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Untersuchung und Herstellung von Additiven zur Erzeugung von Papieren mit temporärer Nassfestigkeit auf Basis nachwachsender Rohstoffe (ACETAL)

Mit dem zum 01.04.2021 angelaufenen und durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie im Rahmen des Förderprogramms INNOKOM „Marktorientierte Forschung und Entwicklung“ geförderten Vorhabens hat es sich die PTS zum Ziel gesetzt, die Herstellung und Anwendung von polysaccharidbasierten Produkten als reversible Nassfestmittel für den Papiersektor zu untersuchen. Hiermit soll weiterhin ein Baustein für eine nachhaltigere Produktion derartig ausgerüsteter Papiere und für deren Rezyklierbarkeit geleistet werden.

Den aktuellen Stand der Technik stellen insbesondere permanent nassverfestigende Additive auf Basis von Formaldehydharzen und Amin-Epichlorhydrin-Harzen dar, welche eine problematische Wiederzerfaserung von internen Ausschüssen bzw. der entsprechend ausgerüsteten Altpapiere mit sich bringen. Konzepte zur temporären und reversiblen Nassverfestigung und damit zur einfacheren Zerfaserung von nassfesten Papierprodukten sind beispielsweise durch quervernetzende Aldehyde, wie bei glyoxaliertem Polyacrylamid (g-PAM) bekannt. Dem entsprechenden chemischen Mechanismus liegen Aldehydgruppen zu Grunde, welche im Stande sind mit den Hydroxylgruppen von cellulosehaltigen Fasern Acetalgruppen zu formen, deren Bildung reversibel ist.

Unvorteilhaft ist bei der Verwendung von g-PAM allerdings, dass es nahezu ausschließlich in verdünnten Lösungen bezogen werden kann, da es zur Selbstvernetzung neigt und anderenfalls nicht lang lagerfähig bleibt. Eine Frischherstellung in den Papierfabriken selbst scheitert zumeist daran, dass hierfür die mutagen wirkende Chemikalie Glyoxal eingesetzt werden muss, wofür Papierfabriken in aller Regel nicht ausgerüstet und personell vorbereitet sind. Zur Überwindung der beschriebenen Herausforderungen bieten sich insbesondere Additive zur Ausbildung temporärer Nassfestigkeit auf Basis nachwachsender Rohstoffe an, welche entweder keine oder zumindest eine reversible Homo- Vernetzung zeigen.

Projekttitel: » Entwicklung biobasierter Nassfestmittel als effektive Möglichkeit zur Substitution konventioneller Additive bei der Papierherstellung

Laufzeit: » 01.04.2021-30.09.2023

Projektart: » IK-MF 200135

Forschungsstellen: » Papiertechnische Stiftung (PTS), Projektleiter: Dipl.-Chem. Stefan Möckel

Verwendung von aldehydischen Polysacchariden zur Erzeugung von temporär nassfesten Papierprodukten

Durch chemische Umwandlung von Polysaccharid- Ausgangsstoffen wie Cellulose oder Stärke kommt es unter Mechanismen der oxidativen Glykolspaltung zur Ausbildung von Aldehydgruppen. Diese können, wie oben beschrieben und in Abbildung 1 gezeigt, mit cellulosischen Papierfasern zu reversibel ausgebildeten Acetalgruppen reagieren, wodurch sie zur Verwendung als temporäre Nassfestmittel dienen können.

Abb. 1: Erzeugung der reversiblen Nassfestigkeit durch "Acetalbildung"

Im Vergleich zu g-PAM werden die polysaccharidbasierten Produkte nicht nur aus nachwachsenden Rohstoffen unter Aspekten der grünen Chemie hergestellt, sondern sie sind weiterhin gesundheitlich unbedenklich. Zum Projektstart ist des Weiteren davon auszugehen, dass man diese als Feststoff lagern und als frisch präparierte oder länger lagerfähige Lösungen in der Produktion zusetzen kann.

Weiterhin werden Benchmarkuntersuchungen der im Projektverlauf neu entwickelten Nassfestmittel mit konventionellen temporären und permanenten Nassfestmitteln in Bezug auf deren Applikationsmöglichkeiten, Wirkungsweise und Zerfaserungsverhalten im Labor- sowie Pilotmaßstab durchgeführt. Hierdurch lässt sich das Potenzial der neuartigen Additive abschätzen, welches möglicherweise zur Teilsubstitution von aktuell permanenten Nassfestmitteln in ausgewählten Segmenten führen kann.

Hierdurch wird es unter Nichtberücksichtigungen von eventuellen Verunreinigungen in der Vision der PTS möglich, nassfeste Papiere recyclingfähiger zu gestalten und den Sekundärfaserkreislauf ein weiteres Stück zu schließen, da ausgewählte nassfeste Papiere nicht mehr über den Stoffstrom des Restmülls entsorgt werden müssten. Entwicklungen auf Basis von derartig modifi zierter Stärke wurden bereits in den 1970er Jahren beschrieben, jedoch scheiterte eine breitere Anwendung an dem zu diesem Zeitpunkt im Vergleich zu konventionellen Additiven höheren Herstellungskosten und an nicht etablierten Produktionsverfahren.

Besonders seit der Jahrtausendwende hat jedoch ein durch effi zientere Regelungstechnik und verbesserte Elektrodenmaterialien getriebener Trend zur Herstellung und Regenerierung von anorganischen und organischen Chemikalien durch elektrochemische Prozesse eingesetzt. Diese fortschrittlichen Prinzipien möchte sich die PTS deshalb im Projektverlauf zu Nutze machen.

Innovationspotenzial der elektrochemischen Herstellung von aldehydterminierten Polysacchariden

Dem Mechanismus zur Herstellung der aldehydischen Polysaccharide liegt die stöchiometrische Umsetzung mit Periodat zu Grunde. Hierbei findet eine Oxidation an den Polymerketten statt, welche zur Ringöffnung und zur Aldeyhdgruppenbildung führt. Dabei wird das Periodat zu Iodat reduziert und fällt als Nebenprodukt an. Unter Berücksichtigung des Preises von Periodat und der notwendigen Entsorgung der iodathaltigen Ablaugen wäre der Herstellungsprozess äußerst teuer.

Abb. 2: Herstellung von aldehydischen Polysacchariden inklusive der Kopplung der elektrochemischen Chemikalienregenerierung

Zur Überwindung dieses Aspekts bietet sich die Möglichkeit der Kopplung der Herstellung von derartig zugänglichen Polyaldehyden mit einer elektrochemischen Iodat/Periodat-Regenerierung an. Dies ist in Abbildung 2 schematisch dargestellt und Kern des vorliegenden Projektes. Insbesondere die Tatsache, dass in Deutschland verfügbarer und zur elektrochemischen Rückgewinnung des Periodats notwendiger Strom zunehmend aus nachhaltigen Quellen gewonnen wird, steigert die Ökobilanz dieses Ansatzes. Vorbereitende Tastversuche vor der Antragsstellung zum Forschungsprojekt konnten die prinzipielle Machbarkeit der Idee bereits bekräftigen und lassen nach entsprechenden Prozessoptimierungen perspektivische Herstellungskosten im Bereich konventioneller Nassfestmittel vermuten.

Stefan Möckel,

stefan.moeckel@ptspaper.de