Zur Bestimmung der Latenz von Primär- und Sekundärfaserstoffen bei der Halbstoff- und Papiererzeugung
W. LEONHARDT UND J. BLECHSCHMIDT
Zusammenfassung
Die Erzeugung von Papierfaserstoffen, ihre Aufbereitung und ihre Verarbeitung zu Papier ist eine Aneinanderreihung verschiedener Faserumformungsprozesse mit unterschiedlicher Inten- sität. Reversible Faserumformungen werden bei lignin- und hemicellulosehaltigen Faserstoffen als Latenz bezeichnet. Die damit verbundenen Eigenschaftsveränderungen erfordern eine messtechnische Erfassung.
Nach grundlegenden Untersuchungen verschiedener Einflussparameter auf die Latenz wurde eine Methode zu ihrer Bestimmung bei Primär- und Sekundärfaserstoffen erarbeitet.
1. Wesen der Faserumformungsprozesse
Die Erzeugung von Papierfaserstoffen, ihre Aufbereitung und ihre Verarbeitung zu Papier ist eine Aneinanderreihung verschiedener Faserumformungsprozesse mit unterschiedlicher Inten- sität /1/.
Faserumformungen können irreversibel (Fibrillierung, Kürzung, Knickung und Quetschung) oder reversibel (plastisches Krümmen) sein. Letztere werden bei lignin- und hemicellulosehaltigen Faserstoffen als Latenz bezeichnet. Die Latenz nimmt im Papierherstellungsprozess eine be- sondere Stellung ein, da sie mit beachtlichen Änderungen von Faserstoffeigenschaften verbun- den ist. Diese können unter bestimmten Bedingungen weitgehend (Restlatenz) wieder rückgän- gig gemacht werden.
Die Intensität latenter Faserumformungen hängt von der Höhe des Ligningehaltes und dessen Plastifizierungstemperatur und von den zur Latenz führenden äußeren Umständen wie der Hö- he der Scherkräfte und der nach erfolgter Faserverformung vorhandenen Abkühlungsge- schwindigkeit ab. Die nach thermo-mechanischer Einwirkung verzerrte Faser verharrt nach dem plötzliche Erstarren der erweichten Inkrusten in ihrer neuen Form (latent = ruhend, aufge- speichert) /2/.
Bei der mikroskopischen Betrachtung von Suspensionen eines Fi-TMP (Thermo-mechanischer Holzstoff aus Fichtenholz) vor und nach der Latenzbeseitigung (Abb. 1 und 2) werden die Ände- rungen der Faserform deutlich.
Abb. 1: Fichten-TMP unbehandelt Abb. 2: Fichten-TMP Latenz beseitigt
Durch die Latenzbeseitigung tritt eine Streckung der Fasern ein. Refinerholzstoffe weisen ein hohes Latenzpotential auf. Latenzerscheinungen werden aber auch bei anderen Faserstoffen wie ligninhaltigen Altpapierstoffen beobachtet. Das Latenzverhalten bei der Herstellung eines Fi- TMP und dessen Aufbereitung kann in Abb. 3 am Beispiel der Berstfestigkeit verfolgt werden.
Die Wirkung der industriellen Latenzbeseitigung in der Latenzbütte ist mit der Behandlung im Labor (latenzbeseitigt) vergleichbar. Die Latenzentwicklung innerhalb einer Prozesskette hängt in komplexer Weise von den vorliegenden Betriebsbedingungen ab. Es wird deutlich, daß die Stoffqualität durch eine erfolgreiche Latenzbehandlung gesteuert werden kann. Im vorliegenden Beispiel weist der Fi-TMP nach der Latenzbeseitigung die 3-fache Berstfestigkeit auf. Analog konnte die Zugfestigkeit des Refinerstoffs nach der 2. Stufe von 1.500 m auf 3.900 m Reißlänge gesteigert werden. Im Gegensatz zu den statischen werden die dynamischen Festigkeitswerte weniger beeinflusst. Entwässerbarkeit und Porosität werden verbessert.
2. Einflussfaktoren auf die Latenz
Die mit der Latenz verbundenen Eigenschaftsveränderungen erfordern ihre messtechnische Erfassung. Zahlreiche Ansätze sind dazu in der Literatur vorhanden /3/, die jedoch bisher zu keiner einheitlichen Methode der Messung und Bewertung der Faserumformung geführt haben.
Im Rahmen einer Forschungsarbeit am PTS-Institut für Zellstoff und Papier Heidenau wurden Einflussparameter wie Stoffdichte, Temperatur, Rührerform, Rührdrehzahl und Verweilzeit im Strömungsfeld auf das Latenzverhalten untersucht. Grundlage der Untersuchung war ein Fi- TMP. Zu Vergleichszwecken wurden die Holzstoffe SGW (Stein-Holzschliff) und PGW (Druck- Holzschliff), Zellstoffe und Altpapierstoffe herangezogen.
Der Betrag der Latenz wurde durch Vergleich von mehreren in der Papierindustrie üblicherwei- se geprüften Faserstoffeigenschaften vor und nach der Latenzbeseitigung bestimmt. Die La- tenzbeseitigung erfolgte nach den ermittelten optimalen Bedingungen für eine Faserstreckung.
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
Refiner 1 Refiner 2 Latenzbütte MC-Pumpe Presse Mixer MC-Pumpe nach der Prozeßstufe
Berstwiderstand Schopper (kPa)
Ausgangsstoff latenzbeseitigt
Abb. 3: Einfluss von Faserumformungen auf statische Festigkeitseigenschaften in einer TMP-Anlage
Messkneter integriert. Das eröffnete die Möglichkeit, Latenzerzeugung und -beseitigung unter definierten Bedingungen zu verfolgen und zu vergleichen.
0 25 50 75 100 125 150 175 200
Rückstand Sieb 16
Rückstand Sieb 50
Faserstoff gesamt Siebfraktion
SR-Wert (°SR)
0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5
Zugfestigkeit (km RL)
SR (mit L) SR (ohne L) RL (mit L) RL (ohne L)
Reißlänge
Entwässerungswert
mit Latenz
ohne Latenz
Abb. 5: Einfluß des Feinstoffs von Fichten-TMP auf Suspensions- und Prüfblatteigen- schaften
Datenlogger
Computer
graphische Auswertung der Meßgrößen Temperatur, Drehzahl, Drehmoment
und Viskosität (Rechengröße) in Abhängigkeit von der Zeiteinheit
Knetsystem
Duplex-Prinzip
Drehzahl Knetschaufel schnell 4-40 min-1 Drehzahlverhältnis beider Knetschaufeln 2:1
Temperaturbereich 0 -200 °C Drehrichtung umkehrbar
Meßrührer-System
Drehzahl stufenlos 20 - 1600 min -1
diverse Rührerformen
Temperaturfühler
Temperaturbereich 0 - 100 °C
Abb. 4: Versuchsanordnung zur Erzeugung und Beseitigung von Latenz in der For- schungseinrichtung
Eine Möglichkeit, Faserumformungen direkt und ohne verfälschende Einflüsse zu charakterisie- ren, ist die Betrachtung der Einzelfaser. Die Berechnung entsprechender Formfaktoren sowie eine statistische Auswertung sind mittels der Bildanalyse und - wie im vorliegenden Fall - über die mittlere Faserlänge und die Faserlängenverteilung möglich.
Untersuchungen zum Latenzphänomen ergaben, dass Latenz ausschließlich auf Faserkrüm- mungen zurückzuführen ist. In Abb. 5 sind der Faserlangstoffgehalt (Rückstand Sieb Nr. 16), der Faserstoffgehalt (Rückstand Sieb Nr. 50) und der Gesamtfaserstoffgehalt vor und nach ei- ner Latenzbehandlung dargestellt. Der Faserlangstoff und Faserstoff sind nach der Fraktionie- rung frei von Feinstoff. Die Unterschiede zwischen latenzbehandelten und unbehandelten Stof- fen (Zugfestigkeitswerte) sind offensichtlich. Die Unterschiede der Kennwerte zum Gesamtfa- serstoff werden durch den Feinstoffgehalt verursacht.
Ausgehend von Untersuchungen zur Erweichungstemperatur von Faserstoffbestandteilen im quasistationären Zustand /2/ wurde der Versuch unternommen, die Temperaturabhängigkeit der Faserplastifizierung durch die Registrierung des Drehmomentes mittels eines Messrührer- systems zu verfolgen. Bei entsprechender Empfindlichkeit des Messgerätes und prinzipieller Eignung der Methode wurde erwartet, dass sich die Faserstreckung in Abhängigkeit von der Behandlungsdauer und von der Temperatur in einer Viskositätsänderung widerspiegelt.
Die in Abb. 6 erkennbaren Viskositätsänderungen bestätigen die Abhängigkeit des Strömungs- verhaltens der Fasern von der Temperatur. Es werden Viskositätssprünge bei 45, 64 und 83 °C sichtbar. Die Flexibilität der Faser nimmt bei dieser Art der Latenzbeseitigung in zwei Stufen zu.
Bei einem Wassergehalt von 25 % erweicht isoliertes Lignin bei 90 °C und Hemicellulose bei 60
°C /2/. Erfahrungsgemäß liegen Plastifizierungstemperaturen in der Faser tiefer. In der Literatur werden in Abhängigkeit von Stoffspezifik und Sulfonierungsgrad für Lignine in Verbindung mit Feuchtigkeit Temperaturen zwischen 50 und 85°C und für Hemicellulosen schon ab 35 - 40 °C
0,35 0,40 0,45 0,50 0,55 0,60 0,65
23 27 30 33 36 39 43 46 49 52 55 58 62 65 68 71 74 78 81 84 87 90 94 97 Temperatur (°C)
Viskosität (Pas)
Abb. 6: Latenzbeseitigung von Fichten-TMP mit einem Propellerrührer (Be- handlungsdauer 25 min, Stoffdichte 1,5 %, Drehzahl 400 min-1)
Für die Ermittlung geeigneter Bedingungen für die Latenzbeseitigung wurde der Desintegrator benutzt. Er wurde als Rüheraggregat gewählt, weil die Rührerform (3 Flügel mit abgerundeten Kanten) bei der hohen Drehzahl von 3000 min-1 eine faserschonende Behandlung gewährleis- tet. Temperatur und Behandlungsdauer stellen die Haupteinflussgrößen zur Latenzbeseitigung dar.
In der Abb. 7 wird die Temperaturabhängigkeit der Latenzbeseitigung bei einer Stoffdichte von 2
% und einer Rüherdauer von 15 min am Beispiel des Entwässerungswertes und der Prüfblatt- dichte gezeigt. Die Faserstreckung setzt bei 40°C ein und erfährt zwischen 50 und 65 °C ein Maximum. Durch das Ansteigen der Temperatur während der Latenzbehandlung werden die
10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60
0 1 3 8 15 20 30 60
Zeit (min)
SR-Wert (°SR)
0,25 0,27 0,29 0,31 0,33 0,35 0,37 0,39 0,41 0,43 0,45
Dichte (g/cm3)
Mahlgrad Dichte
Abb. 7: Latenzbeseitigung von Fichten-TMP in Abhängigkeit von der Temperatur
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45
25 40 50 65 70 80 90
Temperatur (°C)
SR-Wert (°SR)
0,36 0,37 0,38 0,39 0,4 0,41 0,42
Dichte (g/cm³)
Mahlgrad Dichte
Abb. 8: Latenzbeseitigung von Fichten-TMP in Abhängigkeit von der Behandlungs- dauer
Fasern gestreckt, die Hohlräume werden kleiner und damit das Blattgefüge dichter. Entspre- chend steigt der Entwässerungswert an.
Aussagen zur notwendigen Verweilzeit für eine optimale Latenzbeseitigung können anhand von Abb. 8 getroffen werden. Am Beispiel Entwässerungsverhalten und Rohdichte ist ein deutlicher Sprung im Kurvenverlauf bereits nach einer Behandlungsdauer der Faserstoffsuspension von 1 min zu sehen. Dies bedeutet, dass ein Großteil der Latenz innerhalb der ersten 60 Sekunden beseitigt wird. Eine nahezu vollständige Latenzbeseitigung unter den gegebenen Bedingungen stellt sich nach diesen und anderen Prüfwerten zwischen 8 und 15 min ein.
3. Methode zur Bestimmung der Latenz von Faserstoffen
Nach den vorliegenden Untersuchungen mit dem Desintegrator sind folgende Parameter für eine optimale Latenzbeseitigung im Labor zweckmäßig:
Stoffdichte: 2 % (je nach Faserstoff 1,5 - 2,5 % möglich) Temperatur: 75 °C (70 - 80 °C)
Behandlungsdauer: 15 min (15 - 20 min)
Rührerdrehzahl: Desintegrator mit 3000 U/min
Bei Temperaturen über 80 °C und Behandlungszeiten über 30 min wurden Einbußen an Festig- keitswerten registriert. Unter 65 °C und unter 10 min wurde eine optimale Latenzbeseitigung häufig noch nicht erreicht. Die hohe Drehzahl des Desintegrators bewirkt eine geringfügige Fa- serschädigung, die durch eine Begrenzung auf die notwendige Behandlungszeit minimiert wer- den kann. Auf Grund des verbreiteten Einsatzes des Desintegrators mit 3000 min-1 in Industrie und Forschung und der Vergleichbarkeit der Ergebnisse wird diese Drehzahl vorgeschlagen.
Jegliche Faserschädigung wird durch Anwendung von Rührerdrehzahlen bis 800 min-1 ausge- schlossen /1,5/. Die Kennwerte für die unbehandelte Probe werden unter den gleichen Bedin- gungen wie bei der Latenzbeseitigung ermittelt, jedoch bei 20 °C. Dadurch wird lediglich der Temperatureinfluss bei der Latenzbeseitigung erfasst.
Vor und nach der Latenzbeseitigung wurden an den Faserstoffen verschiedene Eigenschaften geprüft. Durch den Vergleich der ermittelten Prüfwerte sollten die für eine Charakterisierung der Latenz von Faserstoffen am besten geeigneten Parameter herausgefunden werden. Bisher wurde Latenz meist anhand von Änderungen einer Einzeleigenschaft diskutiert, z.B. der Zugfes- tigkeit oder des Entwässerungswertes. Lippert /4/ verwendete zur Beschreibung von Latenzer- scheinungen einen Gesamtlatenzwert, der sich als Mittelwert aus Entwässerungswiderstand, Splittergehalt, Reißlänge, Berstwiderstand und Porosität ergibt. Die (entfernte) Latenz in % wur- de für jede Prüfeigenschaft nach LE (%) = [(WL-W0)/W0]x100 berechnet. Dabei bedeuten WL
Wert latenzbehandelt und W0 Wert unbehandelt (mit Latenz). Bei durch Latenzbeseitigung ab- nehmenden Eigenschaftswerten erhält man eine negative Zahl von unter 100 %. Bezieht man in diesem Fall den Wert LE auf WL, also LE (%) = [(W0-WL)/WL]x100, so wird die relative pro- zentuale Differenz zwischen den Eigenschaftswerten berechnet. Diese Variante der Gesamt- latenz-Berechnung wurde für die vorliegende Prüfmethode gewählt.
Bei den Untersuchungen haben sich folgende Prüfeigenschaften für die Latenzbewertung als besonders geeignet herausgestellt: Zugfestigkeit, Berstwiderstand Mullen, Entwässerungswi- derstand SR-Wert, Luftdurchlässigkeit Bendtsen, Luftwiderstand Gurley und Feuchtdehnung.
Folgende Prüfeigenschaften wurden für die allgemeine Latenzbewertung als weniger geeignet eingestuft: Mittlere Faserlänge, Rohdichte, Wasserrückhaltevermögen, Weiterreißarbeit Brecht- Imset und Durchreißwiderstand Elmendorf. Nicht geeignet für die Charakterisierung der Latenz sind folgende Eigenschaften: Faserstofffraktionierung Brecht-Holl, Saughöhe, Bruchdehnung, Biegesteifigkeit Balkenmethode Zweipunktverfahren, Spaltfestigkeit Internal-Bond-Tester und Glätte Bekk /5/. Für Spezialuntersuchungen kann das Heranziehen auch einer dieser Eigen- schaften sinnvoll sein.
Reißlänge m
Entwässerungswiderstand °SR Luftwiderstand nach Gurley s/100cm3 Feuchtdehnung %
Es wird der Latenzwert Lrel jeder einzelnen Stoffeigenschaft berechnet. Die Gesamtlatenz ist der Mittelwert aus den Latenzwerten Lrel der einzelnen Eigenschaften.
Die Latenz eines Faserstoffs wird wie folgt berechnet:
Von einem nach der Latenz zu bewertenden Faserstoff stehen 8 Prüfwerte W zur Verfügung:
Der SR-Wert, die Reißlänge, der Luftwiderstand und die Feuchtdehnung jeweils vor und nach der Latenzbeseitigung.
Der Latenzwert Lrel jeder einzelnen Stoffeigenschaft wird nach Lrel (%) = [(Wgroß – Wklein)/ Wklein] x 100
berechnet. Für Wgroß steht der größere Wert W, egal ob von der latenzbeseitigten oder latenz- behafteten Probe. Außer für die Feuchtdehnung ist Wgroß der Wert der von Latenz beseitigten Probe und Wklein der Vergleichswert (keine Latenzbeseitigung). Diese Vorgehensweise, bei allen Prüfeigenschaften die Differenz zwischen „Latenz“ und „Nicht-Latenz“ als relative prozen- tuale Eigenschaftsänderung auszudrücken, lässt die Entwicklung der Prüfwerte untereinander direkt vergleichen. Zur Erläuterung: Ein Prüfwert, welcher nach der Latenzbeseitigung um das Doppelte steigt, bekommt die gleiche Bewertung Lrel wie nach einer Halbierung.
Vor der Berechnung der Gesamtlatenz Lges wird Lrel der Prüfgröße Luftwiderstand wegen der sehr starken Änderung durch Latenzerscheinungen durch 5 dividiert. Die Latenzwerte der ein- zelnen Prüfeigenschaften sind damit besser vergleichbar. Lges (%) ist der Mittelwert aus den Latenzwerten Lrel der einzelnen Eigenschaften, wobei Lrel des Luftwiderstandes durch 5 dividiert wurde. Der experimentelle Ablauf ist als Labormethode „Bestimmung der Latenz von Primär- und Sekundärfaserstoffen bei der Halbstoff- und Papiererzeugung“ zusammengefasst und bei der PTS erhältlich.
Die Bestimmung der Kennwerte Lrel und Lges seien an einem Beispiel aus der Praxis demonst- riert. Für einen nach der Labormethode behandelten Fichten-TMP ergeben sich folgende La- tenzwerte (Abb. 9).
Abb. 10 zeigt als weiteres Beispiel Latenzwerte Lrel der einzelnen Faserstoffeigenschaften und die Gesamtlatenzwerte Lges in den Verfahrensstufen einer TMP-Anlage gemäß Abb. 3. Die Kenngröße Feuchtdehnung gehörte nicht zum routinemäßigen Prüfumfang und fehlt deshalb.
Es ist zu erkennen, dass die höchsten Latenzwerte der unbehandelte Refinerstoff (Refiner 2) besitzt und dass bestimmte Aggregate der Faserstoffaufbereitung wie Entwässerungspressen und Disperger (Mixer) Latenz erzeugen. Im vorliegenden Fall verbleiben im fertigen Faserstoff (letzte Säule) eine nicht zu vernachlässigende Latenz und damit Festigkeitsreserven.
Stoffeigenschaft W vor W nach Lrel
Mahlgrad (°SR) 29 38 31
Reißlänge (m) 1600 2500 56
Luftwiderstand (s) 2,3 6,9 200
Luftwiderstand : 5 (s) 0,46 1,38 40
Feuchtdehnung (%) 0,17 0,055 209
Lges 84
Latenzbeseitigung
Abb. 9: Ermittlung der Kennwerte Lrel und Lges
Dank
Die vorliegenden Ergebnisse wurden im Rahmen des Forschungsvorhabens AiF 10 858 B er- halten, das durch die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen e. V. (AiF), Köln, mit finanziellen Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie (BMWi), Berlin, gefördert wurde. Für die Unterstützung sei an dieser Stelle gedankt.
Weitere Informationen unter: W.Leonhardt@pts-papertech.de
Autoren:
Prof. Dr.-Ing. habil. J. Bleschmidt Dipl.-Chem. W. Leonhardt PTS Heidenau
Pirnaer Str. 37 D-01809 Heidenau
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180
Refiner 2 Latenzbütte MC-Pumpe Presse Mixer MC-Pumpe
nach der Prozeßstufe
Latenzwert (%)
Latenzwert Mahlgrad Latenzwert Reißlänge Latenzwert : 5 Luftdurchl.
Gesamtlatenz
Abb. 10: Latenzwerte in einer Fichten-TMP-Anlage
Literatur
1 BLECHSCHMIDT J., LEONHARDT W. u. G. BÄR
Faserumformungen bei der Halbstoff- und Papierherstellung Allgemeine Papier-Rundschau -, 614 – 620 (1995), Nr. 24 – 25 2 GORING D. A. J.
Thermal softening of Lignin, Hemicellulose and Cellulose Pulp Paper Mag. Canada 64, T517 - T528 (1963), Nr. 12 3 HTUN M., ENGSTRAND P. u. L. SALMEN
The implication of lignin softening on latency removal of mechanical and chemimechanicalpulps Journal of Pulp and Paper Science 14, J109 - J113 (1988), Nr. 5
4 LIPPERT G. V.
Technologische und wirtschaftliche Aspekte der Latenz von Faserstoffen Allgemeine Papier-Rundschau -, 620 - 626 (1995), Nr. 24 – 25
5 LEONHARDT W.
Entwicklung von praxisorientierten Methoden zur Sicherung der Qualität von Papierfaserstoffen durch Bewertung der Faserumformung
München: Papiertechnische Stiftung (PTS), 77 S., PTS-Forschungsbericht PTS-FB 01/99
