Zum Inhalt 
1. Synthese von AKD
1.1 Herstellung des Säurechlorids
Der Rohstoff für AKD (Alkylketendimer) in Industriequalität, das häufig bei der Papierherstellung verwendet wird, ist typischerweise eine Mischung gesättigter Fettsäuren. Säurechlorid wird durch die Reaktion dieser Fettsäuren mit Thionylchlorid hergestellt, wie in der folgenden Reaktion gezeigt:
Da die Trennung einzelner organischer Säuren äußerst schwierig ist – eine einzelne natürliche Fettquelle kann mindestens fünf verschiedene Säuren enthalten, manchmal sogar bis zu zwölf –, wird bei der Papierherstellung üblicherweise eine Mischung von Homologen der Stearinsäure (C₁₈H₃₆O₂) als Rohmaterial verwendet. Die üblicherweise als „1840“- und „1865“-Wachse bezeichneten Wachse weisen einen Stearinsäuregehalt von 40 % bzw. 65 % auf.
1.2 Bildung des Keten-Intermediats
Säurechlorid reagiert mit Triethylamin, entfernt Chlorwasserstoff und bildet ein instabiles Keten-Zwischenprodukt:
1.3 Dimerisierung durch intramolekulare Lactonbildung
Das instabile Keten unterliegt einer intermolekularen Kondensation und bildet einen Lactonring, wodurch das endgültige AKD-Molekül entsteht – daher der Name „Alkylketendimer“:
Die Molekülstruktur von AKD kann auch wie folgt ausgedrückt werden:
2. Emulgierung von AKD
2.1 Emulgatorherstellung
AKD-Emulsionen werden typischerweise mit kationischer Stärke und polymeren Emulgatoren stabilisiert. Kationische Stärke wird durch die Reaktion von Tapiokastärke mit Veretherungsmitteln hergestellt:
Ein üblicher Polymeremulgator ist PolyDADMAC (Poly(diallyldimethylammoniumchlorid)):
2.2 AKD-Emulgierungsprozess
Die Emulgierung von AKD ist ein physikalischer Dispersionsprozess, bei dem hydrophobes Wachs in Wasser dispergiert wird, um eine stabile Emulsion zu bilden.
Zu den wichtigsten Schritten gehören:
-
Erhitzen zum Schmelzen von AKD-Wachs
-
Zugabe von Emulgatoren
-
Anwendung von Hochschermischungen und Homogenisierung
-
Kühlen der Emulsion
-
Zugabe von Aluminiumsulfat, Stabilisatoren und anderen Additiven
Das Ergebnis ist eine positiv geladene AKD-Emulsion
3. AKD-Dimensionierung
3.1 Größenbestimmungsmechanismus
Die Hydrophobie von geleimtem Papier entsteht durch die chemische Reaktion zwischen AKD und Zellulose. AKD-Moleküle bestehen aus einer hydrophoben Alkylkette und einem hydrophilen Lactonring. Zellulosefasern sind aufgrund ihrer zahlreichen OH-Gruppen von Natur aus hydrophil. Wenn AKD mit diesen Gruppen reagiert, verankern sich hydrophobe Ketten an der Oberfläche und machen das Papier wasserabweisend:
Die Reaktion fixiert ein Ende des AKD-Moleküls auf der Faser, während die Alkylkette nach außen zeigt und eine hydrophobe Oberfläche bildet
3.2 Dimensionierungsprozess
Die AKD-Dimensionierung umfasst drei Hauptphasen:
-
Adsorption: AKD-Partikel adsorbieren auf Faseroberflächen, ähnlich wie Füllstoffretention. Dies geschieht im Formabschnitt.
-
Schmelzen und Diffusion: Während des Trocknens schmilzt AKD (über seinem Schmelzpunkt) und diffundiert in die Fasern.
-
Chemische Reaktion: AKD reagiert mit –OH-Gruppen auf Zellulose und bildet kovalente Esterbindungen. Diese langsame Reaktion ist der Schlüssel zu einer effektiven inneren Leimung.
4. Wichtige Anwendungsfaktoren
4.1 pH- und Alkalinitätskontrolle
Die Leimungsreaktion hängt vom Lactonring in AKD ab. Dieser öffnet sich unter neutralen bis alkalischen Bedingungen und reagiert mit den OH-Gruppen der Faser zu Estern. Ein zu hoher pH-Wert beschleunigt jedoch die Hydrolyse und verringert die Leimungseffizienz.
-
Optimaler pH-Wert für die Reaktion: 6.0–8.0
-
Empfohlener pH-Wert des Systems: 7.5–8.5
-
pH-Wert bei Lagerung der AKD-Emulsion: 2.5–3.5
Wenn der pH-Wert 8 übersteigt, nimmt die Hydrolyse zu. Ein pH-Wert unter 6 behindert die Leimungsreaktion, trägt aber zur Lagerstabilität bei.
Empfohlene Alkalität (als Pufferkapazität): 50–200 ppm
Dies trägt zur Aufrechterhaltung eines stabilen pH-Werts bei, wenn dem System eine saure AKD-Emulsion hinzugefügt wird.
4.2 Temperaturregelung
Die Temperatur beeinflusst sowohl die Stabilität der AKD-Emulsion als auch die Reaktionseffizienz:
-
AKD-Emulsionen sind thermodynamisch instabile Suspensionen.
-
Hohe Temperaturen erhöhen das Risiko von Partikelkollisionen und -aggregationen.
-
Die elektrostatische Abstoßung kationischer Partikel trägt zur Aufrechterhaltung der Emulsionsstabilität bei.
Bei erhöhten Temperaturen können sich AKD-Partikel absetzen oder eine Haut bilden. Dies ist jedoch nicht unbedingt auf Hydrolyse zurückzuführen. Da die Hydrolyse exotherm ist, kann es bei höheren Temperaturen sogar zu einer Verschiebung des Gleichgewichts in Richtung Esterbildung kommen.
Empfohlene Werte:
-
Lagertemperatur: 5–30 °C
-
Systemtemperatur: 45–50 °C
-
AKD-Schmelzpunkt: ~45–55 °C
-
Temperatur der Trockenpartie: ≥60 °C (für vollständige Reaktion und Diffusion)
So maximieren Sie die Bindung und Leistung:
-
Geben Sie AKD in der Nähe des Stoffauflaufs hinzu, um ein vorzeitiges Schmelzen zu vermeiden.
-
Achten Sie auf ausreichende Trocknungstemperatur und Verweilzeit.
5. Fazit
Eine effektive AKD-Leimung in neutralen Systemen erfordert eine strenge Kontrolle von pH-Wert, Alkalität und Temperatur während des gesamten Prozesses. Die Beherrschung dieser Parameter gewährleistet eine effiziente Leimung und hochwertiges Papier. Herausforderungen bei Anwendung und Formulierung bleiben bestehen und erfordern kontinuierliche Zusammenarbeit und Innovation innerhalb der Branche.
