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PTS-Forschung: Nanocomposite aus Cellulose und präzipitierten CaCO3 zur Festigkeitssteigerung in Papier

In einem Forschungsvorhaben hat die PTS ein neuartiges Verfahren zur Fällung von CaCO3 auf die Nanostrukturen der cellulosischen Faserwand im Hochkonsistenzbereich in einem Extruder entwickelt.

In einem Extruder sollten die alkalischen Bedingungen genutzt werden, die sich in der Ausfällung von CaCO3 mittels Ca(OH)2 und CO2 einstellen, um MFC herzustellen und gleichzeitig PCC auf die hohe spezifische Oberfläche der Nanostrukturen der Faserwand auszufällen. Durch die Anwendung dieser neuartigen PCC-Cellulose-Nanocomposite sollten die Festigkeiten von Papieren erhöht sowie die Rohstoffkosten in der Produktion gesenkt werden.

Es konnten MFC-PCC Composite mit variierten Verhältnissen von MFC und CaCO3 hergestellt werden. Auch bei sehr hoch mit CaCO3 beladenen Compositen von 65-80 % konnte eine sehr hohe Immobilisierung des PCC von 43-61 % auch nach intensiver Wäsche erzielt werden. Entscheidend dafür ist die erreichbare Stoffdichte im Extruder, was durch die Konzentration der Kalkmilch beeinflusst werden kann. Je höher die Stoffdichte im Extruder, umso weniger wird PCC in die wässrige Phase gefällt. Die Füllstoffretention im Papier wird durch den Einsatz der MFC-PCC Composite erhöht, deutliche Steigerungen ergaben sich beim Kurzfaserzellstoff, da dieser höhere spezifische Oberflächen und dichtere Strukturen aufweist.

Für einen vollständigen Umsatz von Ca(OH)2 zu CaCO3 in der Extrusion ist die Reaktionsgeschwindigkeit, die Länge des Verfahrensteils und Drehzahl der Schnecken (Verweilzeitverteilung) entscheidend. Mit dem hier genutzten ZSK 26 war ein vollständiger Umsatz bei einer Konzentration von etwa 35 % Ca(OH)2 im Stoffsystem möglich. Bei Konzentrationen > 35 % konnte nicht umgesetztes Ca(OH)2 in einer Nachfällung mit CO2 anschließend vollständig zu CaCO3 ausgefällt werden.

Je stärker der mechanische Abbau des Faserstoffs in der Extrusion ist, desto besser ist die Retention in der Blattbildung und die Festigkeitssteigerung im Papier zu erkennen. Schon bei Substitution von 50 % Füllstoff in der Laborblattbildung durch in der Extrusion gefälltes CaCO3 war eine Erhöhung der Zugfestigkeit von 25-30 % realisierbar. In Versuchen auf der PTS Versuchspapiermaschine konnten die Ergebnisse ebenso im kleintechnischen Maßstab von der Extrusion bis zur Papierherstellung bestätigt werden.

Ein zweiter Weg zur Fällung von PCC erfolgte durch Doppelaustauschreaktion mit Carbonat und CaCl2 und konnte erfolgreich im Extruder durchgeführt werden. Da die wässrige Phase bei der Fällung von PCC deutlich größer als mit Ca(OH)2 und CO2 ist, ist die Bindung des PCC bei Fällung mit CaCl2 deutlich niedriger. Nachteilig in der Fällung mit CaCl2 sind die gebildeten Salze, die wieder aus den Compositen gewaschen werden müssen.

Durch die erzielten Ergebnisse sollte es möglich werden, Festigkeiten zu erhöhen und damit verbunden Kosten einzusparen. Damit haben auch KMU aus der Anlagenprojektierung, dem Maschinenbau und Füllstoffhersteller eine zusätzliche Umsatzperspektive. Die erzielten Ergebnisse zur Festigkeits- und Volumensteigerungen sind für grafische Papiere, Verpackungspapiere und Spezialpapierhersteller von großer Bedeutung.Aus den Projektergebnissen lassen sich Ansatzpunkte zur weiteren Reduzierung der Flächenmasse und Einsparung von Rohstoffkosten ableiten.

Die Ergebnisse wurden im Rahmen des Forschungsvorhabens MF 140082 gewonnen, das im Programm zur "Förderung von Forschung und Entwicklung bei Wachstumsträgern in benachteiligten Regionen" mit finanziellen Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie (BMWi) über den Projektträger EuroNorm Gesellschaft für Qualitätssicherung und Technologie mbH aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert wurde. Dafür sei an dieser Stelle herzlich gedankt. Unser Dank gilt außerdem den beteiligten Firmen der Papier- und Zulieferindustrie für die Unterstützung der Arbeiten.