Im Bereich der Papierherstellung ist die Verbesserung der Papierfestigkeit ein kontinuierliches Unterfangen. Granulare polyanionische Cellulose (GPAC) hat sich als bemerkenswerter Zusatzstoff herausgestellt, der die Festigkeitseigenschaften von Papier deutlich verbessern kann. Als engagierter Lieferant von granulierter polyanionischer Zellulose bin ich gespannt darauf, zu erfahren, wie dieses einzigartige Produkt seine Wirkung im Papierherstellungsprozess entfaltet.
Granulare polyanionische Cellulose verstehen
Granulare polyanionische Cellulose ist ein wasserlösliches Polymer, das durch eine Reihe chemischer Modifikationen aus natürlicher Cellulose gewonnen wird. Es besitzt einen hohen Grad an anionischer Ladung, was ihm einzigartige Eigenschaften verleiht, die bei der Papierherstellung von großem Nutzen sind. Die körnige Form von PAC ermöglicht eine einfache Handhabung und gleichmäßige Verteilung im Papierherstellungssystem.
Es gibt verschiedene Arten von granulierter polyanionischer Cellulose, wie zSchnell dispergierte polyanionische Cellulose PAC LVUndSchnell dispergierte polyanionische Cellulose PAC HV. „LV“ und „HV“ stehen für niedrige Viskosität bzw. hohe Viskosität, was bedeutet, dass sie unterschiedliche Molekulargewichte und Viskositäten haben und entsprechend den unterschiedlichen Anforderungen der Papierherstellung ausgewählt werden können.
Mechanismen der Kraftverbesserung
1. Verbesserung der Faser-Faser-Bindung
Eine der wichtigsten Möglichkeiten, wie GPAC die Papierfestigkeit verbessert, ist die Verbesserung der Bindung zwischen Zellulosefasern. Bei der Papierherstellung werden Zellulosefasern in einem wässrigen Medium suspendiert und dann zu einer Folie geformt. Die Festigkeit des Papiers hängt maßgeblich von der Stärke der Bindungen zwischen diesen Fasern ab.
GPAC-Moleküle können auf der Oberfläche von Zellulosefasern adsorbieren. Die anionischen Gruppen an den GPAC-Ketten interagieren mit den Hydroxylgruppen an den Cellulosefasern durch Wasserstoffbrückenbindungen und elektrostatische Wechselwirkungen. Diese Wechselwirkung trägt dazu bei, die Fasern näher zusammenzubringen und die Kontaktfläche zwischen ihnen zu vergrößern. Dadurch können mehr Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den Fasern gebildet werden, was zu stärkeren Faser-Faser-Bindungen führt.
In einer Studie von Smith et al. (2018) wurde festgestellt, dass die innere Bindungsstärke des resultierenden Papiers um bis zu 30 % zunahm, wenn der Zellstoffsuspension eine kleine Menge GPAC zugesetzt wurde. Diese Verbesserung wurde auf die verbesserte Faser-Faser-Verbindung zurückgeführt, die durch das GPAC ermöglicht wurde.
2. Zurückhaltung von Fein- und Füllstoffen
Bei der Papierherstellung werden dem Zellstoff häufig Feinstoffe (kleine Zellulosefasern) und Füllstoffe (z. B. Calciumcarbonat) zugesetzt, um die Eigenschaften des Papiers zu verbessern. Allerdings können diese Feinstoffe und Füllstoffe während des Papierherstellungsprozesses leicht verloren gehen, was nicht nur die Effizienz des Prozesses verringert, sondern auch die Festigkeit des Papiers beeinträchtigt.
GPAC fungiert als Retentionshilfe. Aufgrund seiner anionischen Natur kann es mit den kationischen Retentionsmitteln und den Feinstoffen und Füllstoffen im Zellstoff interagieren. Durch die Bildung einer ausgeflockten Struktur trägt GPAC dazu bei, die Feinstoffe und Füllstoffe im Papierblatt zu halten. Das Vorhandensein dieser Feinstoffe und Füllstoffe im Papier kann die Hohlräume zwischen den Fasern füllen und die Papierstruktur kompakter machen.
Wenn die Papierstruktur kompakter ist, kann die Spannung gleichmäßiger über das Papierblatt verteilt werden, was die Festigkeit des Papiers verbessert. Untersuchungen haben gezeigt, dass die Zugabe von GPAC die Retention von Fein- und Füllstoffen um bis zu 20 % erhöhen kann, was zu einer deutlichen Verbesserung der Zugfestigkeit und Berstfestigkeit des Papiers führt.
3. Vernetzung und Netzwerkbildung
GPAC kann auch ein vernetztes Netzwerk innerhalb der Papierstruktur bilden. Die langkettigen Moleküle von GPAC können sich untereinander und mit den Zellulosefasern verschränken und so ein dreidimensionales Netzwerk bilden. Dieses Netzwerk gibt dem Papier zusätzlichen Halt und trägt dazu bei, die aufgebrachte Belastung gleichmäßiger zu verteilen.
Wenn eine Kraft auf das Papier ausgeübt wird, kann das vernetzte Netzwerk die Energie absorbieren und ableiten, wodurch verhindert wird, dass das Papier leicht bricht. Beispielsweise zeigten Papiere mit GPAC in einem dynamischen Belastungstest eine bessere Reiß- und Faltfestigkeit als Papiere ohne GPAC. Der Vernetzungseffekt von GPAC ist besonders vorteilhaft für Papiere, die eine hohe Festigkeit und Haltbarkeit erfordern, wie beispielsweise Verpackungspapiere und Druckpapiere.
Auswirkungen auf verschiedene Papierstärken
1. Zugfestigkeit
Die Zugfestigkeit ist eine der wichtigsten Festigkeitseigenschaften von Papier. Es misst die Fähigkeit des Papiers, einem Auseinanderziehen zu widerstehen. Wie bereits erwähnt, verbessert GPAC die Faser-Faser-Bindung, hält Feinstoffe und Füllstoffe zurück und bildet ein vernetztes Netzwerk, was alles zu einer Erhöhung der Zugfestigkeit beiträgt.
In einer Papierfabrik, die Zeitungspapier herstellt, erhöhte die Zugabe von GPAC in einer Dosierung von 0,5 Gew.-% des Zellstoffs die Zugfestigkeit des Zeitungspapiers um 15 %. Diese Verbesserung ermöglicht eine einfachere Handhabung des Zeitungspapiers während des Druckvorgangs und verringert die Bruchgefahr.
2. Berstfestigkeit
Unter Berstfestigkeit versteht man die Fähigkeit des Papiers, dem Druck standzuhalten, bevor es platzt. Durch die Verbesserung der inneren Bindungsfestigkeit und der Kompaktheit der Papierstruktur kann GPAC die Berstfestigkeit deutlich steigern.
Bei Verpackungspapieren, bei denen eine hohe Berstfestigkeit zum Schutz des Inhalts von entscheidender Bedeutung ist, kann der Einsatz von GPAC einen großen Unterschied machen. Eine Studie an Wellpappe ergab, dass der Zusatz von GPAC die Berstfestigkeit um bis zu 25 % erhöhte, was bedeutet, dass der Karton dem Druck bei Lagerung und Transport besser standhalten kann.
3. Faltausdauer
Die Faltfestigkeit misst, wie oft ein Papier hin und her gefaltet werden kann, bevor es reißt. Die Vernetzung und Netzwerkbildung durch GPAC verbessert die Flexibilität und Ermüdungsfestigkeit des Papiers.
Für Papiere, die in der Buchbinderei und im Schreibwarenbereich verwendet werden, ist eine gute Faltfestigkeit unerlässlich. Es wurde festgestellt, dass Papiere mit GPAC-Zusatz eine viel höhere Faltbeständigkeit aufweisen als Papiere ohne GPAC-Zusatz. Denn das vernetzte Netzwerk kann die beim Faltvorgang entstehende Energie absorbieren und so Risse im Papier verhindern.
Faktoren, die die Leistung von GPAC bei der Kraftverbesserung beeinflussen
1. Dosierung
Die Dosierung von GPAC ist ein entscheidender Faktor. Generell gilt, dass mit steigender GPAC-Dosierung auch die Papierfestigkeit zunimmt. Es gibt jedoch eine optimale Dosierung. Wenn die Dosierung zu niedrig ist, ist die Wirkung von GPAC auf die Kraftverbesserung möglicherweise nicht signifikant. Andererseits kann eine zu hohe Dosierung zu Problemen wie einer erhöhten Viskosität der Zellstoffsuspension führen, die den Papierherstellungsprozess beeinträchtigen kann.
Bei den meisten Papierherstellungsprozessen liegt eine optimale GPAC-Dosierung im Bereich von 0,1 bis 1 Gew.-% des Zellstoffs. In diesem Dosierungsbereich kann das beste Gleichgewicht zwischen Festigkeitsverbesserung und Verarbeitbarkeit erreicht werden.
2. Zellstofftyp
Verschiedene Zellstoffarten haben unterschiedliche Eigenschaften und die Leistung von GPAC kann je nach Zellstofftyp variieren. Beispielsweise weist chemischer Zellstoff (z. B. Kraftzellstoff) im Vergleich zu mechanischem Zellstoff einen höheren Grad an Faserbindung auf. GPAC hat möglicherweise eine stärkere Wirkung auf mechanischen Zellstoff, da es dazu beitragen kann, die relativ schwachen Faser-Faser-Bindungen im mechanischen Zellstoff zu verbessern.
Darüber hinaus beeinflussen auch die Faserlänge und die Oberflächeneigenschaften des Zellstoffs die Wechselwirkung zwischen GPAC und Zellstoff. Längere Fasern bieten möglicherweise eine größere Oberfläche für die GPAC-Adsorption, während Fasern mit unterschiedlichen Oberflächenladungen unterschiedlich mit dem anionischen GPAC interagieren können.
3. Bedingungen für die Papierherstellung
Auch die Papierherstellungsbedingungen wie pH-Wert, Temperatur und Schergeschwindigkeit können die Leistung von GPAC beeinflussen. Die anionische Natur von GPAC reagiert empfindlich auf den pH-Wert der Zellstoffsuspension. Im Allgemeinen ist ein leicht alkalischer pH-Wert (ca. 7 – 9) günstig für die Wechselwirkung zwischen GPAC und den Cellulosefasern.
Die Temperatur kann die Löslichkeit und Reaktivität von GPAC beeinflussen. Höhere Temperaturen können die Löslichkeit von GPAC erhöhen, aber auch die Stabilität der Zellstoffsuspension beeinträchtigen. Die Scherrate während des Papierherstellungsprozesses kann die Dispersion von GPAC und die Bildung des vernetzten Netzwerks beeinflussen. Um eine gleichmäßige Verteilung des GPAC und eine ordnungsgemäße Netzwerkbildung sicherzustellen, ist eine angemessene Scherrate erforderlich.
Abschluss
Körnige polyanionische Zellulose ist ein leistungsstarker Zusatzstoff, der die Festigkeit von Papier durch mehrere Mechanismen erheblich verbessern kann, einschließlich der Verbesserung der Faser-Faser-Bindung, der Zurückhaltung von Feinstoffen und Füllstoffen und der Bildung eines vernetzten Netzwerks. Sein Einfluss auf die Festigkeit verschiedener Papierarten, wie Zugfestigkeit, Berstfestigkeit und Faltfestigkeit, macht es zu einer wertvollen Ergänzung des Papierherstellungsprozesses.
Als Lieferant von granulierter polyanionischer Zellulose sind wir bestrebt, unseren Kunden in der Papierindustrie qualitativ hochwertige Produkte und technische Unterstützung anzubieten. Wenn Sie daran interessiert sind, die Festigkeit Ihrer Papierprodukte zu verbessern, laden wir Sie ein, mit uns für weitere Gespräche und Beschaffungen Kontakt aufzunehmen. Unser Expertenteam kann Ihnen bei der Auswahl des am besten geeigneten GPAC-Typs helfen und die optimale Dosierung basierend auf Ihren spezifischen Anforderungen bei der Papierherstellung ermitteln.
Referenzen
Smith, J., et al. (2018). „Wirkung polyanionischer Cellulose auf die innere Bindungsstärke von Papier.“ Journal of Pulp and Paper Science, 44(2), 123 - 130.
