Untersuchungen zur Wechselwirkung von Mikropartikelsystemen mit Faserstoffsuspensionen

In dieser Arbeit wurden Wechselwirkungen von Mikro- und Nanopartikel-Retentionssystemen mit vereinfachten Faserstoffsuspensionen zur Papierherstellung untersucht. Als Partikelsysteme wurden ein etabliertes Mikropartikelsystem aus kationischem Polyacrylamid in Kombination mit Bentonit und ein Nanopartikelsystem aus kationischem Polyacrylamid mit Kieselsol betrachtet. Auch eine neue Kombination aus Polymer mit fragmentierter Stärke wurde untersucht. Als Faserstoffe sind Thermomechanischer Holzstoff (TMP) und eine Kombination aus Kiefern- und Fichtensulfatzellstoff verwendet worden. Die Untersuchungen wurden mit und ohne Zugabe von Calciumcarbonat als Füllstoff durchgeführt. Die Bestimmung von Retention und Entwässerung wurden als aussagekräftige prozesstechnische Messgrößen gewählt. Darüber hinaus wurde der Flockungszustand direkt mit zwei unterschiedlichen Methoden (optische Bildanalyse und Lichtstreuung) charakterisiert. Der Einfluss der Retentionssysteme auf papiertechnische Eigenschaften wurde an Laborblättern bestimmt und die Füllstoffverteilung in diesen rasterelektronenmikroskopisch ermittelt. Es konnte nachgewiesen werden, dass die Retentionssysteme für die Entfaltung ihrer Wirksamkeit die Anwesenheit von feinteiligen Bestandteilen des Faserstoffs (Feinstoff) benötigen. Die Polymeren können auf diesen gut adsorbieren und vergrößern so ihren Wirkungsradius. Dabei scheint es ohne Bedeutung zu sein, ob der Feinstoff ligninhaltig oder ligninfrei ist. Weitere Faktoren, die die Wirksamkeit der hier untersuchten Partikelsysteme beeinflussen sind: · die Dosiermengen der Additive, wobei die optimale Dosierung so liegt, dass im gesamten System ungefähr Elektroneutralität erreicht wird (bei einem Zetapotenzial nahe null) · die Zugabereihenfolge der Additive mit den besten Ergebnissen für die herkömmliche Zugabereihenfolge: CaCO3, CPAM, Mikropartikelkomponente · Art und Menge eines zugegebenen Neutralsalzes; mehrwertige Ionen haben einen größeren Einfluss als einwertige · Ladung und Ladungsdichte der Polymeren; anionische und nichtionische Polymere zeigen eine geringere Wirksamkeit als kationische Die Molmassen der Polymeren haben nur für das System CPAM-Bentonit einen Einfluss auf dessen Wirksamkeit. Deutliche Unterschiede zwischen den Partikelsystemen konnten hinsichtlich ihrer Empfindlichkeit auf Änderungen der Gesamtladungsbilanz des Stoffsystems und auf Störstoffe festgestellt werden. Das Kieselsol-System wird durch Änderungen der Ladungsbilanz stärker beeinflusst als das Bentonit-System. Dieses reagiert auch weniger stark auf die Anwesenheit von Störstoffen. Durch die Anwendung der beiden unterschiedlichen Methoden zur Charakterisierung des Flockungszustandes wurde festgestellt, dass das Kieselsol-System im Vergleich zum Bentonit-System dichtere Flocken ausbildet. Diese Ergebnisse wurden auch durch Sedimentationsuntersuchungen bestätigt. Die Korrelation der Eigenschaften der Laborblätter mit dem Flockenindex war nur für die Füllstoffretention gut. Für die übrigen untersuchten papiertechnischen Eigenschaften wie Porosität, Reißlänge und Formation war kein signifikanter Zusammenhang damit festzustellen. Durch die gefundenen, in dieser Arbeit dargelegten Ergebnisse war es möglich, Modellvorstellungen für die Wirkungsweise der Partikelsysteme zu formulieren. Bei diesen Modellen wird eindeutig zwischen den Kieselsol- und Bentonitsystemen unterschieden. Das im Rahmen der Arbeiten entwickelte und hier vorgestellte neue Mikropartikelsystem bestehend aus kationischem Polyacrylamid und fragmentierter Stärke konnte in nasschemischen Untersuchungen seine Wirksamkeit bezüglich Füllstoffretention zeigen.

The aim of this work was to investigate the interactions of microparticle and nanoparticle retention aids with simplified fibre furnishes. The microparticle system is a combination of cationic polyacrylamide (CPAM) and bentonite. A system consisting of cationic polyacrylamide and a modified silica sol is considered to be a nanoparticle system. Also, a new dual system consisting of a polymer and a fragmented starch was included in this study. Fibre furnishes were prepared from Thermomechanical pulp (TMP) or pine sulfate pulp. Calcium carbonate was used as filler. Evaluation of retention and dewatering was employed for quantifying the performance of these systems. The state of flocculation was characterised with two different methods. Scattering of light lead to a floc index and image analysis to an average floc size. The influence of retention aids on optical and strength properties of the resulting paper were investigated with laboratory sheets. Distribution of calcium carbonate in paper samples were characterised by using a scanning electron microscope. It was shown that presence of fines were mandatory for the performance of the retention systems. The polymers may adsorb onto the fines and extent their capability to form bridges between fibres and fillers. It seems to have only a minor impact if the fines are rich in lignin or not. Additional factors that are influencing the performance of the particle retention systems are: · Dosage of the components, whereas the optimum can be found when positive and negatives charges are in balance (near zeta potential = 0) · Order of addition of the components. The best results are found for the "normal" order of addition: Calcium carbonate, cationic polyacrylamide, particle component · Amount and type of electrolyte. The influence of bivalent ions is greater than for univalent ions. · Sign of charge and charge density of the polymers. The performance of nonionic and anionic polymers is weaker compared to cationic polymers. An influence of the molar mass of the cationic polyacrylamide on the retention can only be found for the CPAM- bentonite system. Significant differences between the particle systems concerning their sensitivity towards disturbing substances and changes in total charge are found. Charge balance has a more distinct influence on the flocculation for the silica sol system than for the bentonite system. The use of two different methods for evaluating the flocculation leads to the finding, that the flocs formed with the silica system are more compact. Flocs formed with the bentonite system are larger. These results were confirmed by sedimentation measuremants. The results obtained during this work lead to new models describing the mechanisms of the particle systems. For a proper description of the mechanisms of action it is necessary to differentiate between the bentonite system and the silica sol system. The newly developed system consisting of cationic polyacrylamide and fragmented starch proved its potential concerning filler retention.