterauftrages

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Rohstoffauswahl Zur Durchführung der Versuche wurden geeignete Faserstoffe (Tab. 1), Füllstof- fe (Tab. 2) sowie weitere Additive (Tab. 3 und 4) ausgewählt.

Tab. 1:

Auswahl Faserstoffe

Faserstoff Faserstoffart Faserlänge (l-gewichtet)

[mm]

SR-Wert

Kurzfaserstoff 1 Eukalyptus 0,73 29

Kurzfaserstoff 2 Birke 0,94 34

Langfaserstoff Fichte 1,99 35

Tab. 2:

Auswahl Füllstoffe

Zum Einsatz kamen folgende Füllstoffe:

Füllstoff Verteilung Partikelgröße D50 [µm]

Dichte [g/m³]

Aluminiumoxid 1 monomodal 0,77 3,9

Aluminiumoxid 2 bimodal 1,77 3,9

Silicagel monomodal 2,9 2,2

Calciumcarbonat monomodal 2 2,73

Kupfer monomodal 1,5 – 2,5 8,92

Cordierit monomodal 2 2,55

Tab. 3:

Auswahl Chemische Additive

Additiv Funktion Molmasse [g/Mol]

Ladungs- dichte [µeq/L]

Ionogeni- tät

Kationische Stärke

Vorflocker / Trocken- verfestiger

10⁷ – 10⁸ < 2000 kationisch

Polyacryl- amid

Retentions- mittel

3 – 7 · 10⁶ 1877 kationisch

Tab. 4:

Auswahl Binder

Name Additiv Funktion Glasüber- gangs- temp. Tg

[°C]

Dichte [g/m³] Ionogeni- tät

Latex 1 Acrylnitril- Copolymer

Bindemittel - 25 0,99 anionisch Latex 2 Styrol-

Butadien- Copolymer

Bindemittel + 25 1,02 anionisch

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Versuchspapier maschine

Die wichtigsten Einflussfaktoren hinsichtlich der Prozess- und Maschinenpara- meter wurden verifiziert. Zusätzlich wurden verschiedene Nasssiebe jeweils mit unterschiedlichen Faserstoffen bzw. Faserstoffkombinationen zum Einsatz gebracht (Tab. 5). Es erfolgten die Papiermaschinenversuche mit dem Ziel, einen kontinuierlichen und stationären Herstellungsprozess für hochgefüllte Papiere vorzuweisen.

Tab. 5:

Auswahl der Nasssiebe

Bezeichnung Einsatz für Art Kettzahl pro cm

Schusszahl pro cm

PTS Sieb 2 Faserstoffe mit Latex

einlagig 30 24 PTS Sieb 2 Faserstoffe

mit Latex

einlagig 24 22

Glättwerk Zur systematischen Untersuchung der Einflussnahme auf die Morphologie des hochgefüllten Spezialpapiers über die Trockenverdichtung bzw. Kalibrierung wurden Parameter wie Temperatur, Druck, Verweilzeit und Walzenspalt an der Glättanlage im PTS-Technikum untersucht.

Papier-

charakterisierung

Die erzeugten Papiermuster wurden bezüglich struktureller und mechanischer Eigenschaften geprüft. Eine Analyse der Füllstoffverteilung in z-Richtung erfolgte anhand von rasterelektronenmikroskopischen (REM-) Aufnahmen an Blattquer- schnitten. Im Rahmen eines Unterauftrages wurde zudem die Füllstoffverteilung mittels zerstörungsfreier Röntgen-Computer-Tomographie bestimmt. Neben den Eigenschaften der einzelnen Füll- und Faserstoffe ist vor allem die Füllstoffver- teilung im Fasernetzwerk für die Ausbildung der strukturellen und mechanischen Papiereigenschaften ausschlaggebend. Die Blattkompression wurde über die Erfassung der Blatt-Verdichtung (Verhältnis zwischen den Dicken und der flächenbezogenen Masse) bei vergleichbaren Flächenmassen berücksichtigt.

5 Beschaffung und Charakterisierung der Versuchsmaterialien

Materialauswahl Zunächst wurden die benötigten Rohstoffe planmäßig ausgewählt. Dazu gehörten die Faserstoffe, Füllstoffe, chemischen Additive und Bindemittel (siehe Kapitel 4).

Die Füllstoffe wurden anwendungsorientiert charakterisiert. Beispielsweise wurden am Füllstoff Silicagel die Oberfläche und das Porenvolumen bestimmt (Tab. 6).

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Tab. 6:

Charakteristisierung des Füllstoffs Silicagel

Größe 50 % 2,9 µm

Restfeuchte 6,6 %

Oberfläche 647 m²/g Porenvolumen 0,4 ml/g

Abrasion Schwerpunktmäßig wurden die Versuche am Füllstoff Aluminiumoxid gefahren. Daher wurde für diesen Füllstoff z. B. die Abrasion im Vergleich zu Quarzmehl bestimmt (Tab. 7). Die Abrasion ist entscheidend für die Produktionsbedingungen und Maschinenauslegung.

Tab. 7:

Abrasionsvergleich Füllstoff VWB120 [g/m²]

Aluminiumoxid 123,3 Quarzmehl 1.111,3

Zetapotential Das Zetapotential der Füllstoffe lag bei -15 bis -25 mV. Diese sind entscheidend für die Retentionsmitteldosierung.

Fazit Innerhalb der Untersuchungen zur Rohstoffauswahl, zeigte sich bereits die enorme Bedeutung der Faserstoffauswahl und der Faserstoffbehandlung.

Dient das Fasermaterial in einem hochgefüllten Papier mit bis zu 85%

Füllstoff auch nur als Armierung, so können durch inhomogene Faservertei- lungen doch zahlreiche störende Effekte beobachtet werden.

Eine optimale und angepasste Faserstoffauslegung ist zwingend notwendig, um ein homogenes Blattgefüge (Formation) zu erzielen. Die verfügbare Faseroberfläche entscheidet über das Flockungs- und Entwässerungsver- halten, welche wiederum Voraussetzung für eine stabile Prozessführung sind. Wird von dem hochgefüllten Spezialpapier eine Weiterverarbeitbarkeit (z.B. Riffeln oder Falten) abverlangt, so sind Langfaserzusätze (Mischun- gen) empfehlenswert. Leichteren Papieren (< 500 g/m²) kommt eine Lang- faserverstärkung ebenfalls hinsichtlich der Initialen Nassfestigkeit entgegen.

Entscheidend sind zudem die Füllstoffeigenschaften: Geometrie, Dichte, Partikelgrößenverteilung, Ladung und Oberfläche

6 Untersuchung relevanter Einflussparameter auf die Rohstoffverteilung – Papiermaschine / Glättanlage

Papierqualitäten Bevor die relevanten Maschinen und Prozessparameter geprüft werden sollten, wurden verschiedene Papierqualitäten mit verschiedenen Füllgraden (60, 70 und 80 Gewichtsprozent) bei einer definierten Zellstoffmischung, bestehend aus Lang- und Kurzfasern, geprüft. Am Beispiel eines Papiers mit einer flächenbezogenen Masse von 120 g/m² nahmen die Zugfestigkeiten um ca. 28 % bei Füllstoffsteigerung von 60 auf 70 % ab. Bei einer weiteren Steige- rung auf 80 % Füllgrad sanken die Zugfestigkeiten um weitere 40 %. Da präkeramische Sinterpapiere optimal ein Flächengewicht von mindestens 1.000 g/m² aufweisen und 80 % Füllgrad für die Sinterfähigkeit erforderlich sind, wurden die Maschinen und Prozessparameter dahingehend untersucht.

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Versuche Zur Untersuchung von relevanten Maschinen- und Prozessparametern zur Herstellung hochgefüllter Papiere erfolgten Versuche auf der Pilotpapierma- schine im PTS-Technikum mit unterschiedlichen Einstellungen (Tab. 8 und Tab. 9) und anschließender Verdichtung an der Glättanlage (Tab. 10). Bei diesen Vorversuchen kam das Füllstoffmodellsystem Aluminiumoxid 1 (mono- modale Korngrößenverteilung) zum Einsatz.

Tab. 8:

Maschinen- und Prozess- parameter Papiermaschine

Versuchbezeichnung A V_1_0 V_1 V_2 V_3 V 4 V_6 V_8 V_9

Versuchbezeichnung PTS A V_1_0 V_1 V_2 V_3 V 4 V_6 V_8 V_9

Veränderung ohne Füllstoff wie 23.11 Einfluss

Scherung Einfluss Scherung, Verringerung

FS-Zugabe Einfluss Entwässerun

g

Einfluss Entwässerun

g

Einfluss Pressdruck

Einfluss Trocknung

Spezifikation/Bezeichnung für Diagramm

ohne Füllstoff Standard, Entwässerung mittel Standard, Entwässerung mittel Standard, Entwässerung mittel Entwässerung schnell Entwässerung langsam Nasspresse niedrig Trocknung schnell

Prozessdaten - Eingabewerte

Sieb Typ Sieb 2/

24-22 Sieb 2/

24-22

Siebgeschwindigkeit m/min 0,80 0,80 0,80 0,80 0,80 0,80 0,80 0,80

Flow Rate l/min 25 25 25 25 25 25 25 25

Siebwasserpumpe/Einstellung Hz 50 50 50 50 80 10 50 50

Scherung ein/aus ein ein aus aus ein ein ein ein

Wasserlinie/Einstellung Schlitz/Siebtisch mittel mittel mittel mittel kurz lang mittel mittel

Stau STA Höhe mm ohne ohne ohne ohne ohne ohne ohne ohne

Siebsauger 1 Öffnungsgrad % 0,25 0,25 0,25 0,25 100 0,25 0,25 0,25

Siebsauger 2 Öffnungsgrad % 100 100 100 100 100 0,25 100 100

Siebsauger 3 Öffnungsgrad % 0 0 0 0 100 0,25 0 0

Siebsauger 4 Öffnungsgrad % 100 100 100 100 100 100 100 100

Pressenpartie

Pressdruck Nasspresse 1 bar 4,0 4,0 4,0 4,0 4,0 4,0 2,0 4,0

Linienkraft Nasspresse 1 kN/m 12,0 12,0 12,0 12,0 12,0 12,0 4,2 12,0

Pressdruck Nasspresse 2 bar 4,0 4,0 4,0 4,0 4,0 4,0 2,0 4,0

Linienkraft Nasspresse 2 kN/m 17,6 17,6 17,6 17,6 17,6 17,6 8,1 17,6

Trockenpartie

Temperatur Zylinder 1 °C 100 100 100 100 100 100 100 130

Temperatur Zylinder 6 °C 110 110 110 110 110 110 110 90

Temperatur Zylinder 7 °C 90 90 90 90 90 90 90 90

Temperatur Zylinder 8 °C ohne ohne ohne ohne ohne ohne ohne ohne

Maschinenglättwerk ohne ohne ohne ohne ohne ohne ohne ohne

Tab. 9:

Versuchs- programm Papiermaschine

Versuchbezeichnung A V_1_0 V_1 V_2 V_3 V 4 V_6 V_8 V_9

Versuchbezeichnung PTS A V_1_0 V_1 V_2 V_3 V 4 V_6 V_8 V_9

Spezifikation/Bezeichnung für Diagramm

ohne Füllstoff Standard, Entwässerung mittel Standard, Entwässerung mittel Standard, Entwässerung mittel Entwässerung schnell Entwässerung langsam Nasspresse niedrig Trocknung schnell

Versuchsprogramm (Vorgaben)

Eingabe Stoffmodell und Glührückstand / Gleichgewichtsfeuchte = rechnerischer Richtwert

Stoffmodell Typ AL-Oxid 1 AL-Oxid 1 AL-Oxid 1 AL-Oxid 1 AL-Oxid 1 AL-Oxid 1 AL-Oxid 1 AL-Oxid 1

Flächenmasse klimatisiert g/m² 1350 1350 1350 1350 1350 1350 1350 1350

Flächenmasse otro ohne Füllstoff g/m² 227,7 227,7 227,7 227,7 227,7 227,7 227,7 227,7

Glührückstand (525°) % 83 83 83 83 83 83 83 83

Gleichgewichtsfeuchte bei

Normklima % 0,8 0,8 0,8 0,8 0,8 0,8 0,8 0,8

Faserstoff

Faserstoff 1- Kurzfaser % 100 100 100 100 100 100 100 100

Faserstoff 2 - Langfaser % 0 0 0 0 0 0 0 0

Additive in der Mischbütte

kat. Stärke MB % auf Faserstoff 4,8 4,8 4,8 4,8 4,8 4,8 4,8 4,8

Eingabe der Additive Additive im Konstantteil

Latexbinder 1 % auf Faserstoff 72 72 72 72 72 72 72 72

Retentionshilfsmittel 3 % auf Faserstoff 0,33 0,33 0,33 0,33 0,33 0,33 0,33 0,33

Füllstoffe_Zugabe im Konstantteil

Dosier- stelle

Füllstoff 1 2 Typ AL-Oxid 1 AL-Oxid 1 AL-Oxid 1 AL-Oxid 1 AL-Oxid 1 AL-Oxid 1 AL-Oxid 1 AL-Oxid 1

Füllstoff 1 2 % auf Faserstoff 0 776 776 776 776 776 776 776

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Tab. 10:

Versuchsplan Glättwerk

Maschinen- parameter PM

Die untersuchten Maschinenparameter der Papiermaschine (PM) waren die Scherung vor dem Stoffauflauf, Typ und Maschenweite des Siebs und Einsatz des zweiten Stoffauflaufes (Duplex-Fahrweise). Von einem Sprühauftrag wurde abgesehen, da bei hohen Füllgraden und Flächenmassen das schwer zu entwässernde Medium zusätzlich befeuchtet werden würde.

Prozess- parameter PM

Die untersuchten Prozessparameter waren Entwässerungsgeschwindigkeit, Nasspresseneinstellung und Trocknungsbedingungen an der Papiermaschine.

Modellsystem für Glättversuche an der Glättanlage

Zur Versuchsdurchführung wurde als Modellsystem ein unbehandeltes Al2O3- gefülltes präkeramisches Sinterpapier (AV 11-4) eingesetzt, das auf der Versuchspapiermaschine mit geschlossenem Kreislauf unter konstanten Bedingungen hergestellt wurde (Tab. 11). Die variierten Einflussfaktoren sind Walzenmaterial (Stahl und Kunststoff), Kalanderdruck, definierte Spaltweite mittels Kalibrierfahrweise, Kalandertemperatur, Geschwindigkeit der Glättanla- ge zur Steuerung der Verweilzeit im Nip sowie die Anzahl der Nipdurchgänge (Tab. 12). Im Rahmen eines statistischen Versuchsplans wurden diese Ein- flüsse systematisch untersucht (Tab. 13).

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Tab. 11:

Papiereigen- schaften Modellsystem AV 11-4

Eigenschaft Wert

Flächenmasse 930 g/m²

Dicke VK 620 µm (+/- 40 µm)

Glührückstand 80 %

Rohdichte VK 1,51 g/cm³

breitenbezogene Bruchkraft (md) 1675 kN/m

Zugindex (md) 1,80

E-Modul (md) 6,3 N/mm²

Bruchdehnung (md) 4,6 %

Arbeitsaufnahmevermögen (md) 163 Nmm breitenbezogene Bruchkraft (cd) 1568 kN/m

Zugindex (cd) 1,69

E-Modul (cd) 4,2 N/mm²

Bruchdehnung (cd) 7,3 %

Arbeitsaufnahmevermögen (cd) 191 Nmm Tab. 12:

Einflussfaktoren Glättwerk

Unabhängige Variablen (Einflussgrößen)

Untersuchter Bereich

Kalanderdruck 0 – 180 KN/m

Spaltweite Ohne, sowie 0 – 500 µm

Kalandertemperatur 27 – 157 °C Geschwindigkeit Glättanlage zur

Steuerung der Verweilzeit im Nip

2 und 5 m/min Anzahl Nipdurchgänge 2 und 6

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Tab. 13:

Versuchsplan

Glättwerk Versuc h W alz enpaar

Temp eratur

°C

Spalt mm

Druc k kN/ m

Verweilz eit m/ min

Anzahl Nidurchgä nge

AV- K-25 Stahl/ St ahl 27 -0,5 70 5 2

AV- K-26 Stahl/ St ahl 27 0, 5 70 5 2

AV- K-27 Stahl/ St ahl 27 0,35 70 5 2

AV- K-28 Stahl/ St ahl 27 0, 2 70 5 2

AV- K-29 Stahl/ St ahl 27 0 70 5 2

AV- K-30 Stahl/ St ahl 27 0 180 5 2

AV- K-31 Stahl/ St ahl 27 0 70 2 2

AV- K-32 Stahl/ St ahl 27 0, 2 70 2 2

AV- K-33 Stahl/ St ahl 27 0, 2 180 5 2

AV- K-34 Stahl/ St ahl 27 0, 2 70 5 6

AV- K-35 Stahl/ St ahl 27 0 70 5 6

AV- K-37 Stahl/ St ahl 100 0 70 5 2

AV- K-38 Stahl/ St ahl 100 0 70 5 6

AV- K-39 Stahl/ St ahl 100 0 70 2 2

AV- K-40 Stahl/ St ahl 100 0 180 5 2

AV- K-41 Stahl/ St ahl 100 0,35 70 5 2

AV- K-42 Stahl/ St ahl 100 0, 2 70 5 2

AV- K-43 Stahl/ St ahl 100 0, 2 70 5 6

AV- K-44 Stahl/ St ahl 100 0, 2 70 2 2

AV- K-45 Stahl/ St ahl 100 0, 2 180 5 2

AV- K-47 Stahl/ St ahl 130 0 70 5 2

AV- K-49 Stahl/ St ahl 130 0 70 5 2

AV- K-48 Stahl/ St ahl 130 0, 2 70 5 2

AV- K-50 Stahl/ St ahl 157 0 70 5 2

7 Auswertung und Untersuchung der Wirkmechanismen auf die Morphologie der Papiere

Papiereigen- schaften

Die erzeugten Papiermuster wurden bezüglich struktureller und mechanischer Eigenschaften geprüft. Eine Analyse der Füllstoffverteilung in z-Richtung erfolgte anhand von Rasterelektronenmikroskopie-Aufnahmen an Blattquerschnitten und Oberflächen (Abb. 1 – Abb. 4). Neben den Eigenschaften der einzelnen Füll- und Faserstoffe ist vor allem die Füllstoffverteilung im Fasernetzwerk für die Ausbildung der strukturellen und mechanischen Papiereigenschaften ausschlaggebend. Die Blattkompression wurde über die Erfassung der Blatt-Verdichtung (Verhältnis zwischen den Dicken und der flächenbezogenen Masse) bei vergleichbaren Flächenmassen berücksichtigt. Grundlegende Papiereigenschaften sind in Tab. 14 dargestellt. Einflüsse auf Rohdichte, Biegesteifigkeit, E-Modul, Zusammenhänge der Rohdichten vor und nach Glättanlage sind aus den Abbil- dungen Abb. 5 – Abb. 15 zu entnehmen.

Einflüsse Maschinen und Prozess- parameter:

Langsieb- Papiermaschine

Für die Maschinen- und Prozessparameter bei der Herstellung hochgefüllter Papier konnte in Erfahrung gebracht werden, dass eine Scherung und damit die Zerstörung großer Flocken sich positiv auf die Papiereigenschaften auswirkt. Es kann die Aussage getroffen werden, dass eine kurze Entwässerungszeit keinen Nachteil herbeiführt. Eine dementsprechende kurze Wasserlinie bietet der Faser- Füllstoffsuspension wenig Zeit zum Nachflocken, was wiederum zu einer besse- ren Homogenität führen kann.

Eine schnelle Trocknung in der Trockenpartie bewirkt aufgrund der höheren thermischen Beanspruchung und damit der Vernetzung des Binders höhere Festigkeiten. Eine schonende Trocknung kann jedoch zur tieferen Fixierung von Bindemitteln im Papiergefüge beitragen.

(15)

Einflüsse Maschinen und Prozess- parameter:

Glättwerk

Den größten Einfluss bezüglich Einstellung der gewünschten Papiereigenschaf- ten bietet die anschließende Trockenverdichtung. Vergleicht man Bruchdehnung und Festigkeitseigenschaften, so liegen verschiedene Tendenzen vor. So kann beispielsweise durch die Verweilzeit im Nip auf die Bruchdehnung Einfluss genommen werden. Eine langsame Fahrweise bei hohen Temperaturen hat ein besseres Bruchdehnungsverhalten zur Folge.

Zur Steuerung der Festigkeitseigenschaften hingegen, die in gewissem Maße mit dem Verdichtungsgrad korrelieren, empfehlen sich kürzere Verweilzeiten, höhere Temperaturen sowie die Steigerung der Nipdurchgänge. Das Phänomen, dass bei Spaltfahrweise (z. B. Spalteinstellung = 500 µm) der Verdichtungsgrad und die Festigkeitseigenschaften bei mehreren Nipdurchgängen abnehmen, kann unterschiedliche Ursachen haben.

Eine Möglichkeit ist es, dass bei weiteren Nipdurchgängen am bereits vorverdich- teten Material der Verdichtungseffekt deutlich niedriger ist und dass dabei das Material sogar beim Austreten aus dem Nip gezogen und somit geschwächt wird.

Aufgrund dessen wird empfohlen, bei Spaltfahrweise mit möglichst wenigen Nipdurchgängen zu arbeiten. Tendenziell sind hohe Kalandertemperaturen (z.B.

125 °C) zur Festigkeitssteigerung zu empfehlen. Bei einer temperierten Verdich- tung kommt es zur plastischen Verformung verstärkt an der Oberfläche (Abb.

18). Eine „kalte“ Trockenverdichtung bewirkt eine gleichmäßige Verdichtung des gesamten Gefüges, was bei gradientenarmen Strukturen von Vorteil sein kann.

Eine Anfeuchtung der Papierbahn vor dem Verdichtung wirkt sich u.a. positiv auf eine gleichmäßigere Verdichtung aus.

(16)

Abb. 1:

REM-Oberseite (AV 1 - 9) 50x Vor (links) und nach Glättanlage (rechts)

AV 1

AV 2

AV9

(17)

Abb. 2:

REM-Siebseite 50x (AV 1 - 9)

Vor (links) und nach Glättanlage (rechts)

AV 1

AV 2

AV 9

(18)

Abb. 3:

REM-Querschnitt 70x (AV 1 - 4)

Vor (links) und nach Glättanlage (rechts)

AV 1

AV 2

AV 3

AV 4

(19)

Abb. 4:

REM-Querschnitt 70x (AV 8 - 9)

Vor (links) und nach Glättanlage (rechts

AV 8

AV 9

Tab. 14:

Papiereigen- schaften

Abb. 5:

Einflüsse auf die Rohdichte

V1-V9

1,3 1,4 1,4 1,5 1,5 1,6 1,6

Standard Scherung FS runter Entwässerung schnell Entwässerung langsam Pressdruck niedrig Trocknung schnell

g/cm³

Rohdichte

(20)

Abb. 6:

Einflüsse auf die Biegesteifigkeit

V1 - V9

0 10 20 30 40 50 60 70 80

Standard Scherung FS runter Entwässerung schnell Entwässerung langsam Pressdruck niedrig Trocknung schnell

Nmm

Biegesteifigkeit längs Biegesteifigkeit quer

Abb. 7:

Dickenverlauf md bei kontinuier- licher Fertigung im geschlosse- nen Kreislauf (V11)

Dickenverlauf bei kontinuierlicher Fertigung im geschlossenen Kreislauf (V11)

0 200 400 600 800 1000 1200

11_1 11_1 11_1 11_1 11_1 11_2 11_2 11_2 11_2 11_2 11_2 11_3 11_3 11_3 11_3 11_3 11_3 11_4 11_4 11_4 11_4 11_4 11_4 11_5 11_5 11_5 11_5 11_5 11_6 11_7 11_7 11_7

Dicke [µm]

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8

Dichte [g/cm³]

1 2 3 4 5 6 7 8 Dichte

(21)

Abb. 8:

Dickenquerprofil cd (V11) vor und nach Verdich- tung

Dickenquerprofil (V11) vor und nach Verdichtung

300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800

Links Mitte Links Mitte Rechts Rechts

Dicke [µm]

Mittelwert vor Verdichtung Mittelwert nach Verdichtung

Abb. 9:

Dickenaus- wertung nach Glättanlage

Dickenauswertung nach Einfluss Glättanlage

300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800

25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50

Dicke [µm]

Dicke vor Verdichtung Dicke nach Verdichtung

27° Walzentemperatur

100° Walzentemperatur

130 °C

kein Spalt kein

Spalt kein Spalt

Spalt Spalt Spalt

(22)

Abb. 10:

Zusammenhang der Rohdichte VK und NK

Abb. 11:

Verdichtung in Abhängigkeit der Ausgangsroh- dichte

(23)

Abb. 12:

Rohdichte nach Verdichtung

Rohdichte NK [g/cm³]

1,00 1,20 1,40 1,60 1,80 2,00 2,20

AV-11-4 AV-K-25 AV-K-26 AV-K-27 AV-K-28 AV-K-29 AV-K-30 AV-K-31 AV-K-32 AV-K-33 AV-K-34 AV-K-35 AV-K-37 AV-K-38 AV-K-39 AV-K-40 AV-K-41 AV-K-42 AV-K-43 AV-K-44 AV-K-45 AV-K-47 AV-K-49 AV-K-48 AV-K-50

Abb. 13:

E-Modul nach Verdichtung md

E-Modul (md)

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

(24)

Abb. 14:

E-Modul nach Verdichtung cd

E-Modul (cd)

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Abb. 15:

3D-Aufnahme

Glättwerk Zur systematischen Untersuchung der Einflussnahme auf die Morphologie des hochgefüllten Spezialpapiers über die Trockenverdichtung bzw. Kalibrierung wurden verschiedene Parameter an der Glättanlage im PTS-Technikum untersucht. Das verwendete Basispapier V11 wurde hinsichtlich Dickenverlauf in Maschinenlauf- und Querrichtung charakterisiert und anschließend auf Verdichtung untersucht (Tab. 15, Abb. 7, Abb. 8 und Abb. 9).

Ein nachträgliches Verfließen unter Druck und Temperatur und anschließen- des Vernetzen und Verfestigen in der Faser-/Füllstoffstruktur wurde mittels REM- Aufnahmen bestätigt (Abb. 3 – Abb. 18).

(25)

Tab. 15:

Dicke und Rohdichte vor und nach Verdichtung

BOGEN NR.

FLÄCHEN- MASSE

Mittelwert Mittelwert Standardabw. Mittelwert Standardabw. Mittelwert Standardabw. Mittelwert Standardabw.

g/m² µm µm µm µm µm µm µm µm

25 616 11 470 16,7 1,51 1,98

26 608 17 608 16,6 1,53 1,53

27 599 18 551 6,9 1,55 1,69

28 597 25 516 10,7 1,56 1,80

29 604 24 478 14,3 1,54 1,94

30 583 26 469 16,8 1,60 1,98

31 597 14 464 6,3 1,56 2,00

32 598 12 518 10,5 1,55 1,79

33 582 28 512 12,7 1,60 1,82

34 575 32 490 12,8 1,62 1,90

35 614 17 465 13,0 1,51 2,00

36

37 634 30 492 22,2 1,47 1,89

38 615 14 450 14,0 1,51 2,06

39 639 14 484 5,5 1,46 1,92

40 636 20 478 14,2 1,46 1,95

41 630 19 525 10,2 1,48 1,77

42 632 31 1,47

43 668 23 530 14,1 1,39 1,75

44 640 14 508 18,1 1,45 1,83

45 630 45 505 13,7 1,48 1,84

46 673 35 519 21,9 1,38 1,79

47 695 29 512 14,8 1,34 1,82

48 659 30 493 15,8 1,41 1,89

49 596 23 442 7,5 1,56 2,10

50 603 33 443 14,0 1,54 2,10

Mittelwert 621 30

DICHTE NACH VERDICHTUNG

verschiedene Varianten, daher kein Mittelwert!

DICKE VOR VERDICHTUNG

DICKE NACH VERDICHTUNG

930

DICHTE VOR VERDICHTUNG

Abb. 16:

REM-Querschnitt Verdichtung 1 AV-K-28 (links) mit 0,2mm Spalt AV-K-29 (rechts) ohne Spalt

70 kN/m + 27 °C

Abb. 17:

REM-Querschnitt Verdichtung 2 AV-K-42 (links) mit 0,2mm Spalt AV-K-37 (rechts) ohne Spalt

70 kN/m + 100 °C

(26)

Abb. 18:

REM-Querschnitt Verdichtung 3 AV-K-40 (links o.) ohne Spalt 180kN/m 100 °C AV-K-49 (rechts oben) ohne Spalt 70kN/m + 130 °C AV-K-50 (links unten) ohne Spalt

70kN/m + 157 °C

8 Optimierte Einflussparameter / Beeinflussung der Rohstoffverteilung- Papiermaschine / Glättanlage

Vorgehen Ziel der Arbeiten war die systematische Übertragung der Versuchsergebnisse auf ein ähnliches Füllstoffsystem Aluminiumoxid 2 mit bimodaler Korngrößen- verteilung sowie auf einen adsorptiven Füllstoff „Silicagel“.

Untersuchte Parameter

Im ersten Schritt der Arbeiten wurde die Wechselwirkung zwischen Sieb- und Faserstoffauswahl am Füllstoff Aluminiumoxid 2 betrachtet. Zum Einsatz kamen Siebe mit grober, feiner und mittlerer Maschenweite. Als Faserstoffe kamen Eukalyptus und Birke Kurzfaserstoff mit optionaler Langfaserbeimi- schung zum Einsatz (Tab. 16 und Tab. 17).

Im zweiten Schritt zur Optimierung wurden Aluminiumoxid 1 und 2 und zur Anwendung auf einen adsorptiven Füllstoff wurde Silicagel verwendet (Tab. 18 und Tab. 19).

Zusätzlich wurde der Option des Obersiebes (Duplexfahrweise) überprüft, um eine Massenverteilung auf zwei Siebe zu erzielen.