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Erhöhung der Prozesssicherheit beim Nasspressen von Papierbah-nen durch Ermittlung und Verminderung der Ursachen von Filzver-schmutzung und vorzeitigem Filzverschleiss

KÜCHLER A.

Die Anforderungen an die Leistungsfähigkeit der Nasspressfilze haben sich durch maschi-nen- und verfahrenstechnischen Neuerungen drastisch erhöht. Besonders der Einsatz vonAltpapier und Calciumcarbonat und die Einführung der Schuhpressen trugen in erheblichemMaße zu einer Verminderung der Laufzeit der Nasspressfilze aufgrund erhöhter Verschmut-zungen bzw. erhöhten Verschleißes bei.

Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurden die Ursachen für Filzverschmutzung undFilzverschleiß neu analysiert und definiert. Hierzu wurden folgende Untersuchungen durch-geführt:

1. Statistische Erhebung von Filzlaufzeiten und Ermittlung der Auslegeursachen2. Beurteilung von Filzverschmutzung und Filzverschleiß gelaufener Nasspressfilze in Ab-

hängigkeit vom Rohstoff- und Hilfsmitteleintrag3. Analyse der Produktionsbedingungen (pH-Wert, Leitfähigkeit, Wasserhärte, kationischer

Bedarf oder chemischer Sauerstoffbedarf) zur Identifikation potenzieller Ursachen fürAusfällungen und Ablagerungen, die zur Verschmutzung von Nasspressfilzen führenkönnen

4. Untersuchung des Einflusses von Füllstoffen und Pigmenten auf den Verschleiß von O-berfläche und Grundgewebe von Nasspressfilzen im Labormaßstab

Anhand der Analyse gelaufener Nasspressfilze hinsichtlich ihres Verschleißes wurde festge-stellt, dass besonders die Nasspressfilze der Schuhpressen erheblichem mechanischen Ab-rieb unterliegen. Besonders davon betroffen sind die Übergabefilze an die Trockenpartie.

Diese Filze sind zusätzlich durch eine starke Kompaktierung gekennzeichnet, welche nichtnur durch Schmutzpartikel sondern auch durch die starke Deformation der Fasern der Vlies-auflage im Schuhpressnip hervorgerufen werden.

Erhöhter Verschleiß wurde ebenfalls bei Einsatz von Calciumcarbonat als Primärfüllstofffestgestellt. Es wurden höchste Festigkeitsverluste ermittelt.

Durch die Untersuchung der Nasspressfilze bezüglich ihrer anorganischen und organischenVerschmutzung wurde festgestellt, dass die Nasspressfilze der letzten Positionen der Pres-senpartien stärkerer Verschmutzung unterliegen. Hier sind wiederum die Übergabefilze andie Trockenpartie in höherem Maße betroffen.

An den Produktionsanlagen für altpapierhaltige Papiere wurde eine erhöhte Belastung derNasspressfilze mit organischen Bestandteilen erwartet. Dies traf jedoch nur auf einzelne Fil-ze zu. An den Produktionsanlagen für Papiere mittlerer Füllstoffgehalte wurde eine erhöhteVerschmutzung mit anorganischen Bestandteilen erwartet. Dies war nicht der Fall. Grunddafür ist das unter Berücksichtigung der jeweiligen potenziellen Verschmutzungsverursacherausgewählte Filzdesign und die darauf ausgerichtete Filzwäsche der einzelnen Produktions-anlagen.

Allgemein wurden an den Nasspressfilzen Anlagerungen gefunden, die Harze, Fette, Wach-se, Paraffine oder Binder aus dem Stoffeintrag, aus den eingesetzten Hilfsmitteln bzw. ausdem eigenen Ausschuss enthielten. Koazervate aufgrund von Ausfällungsreaktionen in denProzesswässern wurden nicht festgestellt. Jedoch weisen die Produktionsanlagen, bei denenCalciumcarbonat über das Altpapier in den Kreislauf eintragen wurde und die gleichzeitig

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pseudoneutral bzw. unter Einsatz von Aluminiumsulfat betrieben werden, ein erhöhtes Po-tenzial für Ausfällungsreaktionen auf.

1 Einleitung

Die Leistungsfähigkeit einer Pressenpartie wird wesentlich durch das Entwässerungsvermö-gen (Wasserdurchlässigkeit) der Nasspressfilze bestimmt, messbar in dem nach dem Pres-sen erzielten Trockengehalt der Papierbahn. Kann ein Nasspressfilz die geforderte Entwäs-serungsleistung nicht mehr erbringen, so muss er ausgelegt werden. Die Abnahme der Ent-wässerungsleistung kann hierbei verschiedene Ursachen haben und einzelne Abschnitte o-der den gesamten Filz betreffen.

Der Einsatz von Sekundärfasern, geschlossene Wasserkreisläufe, die Umstellung auf Neut-ralfahrweise, der Einsatz von Calciumcarbonat und allgemein steigende Anteile an Füllstof-fen, Prozess- und Papierchemikalien bedeuten heute eine wesentlich intensivere Belastungmit Schmutzstoffen für den Nasspressfilz [1], [2].

Neue Papiermaschinenkonzepte, wie einfach oder doppelt befilzte Schuhpressen imSchreib- und Druckpapiersektor, führen als Folge geringerer Entwässerungbeschleunigungim Pressnip zu geringerer Durchschwemmung des Filzes und somit zu erhöhter Ablagerungvon Füllstoff- und Schmutzpartikeln im Schuhpressfilz [3].

Die Folge erhöhter Schmutzablagerungen im Nasspressfilz können eine Reihe von Proble-men sein wie

• schlechte Abnahme der Papierbahn,• häufigere Abrisse,• Verlust an Entwässerungsleistung,• Erhöhung des Filzverschleißes,• kürzere Filzlaufzeiten,• mindere Papierqualität.

Moderne Filze müssen also immer höheren Beanspruchungen bei der Stoffentwässerung füreine hohe Produktivität und eine hohe Qualität der herzustellenden Papiere genügen.

2 Theoretisches [4]

Ein moderner Pressfilz besteht im wesentlichen aus 2 Komponenten:

• dem relativ inkompressiblen Träger (Grundgewebe = engl. base fabric)• dem stark kompressiblen Faservlies (engl. batt)

Abb. 1 Aufbau eines Nasspressfilzes

3

Der inkompressible Träger wird durch ein Gewebe gebildet, welches im Allgemeinen ausmonofilen oder multifilen Polyamidfäden gefertigt wird. Dieses Grundgewebe kann einlagigoder mehrlagig sein. Das Trägergewebe verleiht dem Nasspressfilz seine Festigkeit. Es dientals Wasserspeicher, von dem aus das im Nip ausgepresste Wasser in das Presswalzenprofilablaufen kann bzw. aus dem Nip transportiert wird. Selbst bei Erreichen hoher Anpressdrü-cke muss das Grundgewebe diesen Wasserabfluss sicherstellen.

Das relativ inkompressible Grundgewebe ist beidseitig durch ein weiches kompressibles Fa-servlies abgedeckt, um einerseits Markierungen des Trägers am Papier zu verhindern undum andererseits das Grundgewebe vor Abrieb zu schützen.

Dieses Faservlies wird durch einen Vernadelungsprozess an Ober- und Unterseite mit demTräger verbunden. An der papierberührenden Seite werden die Filze meist in der soge-nannten Sandwich-Bauweise benadelt, d.h. es wird in zwei Schichten (Auflagen) benadelt,wobei die obere Schicht aus Fasern größerer Feinheit besteht.

Neueste Entwicklungen im Bereich der Filzherstellung sind sogenannte Laminatfilze, derenTrägergewebe aus mehreren (zwei bis drei) von einander unabhängigen Grundgeweben o-der Fadengelegen bestehen, welche erst durch den Vernadelungsprozess miteinander ver-bunden werden oder auch Filze, welche im Mehrschichtvliesaufbau (mehr als 2 Auflagen ander Oberseite) benadelt werden.

Durch diese Neuerungen wird höchste Entwässerungsleistung bei geringster Verschmut-zungs- und Markierungsneigung erzielt. Feineres Gewebe auf der papierberührenden Seiteist für geringste Markierungsneigung und eine gleichmäßige Druckverteilung im Nip verant-wortlich. Gröberes Gewebe auf der Walzenseite sorgt für ausreichende Festigkeit und einengeringeren Fließwiderstand.

Nasspressfilze weisen aufgrund ihres Strukturaufbaus unterschiedliche funktionelle Eigen-schaften auf. Folgende Kennwerte sind dabei von Bedeutung:

• Flächengewicht• Dicke• Luftdurchlässigkeit/Porosität• Kompressibilität/Elastizität• Durchflusswiderstand/Wasseraufnahme

Welches Filzdesign letztendlich für einen bestimmten Papierherstellungsprozess angewandtwird, wird im Wesentlichen von folgenden Faktoren bestimmt:

• Pressenkonzept (Walzenpresse, Schuhpresse, Einfach- oder Doppelbefilzung)• Pressposition (Oberfilz, Unterfilz, Pick-up, 1. Presse, 2. Presse etc.)• PM-Geschwindigkeit• herzustellende Papier- oder Kartonqualität (Oberflächeneigenschaften, Flächenmasse)• eingesetzte Roh- und Hilfsstoffe (Wasserrückhaltevermögen)• Füllstoffart und –menge• Temperatur

3 Durchführung

3.1 Erhebung von Filzlaufzeiten

Im ersten Untersuchungsschritt wurden Filzlaufzeiten statistisch erfasst bzw. ausgewertet.Hierfür wurden zwei Produktionsanlagen ausgewählt, welche ähnliche Produktions- bzw.Pressbedingungen aufwiesen.

4

Tab. 1: Kenndaten der Papiermaschinen (PM)

PM1 PM2Geschwindigkeit 1000 m/min 900 m/minFlächengewicht 35-50 g/m² 50-90 g/m²Presse konventionelle Walzenpresse mit

3 Pressnipskonventionelle Walzenpresse mit3 Pressnips

Fahrweise neutral neutralFaserstoffe Holzschliff/Zellstoff Holzschliff/ZellstoffFüllstoffgehalt 5-8 % Calciumcarbonat 20-25 % Calciumcarbonat

Für die Auswertung wurden die gelaufenen Nasspressfilze 4 Kategorien zugeordnet, welchewie folgt definiert waren:

Tab. 2: Definitionen der Auslegekriterien für Nasspressfilze

Kategorie Kriterienverbraucht „Normale“ Abnutzung des Filzes während seiner Laufzeit. Der Filz

kann die von ihm geforderte Leistung nicht mehr erbringen.

vorzeitig gewechselt Der Filz musste vorzeitig wegen Filzbeschädigung gewechselt wer-den, z.B. durch unsachgemäße Behandlung (chemisch / mecha-nisch), Beschädigungen beim Auslegen bzw. Anfahren, Maschi-nenbruch, starke Verschmutzung durch z.B. Pigmente, Hilfsmittel

Reklamation Der Filz führte zu Laufproblemen durch z.B. Vibrationen, Profil-probleme, falsche Qualität, „Haaren“, Randwellen, schlechte Ent-wässerung

gezielt gewechselt Der Filz wurde bei einem planmäßigem Stillstand gewechselt wiez.B. bei Betriebsurlaub, Maschinenreparatur, Feiertagsstillstand.

3.2 Analyse der organischen und anorganischen Verschmutzung und des Ver-schleißes gelaufener Nasspressfilze

Im nachfolgenden Schritt wurden ausgelegte Nasspressfilze ausgewählter Produktionsanla-gen hinsichtlich Art und Ausmaß der Verschmutzung und des Verschleißgrades analysiertund anschließend unter Beachtung der Herstellungsbedingungen bewertet. Es sollten mög-lichst allgemeingültige, für die gesamte Papierindustrie nutzbare Ergebnisse erzielt werden.Dahingehend wurden Produktionsanlagen ausgewählt, bei denen eine hohe Belastung derFilze mit Verunreinigungen bzw. ein hoher Verschleiß erwartet wurde.

Tab. 3: Kennwerte der Produktionsanlagen

Produktionsanlage Druckpapier 1 Druckpapier 2 Druckpapier 3 KartonFlächenmasse 45-60 50-100 45-60 190-600Rohstoffe altpapierhaltig

(DIP)holzfrei altpapierhaltig

(DIP)altpapierhaltig

Füllstoffe Sekundärfüllstoffaus Altpapier

Primärfüllstoff:Calciumcarbonat

Sekundärfüllstoffaus Altpapier,Primärfüllstoff:Calciumcarbonat

Füllstoffgehalt (%) ca. 8 20-25 30-33 ca. 15Pressenaufbau 2 Schuhpressen 1 Walzenpresse 2 Schuhpressen 1 Walzenpresse

Die an den einzelnen Presspositionen eingesetzten Filzqualitäten konnten anhand der physi-kalischen Eigenschaften wie folgt definiert werden:

5

Tab. 4: Physikalische Kennwerte der untersuchten Nasspressfilze

Produktions-Anlage

Pressposition Flächenmasse

(g/m²)

Dicke

(mm)

Luftdurch-lässigkeit

(l/dm²*min)

Festigkeit

(daN/cm)

1. Presse Oberfilz 1228 2,7 155 661. Presse Unterfilz 1234 2,7 155 662. Presse Oberfilz 1209 2,7 154 66

Druckpapier 1

2. Presse Unterfilz 1218 2,7 144 66

1. Presse Unterfilz 1499 3,2 173 127Druckpapier 2

2. Presse Oberfilz 1687 3,6 149 124

1. Presse Unterfilz 1225 2,6 165 661. Presse Oberfilz 1236 2,7 157 662. Presse Oberfilz 1243 2,6 132 66

Druckpapier 3

2. Presse Unterfilz 1229 2,6 140 66

Karton 1. Presse Unterfilz 1331 3,5 640 124

An den gelaufenen Nasspressfilzen wurden folgende Bestimmungen durchgeführt:

• Physikalische Prüfung bezüglich Flächenmasse, Dicke, Luftdurchlässigkeit und Reißfes-tigkeit

• Ermittlung der Gesamtschmutzmenge und deren Zusammensetzung unterteilt in Papier,Anorganika (Asche) und Organika (DCM)

• Identifizierung der anorganischen Bestandteile mittels Röntgenmikroanalyse (RMA)• Identifizierung der Organika mittels Fourier-Transform-Infrarot-(FTIR)-Spektroskopie• Visuelle Beurteilung der Verschmutzung und des Verschleißes gelaufener Nasspressfilze

mittels Rasterelektronenmikroskop.

3.3 Analyse von Produktionsbedingungen

Im weiteren Untersuchungsschritt wurden die Herstellungsbedingungen einzelner Produkti-onsanlagen im Hinblick auf ihren Beitrag zu Ausfällungsreaktionen und Ablagerungen imNasspressfilz analysiert. Hierfür wurden Stoffproben von Stoffauflauf, Siebwasser 1 undSpritzwasser von Produktionsanlagen entnommen.

Folgende Parameter wurden zur Beurteilung herangezogen:

• pH-Wert,• Störstoffgehalt,• Leitfähigkeit,• Wasserhärte,• Chemischer Sauerstoffbedarf (CSB).

6

3.4 Untersuchung des Einflusses der Füllstoffe und Pigmente auf den Filzver-schleiß im Labormaßstab

Die Versuche wurden mittels dem Abrasionstester AT 2000 durchgeführt. Die Messeinrich-tung wurde zur Prüfung der Verschleißwirkung von Füllstoffen und Pigmenten an Kunststoff-sieben entwickelt. Maß für die Verschleißwirkung ist der dabei auftretende Gewichtsverlustdes Siebes während der Beanspruchung in Milligramm. Dafür werden an einer Nicht-Abrieb-und an einer Abriebstelle je eine kreisrunde Probe ausgestanzt und gravimetrisch erfasst.Für die hier durchgeführten Versuche wurden die Kunststoffsiebe gegen die zu testendenFilzmaterialien ausgetauscht. Als Maß für die Verschleißwirkung am Filz dient der währenddes Tests auftretende Dickenverlust. Dieser wird nach dem Abra-sionstest zwischen einerNicht-Abrieb- und einer Abriebstelle ermittelt.

Die für die Untersuchung verwendeten Filzmaterialien wurden nach folgenden Kriterien aus-gewählt:

a) Variation des Trägers bei identischer Vliesauflage (Filz A-C)b) Variation der Faserfeinheit der Vliesauflage bei identischem Grundgewebe

(Filz C-E)c) Variation der Auflagenmenge und Faserfeinheit der Vliesauflage (Filz E)

Tab. 5: Kenndaten der Filzmuster

Filzmuster Trägeraufbau Auflagenmenge der pa-pierberührenden Seite

(g/m²)

Faserfeinheit(dtex)

A zweilagig(Gelege oben, Gewebe unten) 500 11

B einlagig (Gewebe) 500 11C zweilagig (Gewebe) 500 11D zweilagig (Gewebe) 500 22

E zweilagig (Gewebe) obere Lage 200untere Lage 250

2244

Hinsichtlich der zu testenden Füllstoffe und Pigmente sollte im Besonderen auf die Ver-schleißwirkung verschiedener Calciumcarbonattypen unterschiedlicher Teilchengröße, Zu-sammensetzung und Struktur eingegangen werden. Zur Überprüfung der Allgemeingültigkeitder Methode wurden auch Kaolin, Titandioxid und Talkum in die Versuchsdurchführung ein-bezogen. Die nachfolgende Tabelle 6 stellt die verwendeten Füllstoffe und deren Kennwerteim Überblick dar.

7

Tab. 6: Kennwerte der Füllstoffe und Pigmente

Füllstoffart chemische Zusam-mensetzung und

Struktur

Anteil der Teilchen<2µm(%)

Mittlerer Teilchen-grössendurchmesser

d50 (µm)Marmor 90 1,03Marmor 60 1,53Kreide 60 1,76

NatürlichesCalciumcarbonat(GCC)

Calcit 60 1,63Skalenoeder 90 1,0Skalenoeder 50 2,0Rhomboeder 50 2,0

65 % Skalenoeder35 % Aragonit 85 0,8

PräzipitiertesCalciumcarbonat(PCC)

Aragonit 90 0,5689 % Kaolinit 90 -Kaolin89 % Kaolinit 57 1,7

Kalziniertes Kao-lin 40 5,8

Titandioxid Anatas - 0,3-0,5Talkum 70 -

4 Ergebnisse

4.1 Statistische Erhebung von Filzlaufzeiten

Aus der statistischen Erfassung von Filzlaufzeiten wurden unterschiedliche Problemfelder anden einzelnen Produktionsanlagen ermittelt. An der Produktionsanlage PM1 belief sich derAnteil „vorzeitig“ ausgelegter Nasspressfilze auf beachtliche nahezu 32%.

Abb. 2 Prozentuale Verteilung der Auslegeursachen an PM1

PM1

Filz gezielt gewechselt

30,5%

Filz verbraucht

30,5%Filz vorzeitig gewechselt

31,7%

Reklamation7,3%

8

Wie die nachfolgende Abb. 3 verdeutlicht, wurde dieser Anteil hauptsächlich an der 3. Pres-se erzeugt.

Abb. 3 Prozentuale Verteilung der an PM 1 an den einzelnen Pressstellen ausgelegten Nass-pressfilze je Kategorie

Die wirtschaftliche Seite eines Filzwechsels stellt sich beispielsweise wie folgt dar:

Im Normalfall ist für einen Filzwechsel vom Abstellen der Maschine bis zur Wie-deraufnahme der Produktion ein durchschnittlicher Zeitaufwand von 1,5 h zu ver-anschlagen. Die durch einen Produktionsausfall dieser Länge verursachte Min-derproduktionsmenge entspricht bei einer Papiermaschine zur Herstellung vonz.B. ULWC-Papier bei mittlerer Produktionsgeschwindigkeit und mittlerer Arbeits-breite, einem Wert von ca. 16 TDM. Die Kosten für einen Nasspressfilz einer sol-chen Anlage liegen bei ca. 26 TDM. Somit entstehen Gesmatkosten in der Höhevon 42 TDM für 1 Filzwechsel.

4.2 Verschmutzung und Verschleiß gelaufener Nasspressfilze

Die Untersuchung gelaufener Nasspressfilze hinsichtlich ihres Verschmutzungs- und Ver-schleißgrades brachte folgende Ergebnisse:

0

5

10

15

20

25

30

Pick-up 1. Presse Unterfilz 3. Presse

Filz vorzeitiggewechselt

Filz gezieltgewechselt

Filz verbraucht

Reklamation

PM1 - Anteile der an den einzelnen Pressstellen ausgelegten Nasspressfilze je Kategorie (%)

9

4.2.1 Kompaktierung von Schuhpressfilzen

Die Papiererzeugungsanlagen, welche unter Verwendung von Schuhpressentechnologie ar-beiten, weisen eine höhere Kompaktierung (geringere Luftdurchlässigkeit) im Vergleich zuFilzen für Walzenpressen auf.

Abb. 4 Luftdurchlässigkeiten der an den Produktionsanlagen gelaufenen Nasspressfilze

Durch die visuelle Beurteilung der Filzoberflächen (papier- als auch walzenberührende Sei-ten) mittels Rasterelektronenmikroskop wurde festgestellt, dass die Kompaktierung derSchuhpressfilze wesentlich durch die Deformation der Fasern der Vliesauflagen (elastisch,plastisch) hervorgerufen wird (siehe Abb. 5).

Abb. 5 Oberflächenaufnahme der papierberührenden Seite eines Nasspressfilzes der Druckpa-pieranlage 3 (Unterfilz 2. Presse, Vergrößerung 100)

Ursache sind die im Schuhpressnip deutlich höheren Linienkräfte und längeren Verweilzeitenim Vergleich zum Walzenpressnip. Die Deformationen führen zu einer Verdichtung derVliesauflage, wodurch das Entwässerungsverhalten und die Wasserdurchlässigkeit der Filzebeeinflusst werden.

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35

40

45

50

Druckpapier 1DIP'h

Druckpapier 3DIP'h

Druckpapier 2h'fr

KartonAP'h

1. PresseUnterfilz

1. PresseOberfilz

2. PresseOberfilz

2. PresseUnterfilz

Luftdurchlässigkeit gelaufener Nasspressfilze (%)

Schuhpressen

Walzenpressen

10

4.2.2 Verschleiß von Schuhpressfilzen

Die Vliesauflagen der Schuhpressfilze unterliegen zusätzlich einer starken mechanischenBeanspruchung. Im Besonderen sind davon die walzenberührenden Seiten der Vliesaufla-gen der Nasspressfilze betroffen, wie die Oberflächenaufnahme eines Schuhpressfilzes inder nachfolgenden Abb. 6 zeigt.

Abb. 6 Oberflächenaufnahme der walzenberührenden Seite eines Nasspressfilzes der Druckpa-pieranlage 3 (Unterfilz 2. Presse, Vergrößerung 50)

Trotz der starken Verschleißerscheinungen an den Oberflächen der Schuhpressfilze fällt dermechanischen Abrieb (ausgedrückt im Flächenmasseverlust) deutlich geringer im Vergleichzu den untersuchten Nasspressfilzen für Walzenpressen aus. Ausnahme bilden die Überga-befilze an die Trockenpartie.

Abb. 7 Flächenmasseverluste der an den Produktionsanlagen gelaufenen NasspressfilzeDie Ursache für den erhöhten Flächenmasseverlust bzw. den mechanischen Verschleiß derÜbergabefilze ist die Differenzgeschwindigkeit zwischen Pressen- und Trockenpartie.

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Druckpapier 1DIP'h

Druckpapier 3DIP'h

Druckpapier 2h'fr

KartonAP'h

1. PresseUnterfilz

1. PresseOberfilz

2. PresseOberfilz

2. PresseUnterfilz

Flächenmasseverlust gelaufener Nasspressfilze (%)

Übergabefilze an die Trockenpartie

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4.2.3 Verschleiß bei holzfreier calciumcarbonathaltiger Produktion

Stärkerer mechanischer Verschleiß wurde bei holzfreier aber calciumcarbonathaltiger Pro-duktion festgestellt. Dort wurde bei einer sehr geringen Gesamtzahl von Nipdurchläufen derNasspressfilze je Laufzeit (10*105 bzw. 13*105) ein erhöhter Flächenmasseverlust (sieheAbb. 7) sowie der höchste Festigkeitsverlust (siehe Abb. 8) festgestellt.

Abb. 8 Festigkeitsverluste der an den Produktionsanlagen gelaufenen Nasspressfilze

Die Ergebnisse zum Einfluss von Calciumcarbonat (Struktur, Zusammensetzung) auf denVerschleiß von Nasspressfilzen wird unter Pkt. 4.3 wiedergegeben.

4.2.4 Grundgewebeverschleiß gelaufener Nasspressfilze

Neben dem Oberflächenverschleiß (Vliesauflagen) sollte auch der mechanische Abrieb anden Grundgewebefäden der gelaufenen Nasspressfilze visuell beurteilt werden. Hierbei wur-de festgestellt, dass z.B. die von weniger mechanischem Verschleiß (Flächenmasseverlust,siehe Abb. 7) gekennzeichneten Nasspressfilze der Druckpapieranlage 1 an den Grundge-webefäden starken Abrieberscheinungen aufwiesen (siehe Abb. 9).

Abb. 9 REM-Aufnahme eines Grundgewebefadens (Druckpapier 1)

0

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40

50

60

70

80

0 10 20 30 40 50 60 70 80

Gesamtzahl der Durchläufe im Nip je Laufzeit (x10^5)

Druckpapier 1(DIP'h)

Druckpapier 2(h'fr)

Druckpapier 3(DIP'h)

Karton (AP'h)

Festigkeitsverlust gelaufener Nasspressfilze (%)

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Im Vergleich dazu konnten an den Grundgewebefäden aus dem Filz der Druckpapieranlage2, welche durch starken Flächenmasse- als auch Festigkeitsverlust gekennzeichnet waren,nur geringe Verschleißerscheinungen an den Grundgewebefäden festgestellt werden.

Abb. 10 REM-Aufnahme eines Grundgewebefadens (Druckpapier 2)

Da nur einzelne Fäden der Grundgewebe analysiert werden konnten, ist eine allgemeingülti-ge Beurteilung für den Gesamtfilz schwierig.

4.2.5 Verschmutzung gelaufener Nasspressfilze

Die nachfolgende Abb. 11 stellt die Gesamtschmutzanteile der untersuchten Nasspressfilzedar. Diese bewegen sich im Bereich zwischen 4 und 8 % des Filzgewichts.

Abb. 11 Gesamtschmutzanteile der an den Produktionsanlagen gelaufene Nasspressfilze

Die Abbildung verdeutlicht, dass die Verschmutzung der Nasspressfilze mit organischen o-der anorganischen Bestandteilen tendenziell an den letzten Presspositionen einer Pressen-partie höher ausfällt. Die Übergabefilze an die Trockenpartie sind stärker mit Gesamt-schmutz belastet. Durch den Zug der Papierbahn ist es möglich, dass Partikel (Fasern, Füll-stoffe) in den Filz eingerieben werden und dort verbleiben.

Die detaillierte Aufschlüsselung des Gesamtschmutzes in Organika, Anorganika und Papier-stoff brachte folgendes Ergebnis:

0

2

4

6

8

10

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Druckpapier 1DIP'h

Druckpapier 3DIP'h

Druckpapier 2h'fr

KartonAP'h

1. PresseUnterfilz

1. PresseOberfilz

2. PresseOberfilz

2. PresseUnterfilz

Gesamtschmutzanteil (%)

Schuhpressen: Übergabefilze an die Trockenpartie Walzenpressen

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An den Nasspressfilzen der Produktionsanlagen für altpapier- bzw. DIP-haltige Papiere undKartons wurde, aufgrund des erhöhten Eintrages von potentiellen Störstoffen, eine höhereVerschmutzung der Nasspressfilze mit organischen Bestandteilen im Vergleich zur holzfreienPapierherstellung erwartet. Dies traf nur auf einzelne Filze wie z.B. den Unterfilz der 1. Pres-se von Druckpapier 1 bzw. der Anlage zur Herstellung von Karton, den Oberfilz der 2. Pressevon Druckpapier 1 und den Unterfilz der 2. Presse von Druckpapier 3 zu (siehe Abb. 12).

Abb. 12 Organischer Anteil vom Gesamtschmutz der untersuchten Nasspressfilze

Alle anderen Filze befanden sich bezüglich ihrer organischen Verschmutzung auf ähnlichemNiveau wie die aus der holzfreien Produktion.

An den Produktionsanlagen, welche unter Einsatz erhöhter Füllstoffmengen arbeiten (Druck-papier 2/ Druckpapier 3/ Karton), wurde eine erhöhte Verschmutzung der Nasspressfilze mitanorganischen Bestandteilen (Füllstoffen/ Pigmenten) erwartet. Dies traf wiederum nur aufeinzelne Filze wie z.B. Unterfilz der 2. Presse von Druckpapier 3 zu (siehe Abb. 13).

Abb. 13 Anorganischer Anteil (Asche) vom Gesamtschmutz der untersuchten Nasspressfilze

0

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Druckpapier 1 Druckpapier 3 Druckpapier 2 Karton

1. PresseUnterfilz

1. PresseOberfilz

2. PresseOberfilz

2. PresseUnterfilz

Organischer Anteil (%)

DIP'h

AP'h

h'fr

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30

40

50

60

70

80

90

100

Druckpapier 1DIP'h

Druckpapier 3DIP'h

Druckpapier 2h'fr

KartonAP'h

1. PresseUnterfilz

1. PresseOberfilz

2. PresseOberfilz

2. PresseUnterfilz

Asche (%)

20-25 %

Füllstoffgehalt im Papier/Karton

30-33 %ca. 8 %

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Grund dafür ist das unter Berücksichtigung der jeweiligen potenziellen Verschmutzungsver-ursacher ausgewählte Filzdesign und die darauf ausgerichtete Filzwäsche der einzelnenProduktionsanlagen.

4.2.6 Einfluss der Herstellungsbedingungen

An den in diesem Projekt untersuchten Nasspressfilzen wurden keine Koazervate aufgrundvon Ausfällungsreaktionen in den Stoff- und Prozesswässern ermittelt. Es wurden haupt-sächlich Anlagerungen auf Basis von Harzen, Fetten, Wachsen, Paraffinen oder Bindern ausdem Stoffeintrag, von den eingesetzten Hilfsmitteln bzw. aus dem eigenem Ausschuss fest-gestellt.

Die Prozessparameter haben im Allgemeinen folgenden Einfluss:

Tab. 7: ProzessparameterpH-Wert Mit zunehmenden pH-Wert (Umstellung der Fahrweise von sauer auf neutral) ist

aufgrund einer erhöhten Extraktionswirkung besonders bei holzhaltigen bzw. alt-papierhaltigen Papieren mit einem Anstieg des Störstoffgehaltes zu rechnen.

Temperatur Der Anstieg der Temperatur, bedingt durch die Einengung der Wasserkreisläufe,führt ebenfalls zu einer verstärkten Extraktionswirkung, was in der Folge zu ei-nem Anstieg des Störstoffgehaltes führt. Hohe Temperaturen in Zusammenhangmit hohen CSB-Werten begünstigen zudem das unerwünschte mikrobielleWachstum.

Leitfähigkeit Die Leitfähigkeit ist ein Maß für den Elektrolytgehalt bzw. die „Aufsalzung“ imSiebwasserkreislauf. Der Elektrolytgehalt wird vor allem durch die Gegenionenvon polymeren Hilfsmitteln verursacht. Diese Salze können unter Umständen zuAusfällungsreaktionen, folglich zu Ablagerungen und auch zur Beeinträchtigungder Produktqualität führen.

Wasserhärte Die Wasserhärte (vorwiegend Calciumhärte) ist ein Maß für die Konzentration anCalciumionen im Siebwasserkreislauf. Calciumcarbonat zersetzt sich bei Vor-handensein von Säure in Ca2+-Ionen und Kohlendioxid. Das Kohlendioxid erhöhtden Gasgehalt im System und fördert bei entsprechender Turbulenz dieSchaumbildung. Mit dem Schaum können hydrophobe Bestandteile ungewolltflotiert werden und zu Ablagerungen führen. Sind entsprechende Elektrolytevorhanden, kann es zu Ausfällungsreaktionen z.B. von Gips (CaSO4) kommen.

CSB Der Chemische Sauerstoffbedarf (CSB) ist ein Maß für die Belastung des Kreis-laufwassers mit organischen Substanzen. Er gewinnt besonders durch die Neut-ralfahrweise, die fortlaufende Kreislaufeinengung und auch durch den hohenAnteil von Altpapier im Stoffeintrag an Bedeutung. Ein hoher CSB-Wert ist einIndiz für gute Bedingungen für mikrobielles Wachstum, das seinerseits zu Pro-duktionsbeeinträchtigungen aufgrund von Schleimanreicherungen und folglichauch zu Ablagerungen im Nasspressfilz führen kann.

Die Analyse der Prozessparameter ergab, dass besonders die Produktionsanlagen welcheCalciumcarbonat in den Siebwasserkreislauf einbringen und gleichzeitig unter pseudoneut-raler Fahrweise bzw. der Verwendung von Aluminiumsulfat produzieren (Karton, Wellenstoff)eine erhöhte Belastung des Kreislaufwassers mit Calcium-Ionen und Elektrolyten aufweisen(siehe Tab. 8). Dadurch erhöht sich das Potenzial für Ausfällungen an Sieben, Filzen undMaschinenteilen.

15

Tab. 8: Messergebnisse an der Produktionsanlagen

Produktion Messstelle Fest-stoff-gehalt

(%)

pH StörstoffgehaltVerbrauch an 0,001

N Poly-DADMAC(ml/10g Probe)

Leitfähig-keit

(mS/cm)

Ge-samt-härte

(°dH)

CSB

(mg O2/l)

Stoffauflauf 1,2 7,2 1,10 2,25 19,6 1086

Siebwasser 0,9 7,1 1,06 2,26 18,0 1043

Druckpapier 1

Spritzwasser 0,06 7,8 0,14 0,40 18,9 56

Stoffauflauf 0,7 6,9 0,51 1,40 33,5 551Siebwasser 0,2 7,1 0,45 1,58 38,0 507

Druckpapier 2

Spritzwasser 0,01 7,1 - 1,41 32,1 469Stoffauflauf 1,7 7,4 0,14 1,68 34,1 730Siebwasser 0,4 7,4 0,13 1,69 33,7 786

Druckpapier 3

Spritzwasser 0,2 7,7 0,60 0,42 32,6 70Karton Siebwasser

Decke0,20 6,7 0,9 3,04 73,6 2160

Wellenstoff Siebwasser 0,35 6,7 5,8 4,92 127,0 7433Dekorpapier Stoffauflauf 1,12 5,2 0,057(KPVS) 0,85 6,4 187

Siebwasser 0,54 6,3 0,051(KPVS) 0,69 6,3 180

Spritzwasser 0,07 6,5 0,049(KPVS) 0,61 6,4 181

Die erhöhten Messwerte dieser Produktionsanlagen wurden durch nachfolgend aufgeführteReaktionen hervorgerufen:

Reaktion 1: [Al(H2O)6]3+ ↔ [Al(H2O)5OH]2+ + H+

Reaktion 2: CaCO3 + 2H+ ↔ Ca2+ + H2O + CO2↑

Reaktion 3: Ca2+ + SO4 2- ↔ CaSO4

Aluminiumsulfat reagiert mit steigendem pH-Wert zu hydroxylgruppenhaltigen Aquokomple-xen und H+. Calciumcarbonat reagiert unter diesen Voraussetzungen sofort mit den H3O+-Ionen zu Hydrogencarbonat Ca(HCO3)2 und Kohlensäure. Letztere zerfällt in Kohlendioxidund Wasser. Hydrogencarbonat hat eine um eine Potenz höhere Löslichkeit als Calciumcar-bonat, was in einem drastischen Anstieg der Wasserhärte resultiert.

Bei Überschreiten des temperatur- und konzentrationsabhängigen Löslichkeitsproduktes vonCaSO4 (KL = 1,5 * 102 mol/l) kommt es durch Vorliegen von Ca2+-Ionen und SO4

2--Ionen zurAusfällung von Gips.

Die nachfolgenden Abbildung stellt die Entwicklung der Wasserhärte, der Leitfähigkeit, despH-Wertes und des kationischen Bedarfes über einen Zeitraum von 48 h bei der Dosierungvon konzentrierter Aluminiumsulfatlösung mit einem pH-Wert von 2-3 (ca. 350 g otro/l) in einleicht saures Stoffsystem (pH 6,2) einer Produktionsanlage mit ca. 20 % Calciumcarbonat-anteil dar.

16

Abb. 14 Einfluss konzentrierter Aluminiumsulfatdosierung in ein calciumcarbonathaltiges System

Im Ergebnis wurde ein Anstieg des Aluminiumsulfatdosierung von 0,5 l/min auf 2,0 l/min zurSicherstellung der Harzleimung verzeichnet. Damit verbunden war die Erhöhung der Leitfä-higkeit von 3,5 auf 4,2 mS/cm. Die Wasserhärte stieg von 38 auf 46 °dH an, was ein deutli-ches Anzeichen für Zersetzungsreaktionen von Calciumcarbonat war. Allein der kationischeBedarf sank aufgrund des zunehmenden Anteils von „Fixiermittel“ von 0,12 ml pro 10 g Pro-be auf 0,04 ml ab.

Durch Reduzierung der Konzentration der Aluminiumsulfatlösung und folglich der Erhöhungdes pH-Wertes der Aluminiumsulfatlösung war es möglich, Einfluss auf die Zersetzungsreak-tion von Calciumcarbonat zu nehmen, wie die nachfolgende Untersuchung zeigt.

Abb. 15 Entwicklung der Prozessparameter durch Reduzierung der Aluminiumsulfatkonzentration

Die Verdünnung der Aluminiumsulfatlösung von 350 auf 50 g/l bei konstanter Dosiermengebrachte eine Verminderung der Wasserhärte und der Leitfähigkeit des Kreislaufwassers inakzeptable Bereiche. Der Verzicht auf Aluminiumsulfat führte zu einer weiteren Reduzierungder Belastung des Siebwassers mit Calcium-Ionen und Elektrolyten (SO4

2-).

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55Zeit (h)

0

0,02

0,04

0,06

0,08

0,1

0,12

0,14

0,16

0,18

0,2AluminiumsulfatmengeLeitfähigkeitWasserhärtepH-WertKat. Bedarf

Alu

min

ium

sulfa

tmen

ge (l

/min

) / p

H-W

ert

Was

serh

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(x10

in °d

H) /

Lei

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gkei

t (m

S/cm

)kationischer B

edarf (ml / 10 g Probe)

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

Wasserhärte Leitfähigkeit kationischerBedarf

Gesamt-retention

350 g/l / pH 2,7

50 g/l / pH 3,5

ohne

Wasserhärte (x10 in °dH) / Leitfähigkeit (mS/cm)kationischer Bedarf (ml/10 g Probe) / Gesamtretention (x10 in %)

17

Aufgrund der geringeren Zugabemenge von Aluminiumsulfat wurde ein leichter Anstieg desStörstoffgehaltes verzeichnet. Positiv wirkte sich diese Maßnahme auf die Gesamtretentionaus, welche von 70 auf 85 % gesteigert werden konnte. Das Siebwasser wird weniger mitFein- und Füllstoffen belastet, was sich auch vorteilhaft auf das Durchschwemmen vonSchmutzpartikeln durch den Filz auswirkt.

Ein anderer negativer Effekt des Zusatzes von konzentriertem Aluminiumsulfat ist die Reak-tion der freien Calcium-Ionen z.B. mit Harzleim zu Calcium-Harzseifen (Resinat) in Form vonklebrigen Ablagerungen.

Zusammenfassend kann gesagt werden, dass beim Vorliegen hoher Mengen an Calcium-carbonat im sauren pH-Bereich das System instabil wird und es zu einer pH-Drift zu höherenpH-Werten kommt. Der Verbrauch an Aluminiumsulfat steigt an und zusätzlich tretenSchaumprobleme aufgrund der Kohlendioxidentwicklung auf. Im weiteren werden Retenti-onsprobleme beobachtet, der Hilfsmittelverbrauch steigt an, wodurch es wiederum zu einererhöhten Kreislaufbelastung und mit der Zeit zu einer Verschlammung und Verschleimungdes Systems kommt. Bei Vorliegen anaerober Verhältnisse kommt es im Extremfall aufgrundder gestiegenen Aktivität sulfatreduzierender Bakterien zum typischen H2S-Geruch.

Die Bedingungen im Siebwasser der Wellenstoffanlage sprechen für solche Verhältnisse(siehe Tab. 8: CSB = 7433 mg O2/l). Die Wellenstoffanlage weist im Vergleich der Produkti-onsanlagen mit 127 °dH die höchste gemessene Wasserhärte auf.

4.3 Verschleißtests im Labormaßstab

Im Labormaßstab sollte mittels Abrasionstester AT 2000 Filzverschleiß simuliert und beurteiltwerden. Die durchgeführten Versuche erbrachten nicht die erwarteten Ergebnisse. In ersterLinie wurde festgestellt, dass der Abrasionstester AT 2000 nur zur Beurteilung des Oberflä-chenverschleißes von Nasspressfilzen herangezogen werden kann. Der für Calciumcarbonattypische Grundgewebeverschleiß ist nicht erfassbar.

Die Durchführung von Verschleißtests mit Calciumcarbonaten unterschiedlicher Zusammen-setzung (Marmor, Calcit, Kreide) aber gleicher Teilchengröße (60 % < 2µm) ergab, dass jefeiner die Oberfläche der Vliesauflage ist, desto weniger Partikel in die Vliesauflage und folg-lich auch in das Grundgewebe des Filzes einzudringen vermögen. D.h. der Verschleiß findetvorwiegend an der Oberfläche statt. Dies wird durch den höheren Dickenverlust des Filzesmit den Fasern größerer Feinheit (11 dtex) vergleichend zum Filz mit Fasern geringererFeinheit (22 dtex) in der Vliesauflage sichtbar (siehe Abb. 16).

Abb. 16 Oberflächenverschleiß natürlicher Calciumcarbonate

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11 dtex 22 dtex 22 + 44 dtex

Marmor60% <2µm

Calcit60% <2µm

Kreide60% <2µm

Dickenverlust (%)

18

Ein Vergleich der Verschleißwirkung von natürlichem Calciumcarbonat dem von präzipitier-tem Calciumcarbonat ist in der nachfolgenden Abb. 17 dargestellt. Die Verschleißtests wur-den zur besseren Beurteilung einerseits am Kunststoffsieb und andererseits an einem aus-gewählten Filz (Muster A) durchgeführt.

Abb. 17 Verschleißwerte unterschiedlicher natürlicher und präzipitierter Calciumcarbonate

Es wurde festgestellt (siehe Abb. 17), dass der Verschleiß der einzelnen Calciumcarbonatty-pen am Filz zum Großteil deutlich höher ausfällt als am Kunststoffsieb. So wies z.B. Marmormit einer Teilchengröße von 60 % <2µm am Kunststoffsieb einen Abrieb von ca. 8 % auf. ImVergleich dazu wurden bei Calcit und Kreide gleicher Teilchengröße ein Verschleiß von nur 1% ermittelt. Ursache für die abrasive Wirkung von Marmor ist dessen größere Härte (3 Mohs)gegenüber Calcit und Kreide (1 Mohs). Am Filz hingegen wurden nahezu gleiche Ver-schleißwerte von z.B. Marmor und Calcit (ca. 7,5 %) ermittelt.

Im weiteren wurde festgestellt, dass am Kunststoffsieb alle PCC-Typen einen deutlich gerin-geren Verschleiß im Vergleich zu Marmor aufweisen. Gegenüber Calcit bzw. Kreide wurdenhöhere Verschleißwerte ermittelt. Im Gegensatz dazu wurden bei den Verschleißtests amFilz ähnlich hohe Verschleißwerte von PCC im Vergleich zu GCC erzielt.

Für eine aussagekräftige Interpretation der Ergebnisse sind weitere Untersuchungen erfor-derlich.

5 Schlussbetrachtung

Anhand dieser Ergebnisse lassen sich folgende Maßnahmen für die Erhöhung der Standzeitvon Nasspressfilzen ableiten:

Maßnahme 1: Die statistische Erfassung von Filzlaufzeiten und deren Auslege-ursachenist Grundvoraussetzung für eine mögliche Erhöhung der Standzeit von Nasspressfilzen.

Maßnahme 2: Bezüglich des hohen Verschleißes und der Deformation der Filzfaser be-steht hier die Forderung an die Filz- bzw. Monofilhersteller noch formstabilere und ver-schleißfestere Fasern zu entwickeln.

0

2

4

6

8

10

12

Mar

mor

90

% <

2µm

Mar

mor

60%

<2µ

m

Cal

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60%

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m

Krei

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m

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90%

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50%

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50

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2µm

Skal

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Arag

onit

85%

<2µ

m

Arag

onit

90 %

<2µ

m

Sieb

Filz A

Gewichts- bzw. Dickenverlust (%)

GCC PCC

19

Maßnahme 3: An der Papiermaschine auftretende Differenzgeschwindigkeiten zwischenPressen- und Trockenpartie und deren Einfluss auf die Verschmutzung oder den Verschleißder Filze, gilt es gegebenenfalls zu überprüfen.

Maßnahme 4: Bei erhöhten Verschmutzungen der Nasspressfilze sollte auch die Filzkon-ditionierung überprüft werden [8], [9], [10].

Maßnahme 5: Zur Vermeidung der Zersetzungsreaktion von Calciumcarbonat bei gleich-zeitiger Verwendung von Aluminiumsulfat ist es in erster Linie wichtig, sprunghafte Verände-rung der Stoffparameter zu vermeiden. Voraussetzung dafür ist in diesem Fall die Verdün-nung der Aluminiumsulfatlösung. Diese Maßnahme gilt auch für andere chemische Hilfsmittelwie z.B. weitere Fixiermittel, Harzleim als auch Filzwaschmittel.

Beim Eintrag chemischer Hilfsmittel zur Stoffsuspension sollte zusätzlich eine gute Durchmi-schung gewährleistet werden. Wasserhärte und Leitfähigkeit des Systems können dadurchnachhaltig gesenkt werden.

Maßnahme 6: Zur Verringerung hoher Störstoffgehalte, CSB-Werte als auch Harzgehaltedient der Einsatz von Fixiermitteln bzw. adsorptiver Substanzen wie z.B. Talkum. Bei hohenBelastungen der Kreislaufwässer, wie z.B. in der Wellenstoffanlage, ist es von Vorteil, eineTrennung von Wasserkreisläufen der Stoffaufbereitung und der Papiermaschine oder dieAbtrennung von stark belastetem Filtrat z.B. durch Eindickung vorzunehmen.

Wie aus der Literatur [19] schon hinreichend bekannt ist, werden im weiteren bei hohen Pro-zesstemperaturen kurze Verweilzeiten im alkalischen Milieu angeraten. Schmutz- oderschädliche Bestandteile, wie z.B. Harze, können auch durch Abtrennung aufgrund physikali-scher oder chemischer Eigenschaften durch Flotation, Sortierung, Wäsche oder Filtrationerfolgen.

Maßnahme 7: Der Einsatz des Abrasionstesters AT2000 als Meßgerät zur Prüfung derVerschleißwirkung von Füllstoffen und Pigmenten an Filzen gilt es weiter zu überprüfen.

6 Wirtschaftliche Bedeutung der Ergebnisse

Mehr denn je ist die Papierindustrie in den letzten Jahren gefordert, qualitativ hochwertigeProdukte mit niedrigen Kosten herzustellen.

Durch schlecht arbeitende Pressfilze muss der Papierhersteller mit einer Reihe von wirt-schaftlichen und qualitativen Nachteilen rechnen. Außerplanmäßige Maschinenstillstände zurReinigung von Pressen und Filz oder zum vorzeitigem Bespannungswechsel erhöhen dieKostenbelastung bzw. senken die Maschineneffizienz.

Vor allem die Änderungen der Herstellungsbedingungen als auch maschinen- und verfah-renstechnische Neuerungen haben die Anforderungen an die Leitungsfähigkeit der Nass-pressfilze weiter erhöht.

Durch Ermittlung der aktuellen Ursachen von Filzverschmutzung und Filzverschleiß kann einwesentlicher Beitrag zur Erhöhung der Prozesssicherheit beim Nasspressen von Papierbah-nen geleistet werden, welcher nachhaltig zur Erhöhung der Laufzeit, zur Verminderung desAusschussanteiles aufgrund mangelnder Papierqualität und folglich zur Kostensenkung bei-trägt.

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Danksagung

Das Forschungsvorhaben AiF 11904 N wurde durch die Arbeitsgemeinschaft industriellerForschungsvereinigungen e.V. (AiF), Köln, mit finanziellen Mitteln des Bundesministeriumsfür Wirtschaft (BMWi), Berlin, gefördert. Dafür sei an dieser Stelle gedankt.

Weitere Informationen unter: A.Kuechler@ptspaper.de

Autor:Dipl.-Ing. (FH) A. KüchlerPTS MünchenHeßstr. 13480797 München

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