Optimierung des Einsatzes von optischen Aufhellern in gestriche-nen Papieren unter besonderer Berücksichtigung der Wirkung vonCarriern

LIND A.

Zusammenfassung

Die Nachfrage nach immer weißeren Druck- und Pressepapieren steigt nach wie vor an. Beider Herstellung von gestrichenen Papieren werden zur Weißesteigerung hauptsächlich so-genannte optische Aufheller eingesetzt. Dabei handelt es sich um fluoreszierende Substan-zen, die UV-Licht absorbieren und dadurch angeregt werden, sichtbares blaues Licht zu e-mittieren und die somit die Weiße des Papiers erhöhen.

Um die Wirkung der optischen Aufheller voll nutzen zu können, müssen sie auf geeigneteTrägermaterialien fixiert werden. Da die Hauptbestandteile der Streichfarben den optischenAufhellern jedoch nur ungenügende „Aufziehmöglichkeiten“ bieten, müssen diese durch dieZugabe spezieller Substanzen, sogenannter Carrier, geschaffen oder erweitert werden.

Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurde die Wirksamkeit verschiedener Aufheller-Carrier-Kombinationen bezüglich der Erhöhung des Weißgrades untersucht. Dabei wurdenUnterschiede sowohl in der Entwicklung der optischen als auch der Streichfarbeneigen-schaften zwischen den unterschiedlichen Trägermaterialien festgestellt. Bei Untersuchungenan der VESTRA-Versuchsstreichanlage konnte gezeigt werden, dass Einflüsse vonseitendes Auftragsaggregates, der Maschinengeschwindigkeit oder Trocknungsführung auf dieAufhellung des Papiers vernachlässigbar gering sind.

1 EinleitungDie werbende Industrie, aber auch die Endverbraucher, messen die Qualität eines Druckpa-piers häufig an seinen optischen Eigenschaften. Dabei kommt der Weiße eine besondersgroße Bedeutung zu. Weder die Entwicklung anderer, mit der gedruckten Information kon-kurrierender Medien wie Fernsehen, Telefon oder Computer, noch die Forderung nach um-weltgerechterer Papierherstellung konnten die Nachfrage nach weißen und hochweißen Pa-piersorten beeinträchtigen. Dies gilt sowohl für die ungestrichenen „Naturpapiere“ als auchfür gestrichene Papiere [1, 2, 3].

Zur Verbesserung des Weißgrades von gestrichenen Papieren werden hauptsächlich opti-sche Aufheller eingesetzt, da diese eine Weißeverbesserung ermöglichen, ohne die Hellig-keit des Papiers zu vermindern. Werden optische Aufheller optimal eingesetzt, können be-reits geringe Mengen den Weißgrad nachhaltig verbessern.

2 Theoretisches zu optischen AufhellernOptische Aufheller (OBA) sind fluoreszierende Substanzen, die UV-Licht im Bereich von et-wa 350 ... 360 nm absorbieren und dadurch angeregt werden, sichtbares blaues Licht zuemittieren. Dies erhöht das vom Papier emittierte Licht und damit auch dessen Weißgrad.Zusätzlich unterstützt wird dieser Effekt durch die Verschiebung des Farbtons von gelb nachblau.

In der Papierindustrie werden als optische Aufheller hauptsächlich Derivate der Diaminostil-ben-Disulfonsäure verwendet. Diese unterscheiden sich in der Anzahl löslichmachenderSulfogruppen an den Molekülen, durch die die Affinität zu Cellulose gezielt verändert werdenkann. Damit können Eigenschaften für verschiedene Anwendungszwecke eingestellt werden.

Für die Streicherei kommen dabei Produkte mit vier bzw. sechs Sulfogruppen zur Anwen-dung, die die folgenden Eigenschaften aufweisen:

Tetra-Sulfo-Typen Hexa-Sulfo-Typen� mittlere Affinität zu Cellulose� gute Löslichkeit� Einsatz in Masse und Strich� geringe Kosten

� geringe Affinität zu Cellulose� minimale Migration ins Rohpapier� sehr gute Löslichkeit� Einsatz hauptsächlich im Strich� hohe Kosten

Die Tetra-Sulfo-Typen sind dabei die am häufigsten eingesetzten optischen Aufheller. Beidiesen preisgünstigen Produkten tritt der Vergrünungseffekt jedoch bereits bei relativ gerin-gen Einsatzmengen auf, wodurch auch der Weißeentwicklung des Papiers Grenzen gesetztsind. Für hohe Weißgrade werden deshalb die teureren Hexa-Sulfo-Typen eingesetzt. Beidiesen Typen ist allerdings eine hohe Dosierung nötig, was sich letztlich auch auf die Kostendes Endproduktes niederschlägt.

Vor diesem Hintergrund wurden in den letzten Jahren Spezialtypen an Aufhellern entwickelt,die hohe Weißgrade bei geringen Einsatzmengen ermöglichen sollen. Diese Spezialtypensind Derivate einer Distyryl-Diphenyl-Verbindung, die eine verdoppelte Stilbeneinheit aufwei-sen [4, 5, 6].

Optische Aufheller können nur fluoreszieren, wenn sie in ausreichendem Maße an einemTrägermaterial, dem sogenannten Carrier, fixiert sind. In Papierstreichfarben verwendetePigmente oder die häufig eingesetzten synthetischen Bindemittel sind nicht in der Lage, denAufhellern in ausreichendem Maße Aufziehmöglichkeiten zu bieten. Um eine optimale Auf-hellerwirkung zu erzielen, ist deshalb die Zugabe geeigneter Trägermaterialien erforderlich.

Die erwünschte aufhellende Wirkung kann durch die Erhöhung der Zugabemengen an opti-schen Aufhellern nicht beliebig gesteigert werden. Eine Überdosierung des Aufhellers kannsich z.B. in der Vergrauungs- bzw. Vergrünungstendenz des Aufhellers zeigen. Ist die Ober-fläche des Trägermaterials mit Aufhellermolekülen gesättigt, fixiert sich bei weiterer Zugabeder Aufheller auf sich selbst und bildet dabei „Schichtpakete“. Werden diese Schichtpaketedurch weitere Aufhellerzugabe dicker, kommt es zu einer Absorption von violettem Licht. DieHelligkeit des Papiers sinkt und es erhält einen Grünstich (siehe auch Abbildung 2). Beihöherer Zugabe von Aufhellern ist somit eine Weißesteigerung nicht mehr möglich.

3 Durchführung der Untersuchungen

3.1 Durchführung der Streichversuche

Die Ergebnisse dieses Forschungsvorhabens wurden zu einem großen Teil durch Handra-kelversuche ermittelt. Dazu wurde auf ein vorgestrichenes Offsetpapier ein Deckstrich mitfolgender Rezeptur aufgetragen:

60 Teile Calciumcarbonat40 Teile Kaolin12 Teile Bindemittel1 Teil Netzmittelx Teile Carrierx Teile Optischer Aufheller

Die Mengen an Carrier und optischem Aufheller wurden je nach Zielstellung des jeweiligenVersuches variiert. Die Streichfarben wurden auf einen Feststoffgehalt von etwa 62% und

einen pH-Wert von 8,8 (mit Hilfe von Natriumhydroxid) eingestellt. Das Auftragsgewicht be-trug jeweils etwa 20 g/m2 (einseitiger Strich).

Als Carrier fanden Produkte mit folgenden Spezifikationen Anwendung:

Polyvinylalkohol (PVAL)Carboxymethylcellulose (CMC)Polyvinylpyrrolidon (PVP)Polyethylenglycol (PEG)

Außerdem wurden zwei Versuche an der VESTRA-Versuchsstreichanlage durchgeführt. Dererste beschäftigte sich mit dem Einfluss des Auftragsaggregates und der Maschinenge-schwindigkeit auf die Wirkung optischer Aufheller. Bei diesem Versuch wurde die oben an-gegebene Rezeptur verwendet. Es wurden 1 Teil PVAL als Carrier und 1,25 Teile optischerAufheller (Tetra-Sulfo-Typ) eingesetzt, das Auftragsgewicht betrug etwa 10 g/m2.

Beim zweiten Versuch wurde das Pigmentverhältnis leicht geändert (70 Teile CaCO3 und 30Teile Kaolin), der Carriergehalt (PVAL) betrug 1 Teil und der Aufhellergehalt (Hexa-Sulfo-Typ) 0,8 Teile. Die Maschinengeschwindigkeit betrug etwa 1.200 m/min, der Strichauftrag 11g/m2.Tabelle 1 Spezifikationen der verschiedenen eingesetzten Carrier

Viskosität einer 4%igenLösung* in mPas

Hydrolysegrad inMol.% K-Wert Molmasse in

g/molPVAL 1 4 98 - -PVAL 2 20 98 - -CMC 1 > 20 - - -CMC 2 25 ... 50 - - -CMC 3 50 ... 200 - - -PVP 1 - - 27 ... 30 -PVP 2 - - 52 ... 62 -PVP 3 - - 88 ... 96 -PEG 1 - - - 2.000PEG 2 - - - 20.000* im folgenden auch Viskositätskennzahl genannt

Außerdem wurden weitere PVAL-Typen mit verschiedenen Verseifungskennzahlen und Vis-kositätskennzahlen, PVAL_1 kationisiert sowie eine Mikrocellulose eingesetzt.Diese Carrier wurden z.T. auch gemeinsam in der Streichfarbe verwendet. Für die im Textbzw. den Diagrammen nicht weiter spezifizierten „Mischungen“ gilt:

PVAL + CMC A = 0,5 Teile PVAL_1 + 0,5 Teile CMC_2PVAL + CMC B = 0,75 Teile PVAL_1 + 0,25 Teile CMC_2

3.2 EigenschaftsbestimmungDie Streichfarben wurden anhand ihrer Brookfield-Viskositäten charakterisiert. Angegebensind im folgenden die Viskositäten bei einer Spindeldrehzahl von 100 min-1 (BV 100).

Die Prüfung der optischen Eigenschaften beinhaltete die Bestimmung des ReflexionsfaktorsR457 (Weißgrad) mit und ohne UV-Filter, der farbmetrischen Bestimmung von Farbabständennach der CIELAB-Formel und der Bestimmung des Weißgrades CIE. Gemessen wurde miteinem Elrepho 2000 (D 65, 10°, Messblende 27mm). Die Aufhellung wurde durch Differenz-bildung aus dem Weißgrad, gemessen mit und ohne UV-Anteil, bestimmt.

Bei der Bestimmung der Lichtechtheit wurden die Papierproben gemeinsam mit einem Licht-echtheitsmaßstab (der sogenannten Wollskala) unter Normklima (23°C, 50% rel. Luftfeuchte)einer Xenonlichtbestrahlung ausgesetzt.Die Lichtechtheitsstufen entsprechend der Wollskala sind wie folgt (DIN EN ISO 105-B02(09.99)):

Lichtechtheitsstufe Lichtechtheit0 keine1 sehr geringe2 geringe3 mäßige4 ziemlich gute5 gute6 sehr gute7 vorzügliche8 hervorragende

4 Ergebnisse der Untersuchungen

4.1 Einsatz von Polyvinylalkohol (PVAL)Eine vergleichende Untersuchung von zehn verschiedenen Polyvinylalkoholen mit Versei-fungsgraden zwischen 80 und 98 Mol.% und Viskositätskennzahlen zwischen 4 und 26mPas brachte die folgenden Ergebnisse:

� Die Polyvinylalkoholtypen unterscheiden sich in ihrer Wirkung als Carrier für optischeAufheller nicht signifikant.

� Eine Abhängigkeit der Aufhellung vom Hydrolysegrad oder der Viskositätskennzahl desPVAL konnte nicht festgestellt werden.

� PVAL-Typen mit höherer Viskositätskennzahl sind aufgrund einer höheren Streichfarben-viskosität in ihrer Einsatzmenge begrenzt.

Wird, bei konstanter Menge an optischem Aufheller, die Menge an PVAL in der Streichfarbeerhöht, steigt der Weißgrad der Papiere an und der Farbton verschiebt sich deutlich in denblau-roten Bereich.

Bei konstanter Menge PVAL nimmt die Aufhellung anfangs stark zu, wenn die Menge anoptischem Aufheller erhöht wird. Die Kurve wird mit höheren Aufhellermengen flacher, er-reicht ein Maximum und nimmt dann wieder stark ab. In Abbildung 1 ist dieser Sachverhaltfür verschiedene Mengen PVAL dargestellt.

80

90

100

110

120

130

140

0 2 4 6 8 10

Teile optischer Aufheller

5 T PVAL2,5 T PVAL1 T PVAL0,5 T PVAL

Abbildung 1: Weißgrad der mit PVAL_1 als Carrier gestrichenen Papiere in Abhängig-keit von der Zugabemenge an optischem Aufheller (Tetra-Sulfo-Typ)

Die Abnahme des Weißgrades geht mit einer Vergrünung des Papiers einher, die aus derDarstellung des Farbortes der Papiere abgelesen werden kann, vgl. Abbildung 2.

Mit der Zugabe des optischen Aufhellers zur Streichfarbe nimmt anfangs der Blauanteil desreflektierten Lichtes zu, d.h. der b*-Wert nimmt ab. Der Farbort wandert gleichzeitig in denroten (a*-) Bereich. Nach einem Maximum im Blaubereich kommt es zu einer Umkehrung;mit weiterer Steigerung der Aufhellermenge nimmt der gelb-grün-Anteil zu, die Vergrünungdes Papiers beginnt.

-10

-8

-6

-4

-2

0-1 0 1 2 3

a*

- b*SteigendeMengen OBA

a*-a*

b*

-b*

Abbildung 2: Farbortentwicklung mit steigender Menge an optischem Aufheller (Tetra-Sulfo-Typ) in der Streichfarbe bei 1 Teil PVAL_1

4.2 Einsatz verschiedener Substanzen als Carrier

CarboxymethylcelluloseDie drei untersuchten CMC-Typen mit unterschiedlicher Viskosität der 4%igen Lösungenunterschieden sich sowohl in der Entwicklung der optischen Eigenschaften als auch derStreichfarbenviskositäten nicht signifikant voneinander. Die Streichfarben, die mit CMC her-gestellt wurden, wiesen jedoch hohe Viskositäten auf, wodurch der Einsatz auf relativ gerin-ge Mengen reduziert wird.

PolyvinylpyrrolidonIn Bezug auf die optischen Eigenschaften der gestrichenen Papiere unterschieden sich diedrei untersuchten PVP-Typen praktisch nicht. Die Viskosität der Streichfarben ist jedoch umso höher, je höher die K-Zahl des PVP ist. Bei geringen Mengen optischem Aufheller in derStreichfarbe kann es durch Wechselwirkungen des PVP mit dem Aufheller zu einem starkenViskositätsanstieg kommen, vgl. Abbildung 3 .

400

500

600

700

800

900

1000

0 1 2 3 4

Teile optischer Aufheller

Abbildung 3: Brookfield-Viskosität bei 100 rpm bei Einsatz von 1 Teil PVP 1 als Carrier(optischer Aufheller vom Tetra-Sulfo-Typ)

PolyethylenglykolIn den durchgeführten Versuchen erwies sich die Carrierwirkung der verwendeten PEG–Ty-pen als nur sehr gering. Eine alleinige Verwendung als Carrier in Streichfarben scheint auf-grund dieser Ergebnisse nicht empfehlenswert. Wird PEG jedoch aus anderen Gründen derStreichfarbe zugegeben, kann es einen Beitrag zur Aufhellungssteigerung leisten.

MikrocelluloseAus dem Einsatz in der Papiermasse ist bekannt, dass Cellulose ein sehr guter Träger füroptische Aufheller ist. Eine Carrierwirkung in der Streichfarbe konnte hier dagegen nichtfestgestellt werden.

Kationisiertes PolyvinylalkoholAls anionische Produkte werden optische Aufheller durch gleichzeitig anwesende kationischeStoffe in ihrer Wirksamkeit beeinträchtigt. Durch den Einsatz eines mit Hilfe von Polydadmackationisierten PVAL_1 sollten solche negativen Auswirkungen auf die Aufhellerwirkung aus-geschaltet werden. Die Verwendung des kationisierten PVAL ergab jedoch nur geringe Auf-hellungswerte; das Viskositätsverhalten der Streichfarben erwies sich als ungünstiger als dasmit unbehandeltem PVAL.

4.3 Carriergemische aus Polyvinylalkohol und CarboxymethylcelluloseIn der folgenden Abbildung 4 ist die Aufhellung der Papiere, die mit verschiedenen Verhält-nissen von PVAL und CMC in der Streichfarbe gestrichen wurden, gegenübergestellt.

101112131415161718

Teile PVAL/CMC

Abbildung 4: Aufhellung der Papiere, die mit verschiedenen Verhältnissen vonPVAL_1 und CMC_2 gestrichen wurden (1,5 Teile optischer Aufheller, Tetra-Sulfo-Typ)Dabei traten z.T. recht erhebliche Unterschiede auch bei gleichem Carriergehalt auf. Mit 0,5Teilen PVAL kann im Vergleich zur selben Menge CMC z.B. eine Aufhellung von 12,8 ge-genüber 11,5 erreicht werden.

Mit verschiedenen Kombinationen von Carrierart, Carriertyp und Aufhellermenge könnenjedoch auch gleiche Aufhellungswerte erreicht werden. In Tabelle 2 sind unterschiedlicheVerhältnisse von PVAL, CMC und optischem Aufheller (OBA) wiedergegeben, mit denen imuntersuchten Streichfarbensystem eine gleiche Aufhellung erreicht wurde.

Tabelle 2 Carrier-Aufhellerkombinationen zum Erreichen gleicher Aufhellungswerte

Erreichte Aufhellung 14,5 15,1Teile PVAL_1 0,5 0,75 1 1 1Teile CMC_2 0,5 0,25 0 0 0,5Teile OBA 1,5 1,5 1 1,5 1

Zum einen kann durch den Einsatz von mehr PVAL (bei konstantem Gesamt-Carriergehalt)die Menge an optischem Aufheller reduziert werden, ohne dass die Aufhellung vermindertwird. Dies kann andererseits auch durch eine höhere Menge an CMC (bei gleicher MengePVAL) erreicht werden.

Durch die unterschiedlichen Carrier und Carriergehalte ändern sich jedoch auch die Streich-farbeneigenschaften und hier vor allem deren Viskosität. Abbildung 5 gibt die Aufhellungund die Brookfield-Viskosität bei 100 rpm der Papiere bzw. Streichfarben mit PVAL, CMCund Gemischen aus beiden wieder.

9

10

11

12

13

14

15

16

PVAL 1 CMC 2 PVAL + CMC APVAL + CMC B

Eingesetzter Carrier (je 1 Teil)

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800AufhellungBV (100)

Abbildung 5: Vergleich von Brookfield-Viskosität und Aufhellung bei Einsatz ver-schiedener Carrier bzw. Carriergemische in der Streichfarbe (1,5 Teile optischer Auf-heller des Tetra-Sulfo-Typs)Mit Mischungen aus Polyvinylalkohol und Carboxylmethylcellulose können Aufhellungen desPapiers erreicht werden, die fast die von „reinem“ Polyvinylalkohol erreichen. Aus Abbildung5 wird auch deutlich, wie durch verschiedene Mischungen der Carrier Einfluss auf die Visko-sität der Streichfarbe genommen werden kann. Bei höheren Gehalt an Carboxymethylcellu-lose ist auch die Viskosität der Streichfarbe deutlich höher als bei weniger oder gar keinerCMC.

4.4 Vergleich verschiedener CarrierIm Rahmen des Forschungsvorhabens wurden neben PVAL und CMC noch weitere Sub-stanzen auf ihre Eignung als Carrier für optische Aufheller untersucht. Ein Vergleich der Auf-hellung bei jeweils gleichem Aufheller- und Carriergehalt ist in Abbildung 6 wiedergegeben.

6

8

10

12

14

16

Eingesetzter Carrier

Abbildung 6: Aufhellung der mit jeweils einem Teil optischem Aufheller (Tetra-Sulfo-Typ) und dem jeweiligen Carrier gestrichenen Papiere

Aus dieser Darstellung sind die großen Unterschiede in der Wirkung der verschiedenen Sub-stanzen als Träger für die optischen Aufheller erkennbar. Die zur Streichfarbe gegebene Mik-rocellulose und die Polyethylenglycol- (PEG-) Typen bewirken nur eine sehr geringe Aufhel-lung. Mit CMC und Polyvinylpyrrolidon (PVP) können dagegen gute Werte erreicht werden.Polyvinylalkohole weisen jedoch die beste Wirkung auf. Durch die verschiedenen Kombinati-onen von PVAL und CMC können Aufhellungswerte erreicht werden, die fast denen mit nurPVAL entsprechen.

Die verschiedenen als Carrier eingesetzten Substanzen erhöhen (bis auf die Mikrocellulose)die Viskosität der Streichfarbe in unterschiedlichem Maße, wie in Abbildung 7 dargestellt.

0

500

1000

1500

2000

2500

Eingesetzter Carrier

Abbildung 7: Brookfield-Viskosität bei 100 rpm der mit jeweils einem Teil optischemAufheller (Tetra-Sulfo-Typ) und dem jeweiligen Carrier hergestellten Streichfarben

4.5 Vergleich verschiedener optischer AufhellertypenDie verschiedenen Aufheller-Typen unterscheiden sich vor allem in den erreichbaren Weiß-graden der Papiere. Allgemein gilt, wie schon in Punkt 2 gesagt, das mit dem Tetra-Typendie geringsten Weißgrade, mit dem Hexa- sowie dem Spezial-Typ dagegen hohe Werte er-reicht werden.

0

5

10

15

20

0 2 4 6 8 10

Teile optischer Aufheller

Spezialtyp

Tetra-Sulfo-Typ

Hexa-Sulfo-Typ

Abbildung 8: Aufhellung mit verschiedenen optischen Aufhellern bei 1 Teil PVAL_1 inder StreichfarbeDie höchsten Aufhellungswerte werden bei der Verwendung von PVAL als Carrier mit demHexa-Sulfo-Typen erreicht. Für diese hohen Werte sind jedoch auch große Mengen an opti-schem Aufheller erforderlich. Mit dem Spezialtypen dagegen wurden, bei geringem Einsatzan optischem Aufheller, hohe Aufhellungswerte erreicht. Diese erreichen jedoch nicht dieWerte für den Hexa-Sulfo-Typen.

Wird dagegen CMC als Carrier eingesetzt, konnten mit dem Spezialtypen bei geringeremAufhellergehalt die gleichen Aufhellungswerte wie mit dem Hexa-Sulfo-Typ erreicht werden,vgl. Abbildung 9.

0

5

10

15

20

0 5 10 15

Teile optischer Aufheller

Spezialtyp

Tetra-Sulfo-Typ

Hexa-Sulfo-Typ

Abbildung 9: Aufhellung mit verschiedenen optischen Aufhellern bei 0,5 Teilen CMC_2in der StreichfarbeBesonders bei der Verwendung des Aufheller-Spezialtyps ist eine Überdosierung leicht mög-lich, da die Vergrünung des Papiers sehr schnell und sehr deutlich auftritt.

Die Viskositäten der Streichfarben, die mit den unterschiedlichen optischen Aufhellern undjeweils gleichem Carrier hergestellt wurden, unterscheiden sich nicht signifikant voneinander.

4.6 Prüfung der Lichtechtheit der PapiereEine zufriedenstellende Lichtechtheit der Papiere konnte nicht erreicht werden.

Nur unter Verwendung von PVAL wurden teilweise Lichtechtheiten der Stufe 2 und 3 erzielt.Hier war die Lichtechtheit um so besser, je höher einerseits der PVAL-Gehalt und anderer-seits das Verhältnis von PVAL zu optischem Aufheller war. Mit dem Tetra-Sulfo-Typenkonnten die besten Lichtechtheiten erzielt werden, mit den anderen beiden Aufhellertypenergab sich so gut wie keine Lichtechtheit der Papiere.

Die Lichtechtheit der mit CMC als Carrier aufgehellten Papiere erreichte maximal die Stufe 1auf der Wollskala. Alle Papiere, die mit dem Tetra-Sulfo-Typen aufgehellt wurden, erreichtendie Lichtechtheitstufe 1. Mit dem Spezial- und dem Hexa-Sulfo-Typen wird nur bei sehr ge-ringen Aufhellermengen, die für eine gute Weißeentwicklung nicht ausreichend sind, dieStufe 1 erreicht.

Bei der Verwendung von PVP als Carrier wird eine maximale Lichtechtheit der Stufe 1 aufder Wollskala nur bei geringen Carriermengen erreicht.

4.7 Einfluss von Auftragsaggregat und Streichmaschinengeschwindigkeit auf dieWirkung optischer Aufheller

Ein Versuch an der VESTRA-Versuchsstreichanlage beschäftigte sich mit den Einflüssenvon Auftragsaggregat und Maschinengeschwindigkeit auf die Wirkung der optischen Aufhel-ler. In Abbildung 10 ist die Aufhellung der mit den verschiedenen Auftragsaggregaten und -geschwindigkeiten gestrichenen Papiere grafisch gegenübergestellt.

Düse Walze Filmpresse

Auftragsaggregat

800 m / min1.200 m / min1.500 m / min

Abbildung 10: Aufhellung der gestrichenen Papiere in Abhängigkeit von Auftragsag-gregat und Maschinengeschwindigkeit während des Streichprozesses

Aus dieser Abbildung ist eine höhere Aufhellung mit steigender Maschinengeschwindigkeiterkennbar. Darüber hinaus wurden mit der Filmpresse die höchsten, mit dem Düsenauf-tragswerk dagegen die geringsten Aufhellungswerte erreicht. Die gemessenen Unterschiede

sind jedoch sehr gering – die höchste gemessene Differenz beträgt 0,6 Punkte – und solltenaus diesem Grunde als nicht signifikant eingestuft werden.

Der Grund für diese Unterschiede in den optischen Eigenschaften ist vermutlich weniger ausder Wirkung des optischen Aufhellers als vielmehr aus der unterschiedlichen Oberflächento-pographie der gestrichenen Papiere abzuleiten. Die Grundlage der Messung des Weißgra-des ist die Reflexion von auf die Probe gestrahlten Lichtes. Eine rauere, ungleichmäßigereOberfläche reflektiert dabei einen höheren Lichtanteil als eine glatte Oberfläche.

In Abbildung 11 ist die Glätte nach Bekk für die verschiedenen Auftragswerke und Maschi-nengeschwindigkeiten dargestellt.

Düse Walze Filmpresse

Auftragsaggregat

1.500 m / min1.200 m / min800 m / min

Abbildung 11: Glätte nach Bekk der gestrichenen Papiere in Abhängigkeit des Auf-tragsaggregates und der Maschinengeschwindigkeit während des StreichprozessesDie Glätte der mit der Düse gestrichenen Papiere ist demnach am höchsten, die Papiere, diemit der Filmpresse gestrichenen wurden, sind am rauesten. Mit steigender Maschinenge-schwindigkeit nimmt die Glätte der Papiere jeweils ab. Somit ist die Glätte (respektive dieRauhigkeit) der Papiere umgekehrt proportional zur erreichten Aufhellung.

Die unterschiedliche Oberflächenmorphologie der Papiere ist auch aus den Rasterelektro-nenmikroskopaufnahmen, die in den folgenden drei Abbildungen für drei verschiedene Pa-piere dargestellt sind, ersichtlich. Dabei wurden das Papier mit der höchsten Glätte (Auf-tragsaggregat Düse bei 800 m/min), das mit der geringsten Glätte (Auftragsaggregat Film-presse bei 1.500 m/min) sowie ein bezüglich des Glättewertes zwischen beiden liegendes,mit der Walze bei einer Geschwindigkeit von 1.200 m/min gestrichenes Papier, ausgewählt.

Abbildung 12 zeigt die Oberfläche des mit der Düse bei 800 m/min gestrichenen Papiers.

Abbildung 12: Rasterelektronenmikroskopaufnahme der Oberfläche des mit der Düsebei einer Maschinengeschwindigkeit von 800 m/min gestrichenen Papiers

Aus dieser Darstellung ist eine sehr hohe Gleichmäßigkeit der Papieroberfläche zu erken-nen. Einzelne Fasern sind zwar sichtbar, aber die Oberfläche ist homogen und gut abge-deckt.

Abbildung 13: Rasterelektronenmikroskopaufnahme der Oberfläche des mit der Walzebei einer Maschinengeschwindigkeit von 1.200 m/min gestrichenen Papiers

Die Abbildung 13 zeigt die Oberfläche des bei einer Geschwindigkeit von 1.200 m/min mitder Walze gestrichenen Papiers. Die Papierfasern treten hier unter dem Strich deutlicherhervor, die Oberfläche ist im Vergleich zum Düsenauftrag weniger homogen.Die größte Ungleichmäßigkeit der Papieroberfläche zeigt jedoch der Filmpressenauftrag,dargestellt in Abbildung 14, für eine Geschwindigkeit von 1.500 m/min. Durch das Auftrags-

prinzip der Filmpresse wird ein Konturstrich auf das Papier aufgebracht, der zu einer sehrguten Abdeckung der Oberfläche führt, jedoch einen negativen Einfluss auf die Glätte hat.

Abbildung 14: Rasterelektronenmikroskopaufnahme der Oberfläche des mit der Film-presse bei einer Maschinengeschwindigkeit von 1.500 m/min gestrichenen Papiers

Aus dieser Abbildung ist sehr gut die höhere Rauhigkeit des Papiers vor allem im Vergleichzum Düsenauftrag erkennbar.

� Ein Einfluss des Auftragsaggregates oder der Geschwindigkeit der Streichmaschine aufdie Wirkung des optischen Aufhellers konnte nicht festgestellt werden.

� Die sehr geringen Unterschiede in der Aufhellung der mit den verschiedenen Aggregatenund Geschwindigkeiten gestrichenen Papiere korrespondieren mit deren Oberflächen-rauhigkeiten insofern, dass durch eine rauere Oberfläche eine höhere Aufhellung auftritt.

�

4.8 Einfluss der Trocknungstemperatur auf die Wirkung optischer AufhellerWährend des zweiten VESTRA-Versuches wurden die Trocknungsbedingungen variiert. Beieinem Durchgang wurden 30% der Trockenleistung durch die IR-Strahler und 70% (30/70)durch die CB-Air-Trockner (Konvektionstrocknung) eingebracht, während bei der zweitenRolle mit identischer Farbrezeptur dieses Verhältnis umgedreht wurde (70/30). Um Aussa-gen über den Temperaturverlauf treffen zu können wurde während der Versuche die Bahn-temperatur an verschiedenen Stellen der Streichmaschine gemessen. Der gemesseneBahntemperaturverlauf ist in Abbildung 15 wiedergegeben.

20

30

40

50

60

70

Messstelle der Bahntemperatur

30/7070/30

Abbildung 15: Verlauf der BahntemperaturAus dieser Darstellung ist ersichtlich, dass die Bahntemperatur bei dem Versuch, der mitdem Trocknungsverhältnis 70/30 gefahren wurde, nach dem 1. Infra-Air-Gastrockner mit63°C 14 K deutlich über dem Versuch mit dem Trocknungsverhältnis 30/70 liegt. Diese Tem-peraturdifferenz wird zwar im weiteren Trocknungsverlauf geringer, bleibt aber bestehen. Imweiteren Verlauf heizt sich die Bahn bei dem Versuch mit dem Trocknungsverhältnis 30/70etwas weiter auf; diese Temperaturdifferenz ist jedoch nicht so ausgeprägt wie die nach demInfra-AIR-Gastrockner. Am Ende der Streichmaschine, an der Aufrollung, hat sich die Bahnwieder auf 38°C abgekühlt.

In Tabelle 3 ist der Weißgrad der mit den verschiedenen Trocknungsarten gestrichenen Pa-piere wiedergegeben.

Tabelle 3 Weißgrad R457 in Abhängigkeit vom Trocknungsverhältnis

Trocknungsverhältnis 30/70 70/30Weißgrad 91,4 91,4

Aus dieser Tabelle ist ersichtlich, dass sich die Weißgrade des Papiere, die mit gleicher Re-zeptur, aber unterschiedlichem Trocknungsverhältnis hergestellt wurden, nicht unterschei-den. Die Art des Trocknungsverlaufes, der an einer Streichmaschine unter den vorhandenenAggregaten eingestellt werden kann, scheint demnach keinen bedeutenden Einfluss auf dieWirkung der optischen Aufheller auszuüben.

4.9 Wirtschaftliche Bedeutung der ErgebnisseEin unangepasstes Verhältnis von optischem Aufheller zum Trägermaterial hat eine hohewirtschaftliche Bedeutung, da die Vergrünung des Papiers durch Überdosierung des Aufhel-lers in unterschiedlichem Maße auftritt. Während es bei dem untersuchten Aufheller-Spezial-Typ zu einem eindeutigen Weißemaximum bei steigendem Aufhellergehalt in der Streichfar-be kam, trat vor allem bei Verwendung des Hexa-Sulfo-Typs ein breiter Maximalbereich mitnur geringfügig unterschiedlichen Weißgraden auf (vgl. Abbildung 8). Vor allem in diesemFall ist die Gefahr, zu viel Aufheller einzusetzen, groß.Eine kurze Beispielrechnung soll zeigen, welche wirtschaftliche Bedeutung ein optimalesAufheller/Carrier-Verhältnis hat. Für die Berechnung werden für PVAL 7,- DM und für denOBA 12 DM je kg Handelsware zu Grunde gelegt.

In der folgenden Tabelle sind in den ersten drei Zeilen verschiedene „Kombinationen“ vonPVAL und OBA angegeben, mit denen für das gestrichene Papier eine CIE-Weiße von 120erreicht wird (vgl. auch Abbildung 1).

Tabelle 4 Beispielrechnung

Teile PVAL Kosten je 100 kgPigment in DM Teile OBA Kosten je 100 kg

Pigment in DMGesamtkosten je 100 kg

Pigment in DM1 7,- 1,25 15,- 22,-

2,5 17,50 0,7 8,40 25,902,5 17,50 4 48,- 65,502,5 17,50 1,5 18,- 35,50

Das in der ersten Zeile gezeigte Verhältnis von 1 Teil PVAL zu 1,25 Teilen OBA entsprichtdabei sowohl einem Weiße- als auch einem Preisoptimum. Soll OBA eingespart werden, somuss, um auf ein gleiches Weißeniveau zu kommen, mehr Carrier eingesetzt werden, waseiner Kostenerhöhung von 3,90 DM oder etwa 18% entspräche.

Welchen Einfluss auf das Preisniveau ein zu hoher Aufhellereinsatz haben kann, zeigt diedritte Zeile der Tabelle. Mit 4 Teilen OBA wird ebenfalls eine Weiße von 120 CIE-Punktenerreicht; mit 65,50 DM Kosten kommt es dabei jedoch zu einer Kostensteigerung um fast200% im Vergleich zum Verhältnis 1/1,25. Eine solche Überdosierung von optischem Auf-heller führt, wie bereits erläutert, zu einer Vergrünung des Papiers. Bei einer „Einpunktbe-trachtung“, bei der ein mit zu hoher Aufhellermenge hergestelltes Papier bewertet wird, kanneine deutliche Aufhellung erkannt werden; ob es bereits zur Vergrünung gekommen ist, istdagegen nicht immer klar erkennbar.

Das Weißemaximum bei Einsatz von 2,5 Teilen PVAL wird bereits mit etwa 1,5 Teilen opti-schem Aufheller erreicht (vierte Zeile der Tabelle). Durch die „Reduzierung“ der oben disku-tierten zu hohen Einsatzmenge von 4 auf 1,5 Teile OBA werden einerseits die Kosten starkvermindert und andererseits der Weißgrad auf 128 CIE-Weißepunkte erhöht.

Danksagung

Die Forschungsarbeit wurde im Rahmen des Forschungsvorhabens AiF 11744 ausgeführtund aus Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie (BMWi), Berlin, ge-fördert. Dafür sei an dieser Stelle gedankt.

Weitere Informationen: A.Lind@ptspaper.de

Autor:A. LindPTS MünchenHessstraße 13480797 MünchenTel 089/12146-176Fax 089/12146-36

Literatur

1 Parkes, D. und Traser, G.: Optimierung des Weißgrades bei gestrichenen Papieren; in:Wochenblatt für Papierfabrikation, 1991, Nr. 19, S. 771-776

2 Louman, H.W.: Optische Aufheller in gestrichenem Papier; in: Wochenblatt für Papierfab-rikation, 1986, Nr. 7, S. 241-245

3 Oesterlin, H.G.: Optische Aufhellung gestrichener Papiere unter Mitwirkung von Polyvi-nylalkohol, Teil I-III; in: Das Papier 36, 1982, Nr. 2, 3, 4

4 Roltsch, C.C. und Lloyd, T.A.: The efficient use of fluorescent whitening agents in thepaper industry; in: Papermakers Conference 1987, S. 87-99

5 Hentzschel, P., Martin, G., Pelzer, R. und Winkler, K.: Schritte zur Optimierung desWeißgrades von gestrichenen Papieren; in: Wochenblatt für Papierfabrikation, 1998, Nr.5, S. 176-180

6 Jokinen, O., Baak, R., Traser, G. und Rohringer, P.: Optical brighteners for high whitecoated papers; in: Wochenblatt für Papierfabrikation, 2000, Nr. 9, S. 590-593