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Ressourcenschonung durch Leimungsoptimierung bei der Herstellung von Papier und Karton

Prof. Dr. Stephan Kleemann
Fakultät für Versorgungs- und Gebäudetechnik, Verfahrenstechnik Papier und Verpackung, Druck- und Medientechnik


Ausgangssituation/Problemstellung:
Die Anforderungen an Papier steigen stetig an. Immer schneller laufende Weiterverarbeitungsmaschinen mit kleiner werdenden Toleranzen sowie steigende Ansprüche der Verbraucher lassen Schwankungen während des Papierherstellungsprozesses und der Verarbeitung kaum noch zu. Daher müssen in einer großtechnischen Anlage alle Prozessschritte möglichst schnell, optimal, verlustfrei und effizient ablaufen, um dadurch einen stabilen Maschinenlauf garantieren zu können. Einer der wichtigsten Prozessschritte bei vielen Papiersorten, wie Kopier-, Massendruck- oder Schreibpapier, ist die Leimung. Auch beim Streichen von Papier, im Verpackungsbereich und bei einigen Spezialpapieren spielt die Leimung für Fragen der Verarbeitung, Bedruckbarkeit und der Hydrophobierung eine große Rolle. Da sie sehr kostenintensiv ist, muss sie möglichst reproduzierbar, schwankungsfrei und dauerhaft verlaufen.


Die heute weltweit am häufigsten eingesetzten Leimungschemikalien sind, neben Harzleim bei saurer Fahrweise sowie Polymerleimungsmittel für den Oberflächenauftrag, die Reaktivleimungsmittel AKD (Alkylketendimer) und ASA (Alkenylbernsteinsäureanhydrid) bei neutraler Fahrweise. Die Prinzipien der Entfaltung ihrer Leimungswirkung beruhen auf einer Mo-dellvorstellung, nach der sich kovalente Bindungen mit den OH-Gruppen der Cellulose ausbilden. Dabei stellt der Blattverbund von Cellulosefasern vor der Leimung ein hochporöses und hydrophiles Netzwerk dar, welches durch eine hohe Zahl an OH-Gruppen Wasser sehr schnell aufsaugen kann. Das Resultat bei Wasserkontakt ist eine unerwünschte Faserquel-lung und ein damit einhergehender Festigkeits- und Strukturverlust. Um dieses physikalisch-chemische Phänomen zu vermeiden, müssen Oberfläche und Poren des Netzwerks hydrophobiert werden. Leimungsmittel bewirken eine Oberflächen- und Tiefenhydrophobierung des Fasernetzwerks. Dadurch kann Wasser nicht bzw. nur sehr langsam, in das feinporige Blattgefüge eindringen. So ist eine höhere Resistenz gegen Quellung und den einhergehenden Festigkeits- und Strukturverlust gegeben.


Forschungsziel:
Mit den im Projekt gewonnenen Kenntnissen über die Leimungsmechanismen der beiden größten Neutralleimungsmittel AKD und ASA soll deren großindustrieller Verbrauch drastisch reduziert werden. Im Rahmen des Projektes soll zum einen untersucht werden, warum teilweise über 80% der eingesetzten Leimungsmittelmengen nicht zum gewünschten hydrophobierenden Effekt beitragen und zum anderen soll daraus abgeleitet werden, wie durch Aktivierung der verwendeten Chemikalien deren Verbrauch deutlich reduziert werden kann. Angestrebt sind Reduzierungen von über 50%.


Bisherige Ergebnisse:
Bisher durchgeführte weitläufige Versuche im Bereich der Wechselwirkungen mit Prozessparametern und Prozessadditiven, sowie die Entwicklung einer neuen Lokalisationsmethode für ASA im Blattverbund, haben gezeigt, dass die Papierleimung erheblich äußeren Einflüssen unterliegt. Diese sind in der Lage das Ergebnis der Leimung mit bis zu Faktor drei positiv, wie auch negativ zu beeinflussen. Speziell fallen unter die Gruppe der stark wechselwirkenden Faktoren der pH-Wert, die Emulgierparameter, sowie die die Leimungsmittel-Fixierung. Weitere Versuche sollen ergeben, wie diese Faktoren kanalisiert werden können, um lediglich die positiv beeinflussenden Wechselwirkungen zu nutzen.


Anwendungen/Wirtschaftliche Bedeutung:
ASA (Alkenylbernsteinsäureanhydrid) und AKD (Alkylketendimer) machen heute gemeinsam gut zwei Drittel des weltweiten Verbrauchs der Leimungsmittel bezogen auf Papier und Karton aus. Zu Ihrer Anwendung als kostengünstige Leimungsmittel in Gegenwart von CaCO3 und Altpapier gibt es keine großindustrielle Alternative.


Das Forschungsprojekt wurde vom 01.04.2013 bis 31.12.2015 durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie gefördert.