Holzstoffherstellung

Die Entdeckung von Holzschliff 1843 durch Friedrich Gottlob Keller stillten den immensen Faserstoffbedarf nach Weiterentwicklung der Papiermaschine. Aber erst die Entwicklungsarbeiten durch Walter Brecht am Ifp in Darmstadt machten den Holzschliff ca. 100 Jahre später zu einem wichtigen Rohstoff.

Das verwendete Holz sollte ein Weichholz, harzarm und langfasrig sein. Fichte erfüllt diese Anforderungen und wird daher viel genutzt. Um eine gleichmäßige Qualität zu gewährleisten, müssen die Rundhölzer möglichst gerade sein, damit immer gleichviel Holz am Schleifstein anliegt. Frisches Holz ist zu bevorzugen, da dort nur sehr wenig Lignin ausgetrocknet und nachgedunkelt ist. Es gilt: Je weicher das Holz, umso besser die Zerfaserung.

Grundlegend gibt es zwei Verfahren um Faserstoff aus Holz mechanisch herzustellen, das Schleifen und den Refiner. Auf diesen beiden Verfahren bauen jeweils zwei modifizierte Verfahren auf, die letzten Endes das Lignin mehr erweichen.

Das Schleifen löst die Ligninverbindung zwischen den Fasern. Lignin erweicht ab etwa 90 °C. Bei höheren Temperaturen (> 140 °C) besteht die Gefahr, dass weiches Lignin die Fasern ummantelt und erstarrt (fiber coating). Das muss dringendst vermieden werden, da die Faser dann keine Festigkeiten mehr ausbilden kann. Die optimale Temperatur zur Behandlung der Ligninverbindungen liegt mit etwa 125 °C über dem Siedepunkt von Wasser. Folglich finden manche Verfahren unter Druck statt.

• Verfahren der Holzstoffherstellung
• Bestandteile des Holzschliffs
• Eigenschaften der Holzstoffe
• Holzstoffbleiche

• SGW (Stone Groundwood)
• TGW (Thermo Groundwood)
• PGW (Pressurized Groundwood)

• RMP (Refiner Mechanical Pulp)
• TMP (Thermo Mechanical Pulp)
• CTMP (Chemical Thermal Mechanical Pulp)

Der SGW zählt durch seinen simplen Aufbau zu dem einfachsten Holzschliffverfahren. Die um den Schleifstein angeordneten Magazine (alternativ mit Kettenschleifer) werden mit Rundhölzern befüllt und mittels eines Stempel (durch die Ketten) gegen ihn gedrückt. Die im Schleifstein sitzenden Schleifkörner lösen die Fasern aus den Faserverbänden heraus, die dann mittels Wasser vom Schleifstein gelöst werden.

Sogenannte Fingerplatten, die zwischen dem Magazin und dem Schleifstein sitzen, halten die Rundhölzer möglichst lange in der Schleifzone. Jedoch wandern diese durch den Spalt, sobald sie klein genug sind. Diese entstandenen Stücke nennt man Sauerkraut. Sie werden aussortiert und in einer Hammermühle zerkleinert, bevor sie einem nachgeschaltetem Refiner zugeführt werden.

Selbes Prinzip wie beim SGW. Besonderheiten hier: Ausschließlich Kettenschleifer mit Dichtplatten statt Fingerplatten, heißes Wasser wird ca. 20-40 cm über der Schleifzone eingefüllt, um eine bessere Ligninerweichung zu erzielen.

Selbes Prinzip wie beim SGW. Besonderheiten hier: Ausschließlich Pressenschleifer, Anlage seht unter Druck 1-2 bar, Rundhölzer werden unter Druck erwärmt/ gedämpft (Temperaturen über 100°C), um eine noch bessere Ligninerweichung zu erzielen.

Ein eingeschliffenes "`Sägezahnmuster"' fördert die Schleifwirkung, die Zufuhr von Wasser und den Transport des Faserstoffes.

Hackschnitzel oder Sägewerksabfälle werden zwischen zwei mit Stegen bestückten Scheiben zerfasert. In den meisten Fällen fungiert eine der Scheiben als Stator (dreht sich nicht), die andere als Rotor (dreht). Antriebsleistungen für Refiner können bis zu 30 kW betragen. Mit einer hohen Stoffdichte 45 % lässt sich eine gute Zerfaserung erreichen, da sich zwischen den Messern eine stabile Faserlage ausbildet. Bei zu geringer Stoffdichte 25 % werden die Fasern zwischen den Messern mehr geschnitten als von einander getrennt.

Selbes Prinzip wie beim RMP. Besonderheiten hier: Der Anlage ist zusätzlich eine Zuführschnecke vorgeschalten, in der die Hackschnitzel unter Überdruck vorgedämpft werden. Dies hat eine sehr starke Ligninerweichung zur Folge (sogar höher als PGW, da Hackschnitzel statt Rundhölzer vorgedämpft werden).

Selbes Prinzip wie beim TMP. Besonderheiten hier: Der Anlage ist zusätzlich ein Imprägnator vorgeschalten, in dem die Hackschnitzel mit Chemikalien (Natriumsulfit Na₂SO₃, Natronlauge NaOH) für eine noch bessere Ligninerweichung imprägniert werden.

Das bei Refinerholzstoffen auftretende Problem ist die Latenz. Damit wird der Zustand der Faser bezeichnet nachdem das Lignin weich geworden ist, die Faser sich im Refiner verdreht und anschließend erstarrt. Abhilfe schaffen sogenannte Latenz-Bütten, in denen bei hoher Stoffdichte und Temperatur die Fasern durch Rühren gestreckt werden.

Weitere Bestandteile:

• Sand 
• Sauerkraut
• Splitter 

Der Sand trennt sich vom Schleifstein ab und muss mit einer Sandschleuder abgetrennt werden.

Sauerkraut entsteht nur bei Schleifern mit Fingerplatten (SGW). Er wird mit Vibrationssortierern aussortiert und in einer Hammermühle für einen Rejektrefiner zerkleinert.

Splitter sind durch Lignin noch aneinander haftende Fasern. Für grafische Papiere sind sie schlecht, weil die Bedruckbarkeitseigenschaften sinken. Dafür sind sie in Bierdeckeln und Kartoneinlagen gut, da sie dort Volumen und Saugfähigkeit bringen. (Kurze, steife Faser → kann sich in aufrichten).

Der Feinstoff kann die Festigkeit erhöhen (schlechter als Faser, besser als Füllstoffe). Er verbessert Oberflächeneigenschaften und füllt Poren.

Der Faserkurzstoff bringt weniger Festigkeit, aber mehr Volumen als der Faserlangstoff. Er ist gut für Tiefdruckpapiere.

Am wichtigsten ist der Faserlangstoff, da dieser die Festigkeit bringt.

Vergleich von Stein- und Refinerverfahren:

Die Ausbeute von Holzstoffen beträgt ca. 100 %. Ausnahme ist der CTMP 90 %, da dort durch die Chemikalien das Lignin ins Abwasser übergeht. 

Steinverfahren

SGW (Stone Groundwood)

• Einfacher Holzschliff, mit Ketten- oder Pressenschleifer hergestellt
• Geringe Ligninerweichung

    ⇒  Hoher Splitteranteil, viel Feinstoff, geringe Faserlänge

TGW (Thermo Groundwood)

• In Kettenschleifer mit Dichtplatten statt Fingerplatten
• Rundhölzer werden "weichgekocht"
• Bessere Ligninerweichung

    ⇒  Geringer Splitteranteil, weniger Feinstoff, höhere Faserlänge

PGW (Pressurized Groundwood)

• Im abgedichteten Pressenschleifer
• Rundhölzer werden "weichgekocht"
• Noch bessere Ligninerweichung

    ⇒  Noch weniger Splitteranteil, noch weniger Feinstoff, noch höhere Faserlänge

Refinerverfahren

RMP (Refiner Mechanical Pulp)

• Hackschnitzel oder ausreichend zerkleinerte Rejekte werden im Refiner zerfasert
• Ähnliche Qualität wie SGW, höherer Energieverbrauch

    ⇒  Nur für Rejekte und Reste

TMP (Thermo Mechanical Pulp)

• Zusätzliche Zuführschnecke
• Refinerholzstoff aus vorgedämpften Hackschnitzeln
• Sehr starke Ligninerweichung

    ⇒  Sehr geringer Splitteranteil, sehr geringer Feinstoffanteil, sehr hohe Faserlänge

CTMP (Chemical Thermal Mechanical Pulp)

• Zusätzliche Zuführschnecke und Imprägnator
• noch bessere Ligninerweichung

    ⇒  Fast kein Splitteranteil, fast keine Feinstoff, ungekürzte Faser

Ziel der Holzstoffbleiche ist es das Lignin aufzuhellen, nicht es zu zerstören. Es kann oxidativ und reduktiv gebleicht werden.

Holz enthält Mineralien wie Mangan (Mn⁴⁺). Diese katalysieren den wirkungslosen H₂O₂ Zerfall. Daher werden die Mn⁴⁺-Ionen durch "Wasserglas" komplexiert (unschädlich) gemacht.

Die Bleiche findet in Aufwärtstürmen oder Rohrleitungen statt, sodass kein Luftkontakt entstehen kann.

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