Abweichungen

Energiebedarf bei industrieller Glättung und Ultraschallglättung
Rauheit Bendtsen [ml/min]
120
100
80
60
40
20
0
Materialien bearbeitet oder Stoffe in Form
und Struktur verändert werde sollen.
Versuchsanlagen zur
Papierglättung
Im Rahmen einer vierjährigen Forschungsarbeit
(Dissertation) konnte nachgewiesen
werden, dass es möglich ist, alle untersuchten
Naturpapiere (Proben ohne
mineralische Deckschicht) mittels Ultraschall
zu glätten.
Die Ultraschallleistung wird mittels
einer Sonotrode, die im mechanischen
Kontakt mit dem Papier steht, an den
Wirkort, die Papieroberfläche, geleitet.
Aufgrund der von der Sonotrode übertragenen
Schwingungen, kommt es zur
Umsetzung von Reibarbeit auf der Papieroberfläche
und schließlich zu deren
Erwärmung. Die dabei stattfindende
Temperatursteigerung ist ausreichend
groß, um das Papier auf Werte oberhalb
der Glasübergangstemperatur seiner
typischen Polymere (Cellulose, Hemicellulose
und Lignin) zu erwärmen und diese
teilweise zu plastifizieren. Ein geringer
mechanischer Druck der hochglatten
Sonotrode sowie deren hohe Beschleunigung
glätten nun die erweichte und
plastisch verformbare Oberfläche. Verlässt
das Papier die Behandlungszone, so
kühlt es rasch ab und die neu gestaltete
Oberflächentopografie bleibt eingefroren.
Mittels thermografischer Aufnahmen
des Behandlungsprozesses wurden
Temperaturen von deutlich über 200 °C
ermittelt.
spezifischer Energieeintrag [kWh/t]
0 20 40 60 80 87 100 111 120 132 140
SC-Papier
(US­geglättet)
m A ­=­56­g/m 2
Geschwindigkeitsreduktion
v­=­15­m/min v­=­3­m/min
∆­=­15­ml/min
Feuchtigkeitserhöhung
von­4­auf­8­%­mittels­Dampf
0 5 10 15 20 25 30
spezifischer Energieeintrag [kJ/m 2 ]
(­­)
∆­=­15­ml/min
zusätzliche­Energie
zur­Dampferzeugung
Der Einsatz von Wasser als Weichmacher
senkt im bekanntermaßen die
Glasübergangstemperaturen der Papierpolymere.
Für Prüfblätter aus Eukalyptussulfatzellstoff
konnte eine optimale
Probenfeuchte von zehn Prozent für eine
volumenschonende Glättung bei gleichzeitig
möglichst geringem Energieaufwand
ermittelt werden.
Für ein handelsübliches SC-Papier
konnten die positiven Ergebnisse, welche
mit der Versuchsanlage an Laborblättern
erzielt werden konnten, auch in einen
kontinuierlichen Prozess bestätigt wer-
DI Matthias Wanske
forscht am Institut
Holz- und Papiertechnik
an der TU Dresden.
vergleichbare­Glätte,
weniger­Energie,
aber:­v­nur­3­m/min
den. Nach einer Vorkonditionierung der
Bahn mittels Dampf war es möglich, das
Probenmaterial auf Rauheitswerte eines
industriell geglätteten Magazinpapiers
zu behandeln und zwar mit einem um
etwa 16 Prozent niedrigeren spezifischen
Energieeinsatz sowie einem ca. elf Prozent
geringeren Dickeverlust. (Abb. oben)
Vergleich industrieller Glättung
und Ultraschallglättung
Die Abbildung fasst die hierfür ermittelten
Ergebnisse zusammen. Als Referenzwert
dient das Beispiel eines Magazinpapiers
© TU Dresden (2x)
einer flächenbezogenen
Masse von 60 g/m 2,
welches bei 1.200 m/min
in einem, dem Stand der
Technik entsprechenden
Superkalander geglättet
wurde. Insgesamt waren
hierfür 132 kWh/t aufzubringen,
um das Papier
auf einen Wert von etwa
30 ml/min Bendtsen-Rauheit
zu glätten
(orangener Punkt).
Demgegenüber wurde
die Ergebnisse einer
Ultraschall-Glättbehandlung
bei 15 m/min
und unterschiedlichen
Linienlasten gestellt
(grün). Bei einem spezifischen
Energieeintrag von 20 kWh/t
konnte das Vergleichspapier bereits
auf 62 ml/min geglättet werden. Eine
Reduktion der Bahngeschwindigkeit
steigerte die auf die Papieroberfläche
übertragene Energie, so dass bei 3 m/
min das Glättergebnis auf 45 ml/min
verbessert werden konnte (blau). Eine
Vorkonditionierung der Bahn mittels
Dampf und eine anschließende Ultraschallbehandlung
lieferten mit der
Industriereferenz vergleichbare Glättergebnisse
bei einem Energieaufwand
von insgesamt 111 kWh/t (rot).
SC-Papier
(industriell)
m A ­=­60­g/m 2
v­=­1.200­m/min
Die Projektergebnisse haben damit
gezeigt, dass es mittels der Hochleistungsultraschalltechnik
möglich ist,
Naturpapiere volumenschonend zu glätten.
Diese Aussage gilt – auf der Basis der
vorliegenden Ergebnisse – streng nur für
sehr niedrige Behandlungsgeschwindigkeiten
(bis 25 m/min). Der Einsatz dieser
Technologie bei industrieüblichen
Geschwindigkeiten verlangt weiteren
F&E-Aufwand. �
matthias.wanske@tu-dresden.de
papierausösterreich­6/10
High-performance
ultrasound is
a possible tool to
smooth paper and
cardboard surfaces.
Prof. Dr.-Ing. Harald Großmann
leitet die Professur
für Papiertechnik an
der TU Dresden.
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