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Einsparung von Prozessenergie und Steuerung von Papiereigenschaften durch gezielte chemische Fasermodifizierung

Energy savings and control of paper properties by chemical modification of pulp fibres

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Zusammenfassung

Die Theorie zur Ausbildung der Faser-Faser-Bindung bei der Papierherstellung fußt heute nach allgemeiner Auffassung auf der Ausbildung von Wasserstoff-Brückenbindungen. Entsprechend wird die Erhöhung der Bindefähigkeit vorwiegend mechanisch durch Mahlung erwirkt, um die Faserflexibilität zu erhöhen und somit die wirksame Faseroberfläche und Bindungsfläche zu steigern. Damit handelt man sich entscheidende Nachteile ein, die sich in schlechter Entwässerbarkeit und hohem Energieverbrauch sowie den stringent folgenden Blatteigenschaften ausdrücken. Neue Mechanismen zur Erklärung und Steuerung der Faser-Faser-Bindung stehen erst am Anfang. Ein Weg hierfür ist die molekulare Belegung von Cellulosefasern durch Polymere mit dem Ziel, entropiegesteuerte Prozesse der gegenseitigen Durchmischung und Bindungsausbildung zu unterstützen. Die vorliegende Arbeit liefert – basierend auf theoretischen Arbeiten anderer Arbeitsgruppen – experimentelle Befunde, wie durch schichtweise Belegung von Zellstofffasern Bindungskräfte und Blattfestigkeiten von Papier ohne vorherige Mahlung in einem Pilot-Prozess gesteuert werden können.

Abstract

Current theories for interfibre bonding during papermaking process are based on general recognition of hydrogen bonding model. Consequently, all effort for boosting fibre strength is connected to mechanical beating of fibres in order to generate more flexible and fragmented fibres for increased bonding areas. As a consequence, significant drawbacks are obtained in terms of water retention ratio resulting in poor dewatering behaviour and high energy consumption. New mechanisms for interpretation and control of interfibre bonding are still up coming. One way to overcome these drawbacks could be the molecular coating of cellulose fibres using polymers targeted on entropy controlled mixing of polymers and cellulose gel resulting in higher bonding forces. Based on theoretical results of various other working groups, the paper presents experimental data on how application of polymeric layers on cellulose fibres have led to sheets of high bonding strength without any mechanical beating in a pilot scale process.

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Abb. 6 Fig. 6
Abb. 7 Fig. 7

Literatur

  • Ahrenstedt L (2007) Surface modification of cellulose material: from wood pulps to artificial blood vessels. Dissertation KTH Stockholm, Department of Biotechnology

  • Arndt T, Erhard K (2010a) Gezielte Steigerung von Festigkeitseigenschaften grafischer Papiere durch selektive Fasermodifizierung mittels Hemicellulose. CMC und Oxidation PTS Forschungsbericht zum Forschungsvorhaben IW 072028

  • Arndt T, Erhard K (2010b) Applied pulp fibre modification with carboxymethyl cellulose—from lab scale to practice. In: Proceedings of PTS symposium applied interface chemistry

  • Beghello L (1998) The influence of carboxymethylation on the fibre flocculation process. Nord Pulp Pap Res J 13(4):269–273

    Article  CAS  Google Scholar 

  • Berglund L (2006) New concepts in natural fibre composites. In: Procceedings of the 27th Riso international symposium on material science: polymer composite material for wind power turbines, Riso National Laboratory, Roskilde/Dänemark

  • Blechschmidt J, Naujock HJ (1987) Neue Erkenntnisse bei der Mahlung von Faserstoffen – insbesondere Altpapierstoff. Zellst Pap 36(1):6–10

    CAS  Google Scholar 

  • Casey JP (Hrsg) (1980) Pulp and paper chemistry and technology, Bd 2, 3. Aufl. Wiley-Interscience, New York

    Google Scholar 

  • Danielsson S (2006) Xylan reactions and their influence on paper sheet properties. Dissertation, Fibre and Polymer Technology, KTH Stockholm

  • Decher G, Hong JD (1991) Buildup of ultrathin multilayer films by a self-assembly process. II. Consecutive adsorption of anionic and cationic bipolar amphiphiles and polyelectrolytes on charged surfaces. In: Deutsche Bunsen-Gesellschaft für Physikalische Chemie: Physikalisch-chemische Aspekte dünner Schichten. Annual meeting Bochum, Bd 95, S 1430–1434

  • Erhard K, Frohberg K (2005) Verbesserung der Spaltfestigkeit von Papier durch CMC-modifizierte Faserstoffe. PTS Forschungsbericht zum Forschungsvorhaben BMWA 408/03

  • Erhard K, Götze T (2001) Verbesserung der Gebrauchswerteigenschaften von Altpapierstoff für die Herstellung von Wellpappenrohpapier durch chemische Reaktivierung der Faseroberfläche. PTS Forschungsbericht zum Forschungsvorhaben AiF 12110B

  • Eriksson M (2006) The influence of molecular adhesion on paper strength. Dissertation KTH Stockholm, Department of Fibre and Polymer Technology

  • Gustavsson M (2003) Design of enzymatic system for the modification of cellulose fibre surfaces. Dissertation KTH Stockholm, Department of Biotechnology

  • Hamilton WC, Ibers JC (1968) Hydrogen bonding in solids. Benjamin, New York, S 16

    Google Scholar 

  • Henriksson M (2004) Cellulose nanocomposite films—processing, structure and properties. Dissertation KTH Stockholm, Department Aeronautical and Vehicle Engineering

  • Horvath AE (2006) The effect of cellulosic fibre charges on polyelectrolyt adsorption and fiber-fiber interactions. Dissertation KTH Stockholm, Department of Fibre and Polymer Technology

  • Johnson KL, Kendall K, Roberts AD (1971) Surface energy and the contact of elastic solids. Proc R Soc Lond Ser A, Math Phys Sci 324(1558):301–313

    Article  CAS  Google Scholar 

  • Kendall K (2001) Molecular adhesion and its applications: the sticky universe. Kluwer Academic/Plenum, New York

    Google Scholar 

  • Koljonen K (2004) Effect of surface properties of fibres on some paper properties of mechanical and chemical pulp. Dissertation, Department of Forest Products Technology, Helsinki University of Technology Espoo

  • Laine J, Lindström T, Glad-Nordmark G, Risinger G (2000) Studies on topochemical modification of cellulosic fibres. Part 1. Chemical conditions for the attachment of carboxymethyl cellulose onto fibres. Nord Pulp Pap Res J 15(5):520–526

    Article  CAS  Google Scholar 

  • Laine J, Lindström T, Glad-Nordmark G, Risinger G (2002) Studies on topochemical modification of cellulosic fibres. Part 2. The effect of carboxylmethyl cellulose attachment on fibre swelling. Nord Pulp Pap Res J 17(1):50–56

    Article  CAS  Google Scholar 

  • Leporatti S, Szech R, Riegler H, Bruzzano S, Storsberg J, Loth F, Jaeger W, Laschewsky A, Eichhorn S, Donath E (2005) Interaction forces between cellulose microspheres and ultrathin cellulose films monitored by colloidal probe microscopy—effect of wet strength agents. J Colloid Interface Sci 281(1):101–111

    Article  CAS  PubMed  Google Scholar 

  • Lingström R (2006) Formation and properties of polyelectrolyte multilayers on wood fibres: influence on paper strength and fibre wettability. Dissertation KTH Stockholm, Department of Fibre and Polymer Technology

  • Maximova N (2004) Adsorption of lignin and lignin/cationic polymer complexes on cellulose fibres and their effects on sheet properties. Dissertation, Department of Forest Products Technology, Helsinki University of Technology Espoo

  • McKenzie AW (1984) The structure and properties of paper. Part XXI. The diffusion theory of adhesion applied to interfibre bonding. Appita 37(7):580–583

    CAS  Google Scholar 

  • Naujock HJ (2001) Neue Aspekte der Mahlungstheorie. Wochenbl Pap.fabr 129(9):590–592

    Google Scholar 

  • Nilsson B, Wågberg L, Gray D (2000) Conformability of wet pulp fibres at small ength scales. Report R-00-6, Mid Sweden University, Fibre Science and Communication Network, Sundsvall

  • Paananen A (2007) On the interactions and interfacial behaviour of biopolymers—an AFM study. Dissertation, Department of Physical Chemistry, Faculty of Mathematics and Natural Sciences, Abo Akademi/VTT Technical Research Centre, Finland

  • Paavilainen L (1993a) Importance of crossdimensional fibre properties and coarseness for the characterisation of softwood sulphate pulp. Paperi ja Puu 75(5):343–351

    CAS  Google Scholar 

  • Paavilainen L (1993b) Conformability—flexibility and collapsibility—of sulphate pulp fibres. Paperi ja Puu 75(9):689–702

    CAS  Google Scholar 

  • Pelton R (1993) A model of the external surface of wood pulp fibers. Nordic Pulp Pap Res J 8(1):113–119

    Article  CAS  Google Scholar 

  • Pelton R, Zhang J, Wågberg L, Rundlöf M (2000) The role of surface polymer compatibility in the formation of fiber/fiber bonds in paper. Nordic Pulp Pap Res J 15(5):400–406

    Article  CAS  Google Scholar 

  • Prati G, Focher B, Sarto V (1985) Celluloseaktivierung: Geeignete Behandlungen und Strukturveränderungen. Lenzing Ber 59:118–124

    CAS  Google Scholar 

  • Pu Y, Zhang J, Elder T, Deng Y, Gatenholm P, Ragauskas AJ (2007) Investigation into nanocellulosics versus acacia reinforced acrylic films. Compos Part B, Eng 38(4):360–366

    Article  Google Scholar 

  • Samir MASA, Alloin F, Dufresne A (2005) Review of recent research into cellulosic whiskers, their properties and their application in nanocomposite field. Biomacromolecules 6(2):612–626

    Article  CAS  Google Scholar 

  • Scallan AM (1977) The accommodation of water within pulp fibres. In: Transaction of the symposium “fibre-water interactions in paper-making”, Bd 1. Technical Division the British Paper and Board Industry Federation, London

  • Scallan AM, Tigerström AC (1992) Swelling and elasticity of cell walls of pulp fibres. J Pulp Pap Sci 18(5):J188–J193

    Google Scholar 

  • Svagan A (2007) Bio-inspired polysaccharide nanocomposites. Dissertation KTH Stockholm, Department of Fibre and Polymer Technology

  • Szeiffova G, Alince B (2003) Wet web strength development. In: Internationale conference chemical technology of wood, pulp and paper, Bratislave

  • Torgnysdotter A, Kulachenko A, Gradin P, Wågberg L (2007) Fiber/Fiber crosses: finite element modeling and comparison with experiment. J Compos Mat 41(13):1603–1618

    Article  CAS  Google Scholar 

  • Wågberg L (2010) Keynote. In: PTS symposium applied interface chemistry, München

  • Wågberg L, Annegren GO (1997) Physicochemical characterization of papermaking fibers. In: Baker CF (Hrsg) The fundamentals of papermaking materials. Transaction of the 11th fundamental research symposium. Cambridge, S 1–82

  • Walker JCF (Hrsg) (2006) Primary wood processing: principles and practice, 2. Aufl. Springer, Dordrecht

    Google Scholar 

  • Zimmermann T (2007) Cellulose fibrils in wood cell walls and their potential for technical application. Dissertation, Fakultät Informatik und Naturwissenschaften, Fachrichtung Biologie, Universität Hamburg, Zürich

Download references

Danksagung

Die Ergebnisse wurden im Rahmen des Forschungsvorhabens VF080012 gewonnen, das mit finanziellen Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie (BMWi) über den Projektträger EuroNorm Gesellschaft für Qualitätssicherung und Innovationsmanagement mbH 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.

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Correspondence to Frank Miletzky.

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This article is dedicated to Gerd Wegener on the occasion of his retirement as professor at the Technische Universität München.

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Erhard, K., Arndt, T. & Miletzky, F. Einsparung von Prozessenergie und Steuerung von Papiereigenschaften durch gezielte chemische Fasermodifizierung. Eur. J. Wood Prod. 68, 271–280 (2010). https://doi.org/10.1007/s00107-010-0462-6

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