DE102009047169A1

DE102009047169A1 - Verfahren zur Herstellung von Papiermaterial durch plastische Verformung bei hohen Stoffdichten

Info

Publication number: DE102009047169A1
Application number: DE200910047169
Authority: DE
Inventors: Detlef Rhodius
Original assignee: Papierfabrik Schoellershammer Heinr Aug Schoeller Soehne & Co KG GmbH; Papierfabrik Schoellershammer Heinr Aug Schoeller Sohne & Co KG GmbH; SCHOELLERSHAMMER PAPIERFAB
Current assignee: Papierfabrik Schoellershammer Heinr Aug Schoeller Soehne & Co KG GmbH; Papierfabrik Schoellershammer Heinr Aug Schoeller Sohne & Co KG GmbH; SCHOELLERSHAMMER PAPIERFAB
Priority date: 2009-11-26
Filing date: 2009-11-26
Publication date: 2011-06-01

Abstract

Beschrieben wird ein Verfahren zur Herstellung eines Papiermaterials, das einen Schritt des Herstellens einer formbaren Zusammensetzung, die Wasser, Fasermaterial und Funktionsstoffe umfasst, ein Ausformen der formbaren Zusammensetzung zu einem Papiermaterial und ein Trocknen des ausgeformten Papiermaterials umfasst, wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass als Fasermaterial Fasermaterial mit einem Mahlgrad von mindestens 80° SR verwendet wird und dass die formbare Zusammensetzung ohne vorherige oder gleichzeitige Entfernung von Wasser aus der formbaren Zusammensetzung zu einem Papiermaterial ausgeformt wird.

Description

Die heute übliche Art der Papierherstellung basiert auf der Bildung eines Fasergefüges (”Blatt”) im Rahmen eines Nassverfahrens auf einer Papiermaschine unter Verwendung von niedrigen Stoffdichten von maximal 1 bis 2% auf einem Papiermaschinensieb. Die Zellulosefaser wird dabei sehr stark mit Wasser verdünnt (z. B. 1 Teil Faser auf 99 Teile Wasser) und die erhaltene Fasersuspension gegebenenfalls unter Zugabe von weiteren Komponenten (z. B. Füllstoffen) zum Stoffauflauf der Papiermaschine transportiert. Anschließend wird das Wasser der Papierbahn in Pressen sowie mittels Kontakttrocknung so lange entzogen, bis das Papier trocken ist.
Dieses Verfahren hat Vor- und Nachteile:
Der Vorteil liegt beispielsweise in einer sehr gleichmäßigen Faserverteilung. Dies wird vor allem bei niedrigen Flächengewichten deutlich. Der Nachteil liegt im hohen Aufwand an Energie, welche zur Entfernung des Wassers benötigt wird. Ferner ist es bei hohen Füllstoffgehalten schwierig, Füllstoffe und andere Komponenten, die üblicherweise dem Stoffauflauf zugegeben werden, im Blatt zurückzuhalten.
Nachteil bei dem heute eingesetzten Nassverfahren ist ferner, dass bei der üblichen Zusammensetzung der im Papier vorhandenen Komponenten und bei Stoffdichten von mehr als 2% eine plastische Verformung der Stoffmasse nur unter großem Aufwand möglich ist, da sich eine Suspension aus Faser, Wasser und anderen Komponenten, wie beispielsweise Füllstoffen, nicht zerstörungsfrei verformen lässt, sofern das Wasser nicht zuvor abgeführt wird: Der Papiermacher hierbei spricht von einem ”Verdrücken” bei der Bahn. Dies bedeutet, dass die Papierbahn, wird sie z. B. durch einen wasserundurchlässigen Presswalzenspalt geführt, sich in die Komponenten fest und flüssig zerlegt. Ursache für diesen Prozess ist der hydraulische Druck des Wassers beim Verpressen. Dabei zerstört das inkompressible Wasser die Papierbahn. Eine zerstörungsfreie Entwässerung wird erst möglich, wenn dem Wasser die Möglichkeit gegeben wird, abzufließen. Dies verkompliziert natürlich den Prozess der Blattbildung.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, diesen Nachteilen der bisherigen Technik zu begegnen. Es soll – insbesondere für Papiere mit höherem Flächengewicht sowie mit hohen Füllstoffgehalten – ein neuer und effizienterer Weg der Papierherstellung bereitgestellt werden.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zur Herstellung eines Papiermaterials mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Demnach wird ein Verfahren zur Herstellung eines Papiermaterials bereitgestellt, das einen Schritt des Herstellens einer formbaren Zusammensetzung, die Wasser, Fasermaterial und Funktionsstoffe umfasst, ein Ausformen der formbaren Zusammensetzung zu einer Papiermaterial und ein Trocknen des ausgeformten Papiermaterials umfasst, wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass als Fasermaterial Fasermaterial mit einem Mahlgrad von mindestens 80° SR verwendet wird und dass die formbare Zusammensetzung ohne vorherige oder gleichzeitige Entfernung von Wasser aus der formbaren Zusammensetzung zu einem Papiermaterial ausgeformt wird.
Gegenstand eines weiteren Aspekts der vorliegenden Erfindung ist ein Papiermaterial, das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erhältlich ist.
Gegenstand eines weiteren Aspekts der vorliegenden Erfindung ist die Verwendung eines derartigen Papiermaterials als Funktionspapier.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Papiermaterials umfasst in einem ersten Schritt das Herstellen einer formbaren Zusammensetzung, die ein Gemisch aus Wasser, Fasermaterial, Funktionsstoffen und anderen Papierhilfsmittel umfasst.
Die erfindungsgemäß hergestellte formbare Zusammensetzung weist dabei günstigerweise eine Stoffdichte von 5 bis 25%, vorteilhafterweise 10 bis 25%, noch weiter bevorzugt 10 bis 20% Feststoffe, bezogen auf das Gewicht der formbaren Zusammensetzung (d. h. Feststoffe und Wasser), auf. Bei den in der formbaren Zusammensetzung enthaltenen Feststoffen handelt es sich üblicherweise um eine Mischung aus Fasermaterial, Funktionsstoffen und anderen Hilfsstoffen.
Als Fasermaterial wird hierbei erfindungsgemäß Fasermaterial mit einem hohen Mahlgrad eingesetzt. Erfindungsgemäß wurde festgestellt, dass bei Mahlgraden von 75 bis 80° SR die Papiermasse aus Wasser und Fasermaterial einen ”puddingartigen” Charakter bekommt, welchen der Papiermacher als ”schmierig” bezeichnet. Setzt man die Mahlung noch weiter fort, so kommt man zu einem ”homogenisierten” Rohstoff, welcher sich auch bei hohen Stoffdichten (z. B. 10 oder 20%) plastisch verformen lässt, ohne dass es zur Zerstörung der gebildeten Form kommt. In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Fasermaterial einen Mahlgrad von 80 bis 100° SR, bevorzugt 90 bis 95° SR auf.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird als Fasermaterial ein Fasermaterial mit einer Faserlänge von 0,1 bis 15 mm, vorzugsweise 0,3 bis 3 mm verwendet. Erfindungsgemäß kann es sich um ein einheitliches Fasermaterial oder um ein Fasergemisch beispielsweise aus Zellstoff, Kraftzellstoff, α-Zellulose, Sulfitzellulose, Baumwolle, Hanf, Lumpen, Esparto Stroh, Hadern, Bagasse, vorzugsweise Langfaser-Sulfatzellstoff, handeln. Die Stoffdichte dieser Fasermaterialien in der formbaren Zusammensetzung liegt üblicherweise in einem Bereich von 3 bis 10%, vorzugsweise 3 bis 6%, bezogen auf das Gewicht der formbaren Zusammensetzung.
Die der formbaren Zusammensetzung zugegebenen Funktionsstoffe umfassen üblicherweise Füllstoffe und andere als Füllmaterialien verwendbare Stoffe.
Die erfindungsgemäß einsetzbaren Füllstoffe umfassen beispielsweise Kreide, Kaolin, Talkum, Magnesia, Dolomit, Glimmer, Tone, Carbide, Nitride, Oxide, Boride und/oder Zeolithe nennen. Besonders geeignet sind hierbei insbesondere Füllstoffe wie Al2O3, ZrO2, SiC, Si3N4, TiO2, B4C, TiC, TiB2 sowie Mischungen derselben und/oder Gläser wie Alumosilikate. Darüber hinaus können als Funktionsstoffe gemäß der vorliegenden Erfindung synthetische organische Faserstoffe, wie Polyamide, Polytetrafluorethylen, Kondensationsprodukte von Dimethylterephthalaten mit Ethylenglykol, Polyacrylnitril, Copolymere von Acrylnitril und Vinylchlorid, Vinylchlorid, Polyvinylchlorid, Zelluloseester, regenerierte Zellulose, einschließlich Mineralfasern natürlicher oder synthetischer Herkunft z. B. aus Glas, Quarz, Aluminiumsilikat, wie Mullitfasern, Aluminiumoxidfasern, Stahl oder Asbest verwendet werden, Ferner können Füllmaterialien wie beispielsweise Keramikpulver, Eisenpulver oder Aktivkohle in großen Mengen zugegeben werden. Diese Füllstoffe werden der formbaren Zusammensetzung üblicherweise in einer Menge von 30 bis 90%, vorzugsweise 60 bis 80%, insbesondere 70 bis 80%, bezogen auf das Gewicht der in der formbaren Zusammensetzung enthaltenen Feststoffe, zugegeben.
Ferner kann die formbare Zusammensetzung weitere Papierhilfsmittel, wie Retentionsmittel, Dispergiermittel, hydrophobierende Mittel, Antischaummittel, Färbemittel, optische Aufheller, Gleitmittel und andere Hilfsstoffe, umfassen.
Durch Zugabe von Papierhilfsmitteln, welche eine Affinität zum Fasermaterial, beispielsweise der Zellulosefaser, haben, lässt sich beispielsweise der homogene Charakter der formbaren Zusammensetzung verbessern. Als solche Hilfsmittel lassen sich beispielsweise Stärke, CMC, Gelatine oder Latex nennen. Diese Papierhilfsmittel werden der Mischung in Mengen von 5 bis 40%, vorzugsweise 5 bis 15%, bezogen auf das Gewicht der in der formbaren Zusammensetzung enthaltenen Feststoffe, zugegeben.
Das erfindungsgemäße Verfahren bietet besondere Vorteile bei der Herstellung von Papiermaterialien mit einem hohen Füllstoffgehalt. So enthalten zum Beispiel ”Funktionspapiere” bis zu 80%, beispielsweise 60 bis 80%, vorzugsweise 70 bis 80% (bezogen auf das Papiergewicht) Füllstoffe, beispielsweise die oben genannten. Hier bietet eine Blattbildung bzw. Formgebung bei 10 bis 20% Stoffdichte natürlich den Vorteil, dass die in die formbare Zusammensetzung eingebrachten Funktionsstoffe vollständig im Blatt erhalten bleiben. Dagegen geht bei der konventionellen Papierherstellung ein Teil dieser teuren Zusatzstoffe durch die Maschen des Papiermaschinensiebes verloren. Ferner bindet beim erfindungsgemäßen Verfahren das hoch gemahlene Fasermaterial die Funktionsstoffe auch besser ein, als dies bei ”normalen” Mahlgraden der Fall ist. Durch die Mahlung entsteht nämlich ein sehr feines Gefüge aus kleinen Faserverästelungen (Fibrillen).
Erfindungsgemäß werden in einem ersten Schritt vorzugsweise formbare Zusammensetzungen hergestellt, die ein Gemisch aus Wasser, Fasermaterial und Füllstoff sowie gegebenenfalls andere Papierhilfsmittel umfassen. Hierzu wird das Fasermaterial, beispielsweise hoch gemahlene Zellulose mit einem Mahlgrad von mindestens 80° SR bei etwa 3 bis 6% Feststoffgehalt in Wasser mit den gewünschten Funktionsstoffen bei etwa 500 bis 1500 U/min., vorzugsweise 800 bis 1200 U/min. verrührt. Die Füllstoffe werden dabei als trockenes Pulver zugegeben, deren Partikelgröße üblicherweise bei 5 bis 100 μm, vorzugsweise bei 20 bis 50 μm liegt. Durch Vermischen der großen Menge an trockenen Füllstoffen mit der Zellulose entsteht je nach Mischungsverhältnis eine hohe Stoffdichte von 10 bis 25%. Diese Suspension hat einen puddingartigen Charakter, das in ihr enthaltene Wasser trennt sich von den Feststoffen nicht mehr ab.
In einem zweiten Schritt umfasst das erfindungsgemäße Verfahren ein Ausformen (plastisches Formen) der in Schritt 1 hergestellten formbaren Zusammensetzung in einer beliebigen auf dem einschlägigen Fachgebiet bekannten Weise. Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass die formbare Zusammensetzung ohne vorherige oder gleichzeitige Entfernung von Wasser aus der formbaren Zusammensetzung zu einem Papiermaterial ausgeformt wird. Im Gegensatz dazu wird in einem Verfahren des Standes der Technik auf einer Papiermaschine üblicherweise aus dem Stoffauflauf vor dem Ausformen eines Papiermaterials Wasser mittels Siebentwässerung entfernt.
Die Formgebung der formbaren Zusammensetzung aus beispielsweise Fasermaterial, Füllstoff, Papierhilfsmittel und Wasser kann unter Verwendung von auf dem Gebiet der Kunststoffindustrie bekannten Verfahren erfolgen. So kann eine ”Blattbildung” beispielsweise unter Verwendung eines Walzwerks oder mithilfe eines Extruders oder einer anderen Art von Spritzgussverfahren durchgeführt werden. In jedem Fall lässt sich eine plastische Verformung des homogenisierten Rohstoffes bei hoher Stoffdichte erreichen. Der Einsatz des aufwändigen und energieintensiven ”Nassteiles” der Papiermaschine (Stoffauflauf und Langsieb) entfällt, der Prozess der ”Formgebung” wird drastisch vereinfacht.
In einem weiteren Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das ausgeformte Papiermaterial einem Trocknungsschritt unterzogen. Einem Fachmann auf dem einschlägigen Fachgebiet ist bekannt, dass das Trocknungsverfahren von der jeweiligen Form des Papiermaterials abhängig ist. Bei flächigen Formen (”Papier”) ist der Einsatz aller heute üblichen Technologien möglich (Pressen, Kontakttrocknung, Konvektionstrocknung). Bei Formteilen wird typischerweise eine Konvektionstrocknung durchgeführt.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist das erfindungsgemäß hergestellte Papiermaterial ein Flächengewicht von 200 bis 2000 g/m², beispielsweise 400 bis 1200 g/m², auf.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird die Herstellung von so genannten ”Funktionspapieren” erleichtert. Dies sind Papiere, welche ihre Funktion vor allem durch ihren Füllstoffgehalt erhalten. Die Zellulosefaser hat dabei lediglich die Aufgabe, das Blatt zusammenzuhalten. Beispielsweise kann als Funktionsstoff Keramikpulver oder Eisenpulver in hoher Konzentration (beispielsweise 70 bis 80%, bezogen auf das Papiergewicht) zugegeben werden. Ein derartiges Blatt hat ein Flächengewicht von 200 bis 2000 g/m². Dieses Papier wird mit den klassischen Mitteln der Papierverarbeitung verformt (beispielsweise zu Wellpappe). Anschließend kann es in einer Hochtemperaturbehandlung versintert werden, wobei die Zellulosefaser verbrennt. Das Endprodukt ist also porös und hat somit Leichtbaueigenschaften. Die Mikrostruktur des Endprodukts kann dabei über das Fasermaterial und damit nach entsprechender Pyrolyse die zurückbleibenden Hohlräume, den Füllstoffgehalt, die Partikelgrößeverteilung des Füllstoffs, den Verdichtungsgrad oder die Art bzw. den Anteil weiterer Additive, wie beispielsweise lange und kurze Keramikfasern, Fasergewebe, Platelets, Whisker und/oder organische Fasern des Papiers in einem weiten Bereich eingestellt werden.
Durch die entsprechende thermische Behandlung lassen sich komplex geformte dreidimensionale Keramikstrukturen herstellen, die beispielsweise bei der Gastrennung bzw. Flüssigfiltration oder als Konstruktionskeramiken eingesetzt werden können.
Ein anderes Produkt ist ein mit Aktivkohle hoch angereichertes Papiermaterial (beispielsweise 70 bis 80%, bezogen auf das Papiergewicht), welches z. B. zum Atemschutz eingesetzt werden kann. Ferner kann durch Einsatz geeigneter Füllstoffe die Absorption elektromagnetischer Strahlen erreicht werden.
Sämtliche oben aufgeführten Produkte haben einen hohen Gehalt an extrem kostspieligen Füllstoffen. Da es bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zu keinerlei Verlust der Füllstoffe kommt, ist der Einsatz dieses Verfahrens bei Funktionspapieren vorteilhaft. Ferner ist die Festigkeit des Papierblattes bei Füllstoffgehalten von 70% nur noch sehr gering. Dies verkompliziert die traditionelle Papierherstellung, insbesondere aufgrund der geringen Nassfestigkeit im Nassteil. Auch hier vereinfacht der hohe Eingangstrockengehalt des neuen Verfahrens den Papierherstellungsprozess.
Ferner wird bei der traditionellen Papierherstellung auch die Instandhaltung von Pumpen und Rohrleitungen zum Problem, sofern hohe Füllstoffgehalte mit abrasivem Charakter gefördert werden müssen. Auch dieses Problem wird in dem erfindungsgemäßen Verfahren umgangen, da kein ”Nassteil” benötigt wird.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Papiermaterials, das einen Schritt des Herstellens einer formbaren Zusammensetzung, die Wasser, Fasermaterial und Funktionsstoffe umfasst, ein Ausformen der formbaren Zusammensetzung zu einer Papiermaterial und ein Trocknen des ausgeformten Papiermaterials umfasst, wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass als Fasermaterial Fasermaterial mit einem Mahlgrad von mindestens 80° SR verwendet wird und dass die formbare Zusammensetzung ohne vorherige oder gleichzeitige Entfernung von Wasser aus der formbaren Zusammensetzung zu einem Papiermaterial ausgeformt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei es sich bei dem Fasermaterial um Zellstoff oder Baumwolle mit einem hohen Mahlgrad von mindestens 80° SR handelt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die formbare Zusammensetzung eine Stoffdichte von 10 bis 20% Feststoffe aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Papiermaterial 60 bis 80% Füllstoffe, bezogen auf das Papiergewicht, enthält.
Papiermaterial, das nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4 erhältlich ist, in Form eines Blatts.
Verwendung eines Papiermaterials gemäß Anspruch 5 als Funktionspapier.