Pts-Forschungsbericht igF 15741 einsatz von hochFrequenten druckwechsel- verFahren in der stoFFauFbereitung zur steigerung der Festigkeit von wellPaPPen- rohPaPieren.

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Pts-Forschungsbericht igF 15741

einsatz von hochFrequenten druckwechsel- verFahren in der stoFFauFbereitung zur

steigerung der Festigkeit von wellPaPPen-

rohPaPieren.

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Titel

Einsatz hochfrequenter Druckwechselverfahren in der Stoffaufbereitung zur Steigerung der Festigkeit von Wellpappenrohpapieren

T. Brenner

Inhalt

1 Zusammenfassung 2

2 Abstract 4

3 Einleitung 6

3.1 Ultraschall 6

3.2 Mechanische Hochfrequenz 7

4 Forschungsziel 9

5 Material und Methoden 9

5.1 Messmethoden 9

5.2 Versuchsstand zur Behandlung von Faserstoffsuspension mit Ultraschall 10 5.3 Versuchsstand zur Behandlung von Faserstoffsuspension mit mechanischer Hochfrequenz 12

5.4 Technikumsrefiner 13

5.5 Faserstoffsuspension 13

6 Untersuchungen mit hochfrequenten Druckwechselverfahren zur Bestimmung

geeigneter Prozessparameter 14

6.1 Ultraschall 14

6.2 Mechanische Hochfrequenz 17

7 Vergleich der Refinermahlung mit hochfrequenten Druckwechselverfahren 20 8 Kombination aus Mahlbehandlung im Refiner mit hochfrequenten

Druckwechselverfahren 23

8.1 Altpapierfasersuspension 23

8.2 Frischfasersuspension 25

9 Einfluss des Mehrfachrecyclings auf Fasereigenschaften bei Anwendung von

hochfrequenten Druckwechselverfahren 27

10 Reduzierung des Stärkeeinsatzes bei Anwendung von hochfrequenten

Druckwechselverfahren 29

11 Anmerkungen zur Wirtschaftlichkeit 31

12 Schlussfolgerung 32

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PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de

1 Zusammenfassung

Thema Einsatz von hochfrequenten Druckwechselverfahren (Ultraschall und mechanische Hochfrequenz) in der Stoffaufbereitung zur Steigerung der Festigkeit von Wellpappenrohpapieren.

Ziel des Forschungs- projektes

Ziel dieses Forschungsvorhabens war es, den technologischen Nutzen und die Wirtschaftlichkeit hochfrequenter Druckwechsel-Beanspruchungen bei Einsatz von Ultraschall (US) und mechanischer Hochfrequenz (mHF) in der Altpapier- stoffaufbereitung zu ermitteln. Es sollte untersucht werden, ob auf diese Weise eine schonende Faserbehandlung und damit eine bessere Nutzung des Faser- potenzials möglich ist, um die Festigkeit im Produkt Wellpappenrohpapier zu erhöhen.

Auf Grundlage dieser Ergebnisse sollte ein technologisches und wirtschaftliches Konzept für die industrielle Umsetzung entwickelt werden.

Untersuchte

Rohstoffe Für die Produktion von Verpackungspapieren wird vorwiegend Altpapier der unteren Sortengruppe als Rohstoff eingesetzt. Im Projekt wurde eine Mischung aus der Sorte 1.02 (Sortiertes gemischtes Altpapier) und 1.04 (Kaufhausabfälle) als Altpapierrohstoff für die Untersuchungen genutzt.

Ultraschall Durch die Behandlung von Altpapier-Faserstoffsuspension mit Ultraschall kann das Festigkeitspotenzial dieses Faserstoffes gemessen als Tensile-Index um bis zu 16 % und gemessen als Berstwiderstand-Index um bis zu 19 % gesteigert werden – bei einem Anstieg des Entwässerungswiderstandes um 5 SR.

Mechanische

Hochfrequenz Eine Behandlung von Altpapier-Faserstoffsuspension mit mechanischer Hoch- frequenz kann das Festigkeitspotenzial dieses Faserstoffes gemessen als Tensile-Index um bis zu 17 % und gemessen als Berstwiderstand-Index um bis zu 21 % steigern – bei einem Anstieg des Entwässerungswiderstandes um 9 SR.

Mahlung Eine konventionelle Mahlbehandlung in einem Refiner (Technikumsrefiner) kann das Festigkeitspotenzial dieses Faserstoffes lediglich um 7 % steigern – bei einem Anstieg des Entwässerungswiderstandes um 19 SR.

Entwicklung der

Faserlänge Weder durch die Dauer noch durch die Intensität der Behandlung mit einem hochfrequenten Druckwechselverfahren wird die Faserlänge des Altpapier- Faserstoffes wesentlich verringert.

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PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de Recycling-

kreislauf Das Verfahren zur mechanischen Hochfrequenz und die Behandlung mit Ultra- schall können einer Reduktion des Festigkeitspotenzials des Faserstoffes, infolge von mehreren Befeuchtungs-Trocknungs-Zyklen im Recyclingkreis- lauf, entgegenwirken.

Offen ist, warum eine Überführung aus dem Labormaßstab in den Technikums- maßstab nicht die gleichen positiven Effekte bewirkt.

Schluss-

folgerung Die Eignung hochfrequenter Druckwechselverfahren (Ultraschall und mechanische Hochfrequenz) zur Steigerung des Festigkeitspotenziales von Altpapier- Faserstoff konnte nachgewiesen werden. Die gewonnenen Betriebsparameter können für die Umsetzung der Verfahren in die Praxis genutzt werden.

Nutzen und wirtschaftliche Bedeutung des Forschungs- themas für kleine und mittlere Unternehmen (kmU)

Die Projektergebnisse können von kleinen und mittelständigen Papierfabriken genutzt werden, die durch die Projektergebnisse ihre Produktion auf kostengüns- tigere Rohstoffe umstellen oder die Effizienz ihrer Prozessführung steigern können.

Mit den Projektergebnissen können konkrete Hinweise für die Umsetzung dieser Technologie in der Papierindustrie gegeben werden. Dies hilft den kleinen und mittelständischen Maschinenbauern, die sich die Papierindustrie als neuen Markt erschließen wollen und bisher über keine papiertechnologisches Wissen verfü- gen. Die Anlagen mit hochfrequenten Druckwechselverfahren werden meist für Spezialanwendungen genutzt und daher insbesondere von kleinen und mittel- ständischen Unternehmen produziert. Diese profitieren daher besonders von den Ergebnissen aus diesem Projekt.

Danksagung Das Forschungsvorhaben IGF 15741 BR der AiF-Forschungsvereinigung PTS wurde im Programm zur Förderung der „Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF)“ vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie über die AiF finanziert. Dafür sei an dieser Stelle herzlich gedankt.

Unser Dank gilt außerdem den beteiligten Firmen der Papier- und Zulieferindust- rie sowie des Maschinenbaus für die Unterstützung der Arbeiten.

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2 Abstract

Theme Using high-frequency pressure swing adsorption processes (ultrasound and mechanical high frequency) in stock preparation for the strength enhancement of corrugating base papers

Project objective Aim of this research project was to determine the technological benefits and economic efficiency of high-frequency pressure swing adsorption processes when using ultrasound (US) and mechanical high frequency (mHF) for recycled pulp treatment. It was to be investigated whether these processes enable the gentle treatment of fibres and, thus, better use of fibre potential for the strength enhancement of corrugating base paper.

Based on the project results, a technological and economic concept was to be developed for industrial implementation.

Raw materials

investigated The main raw material used for packaging paper production is lower grade recovered papers. A mixture of grade 1.02 (sorted mixed papers and boards) and 1.04 (supermarket corrugated paper and board) was used as raw material for investigation in this project.

Ultrasound Ultrasonic treatment of recycled pulp suspensions is capable of increasing the strength potential of these fibres by up to 16 % (measured as tensile index) and by up to 19 % (measured as burst index), with drainage resistance being increased by 5 SR.

Mechanical high

frequency Mechanical high-frequency treatment of recycled pulp suspensions is capable of increasing the strength potential of these fibres by up to 17 % (measured as tensile index) and by up to 21 % (measured as burst index), with drainage resistance being increased by 9 SR.

Refining Conventional refining in a (pilot plant) refiner is capable of increasing the strength potential of fibres by only 7 % – with drainage resistance being increased by 19 SR.

Development of

fibre length Neither the duration nor the intensity of high-frequency pressure swing adsorption processes were found to cause significant reductions in the fibre length of recycled fibre pulps.

Recycling cycle Mechanical high-frequency and ultrasound treatments can counteract losses in the strength potential of pulps caused by several cycles of moistening-drying in the course of recycling.

It is still an open question why the transfer from laboratory to pilot scale does not have the same positive effects.

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Conclusion The suitability of high-frequency pressure swing adsorption processes (ultrasound and mechanical high frequency) for enhancing the strength potential of recycled pulps could be demonstrated. The operating parameters determined in the project can be used to implement these processes in industrial practice.

Economic relevance of this research subject for small and medium enter- prises (SME)

Small and medium-size paper mills can use the project results to change-over their productions to more cost-effective raw materials or to increase the efficiency of their processes.

The project results provide concrete information helping to implement the technology in the paper industry. This helps small and medium-size mechanical engineering firms having no paper-technological know-how to enter the paper sector as a new market. Because high-frequency pressure swing adsorption plants are mainly used for special applications, they tend to be produced by small and medium-size companies. These companies will therefore benefit particularly from the project results.

Acknowledge-

ment The research project IGF 15741 BR of the AiF research association PTS was funded within the programme of promoting “pre-competitive joint research (IGF)”

by the German Federal Ministry of Economics and Technology BMWi and carried out under the umbrella of the German Federation of Industrial Co-operative Research Associations (AiF) in Cologne. We would like to express our warm gratitude for this support.

We would also like to express our thanks to the companies of the paper, supply and mechanical engineering sectors for supporting the project work.

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3 Einleitung

Entwicklung Im Allgemeinen erfolgt die Aufbereitung des Altpapiers für die Herstellung von 2-lagigen Wellpappenrohpapier durch Auflösung, Sortierung und Fraktionierung.

Die durch die Fraktionierung gewonnene längere Faserfraktion kann zur Festig- keitssteigerung noch gemahlen und anschließend in der Deckschicht eingesetzt werden. Die füllstoffreichere Kurzfaserfraktion wird ohne Mahlung der Rücklage zugeführt.

Durch den zunehmenden Kostendruck und technologische Beschränkungen verzichten Hersteller von Wellpappenrohpapier auf Basis von Altpapier der unteren Sortengruppen meist auf eine Mahlbehandlung oder Dispergierung. Um die geforderten Festigkeitseigenschaften des Papiers bei den immer geringeren Flächenmassen zu gewährleisten, ist es aber nötig das Festigkeitspotenzial des Faserstoffes vollständig auszuschöpfen.

Konventionelle Sicherung der Festigkeits- eigenschaften

Gängige Maßnahmen zur Sicherung der Festigkeitseigenschaften im Produkt Wellpappenrohpapier sind:

• der Einsatz von Additiven in Form von ein- bzw. zweiseitigen Auftrag von Stärke in der Leim- / Filmpresse. Der Oberflächeneinsatz von nativer Stärke kann mit max. 2 – 2,5 g/m² pro Seite aufgetragen werden.

• der Einsatz von Additiven in Form von synthetischen Verfestigern und Trockenfestmitteln in der Masse. Der durch Stärke erzielbare Festig- keitsgewinn in der Zwischenfaserbindung ist praktisch ausgereizt. Der Masseeinsatz ist auf max. 1,5 % kationische Stärke begrenzt. Eine Überdosierung oder eine unzureichende Retention der Stärke führt zu erhöhten gelösten Störstoffen im Wasserkreislauf der Papiermaschine und somit letztendlich zur Verschlechterung der Produktqualität. [1].

• der Einsatz von Verstärkungsfaserstoffen [2] aus krafthaltigen Altpapie- ren als Rohstoff (z.B. Sorten 4.02, 4.03, 4.06, 4.08).

3.1 Ultraschall

Grundlagen Der Frequenzbereich des Ultraschalls beginnt bei 20 kHz und geht bis etwa 10 MHz in den Frequenzbereich des Hyperschalls über. Ultraschall im Fre- quenzbereich von 20 kHz bis 100 kHz heißt Leistungsschall, von 100 kHz bis 1 MHz spricht man von Hochfrequenzschall und diagnostischem Ultraschall im Frequenzbereich von 1 MHz bis 10 MHz [3]. Bei Ultraschall handelt es sich um mechanische Wellen, die den Gesetzen der Akustik folgen. Die heute üblicher- weise genutzten Systeme zur Erzeugung von Ultraschall basieren meist auf dem piezoelektrischen Effekt.

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PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de Forschungs-

stand Die Anwendung von Ultraschall auf Faserstoffe (hauptsächlich Primärfaserstoffe) beschränkte sich bis vor einigen Jahren aufgrund der fehlenden Technologie nur auf Laboruntersuchungen.

Im Jahr 1950 berichteten Simpson und Mason, dass ungebleichter Sulfitzellstoff, leicht gemahlen und mit Ultraschall behandelt, gleiche Fasereigenschaften wie nach einer konventionellen Mahlung, jedoch ohne Faserkürzung, aufwies [4].

Weitere Untersuchungen folgten von Jayme und Rosenfeld zu Eigenschaftsver- änderungen von Sulfit- und Sulfatzellstoffen durch hochfrequente Behandlungen mit Ultraschall. Dabei ergab sich eine Erhöhung aller Festigkeitseigenschaften mit steigender Beschallungsdauer. Weiterhin verbesserten sich die Quellung und die Weiterreißfestigkeit (Brecht-Imset) erheblich. Vor allem wurden nur geringfü- gige Faserkürzungen beobachtet. Die damalige Technik erlaubte jedoch keinen Dauerbetrieb und erwärmte die Faserstoffsuspensionen übermäßig [5,6]. Unter- suchungen von Levandoski et al. unterstützen die Hypothese, dass für die Erhöhung des Festigkeitspotenzials von Primärfaserstoffen durch eine Ultra- schallbehandlung der Faserstoffsuspension eine mechanische Vorbehandlung des Faserstoffes günstig ist [7]. Durch Tatsumi et al. wurden Untersuchungen von Nadelholzfasern durch Ultraschallbehandlung durchgeführt. Hier wurde beobachtet, dass mit einer Erhöhung des statischen Drucks während der Ultra- schallbehandlung eine Erhöhung des WRV einhergeht [8]. In Arbeiten von Manning und Thompson konnte durch eine Ultraschallbehandlung sowohl von Frischfaserstoffen als auch von rezyklierten Faserstoffen eine Erhöhung der Fibrillierung, gemessen als Entwässerungswiderstand, beobachtet werden. Die Faserlänge wurde dabei nicht gekürzt. [9]

Turai und Teng nutzten 1978 erfolgreich Ultraschall zum Deinken von bedruckten Papieren [10]. Eine Erhöhung der Druckfarbenablösung im Deinkingprozess durch eine Ultraschallbehandlung der Faserstoffsuspension konnte von Fri- cker et. al. für schwer deinkbare Altpapiere nachgewiesen werden [11].

3.2 Mechanische Hochfrequenz

Grundlagen Unter mechanischen Hochfrequenzverfahren (mHF) sind Verfahren zu verste- hen, die durch die Drehbewegung eines Rotors mit sehr hoher Umfangsge- schwindigkeit Druckwechselbeanspruchungen (Pulsationen) im Medium (bspw.

Faserstoffsuspension) auslösen. Das Medium wird zwischen radialen Scherspal- ten hindurch bewegt. Die spezifische Ausführung von Rotor und Stator ist dabei für den Effekt der Faserumformung maßgebend. Aggregate mit einem Ro- tor/Stator- Prinzip können eine ein- oder mehrstufige Anordnung aufweisen.

Dieses Verfahrensprinzip wird u. a. bei Dispergieraggregaten wie dem Ultra- Turrax oder zur Entstippung angewandt.

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PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de Forschungs-

stand Die Anwendung der mechanischen Hochfrequenz in Faserstoffsuspensionen wurde von Jayme et. al. in den 1950er Jahren beschrieben. Bei diesen Untersu- chungen wurde beobachtet, dass sich, im Gegensatz zur konventionellen Mahlung, durch die mHF-Behandlung die Reißlänge und die Berstfestigkeit unabhängig voneinander entwickeln. Eine mHF-Behandlung bei einer Stoffdichte von 7 % bis 10 % wirkte sich positiver auf die Entwicklung des Quellvermögens aus, als die Behandlung bei einer Stoffdichte von 2 %. Auch konnte bei einer Stoffdichte von 7 % bis 10 % die aufgewendete Arbeit besser für die Entwicklung des Festigkeitspotenzials genutzt werden. [6]

Ungeklärte

Fragen In Bezug auf die Festigkeitseigenschaften beruhen, die bisher aufgezeigten Forschungsergebnisse zum großen Teil auf Untersuchungen mit Zellstoffen. In diesem Projekt bestand der Fokus darin, Altpapierfasern mit Ultraschall bzw.

mechanischer Hochfrequenz zu behandeln. Die Auswirkungen auf die Altpapier- fasern waren bislang weitgehend ungeklärt.

Erwartet wurde, dass bei der US-Behandlung bzw. mHF-Behandlung keine signifikante Veränderung der Faserlängenverteilung eintritt. Durch die Druck- wechselbeanspruchung und auch die in der Faserstoffsuspension entstehenden Kavitation sollen folgende Wirkungen eintreten:

• Fibrillierung der Fasern zur Reaktivierung der Faserbindungsmöglichkeiten,

• verbesserte Quellung der Fasern und somit eine Reversion der Verhornung welche durch vorhergehende Faserbeanspruchung (insbesondere dem Trocknungsprozess bei der Papierherstellung) entstanden ist.

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4 Forschungsziel

Ziel des Forschungs- projektes

Ziel dieses Forschungsvorhabens ist es, den technologischen Nutzen und die Wirtschaftlichkeit hochfrequenter Druckwechsel-Beanspruchungen bei Einsatz von Ultraschall (US) und mechanischer Hochfrequenz (mHF) in der Altpapier- stoffaufbereitung zu ermitteln. Es soll damit festgestellt werden, ob auf diese Weise eine schonende Faserbehandlung und damit eine bessere Nutzung des Faserpotenzials möglich ist, die sich in einer Steigerung der Festigkeit im Produkt Wellpappenrohpapier niederschlägt.

5 Material und Methoden

5.1 Messmethoden Charakteri-

sierung der Faserstoff- suspension

Die Charakterisierung der Faserstoffsuspension erfolgte anhand folgender Kenngrößen.

Tabelle 1 Kenngrößen zur Charakterisierung von Eigenschaften von Faserstoffsuspension

Eigenschaft Prüfvorschrift

Faserlängenverteilung nach Gerätevorschrift FiberLab 3.0, Fa Metso Fasermorphologie Rasterelektronen- / Lichtmikroskop

Wasserrückhaltevermögen ZM IV/33/57

Entwässerungswiderstand (SR-Wert) DIN ISO 5267/1:2000

Zeta-Potenzial PTS-RS: 016/93

Glührückstand 525°C DIN 54370:2007

Charakteri- sierung der Prüfblätter

Durch die Veränderung der Suspensionseigenschaften wird die Festigkeit im Produkt Papier beeinflusst. Die Charakterisierung der Prüfblätter erfolgte anhand folgender Kenngrößen.

Tabelle 2: Kenngrößen zur Charakterisierung von Eigenschaften der Prüfblätter

Eigenschaft Prüfvorschrift

Flächengewicht DIN EN ISO 536:1996 Dicke, Rohdichte DIN EN 20 534:2005 Glührückstand 525°C DIN 54370:2007 Streifenstauchwiderstand (SCT) DIN 54518:2004 Durchreißfestigkeit (Tear-Index) DIN EN 21974:1994 Zugfestigkeit (Tensile-Index) EN ISO 1924–2:2008 Flachstauchwiderstand (CMT) EN ISO 7263:2008 Berstfestigkeit (Bw) DIN EN ISO 2758:2003

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PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de Stärkebestim-

mung Aus den Papieren in Kapitel 10 wurde der Stärkeanteil nach PTS-Methode bestimmt. Die Messung des Stärkeanteils erfolgt durch die Bestimmung von Glukose nach einem enzymatisch- ampereometrischen Meßprinzip. Die Wieder- findungsrate für die verwendete kationische Stärke mit der PTS-Methode zur Bestimmung des Stärkegehaltes betrug 86 %.

5.2 Versuchsstand zur Behandlung von Faserstoffsuspension mit Ultraschall

Funktionsweise Für die Beschallung von Faserstoffsuspension mit Ultraschall wird ein Versuchs- stand mit kontinuierlicher Betriebsweise genutzt. Mit diesem Versuchsstand wird eine intensive Einwirkung von Schwingungen im Ultraschallbereich (20 kHz) und der dabei entstehenden Kavitation auf die Faserstoffsuspension bewirkt.

Das Reaktorvolumen unterhalb der Sonotrodenstirnfläche ist der Bereich im Beschallungsreaktor, in dem eine intensive Kavitation stattfindet. Als Beschall- dauer wird die Zeit angegeben, die eine Volumeneinheit der Faserstoffsuspensi- on benötigt, um durch das Reaktorvolumen unterhalb der Sonotrodenstirnfläche zu fließen.

Abbildung 1 Versuchsstand zur

Ultraschallbehandlung, Fa JTT

Abbildung 2 Durchflusszelle FC100L1-1S (links), Sonotrode BS2d34 (rechts)

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PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de Technische

Daten

Tabelle 3 Technische Daten der Ultraschall-Durchfluss-Anlage zur kontinuierlichen Beschallung von Faserstoffsuspension Volumenstrom Pumpe (Q) 1,0 – 5,0 l/min

Strömungsgeschwindigkeit 0,13 – 0,64 m/s

Stoffdichte (SD) max. 3 % (faserstoffspezifisch) Behandelte Menge Stoff 6 kg lutro

Ultraschallgenerator UIP1000, Fa. Hielscher Ultrasonics GmbH Beschallungsreaktor Flow Cell FC100L1-1S mit Flow Cell Insert34,

Fa. Hielscher Ultrasonics GmbH Ultraschall Schwingfrequenz 20 kHz (+/- 0,5 kHz)

Leistung 1.000 W

Sonotroden BS2d34, BS2d40, Fa. Hielscher Ultrasonics GmbH Sonotrodendurchmesser 34 mm, 40 mm

Boosterhorn B2-2,2, B2-1,8, Fa. Hielscher Ultrasonics GmbH Schwingweite (S) 2–55 µm (Peak to peak)

Schallintensität (I) max. 100 W/cm² Überduck in Zelle (pü) 0–5 bar

Die Bestimmung der Leerlaufleitung erfolgte an Luft.

Einflussgrößen Für den Ultraschallversuchstand zeigt Abbildung 3 den Zusammenhang der Einflussgrößen, die direkt und indirekt bei einer Ultraschalbehandlung eingestellt werden können.

System Direkt einstellbare Indirekt einstellbare Einflussgrößen Einflussgrößen

Booster Sonotrode

Amplituden- potentiometer

Schwingweite / Amplitude

Durchfluss

Stoffdichte

Zellengeometrie

Spezifischer Energieeintrag Statischer Druck

Intensität

Fließgeschwindigkeit an Sonotrode Temperatur

Übersicht Einflussgrößen Ultraschallversuchsstand

Leistung Viskosität

Behandlungszeit Gasphase

UltraschallHydraulikFaserstoffsuspension

Generator / Konverter Frequenz

Feststoffphase

Anzahl Durchgänge / (Reihenschaltung)

Abbildung 3 Einflussgrößen bei der Ultraschallbehandlung der Faserstoffsuspension

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5.3 Versuchsstand zur Behandlung von Faserstoffsuspension mit mechanischer Hochfrequenz

Funktionsweise Die Funktionsweise beruht auf einem Rotor/Stator Prinzip. Der Stator besteht aus vier Reihen von Zähnen mit jeweils verschiedener Anzahl und Abstand zueinander. Die Größe der Zähne sowie deren Abstand zueinander werden vom Zentrum zur Peripherie hin kleiner. Der Rotor (Flügelrotor) besitzt drei Arme, die in Höhe der Zahnreihen eingekerbt sind. Auf diese Weise werden während der Rotation die zylindrischen Öffnungen zwischen den Zähnen kurzzeitig geschlos- sen.

Abbildung 4 Versuchsstand zur

mechanischen Hochfrequenz, Fa. Cavitron

Abbildung 5 Rotor-Stator, Garnitur 1 (oben) und Garnitur 2 (unten)

Technische

Daten Labor CaviMix:

• Frequenz, (f), (Frequenzumrichter) 20 – 90 Hz

• Eingetragene Leistung P 0,5 – 6,8 kW

• Stoffdichte, (SD) 7,5 – 30 %

• Behandelte Menge Stoff 1 – 4,5 kg lutro Die Bestimmung der Leerlaufleistung erfolgt an Luft.

Einflussgrößen Die Steuerung der Drehzahl des Rotors und damit der Umfangsgeschwindigkeit des Rotors erfolgt über die Frequenz am Frequenzumrichter (FU).

Die Leistungsaufnahme des Versuchstandes wird wesentlich von der Suspensi- onsmenge sowie der Frequenz des Frequenzumrichters bestimmt.

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5.4 Technikumsrefiner Technische

Daten Die Mahlung des Altpapierstoffes erfolgte mit dem Technikumsrefiner der For- schungsstelle (Abbildung 6):

Garnituren: Scheibe, Edelstahl

Schnittwinkel: 60°

Spez. Kantenbelastung: 0,1 / 0,5 Ws/m

Stoffdichte: 4 %

Garniturdurchmesser: 300 mm Abbildung

Technikums- refiner

Abbildung 6 Technikumsrefiner

5.5 Faserstoffsuspension

Faserstoff

Altpapier Für die Untersuchungen wurde zum Einen ein Modellaltpapierstoff (Modell-AP) aus einer Mischung rezyklierter Papierprodukte hergestellt. Dieser repräsentiert eine Mischung aus 50 % der Altpapiersorte 1.02 und 50 % der Altpapiersorte 1.04 (European Standard EN 643).

Zum Anderen wurde als Rohstoff ein industriell gefertigter Wellenstoff (Praxis-AP) genutzt, der aus einer Mischung aus den Altpapiersorten 1.02 und 1.04 zu jeweils 50 % gefertigt wurde.

Vorbehandlung

des Faserstoffes Die im Projekt untersuchten Verfahren arbeiten in unterschiedlichen Stoffdichte- Bereichen der Faserstoffsuspension. In den Untersuchungen zur mechanischen Hochfrequenz wurde die Stoffdichte zwischen 7,5 % und 30 % variiert. Bei der Behandlung der Faserstoffsuspension mit Ultraschall wurde die Stoffdichte zwischen 0,5 % und 2 % variiert.

Das Suspendieren der Faserstoffe erfolgte bei einer Stoffdichte von 10 % in einem Laborpulper der Fa. Lamourt. Versuche zur mHF mit einer Stoffdichte größer 10 % erfordern daher eine Eindickung des Faserstoffes, die zur Abtren- nung von Feinstoff und damit zu einer Änderung des Ausgangsstoffes führen.

Um eine Vergleichbarkeit zwischen den Versuchsergebnissen beider Verfahren zu gewährleisten, wurde der Faserstoff vor der Behandlung auf über 30 % Stoffdichte eingedickt und für die Versuche mit Leitungswasser verdünnt.

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6 Untersuchungen mit hochfrequenten Druckwechselverfahren zur Bestimmung geeigneter Prozessparameter

6.1 Ultraschall

Vorgehen Ausgehend aus den in der Literatur vorgestellten Arbeiten zur Behandlung von Faserstoffen mit Ultraschall, wurde eine erste Versuchsserie unter Variation der Beschalldauer, dem statischen Überdruck und der Schwingweite durchgeführt.

Anschließend erfolgte die Variation der Sonotrodenstirnfläche, des Reaktorvolu- men und der Stoffdichte sowie der indirekt einstellbaren Einflussgrößen spezifischer Energieeintrag, Leistung und Schallleistungsdichte.

Entwicklung Entwässerungs- widerstand und WRV bei Variation Behandlungs- dauer

US-Behandlung - Variation Beschalldauer - Faserstoff Altpapier, SD 1 %, S 28 µm, pü 5 bar, I 61 W/cm²

0 10 20 30 40 50 60 70 80

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18

Verweilzeit Suspension in Schallfeld in sec (Beschalldauer) Entwässerungswiderst and in SR

0 50 100 150 200 250

WRV in %

SR-Wert WRV

Abbildung 7 Entwicklung des Entwässerungswiderstandes und des WRV in Abhängigkeit von der Dauer der Ultraschallbehandlung

Suspensions-

eigenschaften Eine Änderung der Suspensionseigenschaften ist schon nach einer kurzen Behandlungsdauer (Aufenthalt eines Volumenelementes der Faserstoffsuspen- sion unterhalb der Sonotrodenstirnfläche) von wenigen Sekunden zu beobachten. (Abbildung 7)

Papierfestigkeit Die statischen Festigkeiten werden durch die Ultraschallbehandlung positiv beeinflusst und dies ebenfalls nach wenigen Sekunden Behandlungsdauer.

(Tensile-Index in Abbildung 8)

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PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de Entwicklung

Tensile-Index und Tear-Index bei Variation Behandlungs- dauer

US-Behandlung - Variation Beschalldauer - Faserstoff Altpapier, SD 1 %, S 28 µm, pü 5 bar, I 61 W/cm²

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18

Verweilzeit Suspension in Schallfeld in Sekunden (Beschalldauer) Tensile-Index in kNm/kg

0 2 4 6 8 10 12 14

Tear-Index in mNm²/g

Tensile-Index Tear-Index

Abbildung 8 Entwicklung des Tensile-Index und des Tear-Index in Abhängigkeit von der Dauer der Ultraschallbehandlung

Faserlänge Die Faserlänge wird durch die Behandlung mit Ultraschall nicht beeinflusst. Auch lange Beschallungen, hohe Schwingweiten oder hohe Schalleistungsdichten führen zu keiner Faserkürzung. Entgegen der konventionellen Mahlbehandlung, bei der immer auch eine Kürzung der Fasern eintritt, kann daher mit Ultraschall eine Fasermodifizierung ohne Verlust an Faserlänge realisiert werden.

Entwicklung längengewichtete Faserkonturlänge bei Variation Behandlungs- dauer,

Schallintensität, Schwingweite

US-Behandlung - Variation Beschalldauer, Schwingweite, Schallintensität, (Statischer Druck) - Faserstoff Altpapier, SD 1 %

1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8 1,9 2,0

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45

Verweilzeit Suspension in Schallfeld in Sekunden (Beschalldauer)

Faserlänge (Kontur), L(l)c in mm S 28 µm, I 18 W/cm² S 28 µm, I 61 W/cm²

S 40 µm, I 61 W/cm² S 55 µm, I 81 W/cm²

Abbildung 9 Einfluss der Ultraschallbehandlung auf die längengewichtete Faserkonturlänge, Variation der Parameter Schwingweite, Schallintensität, Beschalldauer

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PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de Optimale

Parameter Ultraschall

In den Untersuchungen konnten verschiedene Versuchspunkte der Ultraschall- behandlung identifiziert werden, die sich günstig auf die Entwicklung des Festigkeitspotenzials der Faserstoffe auswirken. Der Volumenstrom wurde bei der Beschallung auf 5 l/min gewählt.

Die mit diesen Versuchseinstellungen erzielbaren Festigkeitssteigerungen betragen 8 % bis 16 % beim Tensile-Index und bis zu 19 % beim Berstwider- stand-Index (Abbildung 10).

Tabelle 4 Kenngrößen der Ultraschallbehandlung einer Faserstoffsuspension zur Erhöhung des Festigkeitspotenzials des Faserstoffes (Altpapier)

Versuch Rohstoff Altpapier (AP)

Stoff- dichte in %

Stati- scher Über- druck in bar

Schwin gweite in µm

Schal- leis- tungs- dichte in W/cm²

SEC Brutto in kWh/t

SEC Netto in kWh/t

US-A Modell-AP 1 2,5 55 83 289 250

US-B Modell-AP 1 0 55 37 154 120

US-C Modell-AP 1 0 28 16 94 70

US-D Praxis-AP 1 1 32 33 130 105

Entwicklung Entwässerungs- widerstand, Tensile-Index und Berstwiderstand- Index bei

Variation

statischer Druck, Schwingweite, Schallintensität

Ultraschallbehandlung

0 10 20 30 40 50 60 70

ohne US U9-1(50) U15-1(50) U17-1(50) ohne US U35-1

Modell-AP Wellenstoff

Tensile-Index in kNm/kg Entwässerungswiderstand in SR

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

Bw-Index in kPa·m²/g

Tensile-Index SR-Wert Berstwiderstand-Index

+9% +8% +8% +0% +12% +3% +16% +19%

Abbildung 10 Tensile-Index, Berstwiderstand-Index und Entwässerungs-

widerstand in Abhängigkeit der US-Behandlung einer Altpapierfasersuspension

Praxis-Altpapierstoff Modell-Altpapierstoff

US-A US-B US-C

ohne US ohne US US-D

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6.2 Mechanische Hochfrequenz

Vorgehen In den Untersuchungen wurden die Parameter Stoffdichte der Suspension, Frequenz und damit Umfangsgeschwindigkeit des Rotors sowie die Behand- lungsdauer und damit der spezifische Energieeintrag variiert.

Außerdem wurden zwei unterschiedliche Garniturgeometrien genutzt , wobei eine Garnitur mit 58 Zähnen (Garnitur 1, Außenkranz) und eine mit 145 Zähnen (Garnitur 2, Außenkranz) zum Einsatz kamen.

Die Temperatur zu Beginn eines Versuches wurde auf 40°C eingestellt. Analog zu den Untersuchungen mit Ultraschall erfolgte in einer ersten Versuchsserie die Behandlung unter Variation der Behandlungsdauer in einem großen Bereich (bis 30 Minuten).

Suspensions-

eigenschaften Bei einer Frequenz von 70 Hz und einer Stoffdichte von 10 % wird der Entwässe- rungswiderstand nur geringfügig beeinflusst. Das Quellvermögen wird hingegen stärker gesteigert als bei den beiden anderen Versuchsserien. (Abbildung 11) Außerdem ist bei diesen Bedingungen eine Erhöhung der für Verpackungspapie- re relevanten Festigkeitseigenschaften (SCT, Berstwiderstand) bei einer gerin- gen Behandlungsdauer von 3 Minuten zu beobachten.

Entwicklung Entwässerungs- widerstand und WRV bei Variation Behandlungs- dauer, Umfangs- geschwindigkeit, Stoffdichte

mHF-Behandlung - Variation Behandlungsdauer, Stoffdichte, Umfangsge- schwindigkeit - Faserstoff Altpapier, Garnitur 1

0 10 20 30 40 50 60 70 80

0 2 4 6 8 10 12 14 16

Behandlungsdauer in Minuten Entwässerungswiderstand, WRV, Relative Änderung in %

SR-Wert, f 90 Hz, SD 10% WRV, f 90 Hz, SD 10%

Abbildung 11 Entwicklung des SR-Wertes und des WRV mit der

Behandlungsdauer bei der Behandlung von Faserstoffs mit mHF

(19)

PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de Entwicklung der

Papierfestigkeit bei Variation der Stoffdichte

mHF-Behandlung - Variation Stoffdichte - Faserstoff Altpapier, Garnitur 2, f 90 Hz, t 9 Min.

-10 -5 0 5 10 15 20 25 30

0 5 10 15 20 25 30

Stoffdichte in % Tensile-Index, Berstwiderstand, SCT, Relative Änderung in %

Tensile-Index Berstwiderstand

Streifenstauchwiderstand (SCT)

Abbildung 12 Entwicklung des SCT, Berstwiderstandes und des Tensile-Index mit der Stoffdichte bei der Behandlung von Faserstoffs mit mHF Papierfestigkeit Die Behandlung der Faserstoffsuspension mit mHF bei einer Stoffdichte von

10 % wirkt sich positiver auf die Entwicklung der Festigkeitseigenschaften aus gegenüber der Behandlung bei höheren Stoffdichten.

Entwicklung der längen-

gewichteten Faserkonturlänge bei Variation Behandlungs- dauer, Umfangs- geschwindigkeit, Stoffdichte

mHF-Behandlung - Variation Behandlungsdauer, Stoffdichte, Umfangsgeschwindigkeit - Faserstoff Altpapier, Garnitur 1

0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Behandlungsdauer in Minuten

L(l)c in mm

f 20Hz, SD 10% f 50 Hz, SD 10 % f 90 Hz, SD 10 % f 20 Hz, SD 30 % f 50 Hz, SD 30 % f 90 Hz, SD 30 %

Abbildung 13 Einfluss der Behandlung mit mechanischer Hochfrequenz auf die längengewichtete Faserkonturlänge, Variation der Parameter Behandlungsdauer, Stoffdichte, Frequenz

(20)

Faserlänge Die Behandlung des Faserstoffes bei einer hohen Stoffdichte von 30 % oder einer hohen Rotordrehzahl (f 90 Hz) führt zu einer geringfügigen Faserkürzung.

Optimale Parameter

In den Untersuchungen konnten verschiedene Versuchspunkte der mHF- Behandlung identifiziert werden, die sich günstig auf die Entwicklung des Festig- keitspotenzials der Faserstoffe auswirken.

Mit den Versuchspunkten aus Tabelle 5 wurde eine Erhöhung der statischen Festigkeit, gemessen als Tensile-Index, um 10 bis 17 % möglich. Der Berstwi- derstand kann damit um 12 bis 21 % gesteigert werden. (Abbildung 14)

Tabelle 5 Kenngrößen der mHF-Behandlung einer Faserstoffsuspension zur Erhöhung des Festigkeitspotenzials des Faserstoffes (Altpapier), Garnitur 1

Versuch

Rohstoff Altpapier

(AP)

Stoff- dichte in

%

Frequenz in Hz

Behand- lungs- dauer in

Min.

SEC Brutto (Labor) in kWh/t

SEC Netto (Labor) in kWh/t

SEC Brutto (Indus-trie)

in kWh/t

mHF-A Modell-AP 10 50 3 260 130 100

mHF-B Praxis-AP 10 70 3 380 205 150

Entwässerungs- widerstand, Tensile-Index, Berstwiderstand- Index

Behandlung Faserstoffsuspension mit mechanischer Hochfrequenz, Garnitur 1, Stoffdichte 10 %,

Behandlungsdauer 3 Min.

0 10 20 30 40 50 60 70

ohne mHF H17-3 ohne mHF H32-3

Modell-AP Wellenstoff

Tensile-Index in kNm/kg Entwässerungswiderstand in SR

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

Bw-Index in kPa·m²/g

Tensile-Index SR-Wert

Berstwiderstand-Index

+10% + 12% +17% + 21%

Abbildung 14 Tensile-Index, Berstwiderstand-Index und

Entwässerungswiderstand in Abhängigkeit der mHF-Behandlung von Altpapierfasersuspension

Praxis-Altpapierstoff Modell-Altpapierstoff

ohne mHF mHF-A ohne mHF mHF-B

(21)

7 Vergleich der Refinermahlung mit hochfrequenten Druckwechselverfahren

Refinermahlung In einer ersten Versuchsserie wurde der Faserstoff mit einem spezifischen Energieeintrag (SEC) von 30, 60 und 90 kWh/t und einer spezifischen Mahlkan- tenbelastung (SEL) von 0,5 Ws/m gemahlen (Schnittwinkel 60°, sekündliche Kantenlänge 6,82 km/s, Stoffdichte Faserstoffsuspension 4 %). Der Anstieg des Entwässerungswiderstandes war dabei erheblich. Das Festigkeitspotenzial des Faserstoffes konnte mit diesen Mahlbedingungen um weniger als 10 % verbes- sert werden.

In einer zweiten Versuchsserie wurde der Faserstoff mit einem geringerem Energieeintrag (SEC 15 kWh/t, SEL 0,5 Ws/m) und mit dem sogenannten Low Intensity Refining mit einer anderen Garnitur (Sekündliche Kantenlänge 34,40 km/s, SEL 0,1 Ws/m) gemahlen. Eine Steigerung des Tensile-Index konnte hierbei nur für den Versuchpunkt (SEL 0,1 Ws/m, SEC 30 kWh/t) gefun- den werden. Allerdings war dieser Festigkeitsgewinn mit einem hohen Anstieg des Entwässerungswiderstandes verbunden (von ca. 50 SR auf 70 SR).

Für den Vergleich der Refinermahlung mit den hochfrequenten Druckwechsel- verfahren wurden die Ergebnisse aus Versuchsserie 1 sowie der Mahlpunkt 30 kWh/t aus Versuchsserie 2 herangezogen.

Vorgehen Der Vergleich der Refinermahlung mit der US-Behandlung und der mHF- Behandlung erfolgte anhand des Netto-Energiebedarfes der Aggregate. Eine Abschätzung der Leistung des Versuchstandes mechanische Hochfrequenz zur äquivalenten Leistung eines Industrieaggregates ergibt, dass das mHF Verfahren in der industriellen Praxis nur noch ca. 1/3 des Energiebedarfes gegenüber dem Labor-Versuchsstand hat.

Vergleich Mahlung, Ultraschall- behandlung und und Behandlung mit

mechanischer Hochfrequenz

Die Mahlung eines Faserstoffes aus Altpapieren der unteren Sortengruppen kann mit der konventionellen Refinermahlung das Festigkeitspotenzial dieses Faserstoffes nur noch geringfügig steigern. Gleichzeitig wird durch die Refiner- mahlung der Entwässerungswiderstand stark erhöht. Dabei hat nicht nur der spezifische Energieeintrag (SEC) sondern insbesondere auch die Mahlkantenbe- lastung (SEL) einen entscheidenden Einfluss. Eine Steigerung der statischen Festigkeit – gemessen als Tensile-Index – um 7 bis 8 % kann sowohl bei einem SEC von 90 kWh/t (SEL 0,5 Ws/m) als auch mit 30 kWh/t (SEL 0,1 Ws/m) erzielt werden. Allerdings tritt dabei eine so hohe Steigerung des Entwässerungswider- standes ein, dass dieser Faserstoff nur noch bedingt für die Produktion von Verpackungspapieren genutzt werden kann.

(22)

Auch bei der Ultraschallbehandlung sowie der Behandlung mit mechanischer Hochfrequenz haben neben dem spezifischen Energieeintrag auch weitere Parameter einen starken Einfluss auf das Behandlungsergebnis.

Die Entwicklung des Entwässerungswiderstandes bei vergleichbaren spezifischen Energieeinträgen (Netto) von 60 kWh/t bei der Refinermahlung und 70 kWh/t bei der Ultraschallbehandlung zeigt, dass der Entwässerungswider- stand bei der Refinermahlung sehr viel stärker ansteigt (+ 19 SR), als bei der Ultraschallbehandlung (+ 2 SR). Die Festigkeit wird bei der Refinermahlung nur um 4 % gesteigert, wohingegen die Ultraschallbehandlung eine Steigerung um 12 % bewirkt.

Durch die Behandlung von Altpapiersuspension mit mechanischer Hochfrequenz kann die Festigkeit der daraus gebildeten Papiere um ca. 9 % gesteigert werden, bei einem Anstieg des Entwässerungswiderstandes um 8 SR und einem spezifischen Energieeintrag von 205 kWh/t Netto (Labor), was einem spezifischen Energieeintrag Brutto in einem Praxisaggregat von ca. 100 kWh/t entspricht.

Entwicklung des Entwässerungs- widerstandes durch Mahlung bei Variation SEC, SEL und durch

Ultraschallbe- handlung sowie durch

Behandlung mit mechanischer Hochfrequenz

Vergleich Mahlung (Refiner), Ultraschallbehandlung und Behandlung mit mechanischer Hochfrequenz einer Faserstoffsuspension (Altpapier 50% 1,02, 50% 1,04)

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

0 0,5 Ws/m 0,5 Ws/m 0,5 Ws/m 0,1 Ws/m 28 µm 50 Hz

0 30 60 90 30 70 205

Entwässerungswiderstand in SR

Entwässerungswiderstand

Refiner _schall^Ultra-

SEL / Schwing- weite / Frequenz SEC Netto in kWh/t

Unbe- handelt

mech.

Hochfreq.

Abbildung 15 Entwicklung des Entwässerungswiderstandes nach Behandlung durch Refinermahlung, nach Behandlung mit Ultraschall

(Statischer Überdruck 0 bar, Stoffdichte 1 %) und nach

Behandlung mit mechanischer Hochfrequenz (Stoffdichte 10 %)

(23)

PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de Entwicklung des

Tensile-Index durch Mahlung bei Variation SEC, SEL und durch

Ultraschallbe- handlung sowie durch

Behandlung mit mechanischer Hochfrequenz

Vergleich Mahlung (Refiner), Ultraschallbehandlung und Behandlung mit mechanischer Hochfrequenz einer Faserstoffsuspension (Altpapier 50% 1,02, 50% 1,04)

28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50

0 0,5 Ws/m 0,5 Ws/m 0,5 Ws/m 0,1 Ws/m 28 µm 50 Hz

0 30 60 90 30 70 205

Tensile-Index in kNm/kg

Tensile-Index

Refiner _schall^Ultra-

SEL / Schwing- weite / Frequenz SEC Netto in kWh/t

Unbe- handelt

+1% +4% +8% +7% +12% +9%

0

mech.

Hochfreq.

Abbildung 16 Entwicklung des Tensile-Index nach Behandlung durch Refinermahlung, nach Behandlung mit Ultraschall (Statischer Überdruck 0 bar, Stoffdichte 1 %) und nach Behandlung mit mechanischer Hochfrequenz (Stoffdichte 10 %)

Fazit Die Ultraschallbehandlung der Faserstoffsuspension kann bei vergleichbarem spezifischem Energieeintrag das Festigkeitspotenzial des Faserstoffes besser entwickeln als die Refinermahlung. Der Entwässerungswiderstand wird dabei durch die Ultraschallbehandlung weit weniger gesteigert, als bei der Refinermah- lung.

Die Behandlung der Faserstoffsuspension mit mechanischer Hochfrequenz ergibt keine wesentlichen Vorteile der Eigenschaftsentwicklung des Faserstoffes gegenüber der Refinermahlung.

(24)

8 Kombination aus Mahlbehandlung im Refiner mit hochfrequenten Druckwechselverfahren

8.1 Altpapierfasersuspension

Vorgehen Für die kombinierte Behandlung von Faserstoff (Altpapier 50 % 1.02, 50 % 1.04) in einer konventionellen Mahlung und anschließender Behandlung mit hochfrequenten Druckwechselverfahren kam als Mahlaggregat der Technikumsrefiner der Forschungsstelle zum Einsatz.

Die weitere Behandlung der gemahlenen Faserstoffsuspension erfolgte zum Einen im Versuchsstand zur mechanischen Hochfrequenz und zum Anderen im Ultraschallversuchsstand.

Betriebs- bedingungen Vormahlung

Die Mahlung im Refiner wurde mit einem spezifischen Energieeintrag von 15 kWh/t, einer spezifischen Mahlkantenbelastung von 0,1 Ws/m und einem Schnittwinkel von 60° und einer sekündlichen Kantenlänge von 34,40 km/s durchgeführt.

Betriebs- bedingungen mechanische Hochfrequenz

Beim Betrieb der mechanischen Hochfrequenzbehandlung kamen folgende Einstellungen zur Anwendung.

Tabelle 6 Variierte Parameter der Behandlung mit mechanischer

Hochfrequenz bei den Untersuchungen einer Kombination aus Mahlbehandlung im Refiner mit hochfrequentem

Druckwechselverfahren

Versuch 1 2 3

Spez. Energiebedarf Netto in kWh/t 45 135 315

mHF.-zeit in Min. 1 3 3

Frequenz in Hz 50 50 70

Stoffdichte in % 10 10 10

Betriebs- bedingungen Ultraschall

Die Nachbehandlung mit Ultraschall des im Technikumsrefiner gemahlenen Faserstoffes erfolgte bei folgenden Einstellungen:

Tabelle 7 Variierte Parameter des Ultraschall bei den Untersuchungen einer Kombination aus Mahlbehandlung im Refiner und Behandlung mit Ultraschall

Versuch 1 2 3

Spez. Energiebedarf Netto in kWh/t 45 95 305

Druck 0 0,75 1

Amplitude 27 34 34

Stoffdichte in % 1 1 1

Schallintenstät in W /cm² 36 35 32

Suspensions-

eigenschaften Die konventionelle Mahlung führt zu einem Anstieg des SR-Wertes um 8 SR und zu einer Erhöhung des WRV um 23 %. Bei der kombinierten Mahlungs- und mHF-Behandlung erfolgt eine intensivere externe Fibrillierung – gemessen als

mHF mHF mHF

US US US

(25)

Entwässerungswiderstand – gegenüber der kombinierten Mahlungs- und Ultra- schallbehandlung. Der WRV kann bei beiden Verfahrenskombinationen um 24 % bzw. 23 % gegenüber dem unbehandelten Stoff gesteigert werden (SEC ca.

320 kWh/t).

Entwicklung des Entwässerungs- widerstandes und des WRV durch

kombinierte Mahlung und hochfrequenten Druckwechsel- verfahren bei Variation SEC

Kombination Mahlung + Hochfrequente Druckwechselverfahren

0 10 20 30 40 50 60 70

0 15 60 150 330 60 110 320

mHF 1 mHF 2 mHF 3 US 1 US 2 US 3

unbe- handelt

Vor- mahlung

Vormahlung + mech.

Hochfrequenz

Vormahlung + Ultraschall SEC (Gesamt) Netto in kWh/t / Versuch / Verfahrensschritt

SR-Wert in SR

0 50 100 150 200

WRV in %

SR-Wert WRV

Abbildung 17 Entwicklung des Entwässerungswiderstandes und des WRV durch Vormahlung (Mahlung im Refiner) und Kombination aus Vormahlung und mHF-Behandlung sowie Kombination aus Vormahlung und US-Behandlung

Entwicklung des Tensile-Index durch

kombinierte Mahlung mit hochfrequenten Druckwechsel- verfahren bei Variation SEC

Kombination Mahlung + Hochfrequente Druckwechselverfahren

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

0 15 60 150 330 60 110 320

mHF 1 mHF 2 mHF 3 US 1 US 2 US 3

unbe- handelt

Vor- mahlung

Vormahlung + mech.

Hochfrequenz

Vormahlung + Ultraschall SEC (Gesamt) Netto in kWh/t / Versuch / Verfahrensschritt

Tensile-Index in kNm/kg

Tensile-Index

Abbildung 18 Entwicklung des Tensile-Index durch Vormahlung (Mahlung im Refiner) und Kombination aus Vormahlung und mHF-Behandlung sowie Kombination aus Vormahlung und US-Behandlung

(26)

PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de Vergleich

Mahlung mit Kombination aus Vormahlung und Ultraschall- behandlung bzw.

Vormahlung und mechanischer Hochfrequenzbe handlung

Die durch die konventionelle Mahlung erfolgte Steigerung der Fibrillierung und des Quellvermögens (Anstieg SR-Wert, WRV) kann nicht in einer Steigerung der statischen Festigkeit (Tensile-Index) wiedergefunden werden. Die dynamische Festigkeit (Tear-Index) wird hingegen durch die Mahlbehandlung um 14 % gesteigert.

Die Kombination aus Refinermahlung und mHF-Behandlung sowie die Kombina- tion aus Refinermahlung und US-Behandlung resultieren nicht in einer Erhöhung der statischen Festigkeit (Tensile-Index) gegenüber der alleinigen Behandlung der Faserstoffsuspension im Refiner (Vormahlung).

Die Kombination aus Refinermahlung und mHF-Behandlung sowie die Kombina- tion aus Refinermahlung und US-Behandlung verringern geringfügig die dynamische Festigkeit des Papiers.

Fazit Die kombinierte Behandlung der Altpapierfasersuspension mit Refinermahlung und hochfrequentem Druckwechselverfahren führt zu keinem Vorteil gegenüber einer ausschließlichen Behandlung mit einem hochfrequenten Druckwechselver- fahren.

8.2 Frischfasersuspension

Vorgehen Um die Wirkung des Ultraschalls durch mikroskopische Aufnahmen bewerten zu können, sind Rastelektronenmikroskopische Aufnahmen an Papieren erfolgt, die aus Primärfaserstoff hergestellt wurden.

Der Primärfaserstoff (eucalyptus globulus) wurde wie folgt bearbeitet (Mahlung JOKRO-Mühle 15 Minuten, Behandlung Ultraschall: S 28 µm, pü 5 bar, I 60 W/cm², SEC 1000 kWh/t) (Abbildung 19).

Unbehandelter

Faserstoff JOKRO-Mühle JOKRO-Mühle US-Behandlung US-Behandlung

Eucalyptus globulus

Bewertung Suspension, Festigkeitseigenschaften, Mikroskopie aus RK-Blatt Abbildung 19 Übersicht der Versuche zur Behandlung von Primärfaserstoff

(eucalyptus globulus) mit klassifizierender Mahlung in der JOKRO- Mühle und Behandlung mit Ultraschall

(27)

Mikroskopie Der mit Ultraschall behandelte Faserstoff (rechts oben) weist eine Auflockerung der Zellwand auf. Eine externe Fibrillierung infolge der Ultraschallbehandlung ist nicht zu erkennen. Die mechanische Behandlung des Faserstoffes in der JOKRO-Mühle resultiert in einer starken externen Fibrillierung sowie einer starken Beschädigung der Faserwand (links unten). Eine auf die mechanische Mahlung folgende Ultraschallbehandlung trägt zu keiner weiteren Änderung an der Fasermorphologie bei (rechts unten). (Abbildung 20)

Abbildung 20 Fasern von Eucalyptus globulus in einer Rasterelektronenaufnahme, oben links: ohne Behandlung,

oben rechts: nach Behandlung der Faserstoffsuspension mit Ultraschall

(Schwingweite 28 µm, statischer Überdruck 5 bar, Schallintensität 60 W/cm², SEC 1000 kWh/t),

unten links: Mahlung des Faserstoffes in der JOKRO Mühle für 15 Minuten, unten rechts: Mahlung des Faserstoffes in der JOKRO Mühle für 15 Minuten und anschließender Behandlung mit Ultraschall (Schwingweite 28 µm, statischer Überdruck 5 bar, Schallintensität 60 W/cm², SEC 1000 kWh/t)

(28)

9 Einfluss des Mehrfachrecyclings auf Fasereigenschaften bei Anwendung von hochfrequenten Druckwechselverfahren

Vorgehen Die Untersuchungen erfolgten mit Bildung des (feuchten) Papierblattes auf dem Rapid-Köthen Blattbildner und der Trocknung des feuchten Papierblattes durch einen Rapid-Köthen Trockner (Trocknungsdauer 14 Minuten, Temperatur 92°C).

Diese Trocknungsbedingungen wurden zuvor in einer Versuchsreihe bestimmt, bei der verschiedene Trocknungsmethoden im Labor mit der Trocknung an der Versuchspapiermaschine anhand der Entwicklung des WRV über drei Recyc- lingzyklen hinweg verglichen wurden.

Die Änderungen der Faserstoffeigenschaften der drei Recyclingzyklen bei Behandlung der Faserstoffsuspension mit Ultraschall wurden den Änderungen der Faserstoffeigenschaften bei der Behandlung mit mHF gegenübergestellt. Als Referenz dienten Recyclingzyklen ohne Behandlung der Faserstoffsuspension.

Versuchs-

durchführung Die Ultraschallbehandlung erfolgte bei einer Schwingweite von 34 µm, einer Stoffdichte von 1 %, bei 1 bar statischem Überdruck und einem Volumenstrom von 5 l/min. Der spezifische Energiebedarf betrug dabei 120 kWh/t (Netto) bei einer Schallintensität von 34 W/cm² (Netto). Die Sonotrodenstirnfläche hatte einen Durchmesser von 34 mm.

Die Behandlung der Faserstoffsuspension mit mechanischer Hochfrequenz erfolgte bei einer Frequenz von 70 Hz, einer Stoffdichte von 10 % und einer Behandlungsdauer von 3 Minuten (SEC 200 kWh/t Netto).

Versuchsplan Mehrfach- recycling

Rohstoff Altpapier

Bestimmung Suspensionseigenschaften, Glührückstand 525°C und Bildung RK-Blätter für Bestimmung Festigkeitseigenschaften

mit US Zyklus 0

Desintegration bei 5 % SD für 15 Min. und 40°C

RK-Blätter aus Zyklus 1 RK-Blätter aus Zyklus 2

o. Beh. mit mHF

Blattbildung RK Verdünnung

auf 1 % SD

mit US Eindickung auf

10 % SD Desintegration bei 5 % SD

für 15 Min. und 40°C

o. Beh. mit mHF

Blattbildung RK

mit US Desintegration bei 5 % SD

für 15 Min. und 40°C

o. Beh. mit mHF

Blattbildung RK Eindickung auf

10 % SD Eindickung auf

10 % SD Verdünnung

auf 1 % SD Verdünnung

auf 1 % SD

Zyklus 1 Zyklus 2

Desintegration bei 5 % SD für 15 Min. und 40°C Zyklus 3

Abbildung 21 Versuchsplan zum Mehrfachrecycling

(29)

WRV Mehrfachrecycling

100 110 120 130 140 150 160 170 180

0 1 2 3 4

Anzahl der Befeuchtungs-Trocknungs-Zyklen

WRV in %

Ohne Beh.

Mit mHF Mit US

Abbildung 22 Entwicklung des WRV über drei Befeuchtungs- Trocknungs- Zyklen ohne Behandlung, mit mHF-Behandlung und mit US- Behandlung der Faserstoffsuspension (Altpapier 50 % 1.02, 50 % 1.04)

Suspensions- eigenschaften und

Papierfestigkeit

Deutlich zu erkennen ist, dass das mHF-Verfahren der Verhornung, gemessen als WRV, entgegenwirkt. Aber auch die Behandlung mit Ultraschall wirkt sich positiv auf den WRV aus gegenüber dem unbehandelten Faserstoff. (Abbildung 22). Die Entwicklung der Faserlänge während der Recyclingzyklen ist für den unbehandelten und für den mit Ultraschall oder mHF behandelten Faserstoff gleich.

Das Potenzial des Faserstoffes für die statischen Festigkeiten wird durch die mHF-Behandlung über die Recyclingzyklen besser entwickelt gegenüber der Behandlung mit Ultraschall. Allerdings wird der Entwässerungswiderstand nach drei Recyclingzyklen bei der mHF-Behandlung um 15 SR gesteigert gegenüber dem unbehandelten Faserstoff wohingegen die Ultraschallbehandlung keine Steigerung des Entwässerungswiderstandes bewirkt.

Fazit Das Verfahren zur mechanischen Hochfrequenz kann einer Verschlechterung der Faserqualität infolge von zyklischer Befeuchtungs- Trocknungs-Zyklen entgegenwirken. Dies gilt, wenn auch in vermindertem Maße, für die Behandlung der Faserstoffsuspension mit Ultraschall.

(30)

10 Reduzierung des Stärkeeinsatzes bei Anwendung von hochfrequenten Druckwechselverfahren

Ziel Ziel war es, durch den Einsatz von Druckwechselverfahren eine Reduzierung des Stärkeeinsatzes (Einsatz in der Masse) bei gleich bleibender Festigkeit und somit geringeren Additivkosten zu gewährleisten. Die Versuche wurden im Technikum der PTS Heidenau durchgeführt. Zusätzlich zum Arbeitsplan erfolgten Versuche im Labormaßstab.

Versuchsdurch-

führung In der Versuchsdurchführung wurde mit zwei Verfahren zur Blattbildung gearbei- tet. Bei der Blattbildung auf der Papermaschine („Blattbildung PM“) wurden sogenannte Maschinenpapiere („PM“) erzeugt. Bei der Blattbildung nach dem Rapid-Köthen Verfahren („Blattbildung RK“) wurden Rapid-Köthen-Laborblätter („RK“) erzeugt. Die Papiere beider Blattbildungsverfahren wurden bzgl. ihrer Festigkeitseigenschaften analysiert. Die Maschinenpapiere wurden zusätzlich wieder zerfasert (Labor-Desintegrator) und an dieser Suspension der Stärkege- halt sowie die Fasermorphologie mit dem Messgerät FiberLab bestimmt. Als Stärke wurde eine kationische Kartoffelstärke mit DS 0,038 eingesetzt.

Massen- stärke 1,0 % Massen-

stärke 0,5 %

ohne US mit US

Verdünnung auf 1 % SD

Massen- stärke 2,0 %

Blatt- bildung

PM

Bestimmung Suspensionseigenschaften Bestimmung Festigkeitseigenschaften Desintegration bei 5 % SD

für 5 Min. und 40°C Desintegration bei 5 % SD

für 5 Min. und 40°C Desintegration bei 5 % SD für 5 Min. und 40°C

Blatt- bildung

RK

Bestimmung Stärkegehalt nach PTS-Methode in Maschinenblatt, Bestimmung Fasermorphologie aus aufgeschlagenem Maschinenblatt

Blatt- bildung

PM Blatt- bildung

RK

ohne US mit US

Blatt- bildung

PM Blatt- bildung

RK Blatt- bildung

PM Blatt- bildung

RK

ohne US mit US

Blatt- bildung

PM Blatt- bildung

RK Blatt- bildung

PM Blatt- bildung

RK Desintegration bei 5 % SD

für 10 Min. und 40°C Desintegration

bei 5 % SD für 15 Min.

und 40°C

ohne US Verdünnung

auf 1 % SD

Blatt- bildung

PM Blatt- bildung

RK

Rohstoff Altpapier (50% 1.02, 50% 1.04)

Abbildung 23 Versuchsplan zur Behandlung von Faserstoffsuspension mit Massenstärke und Ultraschall