Erhöhung der Prozesssicherheit beim Nasspressen von Papierbah- nen durch Ermittlung und Verminderung der Ursachen von Filzver- schmutzung und vorzeitigem Filzverschleiss

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Erhöhung der Prozesssicherheit beim Nasspressen von Papierbah- nen durch Ermittlung und Verminderung der Ursachen von Filzver- schmutzung und vorzeitigem Filzverschleiss

KÜCHLER A.

Die Anforderungen an die Leistungsfähigkeit der Nasspressfilze haben sich durch maschinen- und verfahrenstechnischen Neuerungen drastisch erhöht. Besonders der Einsatz von Altpapier und Calciumcarbonat und die Einführung der Schuhpressen trugen in erheblichem Maße zu einer Verminderung der Laufzeit der Nasspressfilze aufgrund erhöhter Verschmut- zungen bzw. erhöhten Verschleißes bei.

Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurden die Ursachen für Filzverschmutzung und Filzverschleiß neu analysiert und definiert. Hierzu wurden folgende Untersuchungen durch- geführt:

1. Statistische Erhebung von Filzlaufzeiten und Ermittlung der Auslegeursachen

2. Beurteilung von Filzverschmutzung und Filzverschleiß gelaufener Nasspressfilze in Ab- hängigkeit vom Rohstoff- und Hilfsmitteleintrag

3. Analyse der Produktionsbedingungen (pH-Wert, Leitfähigkeit, Wasserhärte, kationischer Bedarf oder chemischer Sauerstoffbedarf) zur Identifikation potenzieller Ursachen für Ausfällungen und Ablagerungen, die zur Verschmutzung von Nasspressfilzen führen können

4. Untersuchung des Einflusses von Füllstoffen und Pigmenten auf den Verschleiß von O- berfläche und Grundgewebe von Nasspressfilzen im Labormaßstab

Anhand der Analyse gelaufener Nasspressfilze hinsichtlich ihres Verschleißes wurde festgestellt, dass besonders die Nasspressfilze der Schuhpressen erheblichem mechanischen Ab- rieb unterliegen. Besonders davon betroffen sind die Übergabefilze an die Trockenpartie.

Diese Filze sind zusätzlich durch eine starke Kompaktierung gekennzeichnet, welche nicht nur durch Schmutzpartikel sondern auch durch die starke Deformation der Fasern der Vlies- auflage im Schuhpressnip hervorgerufen werden.

Erhöhter Verschleiß wurde ebenfalls bei Einsatz von Calciumcarbonat als Primärfüllstoff festgestellt. Es wurden höchste Festigkeitsverluste ermittelt.

Durch die Untersuchung der Nasspressfilze bezüglich ihrer anorganischen und organischen Verschmutzung wurde festgestellt, dass die Nasspressfilze der letzten Positionen der Pres- senpartien stärkerer Verschmutzung unterliegen. Hier sind wiederum die Übergabefilze an die Trockenpartie in höherem Maße betroffen.

An den Produktionsanlagen für altpapierhaltige Papiere wurde eine erhöhte Belastung der Nasspressfilze mit organischen Bestandteilen erwartet. Dies traf jedoch nur auf einzelne Fil- ze zu. An den Produktionsanlagen für Papiere mittlerer Füllstoffgehalte wurde eine erhöhte Verschmutzung mit anorganischen Bestandteilen erwartet. Dies war nicht der Fall. Grund dafür ist das unter Berücksichtigung der jeweiligen potenziellen Verschmutzungsverursacher ausgewählte Filzdesign und die darauf ausgerichtete Filzwäsche der einzelnen Produktions- anlagen.

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pseudoneutral bzw. unter Einsatz von Aluminiumsulfat betrieben werden, ein erhöhtes Po- tenzial für Ausfällungsreaktionen auf.

1 Einleitung

Die Leistungsfähigkeit einer Pressenpartie wird wesentlich durch das Entwässerungsvermö- gen (Wasserdurchlässigkeit) der Nasspressfilze bestimmt, messbar in dem nach dem Pres- sen erzielten Trockengehalt der Papierbahn. Kann ein Nasspressfilz die geforderte Entwäs- serungsleistung nicht mehr erbringen, so muss er ausgelegt werden. Die Abnahme der Ent- wässerungsleistung kann hierbei verschiedene Ursachen haben und einzelne Abschnitte o- der den gesamten Filz betreffen.

Der Einsatz von Sekundärfasern, geschlossene Wasserkreisläufe, die Umstellung auf Neut- ralfahrweise, der Einsatz von Calciumcarbonat und allgemein steigende Anteile an Füllstof- fen, Prozess- und Papierchemikalien bedeuten heute eine wesentlich intensivere Belastung mit Schmutzstoffen für den Nasspressfilz [1], [2].

Neue Papiermaschinenkonzepte, wie einfach oder doppelt befilzte Schuhpressen im Schreib- und Druckpapiersektor, führen als Folge geringerer Entwässerungbeschleunigung im Pressnip zu geringerer Durchschwemmung des Filzes und somit zu erhöhter Ablagerung von Füllstoff- und Schmutzpartikeln im Schuhpressfilz [3].

Die Folge erhöhter Schmutzablagerungen im Nasspressfilz können eine Reihe von Proble- men sein wie

• schlechte Abnahme der Papierbahn,

• häufigere Abrisse,

• Verlust an Entwässerungsleistung,

• Erhöhung des Filzverschleißes,

• kürzere Filzlaufzeiten,

• mindere Papierqualität.

Moderne Filze müssen also immer höheren Beanspruchungen bei der Stoffentwässerung für eine hohe Produktivität und eine hohe Qualität der herzustellenden Papiere genügen.

2 Theoretisches [4]

Ein moderner Pressfilz besteht im wesentlichen aus 2 Komponenten:

• dem relativ inkompressiblen Träger (Grundgewebe = engl. base fabric)

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Der inkompressible Träger wird durch ein Gewebe gebildet, welches im Allgemeinen aus monofilen oder multifilen Polyamidfäden gefertigt wird. Dieses Grundgewebe kann einlagig oder mehrlagig sein. Das Trägergewebe verleiht dem Nasspressfilz seine Festigkeit. Es dient als Wasserspeicher, von dem aus das im Nip ausgepresste Wasser in das Presswalzenprofil ablaufen kann bzw. aus dem Nip transportiert wird. Selbst bei Erreichen hoher Anpressdrü- cke muss das Grundgewebe diesen Wasserabfluss sicherstellen.

Das relativ inkompressible Grundgewebe ist beidseitig durch ein weiches kompressibles Fa- servlies abgedeckt, um einerseits Markierungen des Trägers am Papier zu verhindern und um andererseits das Grundgewebe vor Abrieb zu schützen.

Dieses Faservlies wird durch einen Vernadelungsprozess an Ober- und Unterseite mit dem Träger verbunden. An der papierberührenden Seite werden die Filze meist in der soge- nannten Sandwich-Bauweise benadelt, d.h. es wird in zwei Schichten (Auflagen) benadelt, wobei die obere Schicht aus Fasern größerer Feinheit besteht.

Neueste Entwicklungen im Bereich der Filzherstellung sind sogenannte Laminatfilze, deren Trägergewebe aus mehreren (zwei bis drei) von einander unabhängigen Grundgeweben o- der Fadengelegen bestehen, welche erst durch den Vernadelungsprozess miteinander verbunden werden oder auch Filze, welche im Mehrschichtvliesaufbau (mehr als 2 Auflagen an der Oberseite) benadelt werden.

Durch diese Neuerungen wird höchste Entwässerungsleistung bei geringster Verschmut- zungs- und Markierungsneigung erzielt. Feineres Gewebe auf der papierberührenden Seite ist für geringste Markierungsneigung und eine gleichmäßige Druckverteilung im Nip verant- wortlich. Gröberes Gewebe auf der Walzenseite sorgt für ausreichende Festigkeit und einen geringeren Fließwiderstand.

Nasspressfilze weisen aufgrund ihres Strukturaufbaus unterschiedliche funktionelle Eigen- schaften auf. Folgende Kennwerte sind dabei von Bedeutung:

• Flächengewicht

• Dicke

• Luftdurchlässigkeit/Porosität

• Kompressibilität/Elastizität

• Durchflusswiderstand/Wasseraufnahme

Welches Filzdesign letztendlich für einen bestimmten Papierherstellungsprozess angewandt wird, wird im Wesentlichen von folgenden Faktoren bestimmt:

• Pressenkonzept (Walzenpresse, Schuhpresse, Einfach- oder Doppelbefilzung)

• Pressposition (Oberfilz, Unterfilz, Pick-up, 1. Presse, 2. Presse etc.)

• PM-Geschwindigkeit

• herzustellende Papier- oder Kartonqualität (Oberflächeneigenschaften, Flächenmasse)

• eingesetzte Roh- und Hilfsstoffe (Wasserrückhaltevermögen)

• Füllstoffart und –menge

• Temperatur

3 Durchführung

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Tab. 1: Kenndaten der Papiermaschinen (PM)

PM1 PM2

Geschwindigkeit 1000 m/min 900 m/min

Flächengewicht 35-50 g/m² 50-90 g/m²

Presse konventionelle Walzenpresse mit

3 Pressnips

konventionelle Walzenpresse mit 3 Pressnips

Fahrweise neutral neutral

Faserstoffe Holzschliff/Zellstoff Holzschliff/Zellstoff Füllstoffgehalt 5-8 % Calciumcarbonat 20-25 % Calciumcarbonat

Für die Auswertung wurden die gelaufenen Nasspressfilze 4 Kategorien zugeordnet, welche wie folgt definiert waren:

Tab. 2: Definitionen der Auslegekriterien für Nasspressfilze

Kategorie Kriterien

verbraucht „Normale“ Abnutzung des Filzes während seiner Laufzeit. Der Filz kann die von ihm geforderte Leistung nicht mehr erbringen.

vorzeitig gewechselt Der Filz musste vorzeitig wegen Filzbeschädigung gewechselt werden, z.B. durch unsachgemäße Behandlung (chemisch / mecha- nisch), Beschädigungen beim Auslegen bzw. Anfahren, Maschi- nenbruch, starke Verschmutzung durch z.B. Pigmente, Hilfsmittel Reklamation Der Filz führte zu Laufproblemen durch z.B. Vibrationen, Profil-

probleme, falsche Qualität, „Haaren“, Randwellen, schlechte Ent- wässerung

gezielt gewechselt Der Filz wurde bei einem planmäßigem Stillstand gewechselt wie z.B. bei Betriebsurlaub, Maschinenreparatur, Feiertagsstillstand.

3.2 Analyse der organischen und anorganischen Verschmutzung und des Ver- schleißes gelaufener Nasspressfilze

Im nachfolgenden Schritt wurden ausgelegte Nasspressfilze ausgewählter Produktionsanla- gen hinsichtlich Art und Ausmaß der Verschmutzung und des Verschleißgrades analysiert und anschließend unter Beachtung der Herstellungsbedingungen bewertet. Es sollten mög- lichst allgemeingültige, für die gesamte Papierindustrie nutzbare Ergebnisse erzielt werden.

Dahingehend wurden Produktionsanlagen ausgewählt, bei denen eine hohe Belastung der Filze mit Verunreinigungen bzw. ein hoher Verschleiß erwartet wurde.

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Tab. 4: Physikalische Kennwerte der untersuchten Nasspressfilze Produktions-

Anlage

Pressposition Flächenmasse (g/m²)

Dicke (mm)

Luftdurch- lässigkeit (l/dm²*min)

Festigkeit (daN/cm)

1. Presse Oberfilz 1228 2,7 155 66

1. Presse Unterfilz 1234 2,7 155 66

Druckpapier 1

Druckpapier 2

Druckpapier 3

Karton 1. Presse Unterfilz 1331 3,5 640 124

An den gelaufenen Nasspressfilzen wurden folgende Bestimmungen durchgeführt:

• Physikalische Prüfung bezüglich Flächenmasse, Dicke, Luftdurchlässigkeit und Reißfes- tigkeit

• Ermittlung der Gesamtschmutzmenge und deren Zusammensetzung unterteilt in Papier, Anorganika (Asche) und Organika (DCM)

• Identifizierung der anorganischen Bestandteile mittels Röntgenmikroanalyse (RMA)

• Identifizierung der Organika mittels Fourier-Transform-Infrarot-(FTIR)-Spektroskopie

• Visuelle Beurteilung der Verschmutzung und des Verschleißes gelaufener Nasspressfilze mittels Rasterelektronenmikroskop.

3.3 Analyse von Produktionsbedingungen

Im weiteren Untersuchungsschritt wurden die Herstellungsbedingungen einzelner Produkti- onsanlagen im Hinblick auf ihren Beitrag zu Ausfällungsreaktionen und Ablagerungen im Nasspressfilz analysiert. Hierfür wurden Stoffproben von Stoffauflauf, Siebwasser 1 und Spritzwasser von Produktionsanlagen entnommen.

Folgende Parameter wurden zur Beurteilung herangezogen:

• pH-Wert,

• Störstoffgehalt,

• Leitfähigkeit,

• Wasserhärte,

• Chemischer Sauerstoffbedarf (CSB).

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3.4 Untersuchung des Einflusses der Füllstoffe und Pigmente auf den Filzver- schleiß im Labormaßstab

Die Versuche wurden mittels dem Abrasionstester AT 2000 durchgeführt. Die Messeinrich- tung wurde zur Prüfung der Verschleißwirkung von Füllstoffen und Pigmenten an Kunststoff- sieben entwickelt. Maß für die Verschleißwirkung ist der dabei auftretende Gewichtsverlust des Siebes während der Beanspruchung in Milligramm. Dafür werden an einer Nicht-Abrieb- und an einer Abriebstelle je eine kreisrunde Probe ausgestanzt und gravimetrisch erfasst.

Für die hier durchgeführten Versuche wurden die Kunststoffsiebe gegen die zu testenden Filzmaterialien ausgetauscht. Als Maß für die Verschleißwirkung am Filz dient der während des Tests auftretende Dickenverlust. Dieser wird nach dem Abra-sionstest zwischen einer Nicht-Abrieb- und einer Abriebstelle ermittelt.

Die für die Untersuchung verwendeten Filzmaterialien wurden nach folgenden Kriterien aus- gewählt:

a) Variation des Trägers bei identischer Vliesauflage (Filz A-C)

b) Variation der Faserfeinheit der Vliesauflage bei identischem Grundgewebe (Filz C-E)

c) Variation der Auflagenmenge und Faserfeinheit der Vliesauflage (Filz E)

Tab. 5: Kenndaten der Filzmuster

Filzmuster Trägeraufbau Auflagenmenge der pa- pierberührenden Seite

(g/m²)

Faserfeinheit (dtex)

A zweilagig

(Gelege oben, Gewebe unten) 500 11

B einlagig (Gewebe) 500 11

C zweilagig (Gewebe) 500 11

D zweilagig (Gewebe) 500 22

E zweilagig (Gewebe) obere Lage 200

untere Lage 250

22 44

Hinsichtlich der zu testenden Füllstoffe und Pigmente sollte im Besonderen auf die Ver- schleißwirkung verschiedener Calciumcarbonattypen unterschiedlicher Teilchengröße, Zu- sammensetzung und Struktur eingegangen werden. Zur Überprüfung der Allgemeingültigkeit der Methode wurden auch Kaolin, Titandioxid und Talkum in die Versuchsdurchführung ein- bezogen. Die nachfolgende Tabelle 6 stellt die verwendeten Füllstoffe und deren Kennwerte im Überblick dar.

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Tab. 6: Kennwerte der Füllstoffe und Pigmente Füllstoffart chemische Zusam-

mensetzung und Struktur

Anteil der Teilchen

<2µm (%)

Mittlerer Teilchen- grössendurchmesser

d50 (µm)

Marmor 90 1,03

Marmor 60 1,53

Kreide 60 1,76

Natürliches Calciumcarbonat (GCC)

Calcit 60 1,63

Skalenoeder 90 1,0

Skalenoeder 50 2,0

Rhomboeder 50 2,0

65 % Skalenoeder

35 % Aragonit 85 0,8

Präzipitiertes Calciumcarbonat (PCC)

Aragonit 90 0,56

89 % Kaolinit 90 -

Kaolin

89 % Kaolinit 57 1,7

Kalziniertes Kao-

lin 40 5,8

Titandioxid Anatas - 0,3-0,5

Talkum 70 -

4 Ergebnisse

4.1 Statistische Erhebung von Filzlaufzeiten

Aus der statistischen Erfassung von Filzlaufzeiten wurden unterschiedliche Problemfelder an den einzelnen Produktionsanlagen ermittelt. An der Produktionsanlage PM1 belief sich der Anteil „vorzeitig“ ausgelegter Nasspressfilze auf beachtliche nahezu 32%.

Abb. 2 Prozentuale Verteilung der Auslegeursachen an PM1

PM1

Filz gezielt gewechselt

30,5%

Filz verbraucht

30,5%

Filz vorzeitig gewechselt

31,7%

Reklamation 7,3%

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Wie die nachfolgende Abb. 3 verdeutlicht, wurde dieser Anteil hauptsächlich an der 3. Pres- se erzeugt.

Abb. 3 Prozentuale Verteilung der an PM 1 an den einzelnen Pressstellen ausgelegten Nass- pressfilze je Kategorie

Die wirtschaftliche Seite eines Filzwechsels stellt sich beispielsweise wie folgt dar:

Im Normalfall ist für einen Filzwechsel vom Abstellen der Maschine bis zur Wie- deraufnahme der Produktion ein durchschnittlicher Zeitaufwand von 1,5 h zu ver- anschlagen. Die durch einen Produktionsausfall dieser Länge verursachte Min- derproduktionsmenge entspricht bei einer Papiermaschine zur Herstellung von z.B. ULWC-Papier bei mittlerer Produktionsgeschwindigkeit und mittlerer Arbeits- breite, einem Wert von ca. 16 TDM. Die Kosten für einen Nasspressfilz einer sol- chen Anlage liegen bei ca. 26 TDM. Somit entstehen Gesmatkosten in der Höhe von 42 TDM für 1 Filzwechsel.

4.2 Verschmutzung und Verschleiß gelaufener Nasspressfilze

Die Untersuchung gelaufener Nasspressfilze hinsichtlich ihres Verschmutzungs- und Ver- schleißgrades brachte folgende Ergebnisse:

0 5 10 15 20 25 30

Pick-up 1. Presse Unterfilz 3. Presse

Filz vorzeitig gewechselt

Filz gezielt gewechselt Filz verbraucht Reklamation PM1 - Anteile der an den einzelnen Pressstellen ausgelegten

Nasspressfilze je Kategorie (%)

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4.2.1 Kompaktierung von Schuhpressfilzen

Die Papiererzeugungsanlagen, welche unter Verwendung von Schuhpressentechnologie arbeiten, weisen eine höhere Kompaktierung (geringere Luftdurchlässigkeit) im Vergleich zu Filzen für Walzenpressen auf.

Abb. 4 Luftdurchlässigkeiten der an den Produktionsanlagen gelaufenen Nasspressfilze

Durch die visuelle Beurteilung der Filzoberflächen (papier- als auch walzenberührende Sei- ten) mittels Rasterelektronenmikroskop wurde festgestellt, dass die Kompaktierung der Schuhpressfilze wesentlich durch die Deformation der Fasern der Vliesauflagen (elastisch, plastisch) hervorgerufen wird (siehe Abb. 5).

Abb. 5 Oberflächenaufnahme der papierberührenden Seite eines Nasspressfilzes der Druckpa- pieranlage 3 (Unterfilz 2. Presse, Vergrößerung 100)

Ursache sind die im Schuhpressnip deutlich höheren Linienkräfte und längeren Verweilzeiten im Vergleich zum Walzenpressnip. Die Deformationen führen zu einer Verdichtung der Vliesauflage, wodurch das Entwässerungsverhalten und die Wasserdurchlässigkeit der Filze beeinflusst werden.

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

Druckpapier 1 DIP'h

Druckpapier 3 DIP'h

Druckpapier 2 h'fr

Karton AP'h

1. Presse Unterfilz 1. Presse Oberfilz 2. Presse Oberfilz 2. Presse Unterfilz Luftdurchlässigkeit gelaufener Nasspressfilze (%)

Schuhpressen

Walzenpressen

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4.2.2 Verschleiß von Schuhpressfilzen

Die Vliesauflagen der Schuhpressfilze unterliegen zusätzlich einer starken mechanischen Beanspruchung. Im Besonderen sind davon die walzenberührenden Seiten der Vliesaufla- gen der Nasspressfilze betroffen, wie die Oberflächenaufnahme eines Schuhpressfilzes in der nachfolgenden Abb. 6 zeigt.

Abb. 6 Oberflächenaufnahme der walzenberührenden Seite eines Nasspressfilzes der Druckpa- pieranlage 3 (Unterfilz 2. Presse, Vergrößerung 50)

Trotz der starken Verschleißerscheinungen an den Oberflächen der Schuhpressfilze fällt der mechanischen Abrieb (ausgedrückt im Flächenmasseverlust) deutlich geringer im Vergleich zu den untersuchten Nasspressfilzen für Walzenpressen aus. Ausnahme bilden die Überga- befilze an die Trockenpartie.

20 25 30 35 40 45

50 1. Presse

Unterfilz 1. Presse Oberfilz 2. Presse Oberfilz 2. Presse Unterfilz Flächenmasseverlust gelaufener Nasspressfilze (%)

Übergabefilze an die Trockenpartie

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4.2.3 Verschleiß bei holzfreier calciumcarbonathaltiger Produktion

Stärkerer mechanischer Verschleiß wurde bei holzfreier aber calciumcarbonathaltiger Pro- duktion festgestellt. Dort wurde bei einer sehr geringen Gesamtzahl von Nipdurchläufen der Nasspressfilze je Laufzeit (10*10⁵ bzw. 13*10⁵) ein erhöhter Flächenmasseverlust (siehe Abb. 7) sowie der höchste Festigkeitsverlust (siehe Abb. 8) festgestellt.

Abb. 8 Festigkeitsverluste der an den Produktionsanlagen gelaufenen Nasspressfilze

Die Ergebnisse zum Einfluss von Calciumcarbonat (Struktur, Zusammensetzung) auf den Verschleiß von Nasspressfilzen wird unter Pkt. 4.3 wiedergegeben.

4.2.4 Grundgewebeverschleiß gelaufener Nasspressfilze

Neben dem Oberflächenverschleiß (Vliesauflagen) sollte auch der mechanische Abrieb an den Grundgewebefäden der gelaufenen Nasspressfilze visuell beurteilt werden. Hierbei wurde festgestellt, dass z.B. die von weniger mechanischem Verschleiß (Flächenmasseverlust, siehe Abb. 7) gekennzeichneten Nasspressfilze der Druckpapieranlage 1 an den Grundge- webefäden starken Abrieberscheinungen aufwiesen (siehe Abb. 9).

0 10 20 30 40 50 60 70 80

Gesamtzahl der Durchläufe im Nip je Laufzeit (x10^5)

Druckpapier 1 (DIP'h) Druckpapier 2 (h'fr)

Druckpapier 3 (DIP'h) Karton (AP'h) Festigkeitsverlust gelaufener Nasspressfilze (%)

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Im Vergleich dazu konnten an den Grundgewebefäden aus dem Filz der Druckpapieranlage 2, welche durch starken Flächenmasse- als auch Festigkeitsverlust gekennzeichnet waren, nur geringe Verschleißerscheinungen an den Grundgewebefäden festgestellt werden.

Abb. 10 REM-Aufnahme eines Grundgewebefadens (Druckpapier 2)

Da nur einzelne Fäden der Grundgewebe analysiert werden konnten, ist eine allgemeingülti- ge Beurteilung für den Gesamtfilz schwierig.

4.2.5 Verschmutzung gelaufener Nasspressfilze

Die nachfolgende Abb. 11 stellt die Gesamtschmutzanteile der untersuchten Nasspressfilze dar. Diese bewegen sich im Bereich zwischen 4 und 8 % des Filzgewichts.

4 6 8 10

12 1. Presse

Unterfilz 1. Presse Oberfilz 2. Presse Oberfilz 2. Presse Unterfilz Gesamtschmutzanteil (%)

Schuhpressen:

Übergabefilze an

die Trockenpartie Walzenpressen

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An den Nasspressfilzen der Produktionsanlagen für altpapier- bzw. DIP-haltige Papiere und Kartons wurde, aufgrund des erhöhten Eintrages von potentiellen Störstoffen, eine höhere Verschmutzung der Nasspressfilze mit organischen Bestandteilen im Vergleich zur holzfreien Papierherstellung erwartet. Dies traf nur auf einzelne Filze wie z.B. den Unterfilz der 1. Pres- se von Druckpapier 1 bzw. der Anlage zur Herstellung von Karton, den Oberfilz der 2. Presse von Druckpapier 1 und den Unterfilz der 2. Presse von Druckpapier 3 zu (siehe Abb. 12).

Abb. 12 Organischer Anteil vom Gesamtschmutz der untersuchten Nasspressfilze

Alle anderen Filze befanden sich bezüglich ihrer organischen Verschmutzung auf ähnlichem Niveau wie die aus der holzfreien Produktion.

An den Produktionsanlagen, welche unter Einsatz erhöhter Füllstoffmengen arbeiten (Druck- papier 2/ Druckpapier 3/ Karton), wurde eine erhöhte Verschmutzung der Nasspressfilze mit anorganischen Bestandteilen (Füllstoffen/ Pigmenten) erwartet. Dies traf wiederum nur auf einzelne Filze wie z.B. Unterfilz der 2. Presse von Druckpapier 3 zu (siehe Abb. 13).

0 5 10 15 20 25 30

Druckpapier 1 Druckpapier 3 Druckpapier 2 Karton

1. Presse Unterfilz 1. Presse Oberfilz 2. Presse Oberfilz 2. Presse Unterfilz Organischer Anteil (%)

DIP'h

AP'h

h'fr

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

100 1. Presse

Unterfilz 1. Presse Oberfilz 2. Presse Oberfilz 2. Presse Unterfilz Asche (%)

20-25 % Füllstoffgehalt im Papier/Karton

30-33 % ca. 8 %

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Grund dafür ist das unter Berücksichtigung der jeweiligen potenziellen Verschmutzungsver- ursacher ausgewählte Filzdesign und die darauf ausgerichtete Filzwäsche der einzelnen Produktionsanlagen.

4.2.6 Einfluss der Herstellungsbedingungen

An den in diesem Projekt untersuchten Nasspressfilzen wurden keine Koazervate aufgrund von Ausfällungsreaktionen in den Stoff- und Prozesswässern ermittelt. Es wurden haupt- sächlich Anlagerungen auf Basis von Harzen, Fetten, Wachsen, Paraffinen oder Bindern aus dem Stoffeintrag, von den eingesetzten Hilfsmitteln bzw. aus dem eigenem Ausschuss festgestellt.

Die Prozessparameter haben im Allgemeinen folgenden Einfluss:

Tab. 7: Prozessparameter

pH-Wert Mit zunehmenden pH-Wert (Umstellung der Fahrweise von sauer auf neutral) ist aufgrund einer erhöhten Extraktionswirkung besonders bei holzhaltigen bzw. alt- papierhaltigen Papieren mit einem Anstieg des Störstoffgehaltes zu rechnen.

Temperatur Der Anstieg der Temperatur, bedingt durch die Einengung der Wasserkreisläufe, führt ebenfalls zu einer verstärkten Extraktionswirkung, was in der Folge zu einem Anstieg des Störstoffgehaltes führt. Hohe Temperaturen in Zusammenhang mit hohen CSB-Werten begünstigen zudem das unerwünschte mikrobielle Wachstum.

Leitfähigkeit Die Leitfähigkeit ist ein Maß für den Elektrolytgehalt bzw. die „Aufsalzung“ im Siebwasserkreislauf. Der Elektrolytgehalt wird vor allem durch die Gegenionen von polymeren Hilfsmitteln verursacht. Diese Salze können unter Umständen zu Ausfällungsreaktionen, folglich zu Ablagerungen und auch zur Beeinträchtigung der Produktqualität führen.

Wasserhärte Die Wasserhärte (vorwiegend Calciumhärte) ist ein Maß für die Konzentration an Calciumionen im Siebwasserkreislauf. Calciumcarbonat zersetzt sich bei Vor- handensein von Säure in Ca²⁺-Ionen und Kohlendioxid. Das Kohlendioxid erhöht den Gasgehalt im System und fördert bei entsprechender Turbulenz die Schaumbildung. Mit dem Schaum können hydrophobe Bestandteile ungewollt flotiert werden und zu Ablagerungen führen. Sind entsprechende Elektrolyte vorhanden, kann es zu Ausfällungsreaktionen z.B. von Gips (CaSO4) kommen.

CSB Der Chemische Sauerstoffbedarf (CSB) ist ein Maß für die Belastung des Kreis- laufwassers mit organischen Substanzen. Er gewinnt besonders durch die Neut- ralfahrweise, die fortlaufende Kreislaufeinengung und auch durch den hohen

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Tab. 8: Messergebnisse an der Produktionsanlagen Produktion Messstelle Fest-

stoff- gehalt

(%)

pH Störstoffgehalt Verbrauch an 0,001

N Poly-DADMAC (ml/10g Probe)

Leitfähig- keit (mS/cm)

Ge- samt-

härte (°dH)

CSB

(mg O2/l)

Stoffauflauf 1,2 7,2 1,10 2,25 19,6 1086

Siebwasser 0,9 7,1 1,06 2,26 18,0 1043

Druckpapier 1

Spritzwasser 0,06 7,8 0,14 0,40 18,9 56

Stoffauflauf 0,7 6,9 0,51 1,40 33,5 551

Siebwasser 0,2 7,1 0,45 1,58 38,0 507

Druckpapier 2

Spritzwasser 0,01 7,1 - 1,41 32,1 469

Stoffauflauf 1,7 7,4 0,14 1,68 34,1 730

Siebwasser 0,4 7,4 0,13 1,69 33,7 786

Druckpapier 3

Spritzwasser 0,2 7,7 0,60 0,42 32,6 70

Karton Siebwasser Decke

0,20 6,7 0,9 3,04 73,6 2160

Wellenstoff Siebwasser 0,35 6,7 5,8 4,92 127,0 7433

Dekorpapier Stoffauflauf 1,12 5,2 0,057(KPVS) 0,85 6,4 187

Siebwasser 0,54 6,3 0,051(KPVS) 0,69 6,3 180

Spritzwasser 0,07 6,5 0,049(KPVS) 0,61 6,4 181

Die erhöhten Messwerte dieser Produktionsanlagen wurden durch nachfolgend aufgeführte Reaktionen hervorgerufen:

Reaktion 1: [Al(H

₂

O)

₆

]

³⁺

↔ [Al(H

₂

O)

₅

OH]

²⁺

+ H

⁺

Reaktion 2: CaCO

₃

+ 2H

⁺

↔ Ca

²⁺

+ H

₂

O + CO

₂

↑

Reaktion 3: Ca

²⁺

+ SO

₄^2-

↔ CaSO

₄

Aluminiumsulfat reagiert mit steigendem pH-Wert zu hydroxylgruppenhaltigen Aquokomple- xen und H⁺. Calciumcarbonat reagiert unter diesen Voraussetzungen sofort mit den H₃O⁺- Ionen zu Hydrogencarbonat Ca(HCO₃)₂ und Kohlensäure. Letztere zerfällt in Kohlendioxid und Wasser. Hydrogencarbonat hat eine um eine Potenz höhere Löslichkeit als Calciumcar- bonat, was in einem drastischen Anstieg der Wasserhärte resultiert.

Bei Überschreiten des temperatur- und konzentrationsabhängigen Löslichkeitsproduktes von CaSO₄ (K_L = 1,5 * 10² mol/l) kommt es durch Vorliegen von Ca²⁺-Ionen und SO₄^2--Ionen zur Ausfällung von Gips.

Die nachfolgenden Abbildung stellt die Entwicklung der Wasserhärte, der Leitfähigkeit, des pH-Wertes und des kationischen Bedarfes über einen Zeitraum von 48 h bei der Dosierung von konzentrierter Aluminiumsulfatlösung mit einem pH-Wert von 2-3 (ca. 350 g otro/l) in ein leicht saures Stoffsystem (pH 6,2) einer Produktionsanlage mit ca. 20 % Calciumcarbonat-

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Abb. 14 Einfluss konzentrierter Aluminiumsulfatdosierung in ein calciumcarbonathaltiges System

Im Ergebnis wurde ein Anstieg des Aluminiumsulfatdosierung von 0,5 l/min auf 2,0 l/min zur Sicherstellung der Harzleimung verzeichnet. Damit verbunden war die Erhöhung der Leitfä- higkeit von 3,5 auf 4,2 mS/cm. Die Wasserhärte stieg von 38 auf 46 °dH an, was ein deutli- ches Anzeichen für Zersetzungsreaktionen von Calciumcarbonat war. Allein der kationische Bedarf sank aufgrund des zunehmenden Anteils von „Fixiermittel“ von 0,12 ml pro 10 g Pro- be auf 0,04 ml ab.

Durch Reduzierung der Konzentration der Aluminiumsulfatlösung und folglich der Erhöhung des pH-Wertes der Aluminiumsulfatlösung war es möglich, Einfluss auf die Zersetzungsreak- tion von Calciumcarbonat zu nehmen, wie die nachfolgende Untersuchung zeigt.

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55

Zeit (h)

0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 0,14 0,16 0,18 Aluminiumsulfatmenge 0,2

Leitfähigkeit Wasserhärte pH-Wert Kat. Bedarf

Aluminiumsulfatmenge (l/min) / pH-Wert Wasserhärte (x10 in °dH) / Leitfähigkeit (mS/cm) kationischer Bedarf (ml / 10 g Probe)

6 7 8 9

10 350 g/l / pH 2,7

50 g/l / pH 3,5 ohne Wasserhärte (x10 in °dH) / Leitfähigkeit (mS/cm)

kationischer Bedarf (ml/10 g Probe) / Gesamtretention (x10 in %)

(17)

Aufgrund der geringeren Zugabemenge von Aluminiumsulfat wurde ein leichter Anstieg des Störstoffgehaltes verzeichnet. Positiv wirkte sich diese Maßnahme auf die Gesamtretention aus, welche von 70 auf 85 % gesteigert werden konnte. Das Siebwasser wird weniger mit Fein- und Füllstoffen belastet, was sich auch vorteilhaft auf das Durchschwemmen von Schmutzpartikeln durch den Filz auswirkt.

Ein anderer negativer Effekt des Zusatzes von konzentriertem Aluminiumsulfat ist die Reak- tion der freien Calcium-Ionen z.B. mit Harzleim zu Calcium-Harzseifen (Resinat) in Form von klebrigen Ablagerungen.

Zusammenfassend kann gesagt werden, dass beim Vorliegen hoher Mengen an Calcium- carbonat im sauren pH-Bereich das System instabil wird und es zu einer pH-Drift zu höheren pH-Werten kommt. Der Verbrauch an Aluminiumsulfat steigt an und zusätzlich treten Schaumprobleme aufgrund der Kohlendioxidentwicklung auf. Im weiteren werden Retenti- onsprobleme beobachtet, der Hilfsmittelverbrauch steigt an, wodurch es wiederum zu einer erhöhten Kreislaufbelastung und mit der Zeit zu einer Verschlammung und Verschleimung des Systems kommt. Bei Vorliegen anaerober Verhältnisse kommt es im Extremfall aufgrund der gestiegenen Aktivität sulfatreduzierender Bakterien zum typischen H₂S-Geruch.

Die Bedingungen im Siebwasser der Wellenstoffanlage sprechen für solche Verhältnisse (siehe Tab. 8: CSB = 7433 mg O₂/l). Die Wellenstoffanlage weist im Vergleich der Produkti- onsanlagen mit 127 °dH die höchste gemessene Wasserhärte auf.

4.3 Verschleißtests im Labormaßstab

Im Labormaßstab sollte mittels Abrasionstester AT 2000 Filzverschleiß simuliert und beurteilt werden. Die durchgeführten Versuche erbrachten nicht die erwarteten Ergebnisse. In erster Linie wurde festgestellt, dass der Abrasionstester AT 2000 nur zur Beurteilung des Oberflä- chenverschleißes von Nasspressfilzen herangezogen werden kann. Der für Calciumcarbonat typische Grundgewebeverschleiß ist nicht erfassbar.

Die Durchführung von Verschleißtests mit Calciumcarbonaten unterschiedlicher Zusammen- setzung (Marmor, Calcit, Kreide) aber gleicher Teilchengröße (60 % < 2µm) ergab, dass je feiner die Oberfläche der Vliesauflage ist, desto weniger Partikel in die Vliesauflage und folglich auch in das Grundgewebe des Filzes einzudringen vermögen. D.h. der Verschleiß findet vorwiegend an der Oberfläche statt. Dies wird durch den höheren Dickenverlust des Filzes mit den Fasern größerer Feinheit (11 dtex) vergleichend zum Filz mit Fasern geringerer Feinheit (22 dtex) in der Vliesauflage sichtbar (siehe Abb. 16).

3 4 5 6 7 8 9

10 Marmor

60% <2µm

Calcit 60% <2µm

Kreide 60% <2µm Dickenverlust (%)

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Ein Vergleich der Verschleißwirkung von natürlichem Calciumcarbonat dem von präzipitier- tem Calciumcarbonat ist in der nachfolgenden Abb. 17 dargestellt. Die Verschleißtests wurden zur besseren Beurteilung einerseits am Kunststoffsieb und andererseits an einem aus- gewählten Filz (Muster A) durchgeführt.

Abb. 17 Verschleißwerte unterschiedlicher natürlicher und präzipitierter Calciumcarbonate

Es wurde festgestellt (siehe Abb. 17), dass der Verschleiß der einzelnen Calciumcarbonatty- pen am Filz zum Großteil deutlich höher ausfällt als am Kunststoffsieb. So wies z.B. Marmor mit einer Teilchengröße von 60 % <2µm am Kunststoffsieb einen Abrieb von ca. 8 % auf. Im Vergleich dazu wurden bei Calcit und Kreide gleicher Teilchengröße ein Verschleiß von nur 1

% ermittelt. Ursache für die abrasive Wirkung von Marmor ist dessen größere Härte (3 Mohs) gegenüber Calcit und Kreide (1 Mohs). Am Filz hingegen wurden nahezu gleiche Ver- schleißwerte von z.B. Marmor und Calcit (ca. 7,5 %) ermittelt.

Im weiteren wurde festgestellt, dass am Kunststoffsieb alle PCC-Typen einen deutlich geringeren Verschleiß im Vergleich zu Marmor aufweisen. Gegenüber Calcit bzw. Kreide wurden höhere Verschleißwerte ermittelt. Im Gegensatz dazu wurden bei den Verschleißtests am Filz ähnlich hohe Verschleißwerte von PCC im Vergleich zu GCC erzielt.

Für eine aussagekräftige Interpretation der Ergebnisse sind weitere Untersuchungen erfor- derlich.

0 2 4 6 8 10 12

Marmor 90% <2µm Marmor 60% <2µm Calcit 60% <2µm Kreide 60% <2µm Skalenoeder 90% <2µm Skalenoeder 50% <2µm Rhomboeder 50% <2µm Skalenoeder/ Aragonit 85% <2µm Aragonit 90 % <2µm

Sieb

Filz A Gewichts- bzw. Dickenverlust (%)

GCC PCC

(19)

Maßnahme 3: An der Papiermaschine auftretende Differenzgeschwindigkeiten zwischen Pressen- und Trockenpartie und deren Einfluss auf die Verschmutzung oder den Verschleiß der Filze, gilt es gegebenenfalls zu überprüfen.

Maßnahme 4: Bei erhöhten Verschmutzungen der Nasspressfilze sollte auch die Filzkon- ditionierung überprüft werden [8], [9], [10].

Maßnahme 5: Zur Vermeidung der Zersetzungsreaktion von Calciumcarbonat bei gleich- zeitiger Verwendung von Aluminiumsulfat ist es in erster Linie wichtig, sprunghafte Verände- rung der Stoffparameter zu vermeiden. Voraussetzung dafür ist in diesem Fall die Verdün- nung der Aluminiumsulfatlösung. Diese Maßnahme gilt auch für andere chemische Hilfsmittel wie z.B. weitere Fixiermittel, Harzleim als auch Filzwaschmittel.

Beim Eintrag chemischer Hilfsmittel zur Stoffsuspension sollte zusätzlich eine gute Durchmi- schung gewährleistet werden. Wasserhärte und Leitfähigkeit des Systems können dadurch nachhaltig gesenkt werden.

Maßnahme 6: Zur Verringerung hoher Störstoffgehalte, CSB-Werte als auch Harzgehalte dient der Einsatz von Fixiermitteln bzw. adsorptiver Substanzen wie z.B. Talkum. Bei hohen Belastungen der Kreislaufwässer, wie z.B. in der Wellenstoffanlage, ist es von Vorteil, eine Trennung von Wasserkreisläufen der Stoffaufbereitung und der Papiermaschine oder die Abtrennung von stark belastetem Filtrat z.B. durch Eindickung vorzunehmen.

Wie aus der Literatur [19] schon hinreichend bekannt ist, werden im weiteren bei hohen Pro- zesstemperaturen kurze Verweilzeiten im alkalischen Milieu angeraten. Schmutz- oder schädliche Bestandteile, wie z.B. Harze, können auch durch Abtrennung aufgrund physikali- scher oder chemischer Eigenschaften durch Flotation, Sortierung, Wäsche oder Filtration erfolgen.

Maßnahme 7: Der Einsatz des Abrasionstesters AT2000 als Meßgerät zur Prüfung der Verschleißwirkung von Füllstoffen und Pigmenten an Filzen gilt es weiter zu überprüfen.

6 Wirtschaftliche Bedeutung der Ergebnisse

Mehr denn je ist die Papierindustrie in den letzten Jahren gefordert, qualitativ hochwertige Produkte mit niedrigen Kosten herzustellen.

Durch schlecht arbeitende Pressfilze muss der Papierhersteller mit einer Reihe von wirt- schaftlichen und qualitativen Nachteilen rechnen. Außerplanmäßige Maschinenstillstände zur Reinigung von Pressen und Filz oder zum vorzeitigem Bespannungswechsel erhöhen die Kostenbelastung bzw. senken die Maschineneffizienz.

Vor allem die Änderungen der Herstellungsbedingungen als auch maschinen- und verfah- renstechnische Neuerungen haben die Anforderungen an die Leitungsfähigkeit der Nass- pressfilze weiter erhöht.

Durch Ermittlung der aktuellen Ursachen von Filzverschmutzung und Filzverschleiß kann ein wesentlicher Beitrag zur Erhöhung der Prozesssicherheit beim Nasspressen von Papierbah- nen geleistet werden, welcher nachhaltig zur Erhöhung der Laufzeit, zur Verminderung des Ausschussanteiles aufgrund mangelnder Papierqualität und folglich zur Kostensenkung bei-

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Danksagung

Das Forschungsvorhaben AiF 11904 N wurde durch die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen e.V. (AiF), Köln, mit finanziellen Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft (BMWi), Berlin, gefördert. Dafür sei an dieser Stelle gedankt.

Weitere Informationen unter: A.Kuechler@ptspaper.de Autor:

Dipl.-Ing. (FH) A. Küchler PTS München

Heßstr. 134 80797 München

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7 LITERATUR [1] Holzhey, G.

Die Rohstoffe der Papierindustrie im 21. Jahrhundert

Wochenblatt für Papierfabrikation 127, 1551-1557 (1999) Nr. 23/24 [2] Hieber, O.

Pigmente für die Papierindustrie – Aktuelle und zukünftige Markttrends Wochenblatt für Papierfabrikation 128, 763-770 (2000) Nr. 11/12 [3] Begemann, U.

Anforderungen für die Papiertechnik nach dem Jahr 2000 Revue ATIP 53, 140-145 (1999) Nr. 4/5

[4] Cedra, K.

Konzepte für Schuhpressfilze in Abhängigkeit vom Herstellungsprodukt Wochenblatt für Papierfabrikation 127, 1108-1115 (1999) Nr. 17

[5] Sabit, Adanur

Paper Machine Clothing

Technomic Publishing Company, Inc., Lancaster, 395 S., (1997) [6] Nasspressen und Bespannung

München: PTS-Verlag PTS-Manuskript MS 55/97 [7] Breuer, H.P.

Bespannungsoptimierung für Schuhpressen bei holzfreien Papieren Das Papier 52, V122-V127 (1998) Nr. 10A

[8] Gstrein, H., Zehle, W. und V. Ribitsch

ZETA 200 – ein neues Konzept zur Verhinderung von Filzverschmutzung Wochenblatt für Papierfabrikation 126, 1160-1163 (1998) Nr. 22

[9] Autorenkollektiv

Lehrbuch der Papier- und Kartonerzeugung Fachbuchverlag Leipzig, 456 S. (1985) [10] Brennecke, R. und W. Ratzenböck

Reinigen von Filzen beim Einsatz von CaCO3 – Verschmutzung und Gefahren der Schädigung

Wochenblatt für Papierfabrikation 127, 1176-1179 (1999) Nr. 18 [11] Guffey Mc, M. und E. Diamond

Recognition and prevention of press felt fiber loss Tappi Journal 82, 55-59 (1999) Nr. 7

[12] Gstrein, H.

Huyperpunch-Nadeltechnologie – der neue Qualitätsstandard für die Oberfläche von Papiermaschinenfilzen

(22)

[14] Wurster, K. und H. Feichtmeier

Erfahrungen mit dem Einsatz von PCC in Pressedruckpapieren Das Papier 53, V36-41 (1999) Nr. 10A

[15] PITA Coating Working Group und T. Dean

The essential guide to aqueous coating of paper and board PITA, Bury, Lancashire, 3.1-3.64 (1997)

[16] Weigl, J., Waltner, G. und E.Weyh

Wirkungsmechanismen und Einflussgrößen beim Verschleiß von Kunststoffsieben bei der Herstellung stark füllstoffhaltiger Papiere

Wochenblatt für Papierfabrikation 107, 317-324 (1979) Nr. 9 [17] Gass, M. und F. Kiefer

Füllstoff Kalziumkarbonat – Einfluss auf Filzeigenschaften und Standzeiten Münchner Papier-Symposium „Füllen und Färben“ (1995)

[18] Spindler, Dr. J.

Faseruntersuchungen zur Interpretation von Filzschädigungen

6. Internationale Symposium der Papiermaschinenfilz-Industrie (1998)

[19] Grundprozesse der Papiererzeugungstechnik – chemische Verfahrenstechnik München: PTS-Verlag

PTS-Manuskript MS 05/93 [20] Gammon, J.M. und D.C. Perron

Improving press fabrics for optimal alkaline papermaking performance Pulp and Paper Canada 94, 30-34 (1993) Nr. 11

[21] Pitt, R.

Fillers and fabric life in alkaline papermaking TAPPI 67, 96-98 (1984) Nr. 4

[22] Schlegel, J., Roekman, B. und J. Lehto

Optimierung des Pressfilzdesigns hinsichtlich Laufzeit, Entwässerung und Papierober- flächenstruktur

Wochenblatt für Papierfabrikation 125, 402-409 (1997) Nr. 8 [23] Gavelin, G.

Neues vom Markt der Pressfilze