Entwicklung von Trägersystemen aus Naturfasern für den ... · ARBOCEL als Additive bei der...

DBU-Abschlussbericht Projektphase II

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J. Rettenmaier + Söhne GmbH + Co KG 17.09.2012

Entwicklung von Trägersystemen aus Naturfasern für den

materialeffizienten Einsatz flüssiger oder feinteiliger Additive für

industrielle Anwendungen

Projektphase 2

Abschlussbericht

Deutsche Bundesstiftung Umwelt

Aktenzeichen: 26690

von

Dr. Hans-Georg Brendle

J. Rettenmaier & Söhne GmbH + Co KG, D-73494 Rosenberg

Juli 2012


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Dieser Bericht ist über die J. Rettenmaier & Söhne GmbH + Co. KG erhältlich.


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Inhaltsverzeichnis:

1. Verzeichnis von Bildern, Zeichnungen, Grafiken und Tabellen 3

2. Verzeichnis von Begriffen, Abkürzungen und Definitionen 4

3. Zusammenfassung 5

4. Einleitung 6

5. Hauptteil 10

5.1. Arbeitspaket 1

Konzeption und Durchführung von Pilotversuchen 10

5.1.1 Erarbeitung und Dokumentation der verfahrenstechnischen

Parametereinstellungen der großtechnischen Anlage 11

5.1.1.1 Optimierung Stoffzugabe und Stoffführung von FC-Chemikalie und

Cellulose 12

5.1.1.2 Ermittlung und Einstellung der notwendigen Temperaturführung und

Scherkraft in den jeweiligen Anlagenteilen. Optimierung der Material und

Reaktionstemperaturen 13

5.1.1.3 Einstellung der optimalen Durchsatzmenge der Stoffströme. Prüfung der

zeitabhängigen Reaktionsvermahlungen 13

5.1.2 Prüfung weiterer FC-Chemikalien auf Sensibilität des Upscalings

vom Laborversuch zur großtechnischen Umsetzung 14

5.1.3 Prüfung der papiertechnologischen Eigenschaften im Labor 17

5.2. Arbeitspaket 2

Durchführung von Versuchen bei Fa. Grünewald 24

5.2.1 Vorbereitung zur Durchführung der Versuche 25

5.2.1.1 Probeweiser Aufbau und Inbetriebnahme Dispergieranlage 26

5.2.1.2 Steuerung der Dispergieranlage, Optimierung der Dispergierung 29

5.2.2 Produktionsversuche bei Fa. Grünewald 29

5.2.3 Beurteilung der Qualitäten der im Betriebsversuch hergestellten Papiere 31

6. Fazit und Ausblick ……………………………………………………………………….. 32


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1. Verzeichnis von Bildern, Zeichnungen, Grafiken und Tabellen

Nr. Art Unter- bzw. Überschrift Seite

1 Bild Konventionelle Papieradditive 8

2 Bild Faser-basierte Papieradditive ARBOCEL plus 8

3 Bild Fließschema Produktions- und Versuchsanlage 10

4 Bild Solvera PFPE-Chemie 15

5 Bild Solvera PFPEs versus F-Telomere 16

6 Bild RFA-Aufnahme von BWW 40-50 FC 18

7 Bild REM-Aufnahme von BWW 40-50 FC 18

8 Bild Produktdatenblatt von ARBOCEL plus BWW 40-50 FC 20

9 Tabelle Zusammenfassung der Ergebnisse möglicher Störfaktoren auf die

oleophobe Funktion unter Zusatz von 5 % unserer Compounds im

Laborblatt mit Grammatur 70 gsm

22

10 Tabelle Ermittlung Einflussgrößen der Grünewald Chemikalien 25

11 Tabelle Liste der im Betriebsversuch bei Grünewald hergestellten Papiere 31

12 Tabelle Werte Kit und Cobb60 der im Betriebsversuch bei Grünewald

hergestellten Papiere

31

13 Bild Retention 32

14 Tabelle Ökonomischer und ökologischer Vergleich FC-Chemikalien

flüssig versus ARBOCEL plus BWW 40-50 FC

34

15 Tabelle Ökonomischer und ökologischer Vergleich der nachträglichen PE-

Folienextrusion versus Einsatz ARBOCEL plus BWW 40-50 FC

35


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2. Verzeichnis von Begriffen und Definitionen

AKD

Leimungsmittel Alkylketendimer-Wachs, für Hydrophobie

ASA Leimungsmittel Alkylbernsteinsäureanhydrid (flüssig), für Hydrophobie

FC Fluorkohlenwasserstoff-Additiv für Fettdichte Papiere

PFOA Perfluoroctansäure, ein persistentes polares Perfluortensid

PFOS Perfluoroctansulfonat, Anion des Salzes der Perfluoroctansulfonsäure

PE Polyethylen, PE für Folienextrusion

Kit-Wert Messzahl für die Leimungsgüte fettdichter Papiere [dimensionslos]

Cobb-Wert Messzahl für die Leimungsgüte wasserdichter Papiere [gsm]

gsm Grammatur, Flächengewicht von Papier [g/m²]

RFA Röntgenfluoreszenz, Röntgenfluoreszenz-Spektroskopie

IR Infrarot, Infrarot-Spektroskopie

AP AP-Papiere sind Papiersorten, die überwiegend aus Altpapier hergestellt

wurden

http://de.wikipedia.org/w/index.php?title=AP-Papier&action=edit&redlink=1


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3. Zusammenfassung

Ziel der Projektphasen I und II war die Entwicklung von Trägersystemen aus cellulosischen

Fasern für flüssige und feinteilige FC-Chemikalien als Zwischenprodukte für die

weiterverarbeitende Papierindustrie zur Herstellung oleophober Papiere. Dazu wurden die

bisher im Labormaßstab durchgeführten und erfolgsversprechenden Entwicklungsarbeiten

zur Oleophobierung von Papieren aus Projektphase I in einer weiterführenden Projektphase

II auf den Pilot- bzw. großtechnischen Maßstab übertragen. Die so dargestellten Produkte

wurden unter Praxisbedingungen in enger Kooperation mit einem Industriepartner und

potentiellen Anwender aus dem Bereich der Papierindustrie auf ihre Eignung geprüft.

Basierend auf den positiven Ergebnissen der Laborarbeiten wurde im ersten Arbeitspaket der

Projektphase II im Hause JRS ein Scale-Up der Herstellung der cellulosischen

Trägersysteme in den Pilotmaßstab ausgearbeitet. Hier galt es, im großtechnischen Maßstab

die im Labormaßstab erreichten Qualitäten mit Hilfe von geeigneten Produktionsanlagen

nachzustellen. Erste Versuche auf der ausgesuchten Produktionsanlage zeigten, dass mit

der bestehenden Verfahrenstechnik und den eingestellten Produktionsprozessparametern

kein befriedigendes Ergebnis erreicht werden konnte. Die damit produzierten

Compoundqualitäten konnten die hohe Funktionalität der Labormuster hinsichtlich

Oleophobie nicht bestätigen. Bei der Produktionsanlage handelte es sich um ein

kontinuierliches Produktionsverfahren. Der Vorteil war die Möglichkeit der Compound-

Herstellung in entsprechend notwendig großen Mengen. Der Nachteil war die geringe

Verweilzeit der „Reaktionspartner“ in der Anlage. Um eine notwendige Homogenität bei der

Fasermodifikation von Cellulose mit Fluorcarbonchemikalie zu garantieren, mussten

verfahrenstechnische Stoffzugaben und Stoffführungen grundlegend geändert werden.

Vorversuche mit mobilen Beimischern und gesteuerten Einspritzdüsen unterschiedlicher

Arten und Größen führten zu ersten positiven Ergebnissen. Neben der Einstellung der

geeigneten Leitungssysteme von Trägerstoff und Fluorcarbonchemikalie wurden auch

Temperaturführungen und Scherkräfte in der Rotormühle berücksichtigt und angepasst. Für

das erfolgreich durchgeführte Scale-Up in den Pilot- bzw. großtechnischen Maßstab wurde

die Anlagenverfahrenstechnik in mehreren Teilschritten umgebaut und erweitert.

Das zweite Arbeitspaket der Projektphase II bestand in der Prüfung der Trägersysteme unter

Praxisbedingungen beim Industriepartner der Fa. Grünewald. In Zusammenarbeit zwischen

JRS und Grünewald wurden positive Betriebsversuche zur Herstellung oleophober Papiere

mit unterschiedlichen Grammaturen und Dosiermengen durchgeführt. Dabei wurden die

entwickelten Compounds direkt über die Masse im wet end Bereich der Papierproduktion

zugegeben und neben der Wirksamkeit, bedingt durch hohe gefundene Compound-

Retentionsgrade, auch eine Umweltentlastung nachgewiesen. Letztlich wurden die Ziele

erreicht, die Praxistauglichkeit und die umweltentlastende Wirkung als auch die ökonomische

Marktfähigkeit der Trägersysteme nachzuweisen.


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4. Einleitung

Rohstoff für die Papier- und Kartonfertigung sind cellulosische Pflanzenfasern. Es werden

überwiegend langfasrige, im Nassmahlverfahren über Refiner hergestellte Holzcellulosen

verwendet, die sich bei Mahlgrad, Ligningehalt sowie Weiße unterscheiden, wie Holzschliff,

BCTMP (chemisch-termisch-mechanischer Pulp), Kraft-, Sulfit- und Deinking-Zellstoffe,

sowie zunehmend Altpapier-Qualitäten.

Neben cellulosischen Fasern werden zur Papier- und Kartonherstellung aus verschiedenen

Gründen feinteilige oder flüssige Additive wie Hydrophobierungsmittel, Stärke, mineralische

Additive wie Calciumcarbonat, Kaolin, Titandioxid, darüber hinaus Oleophobierungsmittel,

flammhemmende Additive, Biozide (insbesondere für Gipskarton und Wellpappen-

Rohpapier) sowie optische Aufheller eingesetzt. Ziel ist beispielsweise eine Erhöhung der

Hydrophobierung, der Lagen- oder der Reißfestigkeit, der Weiße sowie der Opazität.

Aufgrund ihrer geringen Partikel- oder Tröpfchengröße werden diese Produkte schlecht

retendiert und sehr leicht aus der Papierbahn ausgewaschen. Dadurch wird die Effektivität

der jeweiligen Additive begrenzt.

Um die Retention von feinen Füllstoffen zu erhöhen, werden daher verschiedenste Methoden

angewandt, die alle mit erhöhtem Aufwand an Chemikalien- und Energieeinsatz, erhöhten

Kosten und / oder aufwändiger Handhabung verbunden sind. So findet man z. B. den Einsatz

zusätzlicher Retentionsmitteln. Stärken müssen kationisiert oder in einem Zusatzverfahren

wie der batchweisen Kochung in Jetkochern aufbereitet werden, um zur Erhöhung der

Festigkeit beizutragen. Eine Hydrophobierung von Papierprodukten erfolgt auch mit

Leimpressen oder Tränkbädern zur nachträglichen Hydrophobierung. Darüber hinaus weisen

feinteilige Additive weitere Nachteile auf: Sie führen teilweise zu einer erhöhten

Abwasserbelastung aufgrund der notwendigen Überdosierung. Andere Additive sind

aufgrund ihrer Darreichungsform als Emulsion oder Suspension nur begrenzt haltbar. Zudem

variiert bei Papieradditiven die Effektivität stark in Abhängigkeit der Rahmenbedingungen wie

pH-Wert, Zetapotential, Rezeptur und Additivierung.

Dagegen wird die Herstellung von Trägersystemen aus Naturfasern und Additiven unseres

Wissens weltweit nicht in der Praxis angewandt. Daher sind keine derartigen

Kombinationsprodukte am Markt verfügbar. Nach unserer Einschätzung ist es bisher

niemand gelungen, auf kostengünstigem Weg qualitativ ausreichende Produkte darzustellen.

Frühere Versuche von Weyerhäuser Comp. U.S., alle Papierfasern im Stoff mit Additiven

auszurüsten, waren offensichtlich nicht wirtschaftlich; das Projekt wurde vor etwa 15 Jahren

eingestellt. Auch das mehrstufige Beladen von Fasern mit flüssigen Additiven und Gas

(„Fiber Loading“- Verfahren von Pira / USDA Forest Service 1997) hat sich aus

wirtschaftlichen Gründen nicht durchgesetzt. „Fiber Loading“ liefert nach Vorbehandlung der

Faser mit flüssigem Calciumhydroxid und Umsetzung mit gasförmigem Kohlendioxid eine

Carbonatschicht an der Faseroberfläche. Es wird hierbei billigend in Kauf genommen, dass

zusätzlich Kohlendioxid in die Atmosphäre freigesetzt wird. Bisher gibt es keine Additive


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(Leimungsmittel, Stärke, Pigment, Biozide, ...), die auf Cellulose-Faseroberflächen

immobilisiert sind.

Cellulosische Fasern von JRS werden seit vielen Jahren unter dem Markennamen

ARBOCEL als Additive bei der Papierherstellung eingesetzt. Im Bereich Carbonless Paper

dienen die Fasern als Abstandshalter für die Beschichtung von chemisch reagierenden

Durchschreibepapieren. Bei der Herstellung von Graukarton, Faltschachtelkarton und

Liner/Fluting (Wellpappe) sowie für kaschiertem LWC-Papier werden ARBOCEL-Fasern

eingesetzt, um die Porosität der Produkte zu erhöhen. Daraus resultiert erhöhtes Volumen

sowie bessere und schnellere Entwässerung, so dass in der anschließenden Trocknung

weniger Feuchtigkeit verdampft werden muss. In der Summe kann die

Maschinengeschwindigkeit erhöht und die Trocknungsenergie reduziert werden. Weiterhin

verbessern die Fasern Formation, Steifigkeit und Opazität. Kritisch ist allerdings die

Tatsache, dass die Festigkeit (Berstdruck) der Endprodukte teilweise sinkt, so dass in

einigen Papieren und Kartonagen unsere Produkte nicht eingesetzt werden können.

Neuerdings haben wir, v.a. im Rahmen des ersten Teils unseres Forschungsprojekts, erste

modifizierte Fasern entwickelt. Diese Compounds sollen die Funktionalität der üblicherweise

in der Papierindustrie eingesetzten Additive deutlich verbessern, die Handhabung

vereinfachen, Verfahrenskosten (z. B. Trocknung, Aufbereitung Kreislaufwasser) verringern

sowie eine Kontamination der Umwelt durch die chemischen Additive weitestgehend

unterbinden.

Das Funktionsprinzip dieser Trägersysteme besteht darin, dass die Fasern aufgrund ihrer

Partikelgröße (typisch größer 50 μm) bewirken, dass die auf ihnen befindlichen Additive

erheblich besser retendiert werden. Das Prinzip ist nachfolgend dargestellt:


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Bild 1: Konventionelle Papieradditive Bild 2: Faser-basierte Papieradditive

ARBOCEL plus

Chemikalien auf Celluloseträger

Hierzu müssen die Additive auf der Oberfläche der Trägersysteme fixiert werden. Die

Fixierung und das Aufbringen der Additive auf diese ausgesuchten Trägerfasern müssen in

einem Maße gegeben sein, dass sie nicht vorzeitig von der Faser abgelöst werden. Es hat

sich gezeigt, dass das Aufbringen der Additive auf die cellulosischen Fasern besonders

vorteilhaft mittels schnelllaufender Rotormühlen gelingt. Hierbei wird in einem

Verfahrensschritt die Zerkleinerung der Faserrohstoffe auf die geforderten

Partikelverteilungen, die homogene Verteilung der Additive auf der Faser sowie die

Trocknung der mit der Additivzugabe eingetragenen Feuchte durch die hohen

Mahlraumtemperaturen ermöglicht. Trotz der erheblichen Unterschiede, welche zwischen

den Additiven hinsichtlich ihres chemischen und physikalischen Aufbaus bestehen, wurden

mit diesem Verfahren hohe Beladungsgrade und ein stabiles Anhaften der Additive auf den

Fasern erzielt. Insbesondere das Aufbringen von Hydrophobierungsmitteln,

Oleophobierungsmitteln, flammhemmenden oder antimikrobiell wirkenden Additiven

erbrachte hochfunktionelle, über lange Zeit lagerstabile Trägersysteme.

Im Labormaßstab konnte gezeigt werden, dass diese Systeme neben der notwendigen

Funktionalität zu der angestrebten hohen Retention der Additive im Laborblatt führen.

Besonders vielversprechend waren die Laborergebnisse der Arbeiten zur Oleophobierung

von Papieren, welche häufig im Lebensmittelbereich eingesetzt werden. Die Retention der

üblicherweise eingesetzten Chemikalien bei Herstellung oleophober Papiere beträgt derzeit

nur ~ 60%, wenn der Einsatz über die Masse erfolgt. Es handelt sich um kostspielige

Kohlenwasserstoffe, die zudem teilweise schwer abbaubar sind. Aktuell wird z.B. beim

Projektpartner Grünewald keine FC-Chemikalie eingesetzt, da man weder durch die Zugabe

von FC-Chemikalien in der Masse noch durch andere Technologien, welche Stand der

Technik sind, in der Lage ist, ein ausreichend oleophobes Material herzustellen.

Das Ziel des Projektes war die Entwicklung und Bereitstellung großtechnisch produzierbarer

Mengen an geeigneten Trägersystemen aus Naturfasern für den materialeffizienten Einsatz


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flüssiger oder feinteiliger FC-Chemikalien. Eine erfolgreiche Umsetzung des Projekts sollte

Grünewald erstmals in die Lage versetzen, oleophobe Papiere in marktfähigen Qualitäten zu

produzieren um das Produktportfolio entsprechend erweitern zu können.


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5. Hauptteil

5.1. Arbeitspaket 1

Konzeption und Durchführung von Pilotversuchen

Basierend auf den positiven Ergebnissen der Laborphase wurde in Zusammenarbeit

mit den Abteilungen Technik und Produktion ein Scale-Up in den Pilotmaßstab

ausgearbeitet. Eine geeignete großtechnische bestehende Produktionsanlage wurde

ausgewählt und für erste Versuche entsprechend umgebaut und in Betrieb

genommen. Es musste darauf geachtet werden, dass die notwendigen

verfahrenstechnischen Umbauten und Erweiterungen hinsichtlich der geplanten

Versuche parallel auch einen weiteren regulären Produktionsbetrieb der Anlage

gewährleisteten. Es handelte sich bei der gewählten Anlage um eine

Produktionsanlage in der regelmäßig Cellulosefaser- und Holzfaserprodukte gefertigt

werden. Chemikalienverunreinigungen und vor allem Produktverschleppungen beim

Wechsel von Versuchs- und Produktionschargen waren auszuschließen.

Entsprechend wurde ein Anlagenreinigungsplan ausgearbeitet und diese

Reinigungszyklen bei Wechsel von Versuchschargen auf Produktionschargen und bei

Wechsel von Produktionschargen auf Versuchschargen durchgeführt.

Bild 3: Fließschema Produktions- und Versuchsanlage

Die FC-Chemikaliendosierung konnte nach Umbau- und Erweiterungsmaßnahmen auf

3 verschiedenen Wegen erfolgen: 1.) die FC-Chemikalie wurde über ein

Saugleitungssystem vor dem Schwergutabscheider direkt in den Faserstoffstrom

dosiert. 2.) die FC-Chemikalie wurde über Sprühdüsensysteme nach dem

Schwergutabscheider und vor dem Mahlraum direkt in den Faserstoffstrom gedüst. 3.)

die FC-Chemikalie wurde über Sprühdüsensysteme direkt in den Mahlraum gedüst.

Die Faserstoffdosierung erfolgte mit Hilfe eines geeigneten mobilen Beimischers und


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wurde über einen Schwergutabscheider, zur Entfernung von eventuell magnetischen

Störstoffen, direkt in den Mahlraum geführt. Im Mahlraum selbst fand die eigentliche

„Compoundierung“ von Faserstoffen und FC-Chemikalien statt. Die fertigen

Compoundmaterialien wurden über einen Mühlenfilter und eine Haspel ausgeschleust

und über eine Schnecke der BigBag-Abfüllstation zugeführt. Im Anschluss erfolgte

noch eine nachgelagerte Kontrollsiebung des Fertigmaterials, um eventuelle

Fremdmaterialverunreinigungen oder Materialverklumpungen auszuschließen.

Es wurden folgende geeignete Anlagenparameter ermittelt:

• Drehzahl Gebläse [%]: 90 – 100

• Drehzahl Gegenscheibe [Hz]: 50 – 60

• Stromaufnahme Mühle [A]: 200 -220

• Austrittstemperatur [°C]: 40 – 50 °C

• Mahlraumtemperatur [°C]: 45 – 55 °C

5.1.1 Erarbeitung und Dokumentation der verfahrenstechnischen

Parametereinstellungen der großtechnischen Anlage

Zuerst wurden in der großtechnischen Anlage geeignete Dosieranlagentechniken für

die FC-Chemikalie und die Faser aufgebaut. Für die Faserdosierung wurde ein

Aufgabebehälter in Form eines separaten fahrbaren Beimischers gewählt, der über

eine Big Bag-Entleerung gespeist werden konnte. Die Sicherstellung der notwendigen

Durchsatzmengen der Fasern erfolgte mit unterschiedlichen Fördereinstellparametern.

Für die FC-Chemikaliendosierung musste eine spezielle Saugleitung ausgesucht und

installiert werden, die es ermöglichte, die wässrige FC-Chemikalie entsprechend direkt

aus Fassgebinden zum Faserstrom zu dosieren. Auch die notwendigen

Durchsatzmengen der FC-Chemikalie über die Saugleitung konnten mit Hilfe

unterschiedlicher Fördereinstellparameter ermittelt und dokumentiert werden. Hiermit

wurde sichergestellt, dass unterschiedliche, aber definierte Verhältnisse von Faser zu

FC-Chemikalie reproduzierbar eingestellt werden konnten. Dies ermöglichte

unterschiedliche Freiheitsgrade in der Beladungsstärke der Faser mit FC-Chemikalie.

Da es sich bei diesen und nachfolgenden geplanten Scale-Up-Versuchen um eine

Vielzahl an produktionstechnischen Versuchsreihen handelte, wurde entschieden,

wenn möglich mit Wasser anstatt mit FC-Chemikalien zu arbeiten. Wasser und FC-

Chemikalie haben gleiche Darreichungsformen, beide sind flüssig und haben ähnliche

Viskositäten. Somit konnten kostenintensive Versuche mit den teuren FC-Chemikalien

eingespart werden. Über die eingestellten und bekannten Dosiermengen von Fasern

und Wasser waren die entsprechenden quantitativen Zugabemengen sichergestellt.

Die Qualität bzw. Homogenität wurde über Feuchtigkeitsmessungen der hergestellten

Versuchsprodukte nachgewiesen. Hierbei wurden mehrere Proben einer produzierten

Versuchscharge geprüft. Variierten die Feuchtewerte stark, erkannte man eine


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Inhomogenität der Faserbeladung mit Wasser d.h. das zugeführte Wasser hatte sich

nicht gleichmäßig auf den Fasern verteilt.

5.1.1.1 Optimierung Stoffzugabe und Stoffführung von FC-Chemikalie und Cellulose

Mit Hilfe der gewählten Stoffzugabe und Stoffführung von FC-Chemikalie mit der

installierten Saugleitung konnte keine homogene Beladung der Faser sichergestellt

werden. Die geprüften Feuchtigkeitswerte der hergestellten Compounds waren sehr

unterschiedlich und wiesen damit eine unzulässige Inhomogenität auf. Um zu prüfen

inwieweit sich eine bessere Homogenität erreichen ließ, wurde die Dosierstelle der

verwendeten Saugleitung an unterschiedlichsten Stellen vor dem Mahlraum und

ebenso in den Mahlraum der Pilotanlage platziert und jeweilige Versuchschargen im

Anschluss produziert. Trotzdem konnten hiermit keine befriedigenden Ergebnisse

erzielt werden. Es wurde entschieden, auf die Saugleitung als geeignete Dosiereinheit

komplett zu verzichten.

Stattdessen wurde direkt in das Rohrleitungssystem der Faserdosierung vor dem

Mahlraum eine geeignete Sprüheinrichtung mit einer Düse, gespeist von einer

separaten Stoffzugabeleitung, installiert. Mit Hilfe dieser Sprühdüse wurde die FC-

Chemikalie auf die Faser aufgesprüht und fein verteilt. Durch die Vernebelung der

Flüssigkeit konnte eine homogene Beladung der Fasern erreicht werden, die Additive

waren gleichmäßig auf der Oberfläche der Trägersysteme fixiert. Diese

Sprühnebeltechnik wurde dahingehend nochmals verbessert, dass durch Variation

geeigneter Düsengrößen und verändertem Luftdurchsatz feinere oder gröbere

Sprühnebeltröpfchen erhalten wurden. Waren die Sprühnebeltröpfchen zu fein,

setzten sich die FC-Chemikalien an den Düsen ab, waren die Sprühnebeltröpfchen zu

grob, erfolgte keine geeignete Verteilung und somit keine homogene

Compoundproduktion. Aber auch die Positionierung der Sprühdüse selbst hatte einen

entscheidenden Einfluss auf die Compoundierqualität. Setzte man die Sprühdüse an

nicht geeignete Stellen wie z.B. direkt in den Mahlraum, konnten keine reproduzierbar

geeigneten Fasermodifikationen von Cellulose mit FC-Chemikalie festgestellt werden.

Zudem war die Geometrie des resultierenden Sprühnebelkegels entscheidend für die

ideale Beladung der Faser mit FC-Chemikalie. Die notwendigen Durchsatzmengen der

FC-Chemikalie über die Sprühdüse wurden jeweils neu ermittelt und eingestellt.

Leitungen und Düsen mussten grundsätzlich vor und während der Produktion

überprüft und sauber sein.


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5.1.1.2 Ermittlung und Einstellung der notwendigen Temperaturführung und

Scherkraft in den jeweiligen Anlagenteilen. Optimierung der Material und

Reaktionstemperaturen.

Weiterführende Versuche haben gezeigt, dass nicht nur die Gleichmäßigkeit der

Verteilung von FC-Chemikalie und Faser bei der Herstellung eines qualitativ Hoch-

wertigen Compounds eine Rolle spielte, sondern dass auch die geeigneten Reaktions-

temperaturen abhängig von verwendeten FC-Chemikalien eingestellt werden mussten.

Hierfür wurden jeweils die Mahlraumtemperaturen und Mahlaustrittstemperatur mit

speziellen Temperaturfühlern vermessen. Es wurden mehrere Versuche mit

veränderten Anlagenparametereinstellungen durchgeführt. Temperaturführung und

Scherkräfte speziell in der Rotormühle konnten durch Änderungen der

Stromaufnahmen der Mühle, Gebläsedrehzahl und Verweilzeit in der Mühle eingestellt

werden. Je höher die Scherkräfte und je höher die Reaktionstemperaturen, desto

besser und reproduzierbarer die Qualität der hergestellten Compounds. Wichtig war

die Kenntnis dieser Prozessparameter auch im Hinblick auf den hohen Anteil an

Wasser im System, eingebracht durch Zugabe der Fluorcarbonchemikalie in der

vorliegenden wässrigen Dispersion. Wurde das Wasser nicht zeitnah bei der

großtechnischen Herstellung entfernt, wirkte sich dies nachteilig auf die

Fasermodifikation von Cellulose mit FC-Chemikalie aus. Bei zu niedrigen

Temperaturen wurde zu wenig Wasser während der Vermahlung ausgetragen und die

FC-Chemikalie wurde nicht stark und dauerhaft genug auf der Faser fixiert. Hohe

Restfeuchten führten zum Verlust an Wirksamkeit der hergestellten Compounds

hinsichtlich Oleophobie und machten ebenso Schwierigkeiten bei der anschließenden

Aufarbeitung und Verpackung des Fertigmaterials.

5.1.1.3 Einstellung der optimalen Durchsatzmenge der Stoffströme. Prüfung der

zeitabhängigen Reaktionsvermahlungen.

Um auch größere Mengen im Tonnenmaßstab produktionstechnisch sicher darstellen

zu können, wurde direkt im Rohrleitungssystem der Faserdosierung die

Sprüheinrichtung um zwei zusätzliche Düsen erweitert. Damit konnten entsprechende

quantitative Mengen FC-Chemikalie dem Faserstoffstrom zudosiert werden. Mit nur

einer Düse war die Produktion größerer Mengen nicht möglich da sich durch Erhöhung

der Durchsatzmengen die FC-Chemikalie infolge zu feiner Vernebelung auf der Düse

absetzte. Eine reproduzierbare FC-Chemikalien Dosierung war damit nicht mehr

möglich. Über erweiterte Produktionsversuchsreihen wurde die ideale

verfahrenstechnische Positionierung der insgesamt 3 Einspritzdüsen ermittelt. Ebenso

wurde die Sprühnebeltechnik hinsichtlich Feinheit der Sprühnebeltröpfchen und

Geometrie der Sprühnebelkegel neu eingestellt und die maximal möglichen

Luftverwirbelungen in Abhängigkeit Düsengröße/Luftdurchsatz ermittelt. Die FC-

Chemikalie wurde somit mit insgesamt 3 Pneumatikdüsen, einem Wasserdruck von 4

bar sowie einem Luftdruck von 4,5 bar und einem Strahlwinkel von ca. 70 Grad


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Vollkegel in die Saugleitung vor dem Mahlraum der Jetmühle zugeführt. Die

Durchsatzmengen der FC-Chemikalien wurden neu ausgelitert und entsprechend

eingestellt. Infolge der Erhöhung der Durchsatzmengen der Stoffströme zeigte sich,

dass verfahrenstechnische Probleme dahingehend zu beseitigen waren, dass durch

die hohen Dosiermengen an FC-Chemikalie auch ein hoher Wassergehalt ins System

eingetragen wurde. Die Lösung des Problems konnte mit Anpassungen der

Temperaturführung bzw. Erhöhung von Mahlraum- und Mahlaustrittstemperaturen

eingestellt werden. Ebenso konnte auch über zeitabhängige

Reaktionsvermahlversuche gezeigt werden, dass dadurch ein starker Einfluss auf die

Entfernung des überschüssigen Wassers ausgeübt werden kann. Hierbei wurden

Faserstoffe und FC-Chemikalien länger im Mahlraum zusammen intensiv vermengt.

Vor allem die Homogenisierung der beiden Compoundbestandteile wurde dadurch

prozesssicherer, aber es konnte auch mehr Wasser aus dem System entfernt werden.

5.1.2 Prüfung weiterer FC-Chemikalien auf Sensibilität des Upscalings

vom Laborversuch zur großtechnischen Umsetzung

Da unsere Compounds auch für Verpackungsmaterialien mit Lebensmittelkontakt in

Frage kommen, war und ist unser Anspruch, dass alle verwendeten

Compoundbestandteile Stand heute und auch in Zukunft nach BFR und FDA

zugelassen sein müssen. Auf aktuelle Nachfrage bei unserem FC-

Chemikalienlieferanten BASF wurde uns mitgeteilt, dass die Fluorcarbonchemikalie

LODYNE 2000 ab 2014 nicht mehr in diese Registrierungen fällt und somit seitens

BASF zukünftig auch nicht mehr vertrieben wird. Bestehende Kundenstämme werden

bis 2014 mit LODYNE 2000 versorgt, Neukunden werden nicht mehr aufgenommen.

Daher wurden von unserer Seite die Entwicklungen mit dieser Chemikalie gestoppt

und nicht mehr weiter verfolgt.

Alle die bei uns nach der FC-Chemikalie LODYNE 2000 alternativ geprüften FC-

Chemikalien, die im Textilbereich etabliert sind, eigneten sich nicht. Ebenso wurden

Trägerstoffe mit fluorfreien Copolymeren auf Basis Styrol und Butadien und mit

Dispersionen von Mischpolymerisaten auf Acryl-, Styrol- und Butadienbasis

hergestellt. Aufgrund deren makromolekularen Aufbaus und fehlender

Migrationsfähigkeit dieser oberflächlich fixierten Wirkstoffe auf den Cellulosefasern auf

andere ungeleimte Cellulosefasern konnte jedoch keine Oleophobie eingestellt

werden.

Mit der Fluorcarbonchemikalie Solvera PT5071 von SolvaySolexis konnte letztendlich

eine Alternative gefunden werden. Diese Chemikalie erfüllt auch künftig alle

notwendigen Registrierungen für den Lebensmittelbereich. Neue Laborversuchsreihen

mit Solvera PT5071 hinsichtlich Herstellung und papiertechnologischer Prüfungen

eines qualitativ hochwertigen Compounds wurden vorbereitet und durchgeführt. Im

Anschluss zeigten auch erste Produktionsversuche mit Solvera PT5071 im


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großtechnischen Maßstab, dass die notwendige Homogenität der Fasermodifikation

mit Cellulose erreicht wurde, d.h. die zuvor optimierte Produktions-Verfahrenstechnik

der Stoffzugabe und Stoffführung mit FC-Chemikalie LODYNE 2000 konnte somit mit

wenigen Änderungen entsprechend übernommen werden. Um jedoch die optimalen

Funktionalitäten der Compounds hinsichtlich Oleophobie zu erhalten, mussten vor

allem aufgrund der grundlegend anderen Chemie von Solvera PT5071 gegenüber

LODYNE 2000 wiederholend die Prozessparameter der Temperaturführung und

Scherkraft ermittelt und angepasst werden. Es wurden erneut die optimalen

Durchsatzmengen der Stoffströme optimiert und eingestellt sowie zeitabhängige

Reaktionsvermahlungen durchgeführt.

Wichtige Punkte zur Chemikalie Solvera PT 5071 von Solvay Solexis

Solvera besteht nicht aus telomerhaltige Fluorkohlenwasserstoffe, wie z.B.

Lodyne 2000, oder aus Perfluoroctansulfonat (PFOS) und Perfluoroctansäure

(PFOA). Solvera enthält somit auch nicht PFOS und PFOA und baut sich nicht

zu PFOS und PFOA ab. PFOA selbst wird zunehmend als problematisch

angesehen, da sie sowohl persistent als auch bioakkumulativ ist und zudem

auch kaum aus dem menschlichen Körper ausgeschieden wird. Es handelt sich

bei der FC-Chemikalie Solvera PT 5071 um eine unbedenkliche vollkommene

andere Chemie auf Basis PFPE (Polyfluorpolyether):

Bild 4: Solvera PFPE-Chemie

Solvera hat Sauerstoffatome im molekularen Aufbau, infolgedessen handelt es

sich hierbei nicht um ein Perfluorcarbon. Bedingt durch die Sauerstoffatome

http://de.wikipedia.org/wiki/Persistenz_(Chemie)

http://de.wikipedia.org/wiki/Bioakkumulation


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erhält man flexible Hauptketten mit freiliegenden CF2-Gruppen die sich

entsprechend orientieren können:

Bild 5: Solvera PFPEs versus F-Telomere

Die Solvera Hauptkette hat ein durchschnittliches Molekulargewicht von 1500,

somit wird eine Aufnahme über den menschlichen Körper erschwert.

Solvera ist di-funktional und agiert nicht als oberflächenaktiver Stoff.

Solvera Produkte haben eine geringe Aufnahmefähigkeit im menschlichen

Körper und eine niedrige Halbwertszeit im Blut.

Solvera PT5071 zeigt sich als geeignete FC-Chemie in Bezug auf Einstellung

von Oleophobie. Im Vergleich zu FC-Chemikalien, basierend auf PFOS-Chemie

oder F-Telomere, werden grundsätzlich niedrigere KIT-Werte ermittelt. Dies

hängt mit dem chemischen molekularen Aufbau von Solvera PT5071

zusammen. Allerdings kann eine Fettdichtigkeit auch nicht alleine mit KIT-

Wertbestimmung klassifiziert werden. Als zusätzliche oleophobe Prüfmittel sind

mehrere Öle wie z.B. Sonnenblumenöl oder Ölgemische je nach

Anwendungsbedarf geeignet.


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5.1.3 Prüfung der papiertechnologischen Eigenschaften im Labor

Sowohl die im Labor hergestellten Compounds als auch die großtechnisch

hergestellten Compounds in der Produktionsanlage wurden im papiertechnologischen

Labor geprüft. Erste Erkenntnisse hinsichtlich Qualität und Homogenität vor allem der

in größeren Mengen in der Produktionsanlage hergestellten Compounds ergaben die

Messungen der Feuchtigkeitswerte. Waren die Feuchtigkeitswerte bei den

hergestellten Compoundchargen bei Mehrfachmessungen gleich, war auch die

Homogenität Faser und FC-Chemikalie gegeben. Waren die Feuchtigkeitswerte

zudem < 10 % und die entscheidenden zuvor dargestellten notwendigen

Reaktionsbedingungen in der Produktionsanlage angepasst, konnten gute Qualitäten

der Compounds erwartet werden. Diese Qualitäten wurden u.a. mit Hilfe der Licht- und

Rasterelektronenmikroskopie sowie Röntgenfluoreszenz- und Infrarot-Spektroskopie

untersucht.


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Bild 6: RFA-Aufnahme von BWW 40-50 FC

Bild 7: REM-Aufnahme von BWW 40-50 FC

Mit Hilfe von RFA-Aufnahmen erkennt man deutlich die sehr gute Homogenität des

hergestellten Compounds ARBOCEL plus BWW 40-50 FC. Die roten Punkte stellen

das Element Fluor der verwendeten FC-Chemikalie dar. Man sieht, dass Fluor

großflächig homogen auf den Fasern verteilt ist und man erkennt auch, dass die

Anordnung von Fluor der Faserstruktur folgt. Dies entspricht einer gewollten

gleichmäßigen „Rucksack-Fixierung“ von Fluor auf den ARBOCEL BWW 40 Fasern.

Diese gute Homogenität wurde auch durch Mehrfach-Fluoranalysen der hergestellten

Compounds belegt.


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Zur weiteren Spezifizierung der jeweils produzierten Compoundqualitäten wurden

weitere physikalische und chemische Eigenschaften wie z.B. Aschegehalt, Weiße, pH-

Wert, durchschnittliche Faserlänge und Faserdicke, Schüttgewicht und Siebanalyse

ermittelt. Hieraus wurden letztendlich Spezifikationsgrenzen festgelegt und in einem

technischen Typendatenblatt dargestellt:


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Bild 8: Produktdatenblatt von ARBOCEL plus BWW 40-50 FC


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Es wurden Laborblätter mit unseren Compounds ARBOCEL BWW 40-50 FC

hergestellt und die entscheidenden papiertechnologischen Eigenschaften untersucht.

Im Blattbildungsversuch auf dem Rapid-Köthen-Laborblattbildner konnte in einem 70

gsm Laborblatt bei Zugabe von 5 % des Compounds Kit-Werte bis zu 7-8 erreicht

werden (Tappi 559). Die Messung erfolgte mittels Tropfenzugabe unterschiedlicher

öliger- und lösemittelhaltiger Mischsubstanzen (Kit-Wert). Neben Kit-Wert Messungen

wurden auch Messungen mit Sonnenblumenöl mittels Tropfenzugabe durchgeführt.

Unzureichende Oleophobie zeigte sich durch niedrige Kit-Werte <3 und dadurch, dass

der Sonnenblumenöltropfen nicht auf der Papieroberfläche stehen blieb sondern nach

wenigen Minuten ins Papierblatt eindrang.

Die Laborblattherstellungen erfolgten vorzugsweise mit Original Grünewald-

Rohstoffen mit Zusatz der Compounds ARBOCEL BWW 40-50 FC. Die Fa.

Grünewald produzierte bislang nicht die von uns angestrebte Papierqualität (wie im

Antrag ausgeführt). Daher gab es kein typisches Kreislaufwasser aus der Fertigung

oleophober Papiere. Wir haben versuchsweise eine Probe eines beliebigen

Kreislaufwassers von der Firma Grünewald besorgt, um wenigstens irgendein

Kreislaufwasser aus der Praxis zu testen. Dabei hatte sich jedoch gezeigt, dass durch

eine erhebliche Belastung des Kreislaufwassers mit unlöslichen Feinstpartikeln der

Ablauf der Laborblattbildung durch den selbstfiltrierenden Effekt so stark beeinflusst

wurde, dass es nicht gelang, die von Grünewald angestrebten Grammaturen zu

erreichen, wodurch keine sinnvollen und vergleichbaren Ergebnisse erzielt werden

konnten. Daher wurden allgemeine Versuchsreihen durchgeführt, mit denen die neuen

Compounds annäherungsweise schon im Labor unter Prozessbedingungen einer

Papierfabrik getestet wurden. Solche Versuche waren den geplanten

Produktionsversuchen bei der Fa. Grünewald vorangestellt, um eine möglichst große

Prozessicherheit nicht nur bei der Fa. Grünewald sondern auch für mögliche andere

zukünftig potentielle Kunden anbieten zu können. Im Allgemeinen werden für die

Herstellung von Papier unterschiedliche Qualitäten an Faserstoffen (Holzschliff,

Halbzellstoffe, Zellstoffe, Altpapier, andere Fasern) , Leimungs- und

Imprägnierungsmittel (tierische Leime, Harze, Paraffine, Wachse), Füllstoffe (Kaolin,

Talkum, Gips, Bariumsulfat, Kreide, Titanweiß) und Hilfsstoffe (Wasser, Farbstoffe,

Entschäumer, Dispergiermittel, Retentionsmittel, Flockungsmittel, Netzmittel)

eingesetzt. Nach Rücksprache mit mehreren Experten aus der Papierindustrie sind

neben den Qualitäten der eingesetzten FC-Chemikalien und Papierrohstoffen auch

mögliche Füllstoffe, Aluminiumverbindungen, pH-Werte, Retentionsmittel und

Prozesswasserqualitäten zu untersuchen. Um zu prüfen, inwieweit diese genannten

Parameter als Störfaktoren die oleophobe Funktion beeinträchtigen, wurde im Labor

die Papierherstellung mit unterschiedlichen Mengen an Wirkstoffen und Störstoffen

http://de.wikipedia.org/wiki/Holzschliff

http://de.wikipedia.org/wiki/Halbzellstoff

http://de.wikipedia.org/wiki/Zellstoff

http://de.wikipedia.org/wiki/Altpapier

http://de.wikipedia.org/wiki/Harz_(Material)

http://de.wikipedia.org/wiki/Paraffin

http://de.wikipedia.org/wiki/Wachs

http://de.wikipedia.org/wiki/F%C3%BCllstoff

http://de.wikipedia.org/wiki/Farbstoff

http://de.wikipedia.org/wiki/Entsch%C3%A4umer

http://de.wikipedia.org/wiki/Dispergiermittel

http://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Retentionsmittel&action=edit&redlink=1

http://de.wikipedia.org/wiki/Flockungsmittel

http://de.wikipedia.org/wiki/Netzmittel


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nachgestellt. Als ausreichende Oleophobie wurden positive Sonnenblumenöltests und

Kit-Werte von mind. 3 festgelegt.

Compound BWW 40-50 FC mit Lodyne

2000

BWW 40-50 FC mit Solvera PT

5071

Qualität FC-

Ausgangschemikalie

Schwankend, muss im Labor grundsätzlich geprüft werden. Problem

ist auch die MHD nach Öffnen der Originalverpackung.

Geprüfte

Grammaturen [g/m2]

38 (Kit 0), 44 (Kit 7), 70 (Kit 7) 44 (Kit 0), 50 (Kit 1), 70 (Kit 6)

Füllstoffe (z.B. 30 %

PCC)

großer Einfluss (Kit 0) großer Einfluss (Kit 0)

Alaun (z.B. 0,5 %

Aluminiumsulfat)

großer Einfluss (Kit 2) großer Einfluss (Kit 2)

pH-Wert sauer (pH 4) kein Einfluss (Kit 7) großer Einfluss (Kit 2)

Wechsel

Papierrohstoffqualität

(von Grünewald

Altpapier zu Munksjö

Zellstoff)

kein Einfluss (Kit 7) geringfügiger Einfluss (Kit 5)

Überschuß

Retentionsmittel

Polymin (1%)

kein Einfluss (Kit 7) geringfügiger Einfluss (Kit 5)

Hohe Wasserhärte

(52 °dH)

kein Einfluss (Kit 7) kein Einfluss (Kit 7)

Tabelle 9: Zusammenfassung der Ergebnisse möglicher Störfaktoren auf die oleophobe Funktion

unter Zusatz von 5 % unserer Compounds im Laborblatt mit Grammatur 70 gsm.

Einsatzmengen Compound BWW 40-50 FC:

Mit 5 % Compound ARBOCEL plus BWW 40-50 FC, zugegeben direkt über die Masse

bei der Papierherstellung im Labor, wurde eine gute Oleophobie eingestellt und

gemessen. Man erreichte Kit-Werte von bis zu 7, je nach eingesetztem Compound.

Eingestellte Grammaturen im Blattbildungsprozess

Es wurden Grammaturen von 30 – 100 gsm eingestellt. Es stellte sich heraus, dass

bei Grammaturen von ≥ 70 gsm gute Kit-Werte erreicht und bei Grammaturen < 70

gsm weniger gute Kit-Werte erreicht wurden. Beim Compound mit Lodyne liegt die

grenzwertige Grammatur bei ca. 38 gsm und bei Compound mit Solvera bei ca. 44

gsm. Unter diesen Grenzwerten konnte keine Oleophobie mehr festgestellt werden.


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Zugabe von Füllstoffen

Bei einer Dosierung von 30 % Füllstoffen in Form von PCC (ausgefälltes

Calciumcarbonat) konnten bei keinen der hergestellten Papieren Kit-Werte gemessen

werden. Die Oleophobie ging komplett verloren, unabhängig vom eingesetzten

Compound. Füllstoffe waren Störstoffe und verminderten die Wirksamkeit der

Oleophobie.

Zugabe von Aluminiumverbindungen

Bei einer Dosierung von 0,5 % Aluminiumverbindung in Form von Alaun

(Aluminiumsulfat) wurden Kit-Werte von < 3 gemessen, bei Erhöhung der Dosierung

von Alaun wurde ein Komplettverlust an Oleophobie festgestellt. Alaun war Störstoff

und verminderte die Wirksamkeit der Oleophobie.

pH-Wert Abhängigkeiten

Der pH-Wert des Prozesswassers wurde mit Schwefelsäure eingestellt. Hierbei

zeigten sich unterschiedliche Ergebnisse bei den beiden eingesetzten Compounds.

Während die hergestellten Laborblätter mit ARBOCEL plus BWW 40-50 FC mit

Lodyne im sauren Bereich z.B. bei pH-Wert 4 nach wie vor eine gute Oleophobie

zeigten, reduzierte sich die oleophobe Wirkung der hergestellten Laborblätter mit

ARBOCEL plus BWW 40-50 FC mit Solvera deutlich. Je nachdem mit welchem

Compound gearbeitet wurde, waren die unterschiedlichen pH-Wert Abhängigkeiten zu

beachten.

Qualitäten an Faserstoffen

Es wurden oleophobe Papiere mit unterschiedlichen Faserqualitäten/Papierrohstoffen

hergestellt und untersucht. Es wurden reine Cellulosefasern und auch Altpapierfasern

vergleichend untersucht. Sowohl eingesetztes Grünewald Altpapier als auch

eingesetzter reiner Zellstoff führten zu guten oleophoben Papieren, die Kit-Werte

wurden nicht nachteilig beeinflusst. Die eingesetzten und untersuchten Papierrohstoffe

wurden nicht als Störfaktoren nachgewiesen und konnten daher grundsätzlich

verwendet werden.

Retentionsmittel

Der Vorteil unserer Compounds ist, dass sich die FC-Chemikalien bereits auf den

geeigneten Trägerfaserstoffen befinden. Somit ist eine zusätzliche Zugabe an

Retentionsmittel für den FC-Wirkstoff im Blattbildungsprozess nicht notwendig. Es

wurde jedoch der Frage nachgegangen, inwieweit ein Überschuss an Retentionsmittel

eine negative Einflussgröße darstellen kann. Hierzu wurde 1 % Retentionsmittel


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Polymin dem Blattbildungsprozess zudosiert und die Oleophobie vermessen. Als

Ergebnis konnte festgestellt werden, dass das geprüfte Retentionsmittel keinerlei

Auswirkungen auf die Kit-Werte ausübte, weder positiv noch negativ und somit als

unbedenklich eingestuft werden konnte.

Wasserhärte/Wassertemperatur

Um die Einflussgröße der Wasserhärte des Prozesswassers bestimmen zu können,

wurden unterschiedliche Wasserqualitäten untersucht. Doch selbst mit einer

eingestellten Wasserhärte von 52 ° dH konnten keinerlei negativen Auswirkungen

hinsichtlich Oleophobie festgestellt werden. Die Wasserhärte wurde daher nicht als

entscheidende Einflussgröße dargestellt. Sehr wohl aber hatte die Wassertemperatur

des Prozesswassers einen Einfluss auf die Funktion der Oleophobie. War die

Prozesswassertemperatur > 50 °C und die Verweilzeit unserer Compounds im

Prozesswasser zu lange, wurden Verluste an Oleophobie beobachtet. Die Wasser-

und Temperaturbeständigkeiten unserer Compounds mussten daher entsprechend

berücksichtigt werden.

Als Fazit der ermittelten Ergebnisse der untersuchten prozesstechnischer Parameter

und im Hinblick auf die weiterführenden geplanten Produktions-Versuche z.B. bei Fa.

Grünewald wurde folgendes festgehalten:

5.2. Arbeitspaket 2

Durchführung von Versuchen bei Fa. Grünewald

Nach Durchführung der positiven Pilotversuche zur Produktion der neu entwickelten

Trägersysteme im Arbeitspaket 1 stand der letzte, aber entscheidende Schritt mit dem

Arbeitspaket 2 an: Papierherstellversuche beim Projektpartner und potentiellen

Kunden, Fa. Grünewald, welcher unter Praxisbedingungen mit unseren Compounds

Anwendungsversuche durchführen konnte. Hierzu wurden schon während der

Entwicklungsphase des Arbeitspaketes 1 mehrere Gespräche mit Grünewald geführt

und die jeweiligen Projektfortschritte besprochen. Es wurden unsere

Compoundqualitäten und die im Labor ermittelten Einflussgrößen auf die

Papierherstellung dargestellt und diskutiert. Um diese positiven Ergebnisse aus

- Dosierung BWW 40-50 FC Soll: 5 % - Wasser- und Temperaturbeständigkeit unserer Compounds - Alaun sehr negativ (Soll: 0 % Alaun)

- pH-Wert Abhängigkeiten beachten (Soll: pH-Wert 7, je saurer je schlechter, pH-Wert kleiner 4 kann zu Komplettverlust der Oleophobie führen)

- Möglichst hohe Grammatur (Soll 40 gsm) - Mineralische Füllstoffe negativ (Soll < 10 %) - Papierrohstoffqualität hat keinen Einfluss auf die notwendige

"Migrationsfähigkeit" unserer FC-Compounds


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Arbeitspaket 1 auch in das Arbeitspaket 2 zu überführen bzw. um einen reibungslosen

Ablauf beim geplanten Betriebsversuch zu garantieren und vorzubereiten, wurden

auch erweiterte detailliertere Grünewald-Rezepturen untersucht.

Der Fa. Grünewald ist wie der Fa. JRS grundsätzlich daran gelegen, dass

ausschließlich Fluorcarbon-Produkte verwendet werden, die ein entsprechendes BfR-

/FDA-Approval besitzen. Da die Fluorcarbonchemikalie LODYNE 2000 ab 2014 nicht

mehr in diese Registrierungen fällt und somit seitens Chemikalienlieferant zukünftig

auch nicht mehr vertrieben wird, wurde für die vorgesehenen weiteren

Betriebsversuche bei Grünewald ausschließlich mit dem entwickelten Compound

ARBOCEL plus BWW 40-50 FC, beladen mit FC-Chemikalie Solvera PT5071,

gearbeitet.

5.2.1 Vorbereitung zur Durchführung der Versuche

Festgelegt wurde, dass bei den geplanten Betriebsversuchen die bekannten

Grünewald Standardrohstoffqualitäten eingesetzt und Papiere mit unterschiedlich

hohen Grammaturen und Compound-Dosierungen hergestellt werden sollten. Um den

Betriebsversuch auch hinsichtlich der geeigneten Rezeptur abzusichern, wurden alle

standardmäßig benötigten und eingesetzten Chemikalien seitens Fa. Grünewald

benannt. Die aufgeführten und geprüften Chemikalien werden bei der Fa. Grünewald

standardmäßig über spezielle Dossieraggregate zum Papierherstellprozess

zugegeben. Mit dieser Offenlegung der Grünewald-Rezeptur konnten nochmals

weiterführende und detailliertere Laborversuche durchgeführt werden.

Als Summe der Labor-Ergebnisse lässt sich folgende Übersicht gestalten:

Grünewald Papierrohstoffqualitäten

unterschiedlicher Mahlgrade kein Einfluss auf Oleophobie

kationische Stärke kein Einfluss auf Oleophobie

optischer Aufheller kein Einfluss auf Oleophobie

Retentionsmittel kein Einfluss auf Oleophobie

Entschäumer kein Einfluss auf Oleophobie

CMC, als Stabilisator, Verdickungsmittel,

Dispergiermittel, Natrium-

Carboxymethylcellulose

kein Einfluss auf Oleophobie

Tabelle 10: Ermittlung Einflussgrößen der Grünewald Chemikalien

Es wurden neben Prüfung der Störgrößenermittlung durch Chemikalieneinsatz und

Standardrohstoffe auch noch erweiterte Versuche mit unterschiedlichen

Papierrohstoffqualitäten unterschiedlicher Mahlgrade gefahren. Es wurde untersucht,

inwieweit die Oleophobie auch mit Hilfe stark ausgemahlener Rohstoffe oder Zusatz


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an Natrium-Carboxymethylcellulosen beeinflusst werden kann. Erwartet wurden dabei

ein dichteres Blattgefüge und eine dadurch bedingte nochmals verbesserte

Oleophobie, jedoch haben unsere Laborversuche diese Überlegung nicht bestätigen

können. Aufgrund dieser Ergebnisse und im Hinblick auf die Tatsache dass durch

Verwendung stärker ausgemahlener Rohstoffe bzw. Zusatz an

Carboxymethylcellulose der Papierherstellprozess in der Praxis infolge verminderter

Entwässerung verlangsamt wird, wurde als Rohstoff ausschließlich der Standard-

Papierrohstoff mit niedrigem Mahlgrad ohne Zusatz von Carboxymethylcellulosen

gewählt.

Festlegung Rezeptur für Grünewald-Betriebsversuch:

5.2.1.1 Probeweiser Aufbau und Inbetriebnahme Dispergieranlage

In der Vorbereitungsphase des Betriebsversuchs mit der Firma Grünewald mussten

grundsätzlich alle Möglichkeiten einer bestmöglichen Dosierung unseres Compounds

zum Papierherstellprozess erörtert und über Versuche abgesichert werden. Die PM

Grünewald hat eine Kapazität von 6000 kg/h und der Versuch sollte über längere Zeit

mit einer anfangs gewählten Arbocel-Dosierung von 5% auf Produktion bezogen, also

mit 300 kg/h, erfolgen.

Möglichkeit 1: Dosierung Compound als vorbereitete Slurry in die Misch- oder

Maschinenbütte.

Geplant war ursprünglich eine Cavitron-Dispergieranlage mit der homogen eine Art gut

zu dosierendes flüssiges Masterbatch bzw. Slurry, bestehend aus Compound

ARBOCEL plus BWW 40-50 FC und Wasser, reproduzierbar hergestellt und dosiert

werden konnte. Letztendlich wurde jedoch ein Dispergieraggragat von der Firma IKA

verwendet, welches sich von der ursprünglich vorgesehenen Dispergieranlage der Fa.

Cavitron in der Weise unterscheidete, dass nicht wie bei Cavitron nur 1 Werkzeug zur

Dispergierung zur Verfügung stand, sondern bis zu 3 Werkzeuge

hintereinandergeschaltet werden konnten, und zwar mit unterschiedlichen

Scherkräften bis hin zum Pumpelement. Die Versuche haben gezeigt, dass sich

ARBOCEL plus BWW 40-50 FC idealerweise als 10 %ige Slurry homogen herstellen

Dosierung: 5 % und 2,5 % BWW 40-50 FC bezogen auf Papiereinsatz

Grammatur: Herstellung Papier mit Grammaturen 60 gsm, 55 gsm, 50 gsm,

45 gsm, 40 gsm

Rohstoff: Grünewald Standard-Pulp, 35°SR

Chemikalien:

kationische Stärke, optischer Aufheller, Retentionsmittel Percol,

Retentionsmittel NP 442 und Entschäumer.


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lässt. Wurde eine höher konzentrierte Slurry hergestellt, bestand die Gefahr von

Inhomogenitäten in Form von Materialverklumpungen. Zur Beurteilung der Slurry-

Qualitäten erfolgten diverse Laborprüfungen. Die Laborergebnisse legten jedoch offen,

dass diese Art und Weise der Compoundbehandlung einen nachträglich negativen

Einfluss auf die Qualität der ursprünglich hergestellten Compounds hat. Die FC-

Chemikalien lösten sich bei der Herstellung der Slurries teilweise wieder von den

Trägermaterialien ab und die Oleophobie nach erfolgter Blattbildung stellte sich

entsprechend niedriger ein. Diese Scherkraft-, Wasser- und Temperaturabhängigkeit

der Compounds mit der neuen Solvera PT 5071-Chemikalie war so nicht zu erwarten

und es mussten bei Grünewald an der Papiermaschine weitere Möglichkeiten der

geeigneten Dosierung unseres Compounds über Versuche ermittelt und abgesichert

werden. Nachdem zudem beim geplanten Betriebsversuch 300 kg Compound pro

Stunde und somit umgerechnet 3000 kg 10 %ige Slurry pro Stunde in die Misch- oder

Maschinenbütte dosiert werden müssten, erschien dieses verfahrenstechnische

Vorgehen auch aufgrund der damit benötigten Größe des Dispergieraggregates als

nicht zielführend. Daher mussten noch weitere alternative Möglichkeiten ausgearbeitet

werden.

Möglichkeit 2: Dosierung Compound als Feststoff direkt zum Pulper über den

Zellstoffeintrag der Papiermaschine.

Nachdem sich gezeigt hatte, dass sich unser Compound gut in Wasser dispergieren

lässt, wurde der Frage nachgegangen, inwieweit wir unser Compound in Festform

direkt im Papierherstellprozess dispergieren können. Eine mögliche Variante war,

Compound gemeinsam mit Zellstoff im Pulper zu dispergieren, in einer Bütte zu

stapeln und über die Stoffzentrale mit dem Zellstoff im geforderten Anteil zuzusetzen.

Um diese Möglichkeit exakt ausarbeiten zu können, musste im Vorfeld der genaue

verfahrenstechnische Ablauf der Grünewald Papiermaschine ermittelt werden.

Grünewaldangaben/Annahmen:

Zellstoffpulper mit 15 m³ Fassungsvolumen. Zellstoffaufgabe über Band 800

bzw. 1000 kg pro Auflöser

Ableeren in Ableerbütte mit 30 m³ Fassungsvolumen mit Stoffdichte 5,3% bzw.

6,6%. Stand kann auf 10 m³ zurückgefahren werden.

Verdünnung nach Ableerbütte auf 3,0% bis 3,5% Stoffdichte und Mahlung auf

max. 25 ºSR.

Gemahlener Zellstoff geht ohne Zwischenbütte direkt über Stoffzentrale in

Mischbütte.

In der Stoffzentrale wird neben Zellstoff (25% bzw. 15%) nur noch AP gefahren.

Trockenausschuss geht zur AP-Pulper, Nassausschuss geht in Ableerbütte AP,

daher keine Ausschussregelung in Stoffzentrale erforderlich.


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Arbocel-Versuch soll mit 5% Produktanteil auf 6000 kg Produktionsmenge pro

Stunde gefahren werden. Versuchsdauer +/- 3 Stunden.

Mischbütte und Maschinenbütte haben jeweils 30 m³ Volumen und Stoffdichte

3,0 bis 3,5% Stoffdichte und können auf min. 10 m³ zurückgefahren werden.

Mit diesen Grünewaldangaben/Annahmen wurden insgesamt 4 mögliche Einzel-

Varianten dieser Möglichkeit 2 ausgearbeitet, wobei die nachstehend beschriebene

Variante als für die günstigste Variante beurteilt wurde.

Variante: 25% Zellstoff, 1000 kg/Pulper:

Zellstoffeintrag 1500 kg/h über Stoffzentrale, bestehend aus 1200 kg Zellstoff und 300

kg Compound = 20% Anteil.

Die Ableerbütte ist zum Ableeren der ersten Auflösung mit Compound auf 10 m³

herabgefahren. Dabei sind in den 10 m³ Restvolumen 667 kg Zellstoff, sodass der

erste Pulper mit 667 kg Zellstoff und 333 kg Compound gefahren wird, damit die

Ableerbütte nach dem Ableeren der ersten Charge bereits der erforderliche Anteil

Arbocell in der Ableerbütte gegeben ist. Der 2. bis 5. Pulper werden mit 800 kg

Zellstoff und 200 kg Compound gefahren, sodass ein Compoundeinsatz von

insgesamt 1133 kg erfolgt. Diese 5 Pulper haben ein Volumen von 75 m³ mit 6,6%

Stoffdichte, mit 5 t Stoff, der für 3 h und 20 min Produktionszeit reicht.

Möglichkeit 3: Dosierung Compound als Feststoff direkt in die Misch- oder

Maschinenbütte.

Eine sehr einfache Überlegung war diese Möglichkeit 3, Compound ARBOCEL plus

BWW 40-50 FC in Festform erst direkt vor dem Stoffauflauf im Papierherstellprozess

direkt in der Misch- oder Maschinenbütte genügend homogen dispergieren zu können.

Dazu wurden vor dem geplanten Betriebsversuch positive Dispergierversuche bei der

Fa. Grünewald durchgeführt. Mit Hilfe händischer Zugabe unseres Compounds direkt

in die Misch- oder Maschinenbütte zeigte sich, dass auch dort ein genügend hoher

Dispergiergrad einstellbar war, notwendig um das Compound auch in kürzester Zeit

homogen im Prozesswasser zu verteilen.


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5.2.1.2 Steuerung der Dispergieranlage, Optimierung der Dispergierung

Von den aufgezeigten und geprüften Möglichkeiten der geeigneten Dispergierung und

Dosierung der Compounds wurde für den Betriebsversuch die Möglichkeit 3,

Dosierung Compound als Feststoff direkt in die Misch- oder Maschinenbütte, gewählt.

Es handelt sich hierbei um die mit Abstand einfachste und reproduzierbarste

Möglichkeit, die Compounds homogen und kontinuierlich in den Papierherstellprozess

einzuarbeiten. Zudem werden mit dieser Dosiermöglichkeit infolge der damit

verbundenen kurzen Verweilzeit der Compounds im Papierherstellprozess die

möglichen problematischen Wechselwirkungen mit Prozesswasser minimiert.

Der Vorteil gegenüber Möglichkeit 1 war, dass keine separate Dispergieranlage mit

aufwändigem Dispergierprozess im Vorfeld benötigt wird.

Der Vorteil gegenüber Möglichkeit 2 war die einfache Umsetzung und die

kontinuierliche Dosiermöglichkeit auch bei länger geplanten Produktionszeiten zur

Herstellung oleophober Papiere.

5.2.2 Produktionsversuche bei Fa. Grünewald

Es wurden alle Details für den Betriebsversuch besprochen und festgelegt. Der

Betriebsversuch wurde nach einem Reinigungsstillstand durchgeführt. Es wurde

sichergestellt, dass sich keine außerplanmäßigen Störstoffe wie z.B. Alaun in der

Anlage bzw. im Prozesswasser befanden. Die Papiere wurden mit Grünewald-

Standard-Pulp unter Verwendung von kationischer Stärke, optischem Aufheller,

Retentionsmittel und Entschäumer unter Zusatz des Compounds ARBOCEL plus

BWW 40-50 FC hergestellt. Die PM Grünewald wurde mit voller Kapazitätsauslastung,

d.h. mit einer maximalen Leistung von 6000 kg/h Papier und mit einer vollen

Geschwindigkeit von 800 m/min, gefahren. Das Prozesswasser war pH-neutral

eingestellt und hatte eine max. Temperatur von 35 °C. Bei einer anfangs gewählten

Compound-Dosierung von 5% bezogen auf Gesamt-Papierproduktion wurden

entsprechend 300 kg/h zugegeben. Die Dosierung des Compounds erfolgte mittels

Entleerung von 12 Säcken a 25 kg pro Stunde direkt in die Mischbütte, die der

Maschinenbütte vorgeschaltet war. Dadurch war die Verweilzeit des Compounds im

Prozesswasser sehr kurz (Verweilzeit wenige Minuten) und mögliche

Wechselwirkungen mit Prozesswasserchemikalien oder ein Ablösen von FC-

Chemikalien von den Faserträgerstoffen konnte damit minimiert werden. Die

Temperatur im Stoffauflauf betrug ca. 35 °C und war somit hinsichtlich

Temperaturbestängigkeit unserer Compounds als unkritisch anzusehen. Somit waren

neben der geeigneten und zuvor im Labor abgesicherten Rezeptur auch wichtige

prozesstechnische Kenngrößen an der PM vorteilhaft eingestellt. Nach Beginn des

Betriebsversuch mit der „neuen“ Rezeptur mussten lediglich noch wenige

verfahrenstechnische Parametereinstellungen an der PM vorgenommen und optimiert

werden. Nach Optimierung der Anlagenparameter wurde festgestellt, dass auch über


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einen längeren Produktionszeitraum die maximale Maschinenleistung mit voller

Maschinengeschwindigkeit eingestellt werden konnte. Erste Testergebnisse belegten,

dass oleophobe Papiere mit Grammaturen von 60 gsm produziert werden konnten. Mit

dem Ziel, fettdichte Papiere wie z.B. Bäckereitüten herzustellen, wurden im Anschluss

stufenweise entsprechend auch niedrigere Grammaturen bis hin zu 40 gsm Papieren

produziert. Zuletzt wurde auch noch die Dosierung von unserem Compound auf Basis

betriebswirtschaftlicher Überlegungen von 5 % auf 2,5 % halbiert, d.h. es wurden nur

noch 6 Säcke a 25 kg pro Stunde direkt in die Mischbütte entleert bzw. zugegeben.


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Alle produzierten Papiere im Überblick:

Papier Compound Dosierung Grammatur

1 ARBOCEL plus BWW 40-50 FC 0 % 60 gsm






7 ARBOCEL plus BWW 40-50 FC 2,5 % 40 gsm


Tabelle 11: Liste der im Betriebsversuch bei Grünewald hergestellten Papiere

5.2.3 Beurteilung der Qualitäten der im Betriebsversuch hergestellten Papiere

Alle produzierten Papiere wurden auf die jeweils eingestellte oleophobe Funktion

geprüft. Hierzu wurden Kit-Werte vermessen und Öltropfentests durchgeführt. Zudem

wurden noch wichtige papiertechnologische Kenngrößen der Papiere wie

Flächengewichte, Dicken, Volumen, Rohdichten, Reißlängen, Bruchkräfte,

Berstfestigkeiten, Glätten, Luftdurchlässigkeiten, Rutschwinkel, Weiße, Opazitäten,

Leimung mit Cobb-Wertbestimmungen und Aschewerte ermittelt. Die hergestellten

Papiere wurden abschließend mit Hilfe mikroskopischer und spektroskopischer

Analysenmethoden untersucht, Fluoranalysen ergaben Aufschluss über die

Retentionsgrade unserer Compounds.

Oleophobie/Hydrophobie:

Papier 1 2 3 4 5 6 7 8

Kit No. 0 3 5 5 5 5 3 0

Cobb60 g/m² 19,4 69,2 73 60,2 49,7 48,7 43,8 40,5

Tabelle 12: Werte Kit und Cobb60 der im Betriebsversuch bei Grünewald hergestellten Papiere

Alle hergestellten Papiere konnten durch Zugabe von Compound ARBOCEL plus

BWW 40-50 FC oleophob eingestellt werden. Bei Einsatz von 5 % Compound zum

Papier 2-6 hat man unabhängig der eingestellten Flächengewichte bei der

Papierherstellung Kit-Werte von ca. 5 erhalten. Selbst bei Einsatz von nur 2,5 %

Compound zum Papier 7 bei niedrigstem Flächengewicht von 40 gsm wurden Kit-

Werte von ca. 3 gemessen. Alle hergestellten Papiere entsprechen damit den

Anforderungen an Fettdichtigkeit für z.B. Bäckereitüten. Im Zuge der Gewinnung an

Oleophobie wird aber auch deutlich, dass sich die hydrophoben Eigenschaften der


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hergestellten Papiere reduzieren. Dies könnte jedoch, falls notwendig, durch Zugabe

von Leimungsmitteln wie z.B. ASA oder AKD korrigiert werden.

Fluoranalyse und Retentionsgrad:

Bild 13: Retention

Mit Hilfe der Fluoranalysen konnte bei dem großtechnischen hergestellten Papier 7 mit

einer Compounddosierung von 2,5 % ein Retentionsgrad des Compounds ARBOCEL

plus BWW 40-50 FC von ~ 90 % gemessen werden. Ein beachtlicher Retentionswert

vergleicht man mit den Retentionswerten von Chemikalien bei Herstellung oleophober

Papiere die derzeit nur ~ 60 % beträgt, wenn der Einsatz über die Masse erfolgt. Alle

die von Grünewald vor unserem gemeinsamen Förderprojekt im Zuge dieses

Förderprojektes durchgeführten Betriebsversuche mit Zugabe von FC-Chemikalien

über die Masse waren negativ, oleophobe Papiere konnten in keinem Falle hergestellt

werden. Es ist daher anzunehmen dass sich Retentionsgrade speziell von FC-

Chemikalien, zugegeben über die Masse, eher unter 60 % errechnen. Aufgrund ihrer

geringen Partikel- oder Tröpfchengröße werden diese FC-Chemikalien schlecht

retendiert und sehr leicht aus der Papierbahn ausgewaschen. Dadurch wird die

Effektivität der jeweiligen Additive begrenzt.

6. Fazit und Ausblick

Die Projektziele wurden im vollen Umfang erreicht. Im Rahmen des Förderprojekts wurden

hochfunktionale Compounds, d.h. Trägersysteme aus cellulosischen Fasern für flüssige und

feinteilige FC-Chemikalien als Zwischenprodukte für die weiterverarbeitende Papierindustrie

zur Herstellung oleophober Papiere entwickelt. Basierend auf den positiven Ergebnissen der

Laborphase aus Projektphase I wurde nun in Projektphase II im ersten Arbeitspaket ein

erfolgreiches Scale-Up in den Produktionsmaßstab ausgearbeitet. Mit Hilfe unterschiedlicher

Analysenmethoden wurden die entwickelten ARBOCEL plus BWW 40-50 FC Compounds in

den jeweiligen Entwicklungsstadien begleitend untersucht, entsprechend charakterisiert und

weiterentwickelt. Damit ist es gelungen, im großtechnischen Maßstab die im Labormaßstab


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erreichten Qualitäten nachzustellen. Die hergestellten Compounds ARBOCEL plus BWW 40-

50 FC sind entsprechend nach FDA und BFR auch für den Lebensmittelbereich zugelassen

und erlangen dadurch eine sehr große Anwendungsbreite. Im zweiten Arbeitspaket wurden

mit Hilfe von ARBOCEL plus BWW 40-50 FC positive Betriebsversuche zur Herstellung

oleophober Papiere mit unterschiedlichen Grammaturen und Dosiermengen in

Zusammenarbeit mit dem Industriepartner Firma Grünewald vorbereitet und durchgeführt. Es

wurde die Wirksamkeit und Umweltentlastung anhand der Endprodukte nachgewiesen. Die

hohe Wirksamkeit bei Einsatz von Compound über die Masse ergibt sich durch gemessene

Fettdichtigkeit der hergestellten Papiere und gemessene hohe Retentionsgrade von bis zu 90

%. Im Vergleich ergeben sich Retentionsgrade bei europäischen Papiermaschinen von

theoretisch max. 60 %, wenn der Einsatz von FC-Chemikalien über die Masse erfolgt -

frühere erste Versuche bei Fa. Grünewald haben beinahe keine Retention der eingesetzten

FC-Chemikalien in der Praxis erbracht.

Es besteht bei der Firma Grünewald ein Bedarf an fettdichten Papieren von ca. 10.000 to pro

Jahr. Es werden 2 Betrachtungsweisen hinsichtlich ökonomischer und ökologischer Vorteile

bei Verwendung unseres Compounds erstellt.

Betrachtungsweise 1: Vergleich Herstellung oleophober Papiere mit FC-Chemikalien

flüssig/ARBOCEL plus BWW 40-50 FC

Die Retentionsgrade mit FC-Chemikalien flüssig wurden bei der Fa. Grünewald nicht explizit

bestimmt, jedoch wird aufgrund früherer negativ durchgeführter Betriebsversuche hinsichtlich

Herstellung fettdichter Papiere mit FC-Chemikalien flüssig der mögliche Retentionsgrad eher

im unteren dargestellten Bereich angenommen. Es werden Vergleichsrechnungen mit

gleichen Einsatzmengen, d.h. 2,5 % FC-Chemikalien flüssig unter Berücksichtigung

unterschiedlicher theoretischer Retentionsgrade und 2,5 % ARBOCEL plus BWW 40-50 FC

mit gemessenem Retentionsgrad 90 % erstellt.


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mit FC-Chemikalien flüssig mit ARBOCEL plus BWW 40-50 FC Mögliche

Ersparnis

oleophober

Materialien [to]

Mögliche

Ersparnis

oleophober

Materialien [€]

Retentions-

grad [%]

Bedarf an FC-

Chemikalien

[to]

Retentions-

grad [%]

Bedarf an ARBOCEL

plus BWW 40-50 FC

[to]

60 417

90 278

139 2.777.778

50 500 222 4.444.444

40 625 347 6.944.444

30 833 556 11.111.111

20 1250 972 19.444.444

10 2500 2222 44.444.444

Tabelle 14: Ökonomischer und ökologischer Vergleich FC-Chemikalien flüssig versus

ARBOCEL plus BWW 40-50 FC

Der betriebswirtschaftliche Vorteil bei Verwendung ARBOCEL plus BWW 40-50 FC rechnet

sich aufgrund der höher erzielbaren Retentionsgrade von bis zu 90 % und auch aufgrund der

Tatsache, dass keine zusätzlichen Retentionsmittel benötigt werden. Vergleicht man diese

Compounddosierung mit Retentionsgrad 90 % mit einer FC-Chemikalien-Flüssigdosierung

mit angenommenem Retentionsgrad von 60 % errechnet sich eine Ersparnis alleine von FC-

Chemikalien in der Menge von 139 to im Wert von 2.777.778 € pro Jahr bei Herstellung von

10 000 to fettdichtem Papier. Vergleicht man die Compounddosierung mit einer FC-

Chemikalien-Flüssigdosierung mit angenommenem Retentionsgrad von nur 30 %, errechnet

sich eine Ersparnis alleine von FC-Chemikalien in der Menge von 556 to im Wert von

11.111.111 € pro Jahr bei Herstellung von 10 000 to fettdichtem Papier.

Der ökologische Vorteil durch Verwendung unseres Compounds zeigt sich durch eine höhere

Effektivität, belegt durch bessere Retention im Papier. Es werden Ressourcen geschont,

geringere Einsatzmengen an oleophoben Materialien eingesetzt und auf den Einsatz von

speziellen Retentionsmitteln verzichtet. Aufgrund hoher Retention des Additivs gibt es

geringere Belastungen des Wasserkreislaufs (weniger Frachten, weniger CSB…), außerdem

bedingt durch die schnellere Wirksamkeit des Additivs können Qualitätsabweichungen

schneller erkannt und entsprechend gegengesteuert werden kann. Geringere Ausschussrate,

weniger Abfall, weniger Betriebsdauer und weniger Kohlendioxid sind die Folge.

Betrachtungsweise 2: Vergleich Herstellung oleophober Papiere mit ARBOCEL plus BWW

40-50 FC direkt in die Masse / mit nachträglicher PE-Beschichtung

Die Herstellung oleophober Papiere mit Hilfe unserer Compounds ist in einem Arbeitsschritt

im wet end Bereich möglich. Bisher wird das bei Grünewald hergestellte Papier für die

weitere Einstellung der Oleophobie außer Haus in einem zweiten Arbeitsschritt

nachträglichen mit PE beschichtet. Diese PE-Beschichtung erfolgt im Ausland und es

müssen die Umweltaspekte der zusätzlichen Transportwege, der erhöhten Flächengewichte


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und der Recyclingthematik beachtet werden. Um ein oleophob beschichtetes Papier zu

erhalten, wird dabei mit einer zusätzlichen PE-Schicht mit einem Grammatur von ca. 20 gsm

beschichtet. Diese Beschichtung erfolgt mit Extruder und hat einen Energiebedarf von 350

kWh/to PE-Folienextrusion. Dem gegenüber steht ein Energiebedarf bei der Herstellung von

ARBOCEL plus BWW 40-50 FC von 1800 kWh/to. Vergleicht man nun den Energiebedarf

zur Herstellung von 10.000 Tonnen fettdichtem Papier, so errechnet sich bei der Variante mit

nachträglicher PE-Beschichtung aufgrund der hohen PE-Einsatzmengen bzw. notwendigen

hohen Grammaturen der extrudierten PE-Schicht ein Energiebedarf von Gesamt 1.166.667

kWh. Wählt man die Variante über Zugabe von ARBOCEL plus BWW 40 -50 FC direkt in die

Masse bei der Papierherstellung reduziert sich der notwendige Energiebedarf deutlich

aufgrund der geringen benötigten Einsatzmengen im Vergleich auf Gesamt 450.000 kWh.

PE-

Folienextrusion

mit ARBOCEL plus

BWW40-50FC

Grammatur Papier [gsm] 40 40

zusätzliche notwendige Grammatur der PE-Beschichtung [gsm] 20 0

Gesamt Grammatur Papier [gsm] 60 40

Um 10000 Tonnen fettdichtes Papier herzustellen,

benötigt man fettdichte Substanz [to]

3333 250

Energiebedarf zur Herstellung von 10.000 Tonnen

fettdichtem Papier [kWh]

1.166.667 450.000

Tabelle 15: Ökonomischer und ökologischer Vergleich der nachträglichen PE-Folienextrusion versus Einsatz

ARBOCEL plus BWW 40-50 FC

Auch das Recycling von PE-beschichtetem Papier ist problematisch. Dieses behandelte

Papier wird oft wieder in der Papierindustrie eingesetzt, allerdings muss ein Großteil als

Störstoffe, sogenannte Spuckstoffe, wieder aufwändig aus dem Papierkreislauf entfernt

werden. Eine weitere sinnvolle Verwertung dieser Spuckstoffe ist oft nicht mehr möglich.

Die erfolgreiche Umsetzung des Projekts versetzt Grünewald nun erstmals in die Lage,

oleophobe Papiere in marktfähigen Qualitäten zu produzieren und das Produktportfolio kann

entsprechend erweitert werden.

Die Vermarktung der Trägersysteme wird durch das weltweite Vertriebsnetz der JRS

erfolgen. Dazu sollen die Ergebnisse und Möglichkeiten in einem Vertriebsseminar mit allen

europäischen JRS-Außenbüros besprochen werden. Ebenso werden die Ergebnisse bei der

Zellcheming in Wiesbaden 2013 vorgestellt. Es sollen Kontakte zu anderen europäischen

Papierfabriken wie z.B. Fa. Pfleiderer in Deutschland und Nordic Paper Säffle in Schweden

aufgenommen werden. Zudem erfolgt ein Informationsaustauch mit der Papiertechnischen

Stiftung PTS. Das innerhalb von einigen Jahren erreichbare Potential für die angestrebte

Entwicklung wird auf deutlich mehr als 10.000 to geschätzt.

Entwicklung von Trägersystemen aus Naturfasern für den ... · ARBOCEL als Additive bei der...

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