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Beitrag zur Aufklärung des Entstehungsmechanismus für das Vorhandensein von Restdruckfarben im Deinkstoff

Diplomarbeit 2007 143 Seiten

Technik

Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

Danksagung

Kurzfassung

Abstract

Glossar

1 Einleitung

2 Aufgabenstellung und Zielsetzung

3 Theoretische Grundlagen
3.1 Der Altpapieraufbereitungsprozess im Überblick
3.1.1 Suspendieren und Zerfasern
3.1.2 Reinigen
3.1.3 Verbessern
3.2 Der Deinkingprozess
3.2.1 Die Druckfarbenablösung
3.2.1.1 Mechanische Kräfte
3.2.1.2 Faserquellung
3.2.1.3 Oberflächenionisation
3.2.1.4 Verseifung
3.2.1.5 Stabilisierung
3.2.1.6 Deinkingchemikalien
3.2.1.7 Zusammenspiel der Ablösefaktoren
3.2.2 Die Druckfarbenentfernung
3.2.2.1 Das Flotations-Deinking
3.2.2.2 Das Wasch-Deinking
3.3 Druckfarbe und Druckverfahren
3.3.1 Aufbau und Zusammensetzung von Druckfarben
3.3.1.1 Das Farbmittel
3.3.1.2 Das Lösungsmittel
3.3.1.3 Das Bindemittel (Firnis)
3.3.1.4 Druckhilfsmittel
3.3.2 Druckverfahren und Eigenschaften des Druckfarbenfilms
3.3.2.1 Offsetdruck
3.3.2.2 Flexodruck
3.4 Wiederanlagerung
3.4.1 Grundlagen und Einteilung
3.4.2 Mögliche Einflussgrößen auf eine Wiederanlagerung von Druckfarbenpartikeln an Fasern bei der Zerfaserung
3.4.2.1 Zerfaserungsbedingungen
3.4.2.2 Druckprodukt und Druckfarbe
3.4.2.3 Faserstoff
3.5 Optische Eigenschaften von deinkten Faserstoffen
3.5.1 Weißgrad
3.5.2 Schmutzpunkte und Partikelgrößenverteilung
3.5.3 Berechnungsgrundlagen von weiteren Kenngrößen

4 Experimenteller Teil
4.1 Konzeption der Untersuchungen
4.1.1 Grundidee
4.1.2 Ablaufplan
4.2 Eingesetzte Materialien und Geräte
4.2.1 Eingesetzte Materialien
4.2.2 Verwendete Geräte und Prüfmittel
4.3 Auswahl und Festlegung benötigter Methoden
4.3.1 Bereitstellung der Druckfarbenpartikel für die Modellversuche
4.3.1.1 Druckfarbenpartikel aus getrockneter Druckfarbe
4.3.1.2 Druckfarbenpartikel aus abgelösten Druckfarbenpartikeln
4.3.1.3 Einsatz von bedrucktem nassfestem Papier als Druckfarbenpartikelspender.
4.3.1.4 Verfahrensauswahl zur Bereitstellung der Druckfarbenpartikel
4.3.2 Auswahl der Methode zur Bewertung der Wiederanlagerung
4.3.2.1 Hyperwäsche mit Haindl-McNett-Fraktionierer
4.3.2.2 Hyperwäsche mit Brecht-Holl-Fraktionierer
4.3.2.3 Vergleich und Auswahl der Methode
4.4 Beschreibung der Verfahrenschritte zur Durchführung der Modellversuche
4.4.1 Probenvorbereitung
4.4.1.1 Vorbereitung des Faserstoffs
4.4.1.2 Herstellung der Chemikalienlösungen
4.4.2 Zerfaserung
4.4.3 Probenentnahme
4.4.4 Homogenisieren im Desintegrator.
4.4.5 Hyperwäsche
4.4.6 Herstellung der Laborproben zur Bestimmung der optischen Eigenschaften
4.4.6.1 Herstellung der Laborblätter (Nutschenblätter)
4.4.6.2 Herstellung der Laborfilter
4.5 Beschreibung der Verfahrensschritte zur Ermittlung relevanter Kenngrößen
4.5.1 Vermessung mittels Spektralphotometer
4.5.2 Partikelgrößenverteilung mittels DOMAS-Schmutzpunktmodul
4.5.2.1 Große Schmutzpunktmessung GSM
4.5.2.2 Kleine Schmutzpunktmessung KSM
4.5.2.3 Mikroskopie
4.5.3 Abgeleitete Kenngrößen
4.5.3.1 Weißgradverlust
4.5.3.2 ERIC-Wert
4.5.3.3 Modifizierter ERIC700-Wert
4.6 Modellversuche
4.6.1 Versuche unter Verwendung des Holzstoffs
4.6.2 Versuche unter Verwendung des Zellstoffs
4.7 Referenzversuche mit Altpapier

5 Ergebnisse
5.1 Ergebnisse der Referenzversuche mit Altpapier
5.2 Ergebnisse der Modellversuche
5.2.1 Ergebnisse bei Einsatz der Coldset-Offset-Druckfarbe und des Holzstoffs
5.2.2 Ergebnisse bei Einsatz der Coldset-Offset-Druckfarbe und des Zellstoffs
5.2.3 Ergebnisse bei Einsatz der Heatset-Offset-Druckfarbe und des Holzstoffs
5.1.3 Ergebnisse bei Einsatz der Rußpigmente
5.2 Ergebnisse der Schmutzpunktanalysen
5.3 Ergebnisse der Mikroskopieuntersuchungen

6 Bewertung und Diskussion der Ergebnisse
6.1 Bewertung der Einflussgrößen auf eine Wiederanlagerung
6.1.1 Bewertung der chemischen Verhältnisse
6.1.2 Bewertung von Druckfarbenart und Menge
6.1.3 Bewertung der Prozesstemperatur
6.1.4 Bewertung des Faserstoffs
6.1.5 Bewertung der Zerfaserungsdauer
6.2 Diskussion der Ursachen für das Zustandekommen einer Wiederanlagerung
6.3 Bewertung des Anteils der Wiederanlagerung am Restdruckfarbengehalt

7 Zusammenfassung und Ausblick

Summary

Abbildungsverzeichnis

Tabellenverzeichnis

Literaturverzeichnis

Anhang

Glossar

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Danksagung

Bedanken möchte ich mich bei meinem Betreuer Herrn Dipl.-Ing. (FH) Johann Strauß, der mir die Bearbeitung dieses interessanten Forschungsthemas an der Papiertechnischen Stiftung (PTS) ermöglicht hat und mir bei allen Fragen mit Rat und Tat zur Seite stand.

Frau Prof. Neukirchinger und Herrn Prof. Vass danke ich für ihre freundliche Unterstützung und ihre Bereitschaft, die Betreuung der Diplomarbeit von Seiten der FH München zu übernehmen.

Ein besonderer Dank gilt Frau Dr. Hanecker für die große Hilfsbereitschaft bei allen chemischen und altpapiertechnischen Fragen und für die nützlichen Anregungen bei der Interpretation einiger Messwerte.

Bedanken möchte ich mich außerdem bei Herrn Dieter Schulte für die Hilfe im Laboralltag und seine kreative und tatkräftige Unterstützung bei der Lösung aller nur denkbaren versuchstechnischen Probleme, bei Herrn Blasius und Herrn Schwarz von der PTS- Heidenau für die Durchführung der zahlreichen Schmutzpunktemessungen sowie bei allen Mitarbeitern der PTS-München für die kollegiale Zusammenarbeit.

Besonderer Dank gilt allen Mitarbeitern des Kompetenzzentrums Altpapierforschung für das tolle Arbeitsklima und die Hilfe bei der praktischen Durchführung.

Mein herzlichster Dank gilt schließlich meinem Mann, meinen Eltern sowie meiner gesamten Familie, die während meines Studiums immer hinter mir standen, mich stets vorbehaltlos unterstützten und somit ganz wesentlich daran beteiligt sind, dass ich mein Studium zu einem erfolgreichen Abschluss bringen konnte.

Kurzfassung

Im Deinkingprozess nicht entfernbare Restdruckfarben beeinträchtigen die Deinkstoffqualität und führen zu deutlich geringeren Weißgraden des aufbereiteten Altpapierstoffs. Ursachen für Restdruckfarben im aufbereiteten Faserstoff können eine schlechte Ablösung der Druckfarben von den Fasern sowie eine Wiederanlagerung von bereits abgelösten, freien Druckfarbenpartikeln sein.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Aufklärung eines möglichen Zustandekommens einer Wiederanlagerung in der Prozessstufe Zerfaserung. Hierfür wurden grundlegende Modellversuche zur Ermittlung der Wiederanlagerung von Druckfarbenpartikeln an Fasermaterial konzipiert. Um eine möglichst eindeutige Abgrenzung zwischen mangelhafter Druckfarbenablösung und Wiederanlagerung zu erhalten, wurde mit frischem unbedrucktem Faserstoff gearbeitet. Die Zugabe der Druckfarbe erfolgte entweder in Form getrockneter Druckfarbenpartikel oder in Form von bedrucktem nassfestem Papier. Mögliche Einflussgrößen auf eine Wiederanlagerung während der Zerfaserung, wie Faserstoffart, Druckfarbenart, Chemikalieneinsatz, Zerfaserungsdauer und Prozesstemperatur, wurden bei den Untersuchungen variiert. Dies sollte Rückschlüsse auf den Entstehungsmechanismus erlauben. Die Beurteilung der Wiederanlagerung erfolgte durch Vergleich der optischen Eigenschaften von druckfarbenfreiem Faserstoff mit denen des druckfarbenenthaltenden hypergewaschenen Faserstoffs.

Schlagworte: Deinking, Restdruckfarbe, Wiederanlagerung, Zerfaserung

Abstract

Contribution to clarifying the mechanism responsible for the presence of residual ink in deinked stock.

In the deinking process, non-removable residual ink impairs the DIP quality and results in much lower brightness of the processed RCF pulp. Residual ink in RCF pulp may be due to poor removal of printing inks and redeposition of removed ink particles that are freely available in the paper fibres.

This paper is concerned with clarifying how redeposition might occur i]n the repulping process stage. Basic model tests designed to investigate ink redeposition onto pulp were therefore created and developed for this purpose. In order to achieve the clearest possible differentiation between poor ink detachment and redeposition, fresh, unprinted pulp was used. The ink was added either in the form of dry printing ink particles or in the form of printed, wet-strength paper. Parameters that might possibly influence redeposition during repulping such as pulp type, chemicals, pulping time and process temperature were varied during the study. This was done to allow conclusions to be drawn about how this mechanism comes about. Redeposition was evaluated by comparing the optical characteristics of ink- free pulp with those of the ink-containing hyperwashed pulp.

1 Einleitung

Altpapier ist der wichtigste Rohstoff für die deutsche Papierindustrie. Neben umweltpolitischen Gründen und dem wachsenden Umweltbewusstsein der Bevölkerung begünstigen aber auch gerade in Deutschland wirtschaftliche Vorteile den Einsatz von Altpapier [1].

Die Altpapiereinsatzquote in Deutschland im Jahr 2005 lag bereits bei 56 % und wird künftig noch weiter ansteigen, da sich die Europäische Papierindustrie zusammen mit anderen Branchen der Wertschöpfungskette verpflichtet hat, die Recyclingquote (Altpapier- Einsatzquote) für Altpapier bis zum Jahr 2010 auf 66 % zu steigern [2; 3].

Mit steigendem Altpapiereinsatz gehen weitere Änderungen der spezifischen Altpapier- Einsatzquoten einher. So hat der Altpapiereinsatz bei Verpackungspapieren wohl sein Maximum erreicht. Wesentliche Steigerungsmöglichkeiten bestehen hauptsächlich im Bereich der graphischen Papiere. Vorraussetzung für den Einsatz großer Mengen Altpapierstoff (aufbereitetes Altpapier) in graphischen Papieren ist die Gewährleistung bestimmter Qualitätsniveaus. Während zum Beispiel von deinktem Faserstoff für die Herstellung von Zeitungsdruckpapieren Weißgrade um 59 % erwartet werden, sind dies bei deinkten Faserstoffen für die Produktion höherwertiger Papiere bereits mindestens 65 % [4].

Das stetig wachsende Altpapierrecycling führt zu einer zunehmenden qualitativen Verschlechterung des zur Verfügung stehenden Altpapiers, gleichzeitig steigen jedoch die Qualitätsansprüche an die optischen Eigenschaften mit Erweiterung der Einsatzbereiche. Die Folge sind Schwierigkeiten bei der Altpapierstoffaufbereitung, die Standards hinsichtlich Ausbeute und optischer Eigenschaften (Weißgrade) zu gewährleisten [5].

Ziel der Altpapierstoffaufbereitung ist es, einen für die erneute Papierherstellung geeigneten Halbstoff bereitzustellen. Um die Qualitätsanforderungen, insbesondere für den Einsatz zur Herstellung höherwertiger altpapierhaltiger Neupapiere, zu gewährleisten, ist es zwingend notwendig die Effizienz der Altpapieraufbereitungsprozesse weiter zu verbessern. Hierbei kommt der Druckfarbenentfernung (Deinking) eine wichtige Rolle zu, da bereits geringe Mengen von Restdruckfarbe im aufbereiteten Faserstoff zu einer deutlichen Verschlechterung dieser optischen Eigenschaften führen können [6].

2 Aufgabenstellung und Zielsetzung

Die im Deinkingprozess nicht entfernbaren Restdruckfarben beeinträchtigen die Deinkstoff- Qualität und führen zu geringeren Weißgraden des aufbereiteten Altpapierstoffs. Der Rest- druckfarbenanteil beeinträchtigt darüber hinaus auch die Wirkung der in der Bleichstufe eingesetzten Chemikalien.

Ursachen für Restdruckfarben, also an Fasermaterial anhaftende Druckfarbenpartikel, im aufbereiteten Faserstoff sind zum einen eine schlechte Ablösung der Druckfarben von den Fasern und zum anderen die Wiederanlagerung von bereits abgelösten, freien Druckfarben- Partikeln. So können an verschiedenen Stellen des Aufbereitungsprozesses abgelöste Druckfarbenpartikel wieder auf die Fasern aufziehen, was einen signifikanten Verlust der Helligkeit des Faserstoffes bedeutet. Bisherige Untersuchungen zum Verhalten von Druckfarben hinsichtlich ihrer Wiederanlagerung an Fasern befassten sich überwiegend mit wasserbasierenden Druckfarbensystemen (Flexodruck). Es liegen keine systematischen Untersuchungen zum Potenzial einer Wiederanlagerung von den in Deutschland im Wesentlichen verwendeten Druckfarbensystemen (Offset-, Tiefdruck) vor. Das Wissen über die Ursachen für das Vorhandensein bzw. für das Zustandekommen von Restdruckfarben im aufbereiteten Altpapier ist jedoch eine notwendige Voraussetzung, um mögliche technologische Abhilfemaßnahmen für eine Minimierung des Restdruckfarbengehalts ableiten und somit höher Qualitätsanforderungen einhalten zu können.

Ziel dieser Arbeit ist es, relevante Einflussgrößen für das Zustandekommen einer Wiederanlagerung von Druckfarbenpartikeln an Fasermaterial zu ermitteln. Auf Basis dieser Ergebnisse sollen Rückschlüsse auf Ausmaß und Ursachen des Stattfindens einer Wiederanlagerung von Druckfarbenpartikeln gezogen werden können, die damit einen Beitrag zu einem theoretischen Modell für die Entstehung von Restdruckfarben in Deinkstoff leisten sollen. Die Untersuchungen begrenzen sich hierbei auf die Prozessstufe Zerfaserung.

3 Theoretische Grundlagen

3.1 Der Altpapieraufbereitungsprozess im Überblick

Aufgabe der Faserstoffaufbereitung ist es, die störenden Inhaltsstoffe des gesammelten Altpapiers von den verwertbaren Bestandteilen zu trennen, um eine gereinigte Fasersuspension für die Weiterverarbeitung in der Papiermaschine zu erhalten [7]. Bedingt durch zahlreiche Einflussfaktoren stellt die Altpapieraufbereitung einen hoch komplexen Prozess dar, welcher zudem mit großem technologischen Aufwand verbunden ist [8].

Die Schaltung von Altpapierstoffaufbereitungsanlagen und die eingesetzten Aufbereitungs- techniken unterscheiden sich abhängig von der erwünschten Faserstoffqualität, die erreicht werden soll. In der Altpapieraufbereitung wird der Faserstoff häufig durch Stoff abgekürzt. Abbildung 3.1 zeigt eine mögliche Schaltung einer Aufbereitungsanlage für den Altpapiereinsatz zur Herstellung von grafischen Papieren [7].

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3.1: Beispiel einer Aufbereitungsanlage für den Altpapiereinsatz bei graphischen Papieren

[7].

Im Folgenden werden nur die wichtigsten Grundprozesse dargestellt.

3.1.1 Suspendieren und Zerfasern

Unter einer Suspension versteht man in der Chemie ein heterogenes Stoffgemisch aus einer Flüssigkeit und einem darin feinverteilten Feststoff. In der Faserstoffaufbereitung entspricht dies einem Gemisch aus Wasser und darin fein verteilten Fasern.

Ziel des Suspendierens ist es, eine homogene, pumpfähige Suspension herzustellen, welche eine bestimmte Mischgüte gewährleistet [9]. Um eine solche Suspension zu erhalten, ist zunächst die Zerlegung des Fasergefüges in Einzelfasern notwendig, welche man als Auflösung oder Zerfaserung bezeichnet. Hierfür müssen die Bindungskräfte zwischen den Fasern soweit wie möglich reduziert werden, was mit Hilfe des Wassers und gegebenenfalls unter Zugabe von Chemikalien erreicht wird [7].

Die eigentliche Vereinzelung erfolgt dann durch mechanische oder hydraulische Beanspruchung in einer Suspendiermaschine (siehe Abbildung 3.2). In der Literatur werden für solche Maschinen verschiedene Fachausdrücke synonym gebraucht: Pulper, Auflöser, Stofflöser und Zerfaserer [7].

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3.2: Funktionsweise eines Pulpers [7]

Pulper sind meist zylindrische Behälter mit einem Volumen von 4 bis etwa 80 m3Fassungsvermögen. Ein Rotor, der entweder horizontal oder vertikal eingebaut ist, sorgt für die nötigen Turbulenzen und Scherkräfte [7]. Je nach Gerätewahl kann die Zerfaserung bei unterschiedlicher Stoffdichte durchgeführt werden.

Konventionelle Pulper (LC-Pulper) arbeiten bei niedriger Stoffdichte < 8 % und erzeugen neben Turbulenzen hohe Prall- und Scherkräfte, wodurch die Wahrscheinlichkeit steigt, Verunreinigungen zu zerkleinern [10].

Pulper im Mittelkonsistenzbereich (MC-Pulper) haben eine ähnliche Bauform wie LC-Pulper. Da sie aber bei einer Stoffdichte von 12-15 % betrieben werden, wird statt eines konventionellen Rotors ein Schraubenrotor verwendet. [10].

Hochkonsistenzpulper (HC-Pulper) gewinnen zunehmend an Bedeutung, da sie bei einer Stoffdichte von bis zu 20 % arbeiten und dadurch eine sehr schonende Zerfaserung gewährleisten [10].

3.1.2 Reinigen

Die entstandene Suspension enthält noch zahlreiche Verunreinigungen, die entfernt werden müssen, um die Qualitätsanforderungen an das Endprodukt erfüllen zu können.

Die Reinigung erfolgt aufgrund der verschiedenartigen Verunreinigungen in mehreren Schritten. Verunreinigungen werden meist hinsichtlich ihres spezifischen Gewichts bezüglich der gequollenen Faser in

- spezifisch schwerere Bestandteile wie: Steine, Glas, Sand, Metalle u.a.,
- spezifisch gleichschwere wie: Holz, Textilfaser, Kunst- und Klebstoffe, Druckfarben u.a. und
- spezifisch leichtere Bestandteile wie: Polystyrol, Plastik oder Kork u.a. unterschieden [11].

Bezüglich dieser Unterscheidung werden meist auch die eingesetzten Reinigungsverfahren eingeteilt. Gleichschwere Fremdstoffe werden zum Beispiel in sog. Sortierern abgetrennt. Das Trennungsprinzip beruht auf Unterschieden bezüglich Form und Größe. Indem die Suspension durch Siebe und Schlitze unterschiedlicher Lochweite transportiert wird, können größere Teilchen abgetrennt werden. Hierbei eignen sich Lochsortierer eher für flächige Fremdstoffe, und Schlitzsortierer vorwiegend für Kubische [11].

Nach Durchlaufen verschiedener mechanischer Reinigungsverfahren ist die Suspension weitgehend von Fremdstoffen befreit. Je nach Einsatzbereich des Altpapiers können sich nun weitere Reinigungsverfahren anschließen. Für graphische Papiere folgen an dieser Stelle meist Verfahren zur Beseitigung der Druckfarbe.

Die Ablösung und Entfernung der an den Fasern anhaftenden Druckfarbe wird Deinking genannt. Beim Deinken werden verfahrenstechnisch zwei Grundprozesse unterschieden [7]:

1. Das Ablösen der Druckfarbe von den Fasern und dispergieren der Druckfarbenpartikel in der Stoffsuspension (Druckfarbenablösung).
2. Das Abtrennen der in der Suspension dispergierten Farbpartikel durch Wäsche oder Flotation (Druckfarbenentfernung).

Eine detaillierte Erläuterung des Deinkingprozesses erfolgt in Abschnitt 3.2.

3.1.3 Verbessern

Den letzten Schritt im Aufbereitungsprozess stellt meist das Verbessern des Faserstoffs hinsichtlich seiner Eigenschaften dar [5].

Die dabei zum Einsatz kommenden Verfahren sind:

- Fraktionieren und Mahlen,
- Dispergieren und
- Bleichen.

Wesentliche Ziele der Mahlung sind die Freilegung der inneren, bindungsfähigen Faserbereiche und die Vergrößerung der spezifischen Faseroberfläche. Die Mahlung des Faserstoffs bewirkt somit eine Verbesserung der Bindungsfähigkeit der Fasern, gleicht Qualitätsschwankungen aus und steigert die Festigkeiten, verschlechtert jedoch auch die Entwässerung [12].

Das Ziel der Dispergierung besteht in der Steigerung der optischen Qualität, indem verbliebene Druckfarben abgelöst, zerkleinert und homogenisiert werden. Durch das Schmelzen und Homogenisieren der verbliebenen Wachse, Paraffine, Stickys und Bitumen werden zusätzlich Störungen der weiterverarbeitenden Maschinen vermieden [7]. Meist erfolgt die Dispergierung in einem Scheibenzerfaserer bei einer Stoffdichte zwischen 25 und 30 % [13].

Um den für höherwertige Papiere geforderten Mindestweißgrad des Altpapierstoffs zu erreichen, werden der Suspension meist während oder nach der Dispergierung, manchmal auch erst am Ende des Aufbereitungsprozesses, Bleichchemikalien zugesetzt. Die Auswahl und Wirksamkeit der Bleichmittel ist abhängig von der Altpapierstoffzusammensetzung und den Prozessbedingungen [14].

3.2 Der Deinkingprozess

Soll das aufbereitete Altpapier zur Herstellung graphischer Papiere eingesetzt werden, dann sind die optischen Eigenschaften in der Regel das entscheidende Qualitätskriterium. Da die optischen Eigenschaften des aufbereiteten Fertigstoffes ganz wesentlich davon abhängen, wie erfolgreich die Druckfarbe vom Altpapier entfernt werden kann, zählt das Deinken zu den wichtigsten Prozessen der Altpapieraufbereitung im graphischen Einsatzbereich [7]. Das gleichzeitige Ablaufen zahlreicher physikalisch-chemischer Vorgänge an Grenzflächen führt beim Deinkingprozess zu einer großen Anzahl an Wechselwirkungen [6].

3.2.1 Die Druckfarbenablösung

Voraussetzung für die Entfernung von Druckfarben aus der Faserstoffsuspension ist die vorherige Ablösung der auf den Fasern haftenden Druckfarbe sowie die stabile Dispergierung der Partikel in der Suspension.

Abbildung 3.3 zeigt die verschiedenen Mechanismen, welche im Modell von Johansson [15] bei der Druckfarbenablösung beteiligt sind.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3.3: Die fünf Prozesse der Druckfarbenablösung [15]

Die Ablösung erfolgt demnach während der Suspendierung des Altpapiers durch mehrere Faktoren.

3.2.1.1 Mechanische Kräfte

Die im Pulper auftretenden Reibungs- und Scherkräfte (Shear forces) tragen auf mechanischem Wege dazu bei, die Druckfarbe von den Fasern abzulösen [16], wobei zwischen Wasser/Faser-, Faser/Faser- und Rotor/Faser - Wechselwirkungen unterschieden wird [17].

Man nimmt an, dass Wasser/Faser – Wechselwirkungen bei kleinen Druckfarbenpartikeln nur geringen Einfluss auf die Ablösung haben. Die relative Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit in der Nähe von Oberflächen, also stillstehenden Schichten wie den Fasern, geht gegen Null. Daher werden kleine Partikel stärker durch die „massiven“ Fasern von den einwirkenden hydrodynamischen Kräften abgeschirmt als größere. Die im Pulper herrschende Hydrodynamik ist im Wesentlichen von dessen geometrischen Aufbau, der Rotorgeometrie, der Drehzahl, der Stoffdichte, dem Scherfaktor, der Viskosität und den Fasereigenschaften abhängig und muss im allgemeinen experimentell für die gewünschte Pulper – Suspension – Kombination bestimmt werden [18].

Hohe Stoffdichten verursachen starke lokal begrenzte Scherkräfte in direkter Rotornähe (Rotor/Faser-Wechselwirkungen), jedoch weniger Faser/Faser-Wechselwirkungen aufgrund der insgesamt verringerten Faserstoffbewegung. Faser/Faser-Wechselwirkungen werden auf mechanischer Seite häufig als wichtigste Einflussgröße auf Stoffzerfaserung und Druckfarbenablösung angesehen, wohingegen Rotor/Faser-Wechselwirkungen meist als Ursache einer starken Fragmentierung der Druckfarbenpartikel genannt werden [15; 19]. Demnach führen zu hohe Stoffdichten zu einer Verminderung der Stoffzerfaserung und einer starken Zerkleinerung der Druckfarbenpartikel. Auf der anderen Seite zeigten Untersuchungen, dass zu geringe Stoffdichten ebenfalls die Effizienz der Zerfaserung verringern und zu einer geringeren Druckfarbenablösung führen [19]. Dieser Effekt wird meist auf die veränderte Hydrodynamik, sprich weniger Faser/Faser- und steigende Wasser/Faser-Wechselwirkungen, zurückgeführt und zeigt die Bedeutung der Anpassung von Stoffdichte und Pulper für eine effiziente Zerfaserung und Druckfarbenablösung [17].

3.2.1.2 Faserquellung

Das Quellen des Faserstoffs (swelling), welcher elastischer ist als die Druckfarbenpartikel, unterstützt ebenfalls das Lösen der Druckfarbe-Faser-Verbindung und ermöglicht gleichzeitig den Chemikalien, an die Grenzflächen zwischen Fasern und Druckfarbe vorzudringen. Die grundsätzliche Ursache des Faserquellens ist ein verringertes chemisches Potential im Faserinneren welches die Aufnahme von Wasser ermöglicht [17].

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3.4: Schematische Darstellung der Druckfarbenablösung durch Faserquellung [20]

Durch Faserquellung verursachte Volumenvergrößerungen führen zur Dehnung der Faserwände, welche auf die anhaftende, relativ unflexible Druckfarbe übertragen wird. Wie

Abbildung 3.4 schematisch zeigt, wird die Druckfarbe dadurch abgelöst. Obwohl die Faserquellung bis heute nicht vollständig geklärt ist, wird sie in der Literatur häufig als einer der wichtigsten Druckfarbenablöseprozesse genannt [11; 17; 21].

3.2.1.3 Oberflächenionisation

Die Ionisation der Oberflächen ist ein weiterer wichtiger Einflussfaktor beim Ablöseprozess. Hierbei werden durch Dispergierung und mit Hilfe verschiedener Chemikalien sowohl Fasern, wie auch Druckfarbe negativ aufgeladen. Der Einsatz von Natronlauge spielt hierbei eine entscheidende Rolle. Natronlauge führt aufgrund der Hydroxid-Ionen (OH-) zu einem alkalischen Milieu, welches die Dissoziation der an der Cellulose gebundenen Carboxyl- Gruppen verstärkt, so dass sich die negative Oberflächenladung des Faserstoffs erhöht. Die Druckfarbenpartikel werden beim Dispergieren ebenfalls negativ aufgeladen, wodurch eine verstärkte elektrostatische Abstoßung zwischen Faser und Druckfarbe entsteht. Dies unterstützt die Ablösung, indem die Verbindung zwischen Druckfarbe und Faser stark gelockert wird [11; 17].

3.2.1.4 Verseifung

Die in den Druckfarben enthaltenen Bindemittel sorgen für eine ausreichende Haftung der Druckfarbe auf dem Papier, indem sie eine netzwerkartige Struktur bilden. Die wichtigste funktionale Gruppe der Bindemittel sind Ester, welche für eine erfolgreiche Druckfarbenablösung abgebaut werden müssen. Der Abbau dieser Bindemittel erfolgt durch Esterspaltung bzw. Verseifung (saponification), also durch Hydrolyse der Esterbindung. Die Esterspaltung führt zu Brüchen im Druckfarbennetzwerk und somit zu kleineren, leichter ablösbaren Druckfarbenpartikeln [17].

3.2.1.5 Stabilisierung

Nach dem Ablösen muss eine Wiederanlagerung der Druckfarbe an die Fasern und eine Ablagerung auf die maschinelle Ausrüstung verhindert werden. Diese Stabilisierung der Druckfarbenteilchen wird durch Dispergierung und Emulgierung erreicht. Die nichtionischen oberflächenaktiven Stoffe, welche zur Ablösung eingesetzt werden, können auch wirkungsvolle Dispergiermittel sein [22]. Eingesetzte und/oder gebildete Tenside haben zum Beispiel einen dispergierenden Effekt auf Druckfarbenpartikel und einen emulgierenden Effekt auf die in den Druckfarben enthaltenen Ölteilchen [17]. Die Tenside sorgen zunächst für die Absenkung der Oberflächenspannung des Wassers und ermöglichen somit eine vollständige Benetzung von Faser und Druckfarbe. Durch Adsorption der Tenside an der

Oberfläche der Druckfarbe wird die Verbindung zur Faser geschwächt. Bei bereits abgelöster Druckfarbe wird eine Stabilisierung der Partikel in der Fasersuspension erreicht [11].

3.2.1.6 Deinkingchemikalien

Zur Unterstützung des Ablöseprozesses kommen zahlreiche chemische Hilfsmittel zum Einsatz, welche zum Teil mehrere Aufgaben erfüllen [23]. Abbildung 3.5 gibt einen Überblick der beim Deinken eingesetzten Chemikalien [11].

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3.5: Chemikalieneinsatz beim Deinken [11]

Beim klassischen Deinken werden im allgemeinen folgende chemische Hilfsmittel (Deinkingchemikalien) zugegeben:

-Natronlauge NaOH
-Wasserstoffperoxid H2O2
-Wasserglas
-Fettsäure bzw. deren Seife
-(u.U. Dispergiermittel).

Komplexbildner, wie Ethylendiamintetraessigsäure (EDTA) oder Diethylentriaminpenta- essigsäure (DTPA) werden als Deinkingchemikalien nicht mehr verwendet [11].

Die zugesetzte Natronlauge sorgt zunächst dafür, dass die Fettsäure in ihr Salz, d.h. in die Seife, überführt und somit wasserlöslich wird. Die gebildete Seife ist eine oberflächenaktive Substanz (Tensid), welche die Oberflächenspannung des Wassers reduziert [11; 22].

Dieses alkalische Milieu begünstigt neben der Faserquellung auch die Zerfaserung. Der Energiebedarf und damit auch die Zerfaserungsdauer im Pulper sind unter neutralen Bedingungen fast doppelt so hoch [9; 17].

Allerdings verursachen die hohen pH-Werte bei holzhaltigen Altpapieren eine Alkalivergilbung. Um dieser Vergilbung entgegenzuwirken, wird das bleichwirksame Wasserstoffperoxid (H2O2) eingesetzt (siehe Tabelle 3.1) [8].

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 3.1: Wechselwirkungen von Wasserstoffperoxid [8]

Die Bleichwirkung beruht auf der Dissoziation von Wasserstoffperoxid im alkalischen Milieu in Wasser und das Perhydroxyl-Ion (HOO-), wobei das Perhydroxyl-Ion als Bleichreagenz angesehen wird. Aufgrund alkalischer Bedingungen, Temperaturerhöhungen und vor allem durch Schwermetallspuren besteht die Gefahr, dass sich das Wasserstoffperoxid noch vor Entfaltung seiner Bleichwirkung wieder zersetzt [11].

Um diesem katalytischen Zerfall von Wasserstoffperoxid entgegenzuwirken, wird Wasserglas als Stabilisator eingesetzt. Des weiteren trägt Wasserglas zur Verbesserung des Weißgrads und zur Verringerung von Stoffverlusten bei [22].

3.2.1.7 Zusammenspiel der Ablösefaktoren

Die Druckfarbenablösung erfolgt demnach aufgrund zahlreicher physikalisch-chemischer Effekte. Mehrere Untersuchungen [9; 16; 24] haben gezeigt, dass eine Kombination aus mechanischen und chemischen Faktoren für eine erfolgreiche Druckfarbenablösung entscheidend ist. So wurde in Gegenwart von Deinkingchemikalien, jedoch ohne mechanische Beanspruchung, nur eine geringe Druckfarbenablösung festgestellt. Bei ausschließlich mechanischer Beanspruchung war der Ablöseeffekt nur wenig besser. Eine optimale Druckfarbenablösung konnte nur bei gleichzeitiger mechanischer und chemischer Einwirkung erzielt werden. Ähnliche Effekte sind bereits aus dem textilen Waschvorgang bekannt, auch hier sind physikalisch-chemische Synergieeffekte erheblich am erfolgreichen Schmutzaustrag beteiligt [19].

3.2.2 Die Druckfarbenentfernung

In der industriellen Praxis haben sich für die Druckfarbenentfernung im Wesentlichen zwei Verfahren durchgesetzt, das

-Wasch-Deinking und das
-Flotations-Deinking.

Beide Verfahren zielen gleichermaßen auf eine Erhöhung des Weißgrads, auf Verbesserung der Sauberkeit und auf eine Reduzierung der klebenden Verunreinigungen ab. Eine Erhöhung des Weißgrads wird erreicht, wenn es gelingt, die kleinen Druckfarbenpartikel, welche sich bei der Weißgradmessung besonders stark auswirken (siehe Abschnitt 3.5), zu entfernen. Die Sauberkeit wird hingegen durch den Gehalt an großen, mit bloßem Auge erkennbaren Schmutzpunkten, wie Druckfarben- oder Lackteilchen, charakterisiert [11].

3.2.2.1 Das Flotations-Deinking

Das in Europa dominierende Verfahren ist das Flotations-Deinking, welches auf einer selektiven Abtrennung von Druckfarbenpartikeln mittels feinverteilter Luftblasen basiert [7].

Hierfür werden die relativ kleinen Druckfarbenteilchen zunächst durch geeignete Sammlerchemikalien hydrophobiert, agglomeriert und lagern sich anschließend an den eingegasten, fein verteilten Luftblasen an. Die so beladenen Luftblasen strömen durch den Altpapierstoff nach oben (siehe Abbildung 3.6). An der Oberfläche der Flotationszelle scheidet sich dunkler Schaum, der Druckfarbe und geringe Mengen an Papierfaserbruchstücken, Füllstoffen und ggf. Strichpigmenten enthält, ab. Dieser wird mechanisch entfernt. Das Optimum dieses Prozesses liegt bei Druckfarbenpartikeln in den Größen von 20–100 µm. Partikel, die kleiner oder größer als die optimale Partikelgröße sind, werden mit geringerer Effizienz flotiert [6].

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3.6: Prinzip der Flotation [25]

3.2.2.2 Das Wasch-Deinking

Das Prinzip der Wäsche beruht auf einem Fest-Fest-Trennvorgang, bei dem ein durch mehrmalige Verdünnungs- und Entwässerungsschritte entstehender Reinigungseffekt genutzt wird. Generell werden bei der Eindickung auf eine höhere Stoffdichte besonders die kleinen Partikel mit dem Wasser ausgetragen [11].

Beim Wasch-Deinking wird daher, im Gegensatz zur Flotation, auf die Agglomeration der Farbpartikel verzichtet und stattdessen eine möglichst starke Zerkleinerung angestrebt. Analysiert man das Größenspektrum der im Altpapier enthaltenen Stoffe, wird deutlich, dass es durch eine Wäsche nicht gelingen kann, Druckfarbenpartikel selektiv abzuscheiden. Prinzipiell werden alle Komponenten, die hinreichend klein sind, um durch die Poren des sich auf dem Trennelement ausbildenden Faservlieses und anschließend durch das Trennelement (Sieb) treten zu können, ausgewaschen. Also auch Füll- und Feinstoffe [8].

Ein Nachteil des Wasch-Deinkens ist die Tatsache, dass die aus dem Stoff abgetrennten Verunreinigungen im Gegensatz zum Schlamm der Flotations-Deinking-Anlage in stark verdünnter Form im Filtrat des Wassers anfallen. Wegen des ohnehin schon enormen Wasserbedarfs wird das Filtrat meist einer aufwendigen Wasseraufbereitung unterzogen. Gereinigt kann es in den Prozess zurück geleitet werden, ohne Reinigung muss es einer Abwasserkläranlage zugeführt werden [11].

Abbildung 3.7 zeigt eine Zusammenfassung der wichtigsten Unterschiede zwischen Flotation- und Wasch-Deinking [11].

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3.7: Gegenüberstellung von Flotation- und Wasch-Deinking [11]

3.3 Druckfarbe und Druckverfahren

Zusammensetzung und Konsistenz von Druckfarben sind nicht frei wählbar, sondern in erster Linie von den Bedingungen und Anforderungen der gewählten Drucktechnologie und dem zu erzeugenden Endprodukt abhängig. Die Tatsache, dass jeder Druckfarbenhersteller mehrere 10.000 verschiedene Farbformulierungen am Markt hat, zeigt zum einen, wie wichtig eine Anpassung der Druckfarbenzusammensetzung an das jeweilige Druckverfahren und Druckprodukt ist [26]. Zum anderen auch, wie unterschiedlich die verschiedenen Druckfarben wechselwirken. Da die Eigenschaften des Druckfarbenfilms wiederum eine mögliche Wiederanlagerung beeinflussen können, sollen zumindest die für graphische Papiere am häufigsten eingesetzten Druckfarben und –verfahren in diesem Abschnitt besprochen werden [27].

3.3.1 Aufbau und Zusammensetzung von Druckfarben

Ganz allgemein lassen sich die Hauptbestandteile der Druckfarben in folgende Komponenten einteilen [27]:

- dem Farbmittel (Farbstoffe oder Pigmente),
- dem Lösungsmittel (Mineralöl, Wasser, Alkohol u.ä.),
- dem Bindemittel (Öle, Harze u.ä.),
- sonstige Hilfs- und Zusatzstoffe (meist nur in geringen Mengen z.b. Schönungsmittel).

3.3.1.1 Das Farbmittel

Das Farbmittel enthält die farbgebenden Bestandteile der Druckfarbe. Im Fall von Schwarzfarbe werden Pigmente eingesetzt [26]. Diese werden durch ein Bindemittel benetzt und sind idealerweise statistisch über das Anwendungsmedium verteilt [27]. Pigmente sind im Gegensatz zu Farbstoffen im umgebenden Medium (Löse-/Bindemittel) vollkommen unlöslich. Die Farbwirkung ist die Folge der Wechselwirkung des Materials mit Licht durch Absorption und Remission (Streuung und/oder Reflexion) bestimmter Frequenzanteile des sichtbaren Lichts. Als Schwarzpigment wird meistens Kohlenstoff in Form von Ruß eingesetzt [28].

3.3.1.2 Das Lösungsmittel

Die Wahl der Lösungsmittel richtet sich nach den in der Farbe verwendeten Harztypen. Die Aufgaben eines Lösungsmittels sind, die Farbe druckfähig zu machen und die Harze bzw. Farbstoffe anzulösen. Man benötigt das Lösungsmittel lediglich für den Druck, nachher soll es möglichst rasch und vollständig aus der Farbschicht heraustreten und verdunsten [29].

3.3.1.3 Das Bindemittel (Firnis)

Den Bindemitteln kommen in der Druckfarbe zweierlei Aufgaben zu: Einerseits müssen sie die farbgebende Komponente benetzen, umhüllen und über das Farbwerk und die Druckform auf das Substrat übertragen, andererseits müssen sie die Pigmente auf dem Substrat fixieren und einen widerstandsfähigen Druck herstellen [27; 30].

Eine gute Wechselwirkung zwischen Bindemittel und Pigment erleichtert die Benetzung, beschleunigt den Dispergierungsvorgang und führt zu einer besseren Stabilität der Druckfarben [28]. Das Fixieren der Druckfarbe auf dem Papier geschieht durch Trocknung. In der Druckfarbenchemie werden anstatt Trocknung auch die Begriffe Verfilmung oder Haftung verwendet. Bei der Trocknung spielt der chemische Aufbau des Bindemittels, dessen Reaktionsfähigkeit mit dem Papier und gegebenenfalls dessen Oxidierbarkeit eine Rolle [27]. Dementsprechend unterscheidet man die Bindemittel häufig nach ihrer Trocknungsart [30].

Chemisch trocknende Bindemittel (Oxidation, Polymerisation)

Als chemisch trocknende Bindemittel werden meist pflanzliche Öle, wie der Leinölfirnis, eingesetzt. Da die Naturöle durch Sauerstoffaufnahme trocknen, spricht man auch von oxidativer Trocknung. Die oxidative Trocknung geschieht in 2 Phasen. In der ersten Phase schlägt die Farbe weg und bildet eine „Haut“. In der zweiten Phase trocknet die Farbe oxidativ durch. Das heißt, das in der Farbe befindliche Harz-Öl-Gemisch benötigt eine gewisse Zeit, um nach der „chemischen“ Trocknung einen harten Farbfilm zu bilden. Bei normalen Druckfarben geht man je nach Bedruckstoff von max. 48 Stunden bis zu einem ausreichend trockenen Farbfilm aus [29; 31].

Physikalisch trocknende Bindemittel (Verdunstung und Wegschlagen)

Die Verdunstung ist ein rein physikalischer Trocknungsmechanismus, bei dem entweder flüchtige Lösemittel, bei Raum- oder leicht erhöhter Temperatur, oder niedrigviskose Mineralöle, bei hoher Temperatur, die Druckfarbe schnell und fast restlos verlassen und dafür einen trockenen und festen Farbfilm auf dem Papier hinterlassen [50]. Rein wegschlagende Druckfarben sind nur für stark saugfähige Bedruckstoffe geeignet, die in der Lage sind, die flüssigen Druckfarbenbestandteile aufzunehmen. Im Vorgang des Wegschlagens verliert der Druckfarbenfilm an Volumen und die Pigmentteilchen rücken näher zusammen, wie in Abbildung 3.8 zu sehen ist [31].

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3.8: Druckfarbentrocknung durch Wegschlagen [31]

3.3.1.4 Druckhilfsmittel

Druckhilfsmittel werden zur Verbesserung der Druckeigenschaften einer Farbe in meist geringen Konzentrationen beigemischt. Sie können Trockenstoffe, Wachse für die Scheuerfestigkeit, Verschnittmittel für die Aufhellung der Farben oder Füllstoffe für Viskosität und Mattierung enthalten [49]. Bei wasserbasierenden Farben kommen zudem Netzmittel, Entschäumer und Konservierungsmittel als spezielle Hilfsmittel zum Einsatz. Im Bezug auf das Deinking wurden Druckhilfsmittel wegen der geringen Einsatzmenge und der Vielfältigkeit der eingesetzten Stoffe bisher nicht näher untersucht [30].

3.3.2 Druckverfahren und Eigenschaften des Druckfarbenfilms

Die physikalisch-chemischen Eigenschaften des getrockneten Farbauftrags am Papier hängen in erster Linie vom Trocknungsmechanismus der Druckfarbe und dieser wiederum vom verwendeten Druckverfahren ab. Aufgrund der anfallenden Menge sind Zeitungen, Zeitschriften, Kataloge und Beilagen die wichtigsten Rohstoffe der Deinkingtechnik. Zeitungen werden heute überwiegend im Offset-Coldset-Druck hergestellt. In einigen Ländern, wie Italien, Großbritannien und vor allem den USA, wird deutlich häufiger der wasserbasierende Flexodruck eingesetzt. Typische Druckverfahren für Zeitschriften sind Tief- und Offsetdruck, die eingesetzten Papiere sind überwiegend holzhaltige Papiere [11; 32].

3.3.2.1 Offsetdruck

Das in Deutschland wichtigste und am weitesten verbreitete Druckverfahren ist der Offsetdruck. Der Name stammt vom Englischen "to set off" (absetzen) und beschreibt ein indirektes Druckprinzip. Die druckenden und nichtdruckenden Flächen liegen quasi in einer Ebene, unterscheiden sich aber in ihrem Benetzungsvermögen. Die nicht druckenden Oberflächenbereiche sind hydrophil, also besonders gut mit Wasser bzw. einem Wasser- Alkohol-Gemisch und schlecht mit öligen Flüssigkeiten benetzbar. Die druckenden Bereiche sind hydrophob, verhalten sich also genau umgekehrt. Die Druckplatte wird zunächst mit einem Feuchtmittel (Wasser-Alkohol-Gemisch) in Berührung gebracht, welches die nicht druckenden Bereiche benetzt. Anschließend erfolgt an den druckenden Stellen, die nicht durch Feuchtmittel benetzt sind, der Farbauftrag durch die Farbwalze [32].

Je nach Art der Papierzuführung können Offsetdruckverfahren weiter unterteilt werden. Das Einführen einzelner Blätter in die Maschine wird Bogenoffsetdruck und die bahnenförmige Zufuhr von auf Rollen gewickelten Papieren, wie z.b. beim Zeitungsdruck, wird Rollenoffsetdruck genannt [33].

Alle Offsetdruckverfahren sind dadurch charakterisiert, dass die eingesetzten Farben auf schwer flüchtigen Ölen basieren und nicht mit Lösemitteln verdünnt werden müssen. Insbesondere der Mengenanteil und die stoffliche Zusammensetzung der Bindemittelkomponente variiert deutlich in Abhängigkeit von den Trocknungsvorgängen bei den verschiedenen Offset-Druckverfahren [31].

Beim Offsetdruck mit anschließender Heißlufttrocknung (Heatset-Offset) erfolgt die Farbtrocknung in drei Phasen [31]:

- Wegschlagen eines kleinen Teils des Grundöls aus der Druckfarbe in das Papier,

- Verdunsten/Verdampfen weiterer Mineralölanteile (ca. 90 %) im Heizkanal des Trockners bei 190 – 250 °C und einer Verweilzeit vo n ca. 1 Sekunde,

- Verfestigung des Farbfilms bei Abkühlung der Papierbahn auf Umgebungstemperatur.

Farben für den Zeitungsrotationsdruck (Coldset-Offset) trocknen dagegen fast ausschließlich durch Wegschlagen der Grundöle in den Bedruckstoff ohne zusätzliche hitzeanwendende Trocknungseinrichtung.

Beim Bogen-Offsetdruck erfolgt der überwiegende Teil der Trocknung durch Oxidationsreaktion der ungesättigten Fettsäuren, die in den sogenannten trocknenden Ölen (z.b. Leinöl, Sojaöl) enthalten sind, mit der Umgebungsluft [27].

Prinzipiell sind Druckfarben, die festhaftende, zähe Druckfarbenfilme bilden, schlechter von den Fasern ablösbar. Beispiele für solche Farben sind strahlungshärtende Systeme (UV- Farben) und Offsetfarben (Bogenoffset- und manche Zeitungsoffsetfarben), die große Anteile an oxidativ trocknenden Ölen wie Lein- oder Sojaöl enthalten [11]. Abbildung 3.9 gibt einen Überblick über Druckfarbe, Druckfarbentrocknung und Ablösbarkeit des Druckfarbenfilms.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3.9: Überblick über Druckfarbe, Druckfarbentrocknung und Ablösbarkeit des

Druckfarbenfilms [11].

3.3.2.2 Flexodruck

Ein grundlegend anderes Verhalten zeigen die im Flexodruck verwendeten wasserbasierenden Druckfarben [34].

Der Flexodruck ist ein direktes Hochdruckverfahren, welches in Deutschland nur vereinzelt eingesetzt wird, jedoch aufgrund seiner verfahrenstechnischen Vorteile immer mehr an Bedeutung gewinnt. Es handelt sich dabei meist um ein Rollenrotationsdruckverfahren, bei dem flexible (flexo) Druckplatten, die meist aus Fotopolymeren bestehen, und niedrigpastöse Druckfarben verwendet werden [32].

Im Flexodruck werden lösemittel- und wasserbasierende Farben eingesetzt. Diese Farben bereiten in der Aufbereitung von Altpapier erhebliche Schwierigkeiten, da sie im vorherrschenden Flotations-Deinking nicht oder nur unvollständig entfernbar sind [35]. Unter den leicht alkalischen Bedingungen des Deinkingprozesses zerfällt das Bindemittel. Dies hat zur Folge, dass solche Farben nicht als Bruchstücke eines Druckfarbenfilms vorliegen, sondern als kleinste, nicht von Bindemittel umhüllte, hydrophile Pigment-Primärteilchen in Größenordnungen unter 1 µm. Solche Teilchen sind zu klein für eine gute Flotation und außerdem hydrophil, folglich wandern die Druckfarben bzw. die farbgebenden Pigmente zusammen mit den Fasern durch den Prozess. Dadurch vergraut das Wasser und das fertige Papier ebenfalls [35; 36]. Schon geringe Mengen an Flexozeitungen in einer Mischung reichen aus, um das Deinkingergebnis mittels Flotation und damit den Weißgrad des fertigen Papiers drastisch zu verschlechtern [37].

3.4 Wiederanlagerung

Eine Wiederanlagerung (engl. Redeposition) bereits abgelöster Druckfarbenpartikel an die Fasern führt zur Verminderung der Effizienz des gesamten Deinkingprozesses und trägt somit zur Verschlechterung der optischen Eigenschaften des deinkten Stoffs bei.

Das Ausmaß sowie die dahinterstehenden Mechanismen sind bis heute nicht ausreichend geklärt. Die Hauptursache hierfür ist die Schwierigkeit, zwischen nie abgelösten Druckfarbenpartikeln und zunächst abgelösten aber wiederangelagerten Druckfarben- partikeln zu unterscheiden, da beide Prozesse mehr oder weniger parallel stattfinden. Erschwerend kommt hinzu, dass sowohl das Wasch-Deinking wie auch das Flotations- Deinking nicht alle abgelösten, freien Druckfarbenpartikel entfernen kann und diese abgelösten aber nicht entfernten Druckfarbenpartikel ebenfalls am Restdruckfarbenanteil beteiligt sind.

Die Aufklärung der Ursachen und des Entstehungsmechanismus der Wiederanlagerung, sowie die Ermittlung des dadurch verursachten Anteils der im Deinkstoff vorhandenen Restdruckfarbe, ist jedoch für weitere Optimierungen des Deinkingprozesses von entscheidender Bedeutung. In diesem Abschnitt soll zunächst der aktuelle Wissensstand zur Wiederanlagerung von Druckfarbenpartikeln an Fasern zusammengefasst und anschließend im Hinblick auf relevante Einflussgrößen in der Prozessstufe Zerfaserung analysiert werden.

3.4.1 Grundlagen und Einteilung

Je nach Haftung der Druckfarbe unterscheidet man

- Lumen-Loading,

- reversible und

- irreversible Wiederanlagerung,

wobei davon ausgegangen wird, dass vor allem die irreversible Wiederanlagerung von Druckfarbenpartikeln an den Fasern beim Deinken eine wichtige Rolle spielt [17].

Unter reversibler Wiederanlagerung versteht man Druckfarbenpartikel, die sich zwar an den Fasern angelagert haben, jedoch mit Hilfe einer Hyperwäsche wieder entfernt werden können. Bei irreversiblen Wiederanlagerungen hingegen wäre ein erneutes Wiederablösen durch keines der derzeit bekannten Druckfarbenentfernungsverfahren möglich. Einen Spezialfall der irreversiblen Wiederanlagerung stellt das sogenannte Lumen-loading dar, bei dem Druckfarbenpartikel durch Öffnungen oder Beschädigungen der Faserwände in das Innere der Faser (Lumen) eindringen und nicht wieder entfernt werden können.

Ein solches Eindringen kleiner Partikel in das Faserlumen ist bereits aus der Papierveredelung bekannt und wird in diesem Bereich gezielt zur Eigenschaftsverbesserung des Papiers eingesetzt [38; 39; 40]. Die eindringenden Partikel können demnach ein breites Spektrum bezüglich ihrer chemischen Eigenschaften aufweisen und sowohl hydrophob wie auch hydrophil sein. Die wichtigste Voraussetzung ist, dass sie klein genug sind, um durch die nur einige Mikrometer großen Öffnungen in das Lumen zu gelangen. Daher geht man heute davon aus, dass das Lumen-loading auch bei der Wiederanlagerung von Druckfarbenpartikeln von großer Bedeutung ist [39]. Größere Partikel können sich hingegen prinzipiell nur an der Faseroberfläche anlagern, wobei verschiedene Mechanismen denkbar sind.

Anfang 1990 ging man grundsätzlich davon aus, dass sich Druckfarbenpartikel in den Faserfibrillen verfangen oder aufgrund oberflächenaktiver Substanzen mit den Fasern wechselwirken und daher nicht wieder abgelöst und entfernt werden können (siehe Abbildung 3.10) [41].

Entrapment within fibrils Lack of surface active agents

ink particles fibrils Formation of micelles in wash deinking

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Adsorption of surface active agent on fibre and ink in flotation deinking

Abbildung 3.10: Schematische Darstellung der Wiederanlagerung von Druckfarbenpartikeln anfang

1990 [41]

In Abbildung 3.11 sind die verschiedenen Mechanismen zusammengefasst, welche an einer Wiederanlagerung von Druckfarbenpartikeln an Fasern beteiligt sein können [17].

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3.11: Verschiedene Mechanismen bei der Wiederanlagerung von Druckfarbenpartikeln [17]

Demnach wäre es auch möglich, dass Druckfarbenpartikel durch die mechanische Kraft- einwirkung während der Zerfaserung in Unebenheiten der Faseroberflächen eingeschmiert werden und / oder physikalisch-chemische Wechselwirkungen zwischen Fasern und Druckfarbenpartikeln stattfinden, welche einen Kontakt mit den Deinkingchemikalien verhindern und damit ein erneutes Ablösen erschweren würden [44]. In letzterem Fall wären vor allem die Eigenschaften der Druckfarbenpartikel von Bedeutung [17]. Bei der Entwässerung der Stoffsuspension, zum Beispiel bei einer Eindickung oder der Filtration nach einer Wäsche, könnten ebenfalls abgelöste Druckfarbenpartikel in das Fasergefüge eingeschlossen werden. Die so eingeschlossenen Partikel sollten jedoch bei einer erneuten Stoffverdünnung wieder ablösbar sein, und werden daher meist der Kategorie der reversiblen Wiederanlagerungen zugeordnet [44].

3.4.2 Mögliche Einflussgrößen auf eine Wiederanlagerung von Druckfarbenpartikeln an Fasern bei der Zerfaserung

Prinzipiell kommen alle Faktoren und Prozesse, welche das Deinkingergebnis nachweislich verschlechtern bzw. verändern auch als Einflussgröße auf eine Wiederanlagerung in Betracht. Tabelle 3.2 zeigt einen Überblick der denkbaren Einflussgrößen in der Prozess- stufe Zerfaserung.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 3.2: Mögliche Einflussgrößen auf eine Wiederanlagerung von Druckfarbenpartikeln in der

3.4.2.1 Zerfaserungsbedingungen

Zerfaserungsdauer

Fabry [18] untersuchte den Einfluss der Zerfaserungsdauer auf das Druckfarbenverhalten von einem Jahr alten Offsetzeitungen mit einem Labor-Helico-Pulper. Bei der Ermittlung des ERIC-Werts (Effective Residual Ink Concentration) des hypergewaschenen Faserstoffs (siehe Abschnitt 3.5.3), konnte er zeigen, dass nach einer Zerfaserungsdauer von 15 bis 20 Minuten, abhängig von weiteren Zerfaserungsbedingungen, der ERIC-Wert wieder ansteigt (siehe Abbildung 3.12), was er auf das Phänomen der Wiederanlagerung zurückführte.

Auch andere Autoren, wie Bennington et al. [16] mit 1-4 Wochen alten Zeitungen; Galland et al. [64] und Ben und Dorris [42; 45] mit wasserbasierenden flexobedruckten Zeitungen, stellten ebenfalls eine Wiederanlagerung fest. Nach Bennington et al. [16] ist die Wiederanlagerung in erster Linie von der Faser-Rotor Kontaktfläche abhängig. Für 1 bis 4 Wochen alte Zeitungen sei die effektive Krafteinwirkung zur Druckfarbenablösung viel kleiner, als die Kraft, welche zur Zerfaserung von nassem Papier benötigt wird. Daraus folgert er, dass die Druckfarbenablösung bereits nach weniger als 5 Minuten stattgefunden hat und die Tendenz zur Wiederanlagerung ab diesem Zeitpunkt stark ansteigt. Mit gealtertem Papier konnte eine derart schnelle Druckfarbenablösung jedoch nicht nachgewiesen werden [46].

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3.12: Druckfarbenablösung und Wiederanlagerung gegen Zerfaserungsdauer in Abhängigkeit von den Zerfaserungsbedingungen [18]

Ben und Dorris [42] stellten mit flexobedrucktem Zeitungspapier ein Ansteigen der Papierhelligkeit zu Beginn der Zerfaserung fest. Ab einer gewissen Zerfaserungsdauer sank jedoch die Helligkeit des hypergewaschenen Papiers wieder, was sie darauf zurückführten, dass die Druckfarbenablösung und die Bleichwirkung des Wasserstoffperoxids den Wiederanlagerungseffekt anfänglich überlagert und dies daher zunächst zu höheren Helligkeiten führt. Eine steigende Zerfaserungsdauer führe zudem zu einem steigenden Energieeintrag in die Stoffsuspension und damit meist auch zu einer stärkeren Fragmentierung der Druckfarbenpartikel, welche die optischen Eigenschaften stärker beeinflussen als große Partikel (siehe Abschnitt 3.5.3).

Hydrodynamik

Der im Pulper vorherrschenden Hydrodynamik wird in der Literatur [17; 46] eine große Bedeutung hinsichtlich der bei der Zerfaserung ablaufenden Prozesse zugesprochen. Demnach soll das Verhalten von Partikeln unterschiedlicher Größe einzig und allein mit Hilfe der Hydrodynamik erklärbar sein [17]. In Bereichen hoher Scherkräfte wäre es demnach nur schwer möglich, dass sich Partikel an Fasern anlagern. Ausgenommen ist hierbei das Lumen-loading, welches mit steigender Scherbeanspruchung scheinbar ebenfalls steigt. Kleinere Scherkräfte begünstigen hingegen prinzipiell die Diffusion, da sich die Kollisionswahrscheinlichkeit von Partikeln mit Fasern erhöht und somit die Voraussetzungen einer Wiederanlagerung verbessert werden. Ein größeres Kräftefeld würde demnach bedeuten, dass größere Partikel zwar häufiger mit den großen Fasern kollidieren, allerdings auch aufgrund der einwirkenden Scherkräfte leichter wieder abgelöst werden. Wohingegen kleinere Partikel zwar zunächst weniger häufig mit den Fasern kollidieren. Falls jedoch eine Kollision statt gefunden hat, wären diese Partikel weitaus schwieriger wieder zu entfernen, da sie kaum Angriffsfläche für die einwirkenden mechanischen Kräfte bieten [47].

Die im Pulper herrschende Hydrodynamik ist wiederum im Wesentlichen vom geometrischen Aufbau des Pulpers, dessen Rotorgeometrie, der Drehzahl, der Stoffdichte, dem Scherfaktor, der Viskosität und den Fasereigenschaften abhängig, und muss im allgemeinen für die gewünschte Pulper – Suspension – Kombination experimentell bestimmt werden [48]. Daher kommt auch dem Pulper selbst eine gewisse Bedeutung zu.

Die Suspendiermaschine

Je nach Suspendiermaschine und der damit verbundenen Stoffdichte (siehe Abschnitt 3.1.1) wirken unterschiedlich starke mechanische Kräfte in der Suspension, welche sich folglich auch auf das Druckfarbenverhalten auswirken können. In einigen Studien [18; 45; 47; 48; 49; 50] wurde das Druckfarbenverhalten in Abhängigkeit von verschiedenen Zerfaserungsgeräten untersucht. Abbildung 3.13 zeigt einige Ergebnisse dieser Studien.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3.13: a) Effekt von Stoffdichte und Rührgeschwindigkeit nach einer Zerfaserungsdauer von 10 und 30 Minuten [45]; b) Effekt von Stoffdichte, Rührertyp, Scherfaktor und Energieverbrauch

[49]; c) Druckfarbenfragmentierung als Funktion der Zerfaserungsdauer [18]; d) Einfluss der Zerfaserungsparameter auf die Druckfarbenentfernung mittels Flotation [47] auf die Wiederanlagerung von Druckfarbenpartikeln.

Die wichtigsten sind:

- Je höher die Stoffdichte, umso schneller erfolgt die Druckfarbenablösung, aber auch eine Wiederanlagerung findet bereits früher statt (siehe Abbildung 3.25 a, d).
- Mit steigendem Scherfaktor setzt der Anstieg des ERIC-Werts erst bei einem höheren Energieverbrauch ein und fällt zudem geringer aus (siehe Abbildung 3.25 b).
- Im Helico-Pulper führt eine höhere Rührgeschwindigkeit zu einer schnelleren Druckfarbenablösung und einer stärkeren Zerkleinerung von Verunreinigungen und Druckfarbenpartikeln [45]. Mit steigender Zerfaserungsdauer gleichen sich die ERIC- Werte von Helico- und Drum-Pulper an (siehe Abbildung 3.13 c)
- Bei holzstofffreiem Faserstoff, welcher mit industriellen Pulpern zerfasert wurde, konnte keine Wiederanlagerung festgestellt werden. Hierbei verbesserte sich die Druckfarbenablösung sowohl mit steigender Stoffdichte wie auch mit steigender Zerfaserungsdauer [51].

Diffusion

Auch die Diffusion stellt eine mögliche Einflussgröße dar. Um den Diffusionseffekt zu untersuchen, lagerten Ben und Dorris [43] flexobedrucktes Zeitungspapier, welches zuvor zerfasert wurde, für bis zu 6 Tage in Plastikbeutel ein und verglichen anschließend die ERIC- Werte. Dabei stellten sie fest, dass es durch Diffusion ohne Mixen 6 Tage dauert, um ca. 400 ppm Druckfarbe an den Fasern anzulagern, aber nur 10 Minuten durch Mixen im Pulper.

Deinkingchemikalien

Physikalisch-chemische Synergieeffekte spielen im gesamten Deinkingprozess eine zentrale Rolle. Die Hauptaufgabe der Chemikalien besteht darin, die Druckfarbenablösung zu unterstützen und eine stabile Dispersion zu erreichen, um eine Wiederanlagerung an die Fasern zu verhindern.

Untersuchungen mit Flexodruckfarbe kamen dabei zu verschiedenen Ergebnissen, was den Einfluss der eingesetzten Chemikalien auf die Wiederanlagerung betrifft. So stellte man fest, dass Konzentrationsveränderungen von Kalziumionen, Ölsäure und Mineralöl, welche unter anderem die Agglomeration beeinflussen, einen geringen Einfluss auf das irreversible Wiederanlagerungsverhalten der Druckfarbe haben [43].

Larsson et al. [23] beobachteten einen starken Anstieg der Papierhelligkeit in Verbindung mit Alkyl-Polyglycol-Ether und Wasserglas, dessen Effekt durch das Vorhandensein von Aluminaten noch gesteigert wurde. Abbildung 3.14 zeigt links den Einfluss des Alkyl- Polyglycol-Ethers und rechts den Einfluss von Wasserglas und Aluminaten.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3.14: Einfluss der Alkyl-Polyglycol-Ether –Konzentration, Wasserglas und Aluminaten auf die Papierhelligkeit nach Behandlung in einer Waschzelle [23]

Ohne Alkyl-Polyglycol-Ether war die Helligkeit sehr gering, stieg jedoch mit dessen Konzentration stark an und erreichte schließlich einen stabilen Wert, welcher nur rund 1 % unter dem einer Vergleichsprobe ohne Druckfarbe lag. Der Einfluss von Wasserglas und Aluminaten ist in Abbildung 3.14 rechts dargestellt. Demnach sei die Wirkung von Aluminaten zur Vermeidung einer Wiederanlagerung an das Vorhandensein von Wasserglas gekoppelt, und wurde auf eine Wechselwirkung zwischen beiden zurückgeführt [23].

Prozesstemperatur

Der Prozesstemperatur wird in erster Linie ein großer Einfluss auf die Zerfaserung des Faserstoffs zugeschrieben [48; 50; 52]. Die wichtigsten Auswirkungen einer erhöhten Temperatur seien demnach zunächst die Verringerung der Viskosität des Wassers und des Reibungskoeffizienten. Folglich dringe wärmeres Wasser schneller und leichter in die Fasern ein, wodurch sich die Volumenkonsistenz und auch die Viskosität der Suspension insgesamt erhöhe (wegen der geringeren Menge an freiem Wasser) und zu einer stärkeren Reibung führe. Dies und die Beschleunigung der chemischen Reaktionen führe zu einer besseren Zerfaserung bei verringertem Energieverbrauch. Hinsichtlich des Druckfarbenverhaltens zeigte sich einerseits eine schnellere Druckfarbenablösung, verbunden mit einer stärkeren Fragmentierung der Druckfarbe [48], aber auch ein Anstieg des ERIC-Werts (siehe Abbildung 3.12), welcher auf eine ausgeprägtere Wiederanlagerung zurückgeführt wurde [18].

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Details

Seiten
143
Jahr
2007
ISBN (eBook)
9783640793150
ISBN (Buch)
9783640793952
Dateigröße
8.1 MB
Sprache
Deutsch
Katalognummer
v120703
Institution / Hochschule
Katholische Stiftungsfachhochschule München – Fachbereich 06
Note
1,0
Schlagworte
Beitrag Aufklärung Entstehungsmechanismus Vorhandensein Restdruckfarben Deinkstoff

Autor

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Titel: Beitrag zur Aufklärung des Entstehungsmechanismus für das Vorhandensein von Restdruckfarben im Deinkstoff