Hilfsstoffe
Hilfsstoffe bilden einen wichtigen Beitrag in der Papierherstellung, denn sie können:
- Neue Papiereigenschaften erzeugen
- Bestehende Papiereigenschaften verbessern
- Den Herstellungsprozess verbessern
- Herstellungskosten verringern (Faserersparnis)
Es wird nun auf die wichtigsten Hilfsstoffe eingegangen. Zudem sei noch Angemerkt, dass man zwischen Hilfs- und Betriebsstoffe unterscheidet. Letztere verbleiben nicht im Papier und kommen auch nur wenig damit in Kontakt wie zum Beispiel Schmiermittel für die Lager, Dampf, etc... Im Folgendem werden auf die verschiedenen Hilfsstoffe eingegangen. Außen vor bleiben jedoch Farbstoffe, optischer Aufheller und Nassfestmittel, die an dieser Stelle nur der Vollständigkeit halber genannt sind. Dennoch sind auch sie wichtige Hilfsstoffe.
Die Wichtigsten Hilfsstoffe sind:
Wasser
Der bei weitem wichtigste Hilfsstoff ist Wasser, denn jedes Kilo Papier erfordert 100-120 Liter Wasser.
Ohne geschlossene Kreisläufe und aufwendige Kläranlagen wäre die industrielle Papierproduktion heute weder wirtschaftlich noch ökologisch vertretbar. Ca. 90 % der Wassermenge werden daher im geschlossenen Umlauf gehalten. Die Papierfabriken der Bundesrepublik haben - entsprechend dem hohen nationalen Standard - im internationalen Vergleich die höchsten Aufwendungen für den Umweltschutz.
Auf die Thematik der Frisch- und Abwasseraufbereitung wird noch gesondert eingegangen.
Füllstoffe
Füllstoffe sind mineralische Hilfsstoffe, die in der Masse (Stoff-Wasser-Gemisch, welches zur Maschine geht) oder in der Streichfarbe eingesetzt werden. Durch sie lassen sich zum Teil Kosten einsparen. Füllstoffe sind in der Regel billiger als Fasern und können so in Maßen als Ersatz dienen. Mit ihnen "`streckt"' man sozusagen das Papier. Desweiteren nehmen sie kein Wasser auf und müssen somit nicht energieintensiv getrocknet werden. Den Einsatz an Füllstoffen in der Masse kann man aber nicht beliebig nach oben führen, da sie keine Festigkeiten bilden. Den im Papier enthaltenen Anteil an Füllstoffe bezeichnet man als "Asche". Übliche Aschegehalte reichen von 0 % bei Tissue bis hin zu etwa 35 % bei Tiefdruckpapieren.
Der Unterschied zwischen den Füllstoffen in der Masse und den Füllstoffen im Strich (Pigmente) ist die Teilchengröße. Pigmente kleiner als die in der Masse eingesetzten Füllstoffe.
Die am häufigsten eingesetzten Füllstoffe sind:
Calciumcarbonat
Calciumcarbonat wird im allgemeinen Sprachgebrauch als Kreide bezeichnet. Kreide besitzt eine hohe Opazität und vergleichsweise eine gute Weiße. Es lässt sich lediglich in einer neutralen Fahrweise (neutrales Prozesswasser) einsetzten, da Säuren Calciumcarbonat lösen würden. Dies hat auch zur Folge, dass die Fasern nicht durch eine Säure beschädigt werden, somit höhere Festigkeiten aufweisen und letzten Endes mehr Calciumcarbonat eingesetzt werden kann.
In der Papierindustrie werden zwei Arten von Calciumcarbonat eingesetzt: Natürlich, gemahlenes Calciumcarbonat (GCC) und präzipitiertes Calciumcarbonat (PCC). Das natürliche, gemahlene Calciumcarbonat wird aus Tagebaustätten abgebaut und auf eine Größe von 1-5 µm zerkleinert.
Im Gegensatz dazu steht das gefällte Calciumcarbonat, das oft sogar On-Site der Papierfabrik hergestellt wird. Das am häufigsten verwendete Verfahren ist die Fällung mit Kohlendioxid. Ausgangsprodukt ist dabei sauberer Kalkstein:
CaO + H2O → Ca(OH)2
Ca(OH)2 + CO2 → CaCO3 + H2O
Die Steuerung des Prozesses erfolgt dabei über den pH-Wert. Den letzten Reaktionsschritt lässt man solange laufen, bis die gewünschte Teilchengröße erreicht ist. Üblicherweise sind 90 % der Teilchen kleiner als 2 µm.
Somit ist GCC eher in der Masse anzutreffen als PCC, welches Anwendung in der Streichfarbe findet.
Kaolin
Das Kaolin oder auch China Clay genannt ist weniger weiß. Seine Form ist sehr plättchenförmig. Es neigt dazu zu agglomerieren, da seine Kanten positive und die Oberflächen der Plättchen negative Ladungen tragen. Dies führt zum positiven Effekt, dass es während der Blattbildung eher im Fasergefüge bleibt als durch das Sieb zu fallen.
Titandioxid
Titandioxid ist mitunter einer der teuersten Hilfsstoffe. Es hat eine überranden Weiße und mit Abstand die höchste Opazität durch seinen Brechungsindex von ca. 2,5. Nur zum vergleich: Calciumcarbonat hat einen Brechungsindex von 1,7.
Aufgrund seines hohen Preises findet es nur sehr wenig Einsatz in der Masse, dafür für hochwertige, gestrichene Papiere.
Leimungsmittel
Durch die Leimung im Papier erreicht man:
- Hydrophobisierte Oberfläche (Tinte verläuft nicht)
- Beschreib- und Bedruckbarkeit mit wasserlöslichen Tinten und Farben
- Geringere Rupf- und Staubneigung in Büromaschinen
- Bessere Bindung des Strichs
Wenn zuviel Leimungsmittel im Kreislauf ist, kann es passieren, dass andere Stoffe nicht mehr auf die Faser aufziehen können. Im wesentlichen werden zwei Leimungsmittel eingesetzt: Den Harzleim, die Alkyldiketene (AKD) und Stärke.
Damit der Harlzeim überhaupt auf die Faser aufziehen kann, muss er im Wasser gelöst werden. Dies geschieht, indem er verseift wird. Um ihn an die Faser zu binden setzt man ein Fixiermittel, Aluminiumsulfat (Alaun), ein. Dieses Mittel gibt Al3+-Ionen frei, werlche den Harzleim an die Faser binden. Dabei ist ein pH-Wert kleiner als 4,8 nötig, da sonst die Al-Ionen hydratisieren und weniger Bindungskraft haben. Nachteil der Harzleimung ist die geforderte saure Fahrweise. Die Säure greift die Fasern an und mindert somit die Festigkeiten. Ebenso ist das saure Milieu auch für den Einsatz von kostengünstigen Calciumcarbonat von Nachteil.
Die AKD-Leimung ist im neutralem Milieu möglich und es benötigt kein weiteres Fixiermittel. Allerdings wird die Leimung erst nach einer Nachreifezeit von 2 Tagen zu 100 % ausgebildet.
Stärke wird eingesetzt, um die Festigkeitseigenschaften als auch Be- und Verdruckbarkeitseigenschaften zu verbessern. Als Rohstoff können Kartoffeln, Mais und Weizen dienen. Die native Stärke hat allerdings keine Klebekraft und muss daher modifiziert werden.
Entwässerungs- und Retentionsmittel
Das Papier hat auf einer Papiermaschine mit einer 12 m langen Siebpartie, die 1800 m/min läuft gerade mal 0,4 Sekunden Zeit ca. 86 % der gesamten Wassermenge zu entfernen. Um diesen Vorgang zu unterstützen gibt es Entwässerungsmittel, die die Oberflächenspannung des Papiers herabsetzen, so dass schneller entwässert werden kann.
Retention bezeichnet den Anteil der zurückgehaltenen Füll- und Feinstoffen auf dem Sieb. Damit kleinere Teilchen im Papier verbleiben, gibt man Retentionsmittel hinzu, um die Teilchen zu größeren Flocken zu agglomerieren. Allerdings kann eine zu hohe Zugabe dazu führen, dass die Fasern zu große Flocken und kein homogene Faserverteilung auf dem Sieb einnehmen. Man spricht dann von schlechter Formation oder "wolkigkeit" des Papiers.