Optimierung des Einsatzes von optischen Aufhellern in gestriche- nen Papieren unter besonderer Berücksichtigung der Wirkung von Carriern
LIND A.
Zusammenfassung
Die Nachfrage nach immer weißeren Druck- und Pressepapieren steigt nach wie vor an. Bei der Herstellung von gestrichenen Papieren werden zur Weißesteigerung hauptsächlich so- genannte optische Aufheller eingesetzt. Dabei handelt es sich um fluoreszierende Substan- zen, die UV-Licht absorbieren und dadurch angeregt werden, sichtbares blaues Licht zu e- mittieren und die somit die Weiße des Papiers erhöhen.
Um die Wirkung der optischen Aufheller voll nutzen zu können, müssen sie auf geeignete Trägermaterialien fixiert werden. Da die Hauptbestandteile der Streichfarben den optischen Aufhellern jedoch nur ungenügende „Aufziehmöglichkeiten“ bieten, müssen diese durch die Zugabe spezieller Substanzen, sogenannter Carrier, geschaffen oder erweitert werden.
Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurde die Wirksamkeit verschiedener Aufheller- Carrier-Kombinationen bezüglich der Erhöhung des Weißgrades untersucht. Dabei wurden Unterschiede sowohl in der Entwicklung der optischen als auch der Streichfarbeneigen- schaften zwischen den unterschiedlichen Trägermaterialien festgestellt. Bei Untersuchungen an der VESTRA-Versuchsstreichanlage konnte gezeigt werden, dass Einflüsse vonseiten des Auftragsaggregates, der Maschinengeschwindigkeit oder Trocknungsführung auf die Aufhellung des Papiers vernachlässigbar gering sind.
1 Einleitung
Die werbende Industrie, aber auch die Endverbraucher, messen die Qualität eines Druckpa- piers häufig an seinen optischen Eigenschaften. Dabei kommt der Weiße eine besonders große Bedeutung zu. Weder die Entwicklung anderer, mit der gedruckten Information kon- kurrierender Medien wie Fernsehen, Telefon oder Computer, noch die Forderung nach um- weltgerechterer Papierherstellung konnten die Nachfrage nach weißen und hochweißen Pa- piersorten beeinträchtigen. Dies gilt sowohl für die ungestrichenen „Naturpapiere“ als auch für gestrichene Papiere [1, 2, 3].
Zur Verbesserung des Weißgrades von gestrichenen Papieren werden hauptsächlich opti- sche Aufheller eingesetzt, da diese eine Weißeverbesserung ermöglichen, ohne die Hellig- keit des Papiers zu vermindern. Werden optische Aufheller optimal eingesetzt, können be- reits geringe Mengen den Weißgrad nachhaltig verbessern.
2 Theoretisches zu optischen Aufhellern
Optische Aufheller (OBA) sind fluoreszierende Substanzen, die UV-Licht im Bereich von et- wa 350 ... 360 nm absorbieren und dadurch angeregt werden, sichtbares blaues Licht zu emittieren. Dies erhöht das vom Papier emittierte Licht und damit auch dessen Weißgrad.
Zusätzlich unterstützt wird dieser Effekt durch die Verschiebung des Farbtons von gelb nach blau.
In der Papierindustrie werden als optische Aufheller hauptsächlich Derivate der Diaminostil- ben-Disulfonsäure verwendet. Diese unterscheiden sich in der Anzahl löslichmachender Sulfogruppen an den Molekülen, durch die die Affinität zu Cellulose gezielt verändert werden kann. Damit können Eigenschaften für verschiedene Anwendungszwecke eingestellt werden.
Für die Streicherei kommen dabei Produkte mit vier bzw. sechs Sulfogruppen zur Anwen- dung, die die folgenden Eigenschaften aufweisen:
Tetra-Sulfo-Typen Hexa-Sulfo-Typen ü mittlere Affinität zu Cellulose
ü gute Löslichkeit
ü Einsatz in Masse und Strich ü geringe Kosten
ü geringe Affinität zu Cellulose ü minimale Migration ins Rohpapier ü sehr gute Löslichkeit
ü Einsatz hauptsächlich im Strich ü hohe Kosten
Die Tetra-Sulfo-Typen sind dabei die am häufigsten eingesetzten optischen Aufheller. Bei diesen preisgünstigen Produkten tritt der Vergrünungseffekt jedoch bereits bei relativ gerin- gen Einsatzmengen auf, wodurch auch der Weißeentwicklung des Papiers Grenzen gesetzt sind. Für hohe Weißgrade werden deshalb die teureren Hexa-Sulfo-Typen eingesetzt. Bei diesen Typen ist allerdings eine hohe Dosierung nötig, was sich letztlich auch auf die Kosten des Endproduktes niederschlägt.
Vor diesem Hintergrund wurden in den letzten Jahren Spezialtypen an Aufhellern entwickelt, die hohe Weißgrade bei geringen Einsatzmengen ermöglichen sollen. Diese Spezialtypen sind Derivate einer Distyryl-Diphenyl-Verbindung, die eine verdoppelte Stilbeneinheit aufwei- sen [4, 5, 6].
Optische Aufheller können nur fluoreszieren, wenn sie in ausreichendem Maße an einem Trägermaterial, dem sogenannten Carrier, fixiert sind. In Papierstreichfarben verwendete Pigmente oder die häufig eingesetzten synthetischen Bindemittel sind nicht in der Lage, den Aufhellern in ausreichendem Maße Aufziehmöglichkeiten zu bieten. Um eine optimale Auf- hellerwirkung zu erzielen, ist deshalb die Zugabe geeigneter Trägermaterialien erforderlich.
Die erwünschte aufhellende Wirkung kann durch die Erhöhung der Zugabemengen an opti- schen Aufhellern nicht beliebig gesteigert werden. Eine Überdosierung des Aufhellers kann sich z.B. in der Vergrauungs- bzw. Vergrünungstendenz des Aufhellers zeigen. Ist die Ober- fläche des Trägermaterials mit Aufhellermolekülen gesättigt, fixiert sich bei weiterer Zugabe der Aufheller auf sich selbst und bildet dabei „Schichtpakete“. Werden diese Schichtpakete durch weitere Aufhellerzugabe dicker, kommt es zu einer Absorption von violettem Licht. Die Helligkeit des Papiers sinkt und es erhält einen Grünstich (siehe auch Abbildung 2). Bei höherer Zugabe von Aufhellern ist somit eine Weißesteigerung nicht mehr möglich.
3 Durchführung der Untersuchungen 3.1 Durchführung der Streichversuche
Die Ergebnisse dieses Forschungsvorhabens wurden zu einem großen Teil durch Handra- kelversuche ermittelt. Dazu wurde auf ein vorgestrichenes Offsetpapier ein Deckstrich mit folgender Rezeptur aufgetragen:
60 Teile Calciumcarbonat 40 Teile Kaolin
12 Teile Bindemittel 1 Teil Netzmittel x Teile Carrier
x Teile Optischer Aufheller
Die Mengen an Carrier und optischem Aufheller wurden je nach Zielstellung des jeweiligen Versuches variiert. Die Streichfarben wurden auf einen Feststoffgehalt von etwa 62% und
einen pH-Wert von 8,8 (mit Hilfe von Natriumhydroxid) eingestellt. Das Auftragsgewicht be- trug jeweils etwa 20 g/m2 (einseitiger Strich).
Als Carrier fanden Produkte mit folgenden Spezifikationen Anwendung:
Polyvinylalkohol (PVAL)
Carboxymethylcellulose (CMC) Polyvinylpyrrolidon (PVP) Polyethylenglycol (PEG)
Außerdem wurden zwei Versuche an der VESTRA-Versuchsstreichanlage durchgeführt. Der erste beschäftigte sich mit dem Einfluss des Auftragsaggregates und der Maschinenge- schwindigkeit auf die Wirkung optischer Aufheller. Bei diesem Versuch wurde die oben an- gegebene Rezeptur verwendet. Es wurden 1 Teil PVAL als Carrier und 1,25 Teile optischer Aufheller (Tetra-Sulfo-Typ) eingesetzt, das Auftragsgewicht betrug etwa 10 g/m2.
Beim zweiten Versuch wurde das Pigmentverhältnis leicht geändert (70 Teile CaCO3 und 30 Teile Kaolin), der Carriergehalt (PVAL) betrug 1 Teil und der Aufhellergehalt (Hexa-Sulfo- Typ) 0,8 Teile. Die Maschinengeschwindigkeit betrug etwa 1.200 m/min, der Strichauftrag 11 g/m2.
Tabelle 1 Spezifikationen der verschiedenen eingesetzten Carrier Viskosität einer 4%igen
Lösung* in mPas
Hydrolysegrad in
Mol.% K-Wert Molmasse in
g/mol
PVAL 1 4 98 - -
PVAL 2 20 98 - -
CMC 1 > 20 - - -
CMC 2 25 ... 50 - - -
CMC 3 50 ... 200 - - -
PVP 1 - - 27 ... 30 -
PVP 2 - - 52 ... 62 -
PVP 3 - - 88 ... 96 -
PEG 1 - - - 2.000
PEG 2 - - - 20.000
* im folgenden auch Viskositätskennzahl genannt
Außerdem wurden weitere PVAL-Typen mit verschiedenen Verseifungskennzahlen und Vis- kositätskennzahlen, PVAL_1 kationisiert sowie eine Mikrocellulose eingesetzt.
Diese Carrier wurden z.T. auch gemeinsam in der Streichfarbe verwendet. Für die im Text bzw. den Diagrammen nicht weiter spezifizierten „Mischungen“ gilt:
PVAL + CMC A = 0,5 Teile PVAL_1 + 0,5 Teile CMC_2 PVAL + CMC B = 0,75 Teile PVAL_1 + 0,25 Teile CMC_2
3.2 Eigenschaftsbestimmung
Die Streichfarben wurden anhand ihrer Brookfield-Viskositäten charakterisiert. Angegeben sind im folgenden die Viskositäten bei einer Spindeldrehzahl von 100 min-1 (BV 100).
Die Prüfung der optischen Eigenschaften beinhaltete die Bestimmung des Reflexionsfaktors R457 (Weißgrad) mit und ohne UV-Filter, der farbmetrischen Bestimmung von Farbabständen nach der CIELAB-Formel und der Bestimmung des Weißgrades CIE. Gemessen wurde mit einem Elrepho 2000 (D 65, 10°, Messblende 27mm). Die Aufhellung wurde durch Differenz- bildung aus dem Weißgrad, gemessen mit und ohne UV-Anteil, bestimmt.
Bei der Bestimmung der Lichtechtheit wurden die Papierproben gemeinsam mit einem Licht- echtheitsmaßstab (der sogenannten Wollskala) unter Normklima (23°C, 50% rel. Luftfeuchte) einer Xenonlichtbestrahlung ausgesetzt.
Die Lichtechtheitsstufen entsprechend der Wollskala sind wie folgt (DIN EN ISO 105-B02 (09.99)):
Lichtechtheitsstufe Lichtechtheit
0 keine
1 sehr geringe
2 geringe
3 mäßige
4 ziemlich gute
5 gute
6 sehr gute
7 vorzügliche
8 hervorragende
4 Ergebnisse der Untersuchungen 4.1 Einsatz von Polyvinylalkohol (PVAL)
Eine vergleichende Untersuchung von zehn verschiedenen Polyvinylalkoholen mit Versei- fungsgraden zwischen 80 und 98 Mol.% und Viskositätskennzahlen zwischen 4 und 26 mPas brachte die folgenden Ergebnisse:
ü Die Polyvinylalkoholtypen unterscheiden sich in ihrer Wirkung als Carrier für optische Aufheller nicht signifikant.
ü Eine Abhängigkeit der Aufhellung vom Hydrolysegrad oder der Viskositätskennzahl des PVAL konnte nicht festgestellt werden.
ü PVAL-Typen mit höherer Viskositätskennzahl sind aufgrund einer höheren Streichfarben- viskosität in ihrer Einsatzmenge begrenzt.
Wird, bei konstanter Menge an optischem Aufheller, die Menge an PVAL in der Streichfarbe erhöht, steigt der Weißgrad der Papiere an und der Farbton verschiebt sich deutlich in den blau-roten Bereich.
Bei konstanter Menge PVAL nimmt die Aufhellung anfangs stark zu, wenn die Menge an optischem Aufheller erhöht wird. Die Kurve wird mit höheren Aufhellermengen flacher, er- reicht ein Maximum und nimmt dann wieder stark ab. In Abbildung 1 ist dieser Sachverhalt für verschiedene Mengen PVAL dargestellt.
80 90 100 110 120 130 140
0 2 4 6 8 10
Teile optischer Aufheller
5 T PVAL 2,5 T PVAL 1 T PVAL 0,5 T PVAL
Abbildung 1: Weißgrad der mit PVAL_1 als Carrier gestrichenen Papiere in Abhängig- keit von der Zugabemenge an optischem Aufheller (Tetra-Sulfo-Typ)
Die Abnahme des Weißgrades geht mit einer Vergrünung des Papiers einher, die aus der Darstellung des Farbortes der Papiere abgelesen werden kann, vgl. Abbildung 2.
Mit der Zugabe des optischen Aufhellers zur Streichfarbe nimmt anfangs der Blauanteil des reflektierten Lichtes zu, d.h. der b*-Wert nimmt ab. Der Farbort wandert gleichzeitig in den roten (a*-) Bereich. Nach einem Maximum im Blaubereich kommt es zu einer Umkehrung;
mit weiterer Steigerung der Aufhellermenge nimmt der gelb-grün-Anteil zu, die Vergrünung des Papiers beginnt.
-10 -8 -6 -4 -2 0
-1 0 1 2 3
a*
- b* SteigendeMengen OBA
a*
-a*
b*
-b*
Abbildung 2: Farbortentwicklung mit steigender Menge an optischem Aufheller (Tetra- Sulfo-Typ) in der Streichfarbe bei 1 Teil PVAL_1
4.2 Einsatz verschiedener Substanzen als Carrier Carboxymethylcellulose
Die drei untersuchten CMC-Typen mit unterschiedlicher Viskosität der 4%igen Lösungen unterschieden sich sowohl in der Entwicklung der optischen Eigenschaften als auch der Streichfarbenviskositäten nicht signifikant voneinander. Die Streichfarben, die mit CMC her- gestellt wurden, wiesen jedoch hohe Viskositäten auf, wodurch der Einsatz auf relativ gerin- ge Mengen reduziert wird.
Polyvinylpyrrolidon
In Bezug auf die optischen Eigenschaften der gestrichenen Papiere unterschieden sich die drei untersuchten PVP-Typen praktisch nicht. Die Viskosität der Streichfarben ist jedoch um so höher, je höher die K-Zahl des PVP ist. Bei geringen Mengen optischem Aufheller in der Streichfarbe kann es durch Wechselwirkungen des PVP mit dem Aufheller zu einem starken Viskositätsanstieg kommen, vgl. Abbildung 3 .
400 500 600 700 800 900 1000
0 1 2 3 4
Teile optischer Aufheller
Abbildung 3: Brookfield-Viskosität bei 100 rpm bei Einsatz von 1 Teil PVP 1 als Carrier (optischer Aufheller vom Tetra-Sulfo-Typ)
Polyethylenglykol
In den durchgeführten Versuchen erwies sich die Carrierwirkung der verwendeten PEG–Ty- pen als nur sehr gering. Eine alleinige Verwendung als Carrier in Streichfarben scheint auf- grund dieser Ergebnisse nicht empfehlenswert. Wird PEG jedoch aus anderen Gründen der Streichfarbe zugegeben, kann es einen Beitrag zur Aufhellungssteigerung leisten.
Mikrocellulose
Aus dem Einsatz in der Papiermasse ist bekannt, dass Cellulose ein sehr guter Träger für optische Aufheller ist. Eine Carrierwirkung in der Streichfarbe konnte hier dagegen nicht festgestellt werden.
Kationisiertes Polyvinylalkohol
Als anionische Produkte werden optische Aufheller durch gleichzeitig anwesende kationische Stoffe in ihrer Wirksamkeit beeinträchtigt. Durch den Einsatz eines mit Hilfe von Polydadmac kationisierten PVAL_1 sollten solche negativen Auswirkungen auf die Aufhellerwirkung aus- geschaltet werden. Die Verwendung des kationisierten PVAL ergab jedoch nur geringe Auf- hellungswerte; das Viskositätsverhalten der Streichfarben erwies sich als ungünstiger als das mit unbehandeltem PVAL.
4.3 Carriergemische aus Polyvinylalkohol und Carboxymethylcellulose
In der folgenden Abbildung 4 ist die Aufhellung der Papiere, die mit verschiedenen Verhält- nissen von PVAL und CMC in der Streichfarbe gestrichen wurden, gegenübergestellt.
10 11 12 13 14 15 16 17 18
Teile PVAL/CMC
Abbildung 4: Aufhellung der Papiere, die mit verschiedenen Verhältnissen von
PVAL_1 und CMC_2 gestrichen wurden (1,5 Teile optischer Aufheller, Tetra-Sulfo-Typ) Dabei traten z.T. recht erhebliche Unterschiede auch bei gleichem Carriergehalt auf. Mit 0,5 Teilen PVAL kann im Vergleich zur selben Menge CMC z.B. eine Aufhellung von 12,8 ge- genüber 11,5 erreicht werden.
Mit verschiedenen Kombinationen von Carrierart, Carriertyp und Aufhellermenge können jedoch auch gleiche Aufhellungswerte erreicht werden. In Tabelle 2 sind unterschiedliche Verhältnisse von PVAL, CMC und optischem Aufheller (OBA) wiedergegeben, mit denen im untersuchten Streichfarbensystem eine gleiche Aufhellung erreicht wurde.
Tabelle 2 Carrier-Aufhellerkombinationen zum Erreichen gleicher Aufhellungswerte
Erreichte Aufhellung 14,5 15,1
Teile PVAL_1 0,5 0,75 1 1 1
Teile CMC_2 0,5 0,25 0 0 0,5
Teile OBA 1,5 1,5 1 1,5 1
Zum einen kann durch den Einsatz von mehr PVAL (bei konstantem Gesamt-Carriergehalt) die Menge an optischem Aufheller reduziert werden, ohne dass die Aufhellung vermindert wird. Dies kann andererseits auch durch eine höhere Menge an CMC (bei gleicher Menge PVAL) erreicht werden.
Durch die unterschiedlichen Carrier und Carriergehalte ändern sich jedoch auch die Streich- farbeneigenschaften und hier vor allem deren Viskosität. Abbildung 5 gibt die Aufhellung und die Brookfield-Viskosität bei 100 rpm der Papiere bzw. Streichfarben mit PVAL, CMC und Gemischen aus beiden wieder.
9 10 11 12 13 14 15 16
PVAL 1 CMC 2 PVAL + CMC APVAL + CMC B
Eingesetzter Carrier (je 1 Teil)
400 600 800 1000 1200 1400 1600 Aufhellung 1800
BV (100)
Abbildung 5: Vergleich von Brookfield-Viskosität und Aufhellung bei Einsatz ver- schiedener Carrier bzw. Carriergemische in der Streichfarbe (1,5 Teile optischer Auf- heller des Tetra-Sulfo-Typs)
Mit Mischungen aus Polyvinylalkohol und Carboxylmethylcellulose können Aufhellungen des Papiers erreicht werden, die fast die von „reinem“ Polyvinylalkohol erreichen. Aus Abbildung 5 wird auch deutlich, wie durch verschiedene Mischungen der Carrier Einfluss auf die Visko- sität der Streichfarbe genommen werden kann. Bei höheren Gehalt an Carboxymethylcellu- lose ist auch die Viskosität der Streichfarbe deutlich höher als bei weniger oder gar keiner CMC.
4.4 Vergleich verschiedener Carrier
Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurden neben PVAL und CMC noch weitere Sub- stanzen auf ihre Eignung als Carrier für optische Aufheller untersucht. Ein Vergleich der Auf- hellung bei jeweils gleichem Aufheller- und Carriergehalt ist in Abbildung 6 wiedergegeben.
6 8 10 12 14 16
Eingesetzter Carrier
Abbildung 6: Aufhellung der mit jeweils einem Teil optischem Aufheller (Tetra-Sulfo- Typ) und dem jeweiligen Carrier gestrichenen Papiere
Aus dieser Darstellung sind die großen Unterschiede in der Wirkung der verschiedenen Sub- stanzen als Träger für die optischen Aufheller erkennbar. Die zur Streichfarbe gegebene Mik- rocellulose und die Polyethylenglycol- (PEG-) Typen bewirken nur eine sehr geringe Aufhel- lung. Mit CMC und Polyvinylpyrrolidon (PVP) können dagegen gute Werte erreicht werden.
Polyvinylalkohole weisen jedoch die beste Wirkung auf. Durch die verschiedenen Kombinati- onen von PVAL und CMC können Aufhellungswerte erreicht werden, die fast denen mit nur PVAL entsprechen.
Die verschiedenen als Carrier eingesetzten Substanzen erhöhen (bis auf die Mikrocellulose) die Viskosität der Streichfarbe in unterschiedlichem Maße, wie in Abbildung 7 dargestellt.
0 500 1000 1500 2000 2500
Eingesetzter Carrier
Abbildung 7: Brookfield-Viskosität bei 100 rpm der mit jeweils einem Teil optischem Aufheller (Tetra-Sulfo-Typ) und dem jeweiligen Carrier hergestellten Streichfarben 4.5 Vergleich verschiedener optischer Aufhellertypen
Die verschiedenen Aufheller-Typen unterscheiden sich vor allem in den erreichbaren Weiß- graden der Papiere. Allgemein gilt, wie schon in Punkt 2 gesagt, das mit dem Tetra-Typen die geringsten Weißgrade, mit dem Hexa- sowie dem Spezial-Typ dagegen hohe Werte er- reicht werden.
0 5 10 15 20
0 2 4 6 8 10
Teile optischer Aufheller Spezialtyp Tetra-Sulfo-Typ Hexa-Sulfo-Typ
Abbildung 8: Aufhellung mit verschiedenen optischen Aufhellern bei 1 Teil PVAL_1 in der Streichfarbe
Die höchsten Aufhellungswerte werden bei der Verwendung von PVAL als Carrier mit dem Hexa-Sulfo-Typen erreicht. Für diese hohen Werte sind jedoch auch große Mengen an opti- schem Aufheller erforderlich. Mit dem Spezialtypen dagegen wurden, bei geringem Einsatz an optischem Aufheller, hohe Aufhellungswerte erreicht. Diese erreichen jedoch nicht die Werte für den Hexa-Sulfo-Typen.
Wird dagegen CMC als Carrier eingesetzt, konnten mit dem Spezialtypen bei geringerem Aufhellergehalt die gleichen Aufhellungswerte wie mit dem Hexa-Sulfo-Typ erreicht werden, vgl. Abbildung 9.
0 5 10 15 20
0 5 10 15
Teile optischer Aufheller Spezialtyp Tetra-Sulfo-Typ Hexa-Sulfo-Typ
Abbildung 9: Aufhellung mit verschiedenen optischen Aufhellern bei 0,5 Teilen CMC_2 in der Streichfarbe
Besonders bei der Verwendung des Aufheller-Spezialtyps ist eine Überdosierung leicht mög- lich, da die Vergrünung des Papiers sehr schnell und sehr deutlich auftritt.
Die Viskositäten der Streichfarben, die mit den unterschiedlichen optischen Aufhellern und jeweils gleichem Carrier hergestellt wurden, unterscheiden sich nicht signifikant voneinander.
4.6 Prüfung der Lichtechtheit der Papiere
Eine zufriedenstellende Lichtechtheit der Papiere konnte nicht erreicht werden.
Nur unter Verwendung von PVAL wurden teilweise Lichtechtheiten der Stufe 2 und 3 erzielt.
Hier war die Lichtechtheit um so besser, je höher einerseits der PVAL-Gehalt und anderer- seits das Verhältnis von PVAL zu optischem Aufheller war. Mit dem Tetra-Sulfo-Typen konnten die besten Lichtechtheiten erzielt werden, mit den anderen beiden Aufhellertypen ergab sich so gut wie keine Lichtechtheit der Papiere.
Die Lichtechtheit der mit CMC als Carrier aufgehellten Papiere erreichte maximal die Stufe 1 auf der Wollskala. Alle Papiere, die mit dem Tetra-Sulfo-Typen aufgehellt wurden, erreichten die Lichtechtheitstufe 1. Mit dem Spezial- und dem Hexa-Sulfo-Typen wird nur bei sehr ge- ringen Aufhellermengen, die für eine gute Weißeentwicklung nicht ausreichend sind, die Stufe 1 erreicht.
Bei der Verwendung von PVP als Carrier wird eine maximale Lichtechtheit der Stufe 1 auf der Wollskala nur bei geringen Carriermengen erreicht.
4.7 Einfluss von Auftragsaggregat und Streichmaschinengeschwindigkeit auf die Wirkung optischer Aufheller
Ein Versuch an der VESTRA-Versuchsstreichanlage beschäftigte sich mit den Einflüssen von Auftragsaggregat und Maschinengeschwindigkeit auf die Wirkung der optischen Aufhel- ler. In Abbildung 10 ist die Aufhellung der mit den verschiedenen Auftragsaggregaten und - geschwindigkeiten gestrichenen Papiere grafisch gegenübergestellt.
Düse Walze Filmpresse
Auftragsaggregat 800 m / min 1.200 m / min 1.500 m / min
Abbildung 10: Aufhellung der gestrichenen Papiere in Abhängigkeit von Auftragsag- gregat und Maschinengeschwindigkeit während des Streichprozesses
Aus dieser Abbildung ist eine höhere Aufhellung mit steigender Maschinengeschwindigkeit erkennbar. Darüber hinaus wurden mit der Filmpresse die höchsten, mit dem Düsenauf- tragswerk dagegen die geringsten Aufhellungswerte erreicht. Die gemessenen Unterschiede
sind jedoch sehr gering – die höchste gemessene Differenz beträgt 0,6 Punkte – und sollten aus diesem Grunde als nicht signifikant eingestuft werden.
Der Grund für diese Unterschiede in den optischen Eigenschaften ist vermutlich weniger aus der Wirkung des optischen Aufhellers als vielmehr aus der unterschiedlichen Oberflächento- pographie der gestrichenen Papiere abzuleiten. Die Grundlage der Messung des Weißgra- des ist die Reflexion von auf die Probe gestrahlten Lichtes. Eine rauere, ungleichmäßigere Oberfläche reflektiert dabei einen höheren Lichtanteil als eine glatte Oberfläche.
In Abbildung 11 ist die Glätte nach Bekk für die verschiedenen Auftragswerke und Maschi- nengeschwindigkeiten dargestellt.
Düse Walze Filmpresse
Auftragsaggregat
1.500 m / min 1.200 m / min 800 m / min
Abbildung 11: Glätte nach Bekk der gestrichenen Papiere in Abhängigkeit des Auf- tragsaggregates und der Maschinengeschwindigkeit während des Streichprozesses Die Glätte der mit der Düse gestrichenen Papiere ist demnach am höchsten, die Papiere, die mit der Filmpresse gestrichenen wurden, sind am rauesten. Mit steigender Maschinenge- schwindigkeit nimmt die Glätte der Papiere jeweils ab. Somit ist die Glätte (respektive die Rauhigkeit) der Papiere umgekehrt proportional zur erreichten Aufhellung.
Die unterschiedliche Oberflächenmorphologie der Papiere ist auch aus den Rasterelektro- nenmikroskopaufnahmen, die in den folgenden drei Abbildungen für drei verschiedene Pa- piere dargestellt sind, ersichtlich. Dabei wurden das Papier mit der höchsten Glätte (Auf- tragsaggregat Düse bei 800 m/min), das mit der geringsten Glätte (Auftragsaggregat Film- presse bei 1.500 m/min) sowie ein bezüglich des Glättewertes zwischen beiden liegendes, mit der Walze bei einer Geschwindigkeit von 1.200 m/min gestrichenes Papier, ausgewählt.
Abbildung 12 zeigt die Oberfläche des mit der Düse bei 800 m/min gestrichenen Papiers.
Abbildung 12: Rasterelektronenmikroskopaufnahme der Oberfläche des mit der Düse bei einer Maschinengeschwindigkeit von 800 m/min gestrichenen Papiers
Aus dieser Darstellung ist eine sehr hohe Gleichmäßigkeit der Papieroberfläche zu erken- nen. Einzelne Fasern sind zwar sichtbar, aber die Oberfläche ist homogen und gut abge- deckt.
Abbildung 13: Rasterelektronenmikroskopaufnahme der Oberfläche des mit der Walze bei einer Maschinengeschwindigkeit von 1.200 m/min gestrichenen Papiers
Die Abbildung 13 zeigt die Oberfläche des bei einer Geschwindigkeit von 1.200 m/min mit der Walze gestrichenen Papiers. Die Papierfasern treten hier unter dem Strich deutlicher hervor, die Oberfläche ist im Vergleich zum Düsenauftrag weniger homogen.
Die größte Ungleichmäßigkeit der Papieroberfläche zeigt jedoch der Filmpressenauftrag, dargestellt in Abbildung 14, für eine Geschwindigkeit von 1.500 m/min. Durch das Auftrags-
prinzip der Filmpresse wird ein Konturstrich auf das Papier aufgebracht, der zu einer sehr guten Abdeckung der Oberfläche führt, jedoch einen negativen Einfluss auf die Glätte hat.
Abbildung 14: Rasterelektronenmikroskopaufnahme der Oberfläche des mit der Film- presse bei einer Maschinengeschwindigkeit von 1.500 m/min gestrichenen Papiers Aus dieser Abbildung ist sehr gut die höhere Rauhigkeit des Papiers vor allem im Vergleich zum Düsenauftrag erkennbar.
ü Ein Einfluss des Auftragsaggregates oder der Geschwindigkeit der Streichmaschine auf die Wirkung des optischen Aufhellers konnte nicht festgestellt werden.
ü Die sehr geringen Unterschiede in der Aufhellung der mit den verschiedenen Aggregaten und Geschwindigkeiten gestrichenen Papiere korrespondieren mit deren Oberflächen- rauhigkeiten insofern, dass durch eine rauere Oberfläche eine höhere Aufhellung auftritt.
ü
4.8 Einfluss der Trocknungstemperatur auf die Wirkung optischer Aufheller
Während des zweiten VESTRA-Versuches wurden die Trocknungsbedingungen variiert. Bei einem Durchgang wurden 30% der Trockenleistung durch die IR-Strahler und 70% (30/70) durch die CB-Air-Trockner (Konvektionstrocknung) eingebracht, während bei der zweiten Rolle mit identischer Farbrezeptur dieses Verhältnis umgedreht wurde (70/30). Um Aussa- gen über den Temperaturverlauf treffen zu können wurde während der Versuche die Bahn- temperatur an verschiedenen Stellen der Streichmaschine gemessen. Der gemessene Bahntemperaturverlauf ist in Abbildung 15 wiedergegeben.
20 30 40 50 60 70
Messstelle der Bahntemperatur
30/70 70/30
Abbildung 15: Verlauf der Bahntemperatur
Aus dieser Darstellung ist ersichtlich, dass die Bahntemperatur bei dem Versuch, der mit dem Trocknungsverhältnis 70/30 gefahren wurde, nach dem 1. Infra-Air-Gastrockner mit 63°C 14 K deutlich über dem Versuch mit dem Trocknungsverhältnis 30/70 liegt. Diese Tem- peraturdifferenz wird zwar im weiteren Trocknungsverlauf geringer, bleibt aber bestehen. Im weiteren Verlauf heizt sich die Bahn bei dem Versuch mit dem Trocknungsverhältnis 30/70 etwas weiter auf; diese Temperaturdifferenz ist jedoch nicht so ausgeprägt wie die nach dem Infra-AIR-Gastrockner. Am Ende der Streichmaschine, an der Aufrollung, hat sich die Bahn wieder auf 38°C abgekühlt.
In Tabelle 3 ist der Weißgrad der mit den verschiedenen Trocknungsarten gestrichenen Pa- piere wiedergegeben.
Tabelle 3 Weißgrad R457 in Abhängigkeit vom Trocknungsverhältnis
Trocknungsverhältnis 30/70 70/30
Weißgrad 91,4 91,4
Aus dieser Tabelle ist ersichtlich, dass sich die Weißgrade des Papiere, die mit gleicher Re- zeptur, aber unterschiedlichem Trocknungsverhältnis hergestellt wurden, nicht unterschei- den. Die Art des Trocknungsverlaufes, der an einer Streichmaschine unter den vorhandenen Aggregaten eingestellt werden kann, scheint demnach keinen bedeutenden Einfluss auf die Wirkung der optischen Aufheller auszuüben.
4.9 Wirtschaftliche Bedeutung der Ergebnisse
Ein unangepasstes Verhältnis von optischem Aufheller zum Trägermaterial hat eine hohe wirtschaftliche Bedeutung, da die Vergrünung des Papiers durch Überdosierung des Aufhel- lers in unterschiedlichem Maße auftritt. Während es bei dem untersuchten Aufheller-Spezial- Typ zu einem eindeutigen Weißemaximum bei steigendem Aufhellergehalt in der Streichfar- be kam, trat vor allem bei Verwendung des Hexa-Sulfo-Typs ein breiter Maximalbereich mit nur geringfügig unterschiedlichen Weißgraden auf (vgl. Abbildung 8). Vor allem in diesem Fall ist die Gefahr, zu viel Aufheller einzusetzen, groß.
Eine kurze Beispielrechnung soll zeigen, welche wirtschaftliche Bedeutung ein optimales Aufheller/Carrier-Verhältnis hat. Für die Berechnung werden für PVAL 7,- DM und für den OBA 12 DM je kg Handelsware zu Grunde gelegt.
In der folgenden Tabelle sind in den ersten drei Zeilen verschiedene „Kombinationen“ von PVAL und OBA angegeben, mit denen für das gestrichene Papier eine CIE-Weiße von 120 erreicht wird (vgl. auch Abbildung 1).
Tabelle 4 Beispielrechnung Teile PVAL Kosten je 100 kg
Pigment in DM Teile OBA Kosten je 100 kg Pigment in DM
Gesamtkosten je 100 kg Pigment in DM
1 7,- 1,25 15,- 22,-
2,5 17,50 0,7 8,40 25,90
2,5 17,50 4 48,- 65,50
2,5 17,50 1,5 18,- 35,50
Das in der ersten Zeile gezeigte Verhältnis von 1 Teil PVAL zu 1,25 Teilen OBA entspricht dabei sowohl einem Weiße- als auch einem Preisoptimum. Soll OBA eingespart werden, so muss, um auf ein gleiches Weißeniveau zu kommen, mehr Carrier eingesetzt werden, was einer Kostenerhöhung von 3,90 DM oder etwa 18% entspräche.
Welchen Einfluss auf das Preisniveau ein zu hoher Aufhellereinsatz haben kann, zeigt die dritte Zeile der Tabelle. Mit 4 Teilen OBA wird ebenfalls eine Weiße von 120 CIE-Punkten erreicht; mit 65,50 DM Kosten kommt es dabei jedoch zu einer Kostensteigerung um fast 200% im Vergleich zum Verhältnis 1/1,25. Eine solche Überdosierung von optischem Auf- heller führt, wie bereits erläutert, zu einer Vergrünung des Papiers. Bei einer „Einpunktbe- trachtung“, bei der ein mit zu hoher Aufhellermenge hergestelltes Papier bewertet wird, kann eine deutliche Aufhellung erkannt werden; ob es bereits zur Vergrünung gekommen ist, ist dagegen nicht immer klar erkennbar.
Das Weißemaximum bei Einsatz von 2,5 Teilen PVAL wird bereits mit etwa 1,5 Teilen opti- schem Aufheller erreicht (vierte Zeile der Tabelle). Durch die „Reduzierung“ der oben disku- tierten zu hohen Einsatzmenge von 4 auf 1,5 Teile OBA werden einerseits die Kosten stark vermindert und andererseits der Weißgrad auf 128 CIE-Weißepunkte erhöht.
Danksagung
Die Forschungsarbeit wurde im Rahmen des Forschungsvorhabens AiF 11744 ausgeführt und aus Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie (BMWi), Berlin, ge- fördert. Dafür sei an dieser Stelle gedankt.
Weitere Informationen: A.Lind@ptspaper.de Autor:
A. Lind
PTS München Hessstraße 134 80797 München Tel 089/12146-176 Fax 089/12146-36
Literatur
1 Parkes, D. und Traser, G.: Optimierung des Weißgrades bei gestrichenen Papieren; in:
Wochenblatt für Papierfabrikation, 1991, Nr. 19, S. 771-776
2 Louman, H.W.: Optische Aufheller in gestrichenem Papier; in: Wochenblatt für Papierfab- rikation, 1986, Nr. 7, S. 241-245
3 Oesterlin, H.G.: Optische Aufhellung gestrichener Papiere unter Mitwirkung von Polyvi- nylalkohol, Teil I-III; in: Das Papier 36, 1982, Nr. 2, 3, 4
4 Roltsch, C.C. und Lloyd, T.A.: The efficient use of fluorescent whitening agents in the paper industry; in: Papermakers Conference 1987, S. 87-99
5 Hentzschel, P., Martin, G., Pelzer, R. und Winkler, K.: Schritte zur Optimierung des Weißgrades von gestrichenen Papieren; in: Wochenblatt für Papierfabrikation, 1998, Nr.
5, S. 176-180
6 Jokinen, O., Baak, R., Traser, G. und Rohringer, P.: Optical brighteners for high white coated papers; in: Wochenblatt für Papierfabrikation, 2000, Nr. 9, S. 590-593
