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Untersuchungen zur Wirkung polymerer Retentionsmittel auf die Füllstoffverteilung in Papieren

Bernal Peña, Alexander :
Untersuchungen zur Wirkung polymerer Retentionsmittel auf die Füllstoffverteilung in Papieren.
[Online-Edition]
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2006)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Untersuchungen zur Wirkung polymerer Retentionsmittel auf die Füllstoffverteilung in Papieren
Language: German
Abstract:

Um im Papier die geforderten optischen Eigenschaften zu erreichen, müssen stark streuende mineralische Füllstoffe in das Faservlies eingebaut werden. Dies ist unter den Bedingungen des technischen Herstellprozesses nur mit Hilfe von Polymeren möglich, die als Retentions- bzw. Fixiermittel dienen. Die Retentionssysteme sind im Wesentlichen hochmolekulare kationische Polymere, die auch noch andere Komponenten enthalten können. Diese Systeme bilden Flocken, in denen sowohl Faser- als auch Füllstoffe eingelagert sind. Die Struktur der sich während der Vliesbildung bildenden Flocken ist entscheidend für alle wichtigen Eigenschaften des Papiers. Die Aufgabe der Untersuchungen bestand darin, aufzuklären, welche makromolekularen Parameter die Art der Flockenbildung steuern und in welcher Weise sie sich auf die Flockenstruktur auswirken. Dabei muss noch berücksichtigt werden, dass neben den Retentionsmitteln auch noch andere Polymere beispielsweise Stärke zur Verbesserung der Trockenfestigkeiten eingesetzt werden. Für die Untersuchungen wurden einfache und komplexe praktisch eingesetzte Retentionssysteme ausgewählt und schrittweise deren Wirkung auf die Bildung von Flocken mit Fasern und Füllstoffen untersucht. Insbesondere wurde ein Augenmerk auf das Entstehen dichter Füllstoffflocken („Cluster“) gelegt. Es wurde zunächst die Flockenbildung in der Faserstoffsuspension verfolgt, wobei zur Charakterisierung der Flockenstruktur verschiedene Methoden (Entwässerungsgeschwindigkeit, Sedimentationsverhalten, Lichtdurchlässigkeit) herangezogen wurden. Zur Charakterisierung der Füllstoffverteilung im Papier wurde eine eigene Methode entwickelt, die es gestattet, das Ausmaß der Bildung von Füllstoffclustern zu bestimmen. Dabei erwies sich, dass Polyacrylamide stärker flockend wirkten als Polyethylenimin oder Polyvinylamin. Kationische Stärke bewirkt eine mittelstarke Flockenbildung. Die von Stärke erzeugten Füllstoffflocken sind weniger kompakt als diejenigen, die durch kationisches Polyacrylamid zustande kommen. Die untersuchten Retentionssysteme führten zu verschiedenen Füllstoffverteilungen. Die Papierstruktur wird auch noch erheblich durch den Gesamtfüllstoffgehalt beeinflusst, der wiederum von der Menge an eingesetztem Füllstoff und von der Dosierung und Wirksamkeit des Retentionssystems abhängt. Je höher der Grad an Clusterbildung, desto geringer wird die spezifische Wirkung des Füllstoffs auf die Opazität, anderseits wird aber auch der negative Einfluss auf die Festigkeit weniger bedeutsam. Aufgrund der Ergebnisse wurde ein Mechanismus vorgeschlagen, der die Flockenbildung in der Fasersuspension und die davon Abhängigkeit der Papierstruktur erklärt. Dabei erwies sich insbesondere die Ladungsbilanz der eingesetzten Komponenten, bzw. deren wirksame Oberflächenladung (Zeta-Potenzial) als ein entscheidender Faktor.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
In order to achieve the demanded optical characteristics of paper, strong light scattering fillers must be introduced in the fibres. This is only possible under the conditions of technical manufacture process using polymers, which serve as retention and/or fixing agents. The retention systems are essentially high-molecular weight cationic polymers which may also have various components.These systems form flakes in which both the fibre and filler are combined.The structure of the flakes formed during this process is crucial for all the characteristics of the paper. The task of the investigation was to clarify which macromolecular parameters are important in the flocculation and in what way they affect the formation of the flake structure. Consideration must also be given to the fact that beside the retention agent other polymers are also used, for example starch for the improvement of the drying strength. This is particularly important because the filling of the paper impairs the paper firmness. For the investigation both simple and complex retention systems were selected and their effect on the formation of flakes from the fibres and fillers was examined. Special attention was given to evaluate the development of filler associations (“clusters”) because their presence strongly affects the specific interaction of the filler with the fibre and the mechanical firmness of the paper. First the flocculation in the fibrous material suspension was examined by characterising the flake structure using different methods (drainage speed, sedimentation behaviour, light permeability). For the characterisation of the filler distribution in the paper a new method was developed, which permits the determination of the extent of the cluster formation. It proved that Polyacrylamide flocks more strongly than Polyethylemimin or Polyvinylamin. Cationic starch causes a medium strong filler flocculation. The cluster produced by starch is less compact than that produced by cationic Polyacrylamide. The examined retention systems led to different filler distributions, however the filler type cluster formed in the paper sheet correlated with the flocculation on the filler in the paper suspension. The paper structure is also affected substantially by the total filler content, which depends upon the quantity of filler and the dosage and effectiveness of the retention system used. In addition an increase in the degree of clustering comes a decreased effect of the filler on the opacity, on the other hand the negative influence on the firmness becomes less important. From the results a mechanism was suggested, which explains the dependence of the paper structure on the flocculation of the fibre suspension . In particular the charge balance of the assigned components, or their effective superficial charge (Zeta potential) proved to be a crucial factor.English
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 540 Chemie
Divisions: Fachbereich Chemie
Date Deposited: 17 Oct 2008 09:22
Last Modified: 07 Dec 2012 11:51
Official URL: http://elib.tu-darmstadt.de/diss/000695
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-6958
License: Simple publication rights for ULB
Referees: Gruber, Prof. Dr. Erich and Rehahn, Prof. Dr. Matthias
Advisors: Gruber, Prof.Dr. Erich
Refereed: 8 May 2006
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/695
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