Synthetische Trockenverfestiger richtig kombiniert - BASF ...

Carrier-System der BASF löst Probleme
mit Festigkeiten bei Wellpappenrohpapieren
Synthetische Trockenverfestiger
richtig kombiniert
Die Anforderungen an die Festigkeiten von
Wellpappenrohpapieren steigen immer
weiter an – gleichzeitig nimmt die Qualität
des Rohstoffs Altpapier ab. Zusätzlich verschärft
der Trend zu immer niedrigeren
Flächengewichten die Situation für die
Papierhersteller. Beide Trends, Rohstoffqualität
und Flächenmasse, erfordern Maßnahmen
zur Kompensation von Festigkeitsverlusten.
Die BASF hat auf Basis der innovativen
Produktklasse der Polyvinylamine ein
System entwickelt, mit dem die Hersteller
auf die schwankende und in der Tendenz
abnehmende Qualität bei den Rohstoffen
reagieren können. Der Kniff besteht darin,
ein kationisches mit einem anionischen
Polyvinylamin zu kombinieren. Damit sind
auf das jeweilige Festigkeitsproblem zugeschnittene
Problemlösungen möglich.
Die BASF vermarktet Polyvinylamin unter
dem Handelsnamen Luredur ® . In diesem
Beitrag wird das unter dem Namen Carrier-
System vermarktete Trockenverfestigungssystem
vorgestellt, das in der Papierfabrik
Smurfit Kappa Hoya Papier erfolgreich
eingesetzt wird.
Das Carrier-System
Das Thema Papierfestigkeit hat besonders
bei der Herstellung von Wellpappen eine
große Bedeutung, umso mehr, wenn als
Rohstoff zu 100 Prozent Altpapier eingesetzt
wird. Die meisten Papierhersteller bestätigen
die Erfahrung, dass die Altpapierqualität
stetig abnimmt und es somit immer
schwieriger wird, die geforderten Festigkeitsstandards
einzuhalten.
Die sinkende Qualität des Altpapiers lässt
sich durch systematische Untersuchungen
untermauern. Bei Tests von Hoya Papier
nahm über einen Zeitraum von vier Jahren
der Mittelwert der SCT-Werte ab – sowohl
bei den Rohstoffen für hohe Qualitäten
(Kraftliner) als auch für niedrigere Qualitäten
(Testliner 3) (Abb. 1).
Probleme beim Stärkeeinsatz zur
Festigkeitssteigerung
Zur Erzielung von Festigkeiten werden bei
europäischen Verpackungspapieren üblicherweise
Leim- und Filmpressen verwendet.
Das gängigste Additiv zur Festigkeitssteigerung
ist zurzeit die Oberflächenstärke. Wenn
dies nicht ausreicht, kann mit Massestärken
nachgebessert werden. Der Einsatz der klassischen
kationischen Massestärke ist jedoch
in der Regel auf Zugabemengen zwischen
1 Prozent und 1,5 Prozent begrenzt. Häufig
ist es außerdem schwierig, die Performance
der Massestärke über längere Zeiträume
kontinuierlich und zuverlässig zu halten.
Synthetische Trockenverfestiger als
wirksamere Alternative zu kationischer
Massestärke
Als Alternative bieten sich synthetische
Trockenverfestiger an. Dabei werden hauptsächlich
kationische Polyacrylamide mittlerer
Molekulargewichte verwendet. Seit
Neuerem stehen auch kationische und
anionische Copolymere auf der Basis von
Polyvinylamin (PVAm) zur Verfügung. Synthetische
Trockenverfestiger sorgen für
Festigkeit, indem sie auf molekularer Ebene
Abstände überbrücken. Diese Abstände
wären ohne Verwendung der Verfestiger zu
groß für eine effektive Verschlaufung von
Fibrilen unterschiedlicher Fasern. Beim Polyvinylamin
geht die Vinylformamidgruppe
unterhalb eines bestimmten Trockengehaltes
Wasserstoffbrückenbindungen mit Zellulose
und/oder Holzstoffen ein (Abb. 2).
Abbildung 1.
Untersuchungen der Rohstoffqualitäten
bei Hoya Papier:
Über einen Zeitraum von vier
Jahren sinkt der Mittelwert des
SCT-Wertes, sowohl bei den
Rohstoffen für hohe Qualitäten
(Kraftliner) als auch für niedrigere
Qualitäten (Testliner 3).
Abbildung 2.
Als Alternative zur Massenstärke
bieten sich zur Steigerung der
Festigkeit synthetische Trockenverfestiger
an. Häufig werden kationische
Polyacrylamide mittleren
Molekulargewichts verwendet.
Außerdem stehen kationische
und anionische Copolymere auf
der Basis von Polyvinylamin zur
Verfügung.

Abbildung 3.
Die maximal erreichbare Festigkeitssteigerung
bei hohen PVAm -
Dosierungen ist im Vergleich zur
Massestärke immerhin doppelt so
hoch. Die Abbildung zeigt die
Trockenberstdruckzunahme bei
Zugabe eines kationischen Polyvinylamins
und bei Zugabe einer
kationischen Massestärke.
Die Wirkung von 1 % Massestärke
wird bereits bei einer Zugabe von
0,25 % PVAm erreicht.
Abbildung 4.
Die Sättigung der Polymeradsorption
ist ladungsgetrieben. Dies lässt
sich am Zetapotenzial zeigen, das
an der Faser gemessen wird.
Es deckt sich mit dem Verlauf der
Adsorption des Polymers auf der
Faser. Das Zetapotenzial durchschreitet
bei einer Dosis von 0,25 %
den Ladungsnullpunkt und nimmt
bei Beginn der Sättigung ab 0,5 %
einen deutlich positiven Wert ein.
Abbildung 5. Kationische und anionische
Polyvinylamine wurden kombiniert:
Nach der Behandlung mit
dem kationischen Trockenverfestiger
wurde ein anionisches Polyvinylamin
zudosiert. Es zieht bis zu einer Dosis
von 0,7 % quantitativ auf, an diesem
Punkt beträgt die Gesamtdosis beider,
anionischer und kationischer
Polymere 1,2 %.
Im Vergleich zur Stärke ist die Polymerkette
des PVAm aber erheblich flexibler
und trägt außerdem, bezogen auf die
Molmasse, deutlich mehr potenzielle
Bindungsstellen. Dieser Vorteil spiegelt
sich auch im Verhältnis der spezifischen
Wirksamkeit von kationischer Massestärke
zum synthetischen Trockenverfestiger
wieder. Das heißt: Synthetische
Trockenverfestiger sind erheblich wirksamer
als kationische Massenstärken (Abb. 3).
Einfluss der Verfestigerdosis
auf den Festigkeitszuwachs
Ein Nachteil der synthetischen Trockenverfestiger
sind ihre hohen Einsatzkosten,
diese lassen sich aber mehr als kompensieren,
weil sich mit dem Einsatz von
Trockenverfestigern die Produktivität steigern
lässt – das zeigen neue Entwicklungen
auf diesem Gebiet.
Festigkeitszuwachs und Verfestigerdosis
hängen miteinander zusammen (Abb. 4).
Bei einem kationischen Trockenverfestiger auf
PVAm-Basis gibt es oberhalb einer Dosiermenge
von 0,5 Prozent eine klare Sättigung
der Festigkeitssteigerung. Diese Sättigung
geht einher mit einer oberhalb von 0,5 Prozent
beginnenden Sättigung der adsorbierten
Polymermenge auf Altpapierstoff.
Bei einer Dosiermenge unterhalb von 0,5
Prozent ziehen 100 Prozent des Polymers
auf den Altpapierstoff auf und führen zu
einem weitgehend linearen Anstieg der
Festigkeitswerte. Oberhalb der 0,5 Prozent-
Marke wird ein stetig zunehmender Teil der
Polymere nicht mehr auf der Faser adsorbiert
und trägt somit auch nicht mehr zur Festigkeit
bei, diese nimmt also nicht mehr zu.
Funktionsweise des Carrier-Systems
Diese Sättigung der Polymeradsorption ist
vorwiegend ladungsgetrieben. Dies belegen
Adsorptionsuntersuchungen mit Polymeren
unterschiedlicher Kationizität. Wenn die umladungsbedingte
Sättigung der Polymeradsorption
eine weitere Steigerung der
Festigkeit verhindert, könnte ein trockenverfestigendes
Polymer mit entgegengesetzter
(also anionischer) Ladung quantitativ
auf der kationischen Faser adsorbieren
und damit weitere Beiträge zur Verfestigung
liefern. Untersuchungen zeigten, dass dies
tatsächlich so funktioniert (Abb. 5).
Nach der Behandlung mit einem kationischen
Trockenverfestiger auf PVAm-Basis
(0,5 Prozent) wird ein anionisches PVAm
dosiert. Das Polymer zieht bis zu einer Dosis
von 0,7 Prozent quantitativ auf. Die Gesamtpolymerdosis
(kationisch und anionisch) beträgt
an diesem Punkt 1,2 Prozent. Das Zetapotential
fällt mit zunehmender Adsorption
des anionischen Polymers von dem anfänglich
positiven Ausgangswert auf deutlich
negative Werte zurück. Die zusätzliche
Retention des anionischen Polyvinylamins
an die Faser wird nur durch die Anwesenheit
eines kationischen Trägers oder Carriers
ermöglicht. Deshalb heißt diese Kombination
aus kationischen und anionischen Trockenverfestigern
„Carrier-System“.
Synergieeffekt beim Carrier-System
Prinzipiell ließe sich jedes kationische Polymer
nutzen, um damit den anionischen
Trockenverfestiger aufzuziehen (Abb. 6).
Polyamin, das nicht zu den Trockenverfestigern
zählt, bringt erwartungsgemäß
keinen nennenswerten Beitrag zur Festigkeitssteigerung.
In Kombination mit einem
anionischen Trockenverfestiger, hier anionisches
Polyvinylamin, ist eine verfestigende
Wirkung zu beobachten. Die Wirkung
dieser Kombination ist allerdings schwächer
als die des kationischen PVAm’s in
Alleinanwendung. Im Vergleich dazu bringt
die Kombination zweier Polyvinylamine
mehr als das doppelte der Alleinanwendung,
was auf eine Art Synergie der Kom-

plexbildung zwischen anionischem und
kationischem Produkt schließen lässt.
Praxistest bei
Smurfit Kappa Hoya Papier
Für Hoya Papier, ein Unternehmen der
Smurfit Kappa-Gruppe, hat sich der Einsatz
des Carrier-Systems der BASF gelohnt:
Die Festigkeit des Papiers ließ sich so
weit erhöhen, dass die Fahrweise der
Leimpresse von zweiseitig auf einseitig
umgestellt werden konnte. Damit konnte
das Unternehmen alle Vorteile der einseitigen
Fahrweise nutzen.
Bei Hoya Papier war schon Anfang der
1990er-Jahre durch Umstellung der
Leimpresse auf einseitige Fahrweise die
Produktivität erhöht worden. Doch im Lauf
der Jahre wurde es wegen der sinkenden
Qualität der Rohstoffe immer schwieriger,
die erforderlichen Festigkeitswerte zu
erreichen.
So musste wieder auf den zweiseitigen
Betrieb der Leimpresse umgestellt werden.
Hoya Papier suchte daher nach
Möglichkeiten, wieder zur einseitigen
Fahrweise der Leimpresse zurück
zukehren und dennoch die geforderten
SCT-Werte möglichst stabil und zuverlässig
zu erreichen.
Der Praxistest
Zunächst wurden einkomponentige synthetische
Trockenverfestiger getestet,
doch deren Wirksamkeit reichte nicht
immer aus, um die Festigkeitswerte stabil
und zuverlässig zu erreichen. Weil das
Carrier-System im Labor so gute Ergebnisse
gebracht hatte, wurde beschlossen,
es in der Praxis zu testen (Abb. 7).
Zunächst wird die kationische Komponente
Luredur ® PR 8095 (kationisches
PVAm) am Auslauf der Maschinenbütte
zugegeben und dann anschließend, kurz
vor der Stoffverdünnung, die anionische
Komponente Luredur ® PR 8276 X (anionisches
PVAm). Die Reihenfolge der Zugabe
und die jeweiligen Dosierorte wurden
in mehreren Einzelversuchen ermittelt.
Tatsächlich liegt der SCT-Wert bei Erreichen
der optimalen Dosierung des Carrier-
Systems trotz einseitiger Fahrweise der
Leimpresse innerhalb der geforderten
Grenzen. Die erhöhten Festigkeitsbeiträge
des in der Masse eingetragenen
synthetischen Trockenverfestigers gleichen
den Verlust des einseitigen Stärkeauftrags
aus. Auch über einen längeren
Zeitraum hat sich das System bewährt
(Abb. 8 und 9).
Besonderheiten beim Einsatz des
Carrier-Systems
Beim Einsatz des Carrier-Systems gibt es
einiges zu beachten. So stellt sich bereits
im ungetrockneten Zustand des Papiers
eine gewisse Nassfestigkeit ein, die bei
Abrissen zu Problemen in den Auflöse-
aggregaten führen kann. Diese Probleme
konnten durch die Feinabstimmung der
Kationizität des kationischen Produktes
zumindest vorläufig auf ein erträgliches
Maß reduziert werden. Bei Schwankungen
des Rohstoffeintrages und des Ladungs-
Abbildung 6.
Die Festigkeitssteigerung
durch Kombination
von kationischen
und anionischen Polymeren
funktioniert
bei Verwendung von
Polyvinylaminen ganz
besonders gut.
Ihre Kombination
bringt mehr als das
Doppelte der Alleinanwendung,
was auf
eine Art Synergieeffekt
schließen lässt.
Abbildung 7.
Dosierpunkte für
das Carrier-System
beim Praxistest
von Hoya Papier.
Abbildung 8.
Das Diagramm zeigt
die Umstellphase von
zweiseitiger auf einseitigeLeimpressenfahrweise
bei gleichzeitigem
Hochfahren
des Carrier-Systems.
Abbildung 9.
Die Grafik zeigt beispielhaft
die Möglichkeiten
des Carrier-
Systems für eine
bestimmte Kraftlinerqualität.
Das Carrier-
System befördert das
SCT-Niveau bei zweiseitigerLeimpressenfahrweise
ganz klar über
das geforderte untere
SCT-Limit. Bei einseitiger
Fahrweise wird das Soll-
Niveau der ursprünglichen
zweiseitigen Fahrweise
ohne Carrier-
System sicher und zuverlässig
erreicht.

Carrier-System bei
der Herstellung von
Wellpappenrohpapieren
Alle Vorteile auf
einen Blick
• Festigkeitswerte werden
auch bei einseitigem
Betrieb der Leimpresse
erreicht
• Dadurch 50-prozentige
Reduktion der Oberflächenstärke
und 40-prozentige
Reduktion des synthetischen
Leimungsmittels
• Produktionssteigerung
um 14 Prozent
• Stabiler Lauf der
Papiermaschine
• 100-prozentige Einsparung
von Retentionsmittel
und von kationischer
Massenstärke
• Geringerer Reinigungsaufwand
durch Fixierung
von Störstoffen
• Rückgang der Reklamationsraten
durch bessere
Verklebbarkeit in der
Wellpappenanlage
• Flexiblere Reaktionen
möglich auf schwankende
Altpapierqualitäten
Impressum
Herausgeber:
Regional Business Unit
Paper Industry Europe
Verantwortlich:
Dr. Thomas Wirth
Redaktionsteam:
Dr. Thomas Wirth
Harald Gschwendtberger
Susanne Ackermann
Konzept, Gestaltung, Layout:
Marion Merzbacher
haushaltes muss außerdem das Mengenverhältnis
zwischen beiden Einzelkomponenten
angepasst werden. Bei ungünstigen
Mengenverhältnissen kann es sonst
zu einem erhöhten Luftgehalt im Kreislaufwasser
sowie zu einer erhöhten
Neigung von Schaumbildung kommen.
Bei der Leimpressenleimung hat das
Carrier-System einen positiven Nebeneffekt:
Es verstärkt den Leimungseffekt,
so dass weniger synthetische Leimungsmittel
benötigt werden.
Wegen der Schwankungen im Ladungshaushalt
und deren Auswirkungen auf
das optimale Dosierverhältnis der beiden
Einzelkomponenten des Carrier-Systems
ist eine on-line-Ladungsmessung empfehlenswert.
Die Vorteile
Smurfit Kappa Hoya Papier sparte durch
den Einsatz des Carrier-Systems bei zwei
Papierqualitäten (Kraftliner und Fluting)
Kosten von einer Million Euro im Jahr.
Die SCT-Zielwerte werden erreicht. Das
BASF Carrier-System erhöht die Qualität
und die Produktivität bei der Herstellung
von Wellpappenrohpapieren signifikant.
Die geforderten Festigkeitswerte können
sicher und zuverlässig erreicht und gehalten
werden.
Wichtigster Vorteil ist der einseitige Betrieb
der Leimpresse, weil dieser mehrere positive
Effekte nach sich zieht: Die Maschine
läuft schneller und reibungsloser, dadurch
steigt die Produktivität um 14 Prozent.
Die Oberflächenstärke kann um 50 Prozent
reduziert werden. Der Verbrauch an
synthetischen Leimungsmitteln geht um
40 Prozent zurück. Es treten keine Reklamationen
wegen mangelnder Verklebbarkeit
in der Wellpappenanlage mehr auf.
Auf Massenstärke kann ganz verzichtet
werden, was den Energieverbrauch bei der
Trocknung senkt. Auch ein Retentionsmittel
ist nicht mehr nötig. Der Dampfverbrauch
geht zurück. Schwankungen in
der Störstofffracht lassen sich ausgleichen
durch eine Anpassung der Einsatzmengen
der kationischen Polymere.
Autoren:
O. Truppner, Smurfit Kappa Hoya Papier
A. Esser, M. Rübenacker,
N. Schall, R. Haffke,
BASF Aktiengesellschaft,
67056 Ludwigshafen;
Vortrag auf der 100. Zellcheming-
Hauptversammlung Wiesbaden, 2005
Single Face Corrugated