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1. Was ist Nassfestigkeit?
Die Nassfestigkeit beschreibt die Fähigkeit eines Papiers, seine Festigkeit bei Feuchtigkeitseinwirkung zu behalten. Sie wird in zwei Phasen bewertet:
- Anfängliche Nassfestigkeit – Die Festigkeit der Papierbahn vor dem Trocknen, wichtig für die Maschinenlauffähigkeit.
- Wiederbefeuchtungsfestigkeit – Die Nassfestigkeit des fertigen Papiers während Prozessen wie Beschichten oder Drucken und bei der Endverwendung (z. B. Taschentücher, Verpackungen).
Da diese beiden Typen unterschiedlichen Zwecken dienen – mit unterschiedlichen Leistungsanforderungen – müssen sie unterschiedlich optimiert werden.
2. Anfängliche Nassfestigkeit
Bei einem Feststoffgehalt von weniger als 30 % (d. h. > 70 % Feuchtigkeit) behält Papier nur 15–20 % seiner Trockenfestigkeit. Die anfängliche Nassfestigkeit wird beeinflusst durch:
- Zellstoffzusammensetzung, Mahlgrad und Bahntrockenheit
- Prozessbedingungen und chemische Zusatzstoffe im Nassbereich
Hochgeschwindigkeits-Papiermaschinen verwenden fortschrittliche Nassbahn-Stützsysteme, um die Spannung zu minimieren und die Stabilität aufrechtzuerhalten. Dies ermöglicht die Herstellung von Papier mit geringerem Basisgewicht und Kosteneinsparungen.
Ein quantitatives Modell (Page, 1993) setzt die Nassfestigkeit in Beziehung zur Oberflächenspannung (γ), der Wasserfilmfläche (A), dem Krümmungsradius (r), der Reibung (µ) und der Faserrauheit (C).
3. Wiederbefeuchtung der Nassfestigkeit
Die Nassfestigkeit bezeichnet die Festigkeit, die ein getrocknetes Papier nach erneuter Befeuchtung behält. Bei richtiger Nassfestigkeitsbehandlung behält Papier unter nassen Bedingungen typischerweise 20–40 % (sogar bis zu 50 %) seiner Trockenfestigkeit – eine wichtige Voraussetzung für viele Endanwendungen.
4. Funktionsweise von Nassfestmitteln
Wasser zerstört die Wasserstoffbrücken zwischen den Fasern und schwächt das Papier. Nassfestmittel wirken dem durch zwei Mechanismen entgegen:
- Schutz: Bildung eines starren, vernetzten Netzwerks um die Fasern, um ein Aufquellen zu verhindern.
- Verstärkung: Bildung neuer, wasserunempfindlicher chemischer Bindungen, die die Struktur stärken.
Basierend auf ihrer Bindungschemie können Nassfestmittel sein:
- Temporär: Bilden Bindungen (z. B. Halbacetale), die bei erneuter Befeuchtung brechen (z. B. glyoxyliertes PAM).
- Permanent: Bilden wasserfeste kovalente Bindungen (z. B. PAE, UF, MF).
5. Gängige Nassfestmittel
Harnstoff‑Formaldehyd (UF)
- Ältestes reaktives Harz; bildet bei pH 4–5 hydrophobe vernetzte Netzwerke.
- Wird normalerweise in einer Dosierung von 0.5–3 % verwendet und in der Nähe der Mischpumpe aufgetragen.
- Muss dem pH-Wert des Systems entsprechen und darf keine Wechselwirkung mit der Alaun-Kolophonium-Größe aufweisen, um Rückstände zu vermeiden.
Melamin‑Formaldehyd (MF)
- Wasserlösliches Harz, das in Spezialpapieren verwendet wird.
- Wird bei niedrigem pH-Wert positiv geladen und haftet an Fasern, wodurch die Bindung verbessert wird.
- Bei einer Dosierung von 0.1–3 % sollte vorsichtig dosiert werden, um Stärke-/Harzfleckenbildung zu vermeiden.
- Erfordert eine Aushärtung nach dem Trocknen – die maximale Nassfestigkeit entwickelt sich etwa 10 Tage später.
Polyamid-Epichlorhydrin (PAE)
- Entwickelt für neutrale/alkalische Systeme, weit verbreitet in Tissue- und Verpackungspapier.
- Bietet eine hohe Nassfestigkeitseffizienz über einen breiten pH-Wert (4–8).
- Bildet kovalente Querverbindungen über Epoxidringe; Dosierung ~0.25–1 %.
- Die Effizienz wird durch Fasertyp, Veredelung, pH-Wert, Retention, Ca²⁺-Konzentration und Reihenfolge der Chemikalienzugabe beeinflusst.
6. Umwelt- und Regulierungsaspekte
Zu den wichtigsten Nebenprodukten im Herstellungsprozess von PAE-Harz zählen: DCP = 1,3-Dichlor-2-propan MCPD = 3-Chlor-1,2-propylenglykol EPI = Epichlorhydrin Die oben genannten drei chlorhaltigen organischen Kleinmolekülverbindungen sind die wichtigsten Nebenprodukte in PAE-Harz, definiert als adsorbierbare organische Halogenide (AOX), die durch die Hydrolyse von Epichlorhydrin entstehen, wie in Abbildung 2 dargestellt.
Die derzeit in der EU-REACH-Verordnung festgelegte Toxizität und Karzinogenität von AOX-Nebenprodukten in PAE-Harzen ist eindeutig. 1,3-Dichlor-2-propan DCP gilt als mögliches Karzinogen H 350 (Kat. 1B), während 3-Chlor-1,2-propandiol MCPD als mutmaßliches Karzinogen H 351 (Kat. 2) eingestuft wird. Gemäß den Bestimmungen der BfR XXXVI beträgt der Höchstwert für die Restmenge von 1,3-Dichlor-2-propan DCP nach der Extraktion der Probe in Wasser 2 μg/l und für 3-Chlor-1,2-propandiol MCPD 12 μg/l. Dies stellt zweifellos höhere Anforderungen an den Umweltschutz und die Sauberkeit des verwendeten nassfesten Harzes.
Da das Nassfestmittel PAE im Abwasser von Papierfabriken die Hauptquelle für AOX ist, wurden seit Mitte der 1980er Jahre nacheinander die zweite und dritte Generation umweltfreundlicher nassfester PAE-Harze eingeführt, um die durch AOX verursachte Umweltverschmutzung zu reduzieren. Im Vergleich zur ersten Generation von PAE-Harzen weisen die PAEs der zweiten und dritten Generation einen stark reduzierten Gehalt an restlichem Epichlorhydrin und den Restmengen seiner Hydrolyseprodukte DCP und MCPD auf.
| Indikator | Erste Generation | Zweite Generation | Third Generation |
|---|---|---|---|
| Produkttyp | Industrielles Nassfestmittel | Standard-Nassfestmittel | Nassfestmittel in Lebensmittelqualität |
| Feststoffgehalt (%) | 12.5 ± 1 | 15 ± 3 | 18 ± 2 |
| pH | 4 ± 1.5 | 4 ± 1.5 | 4 ± 1.5 |
| Viskosität (cps) | ≤ 110 | ≤ 110 | ≤ 110 |
| DCP (ppm) | * (nicht kontrolliert) | ≤ 100 | ≤ 10 |
| MCPD (ppm) | * (nicht kontrolliert) | ≤ 100 | ≤ 10 |
| Vorteile | Niedrige Kosten bei guter Nassfestigkeit | Niedriger Chlorrückstand, konform mit Lebensmittelverpackungen und EU-Standards | Völlig chlorfrei; geeignet für die langfristige Herstellung von Papieren mit Lebensmittelkontakt |
| Nachteile | Enthält einen hohen Restchlorgehalt, der möglicherweise gesundheitsschädlich ist | Etwas höherer Preis als die erste Generation, erfordert ~15 % höhere Dosierung | Hohe Kosten; relativ geringere Nassfestigkeit, erfordert ca. 5 % mehr Dosierung als die zweite Generation |
7. Bewährte Verfahren für die Verwendung von Nassfestigkeit
- Kontrollieren Sie die Dosierung (0.25–1 %), um das optimale Zetapotenzial zu erreichen.
- Sequenzielle Zugabe zur Vermeidung von Inkompatibilitäten mit anionischen Additiven.
- Sorgen Sie für eine sichere Retention durch die Kombination mit Retentionshilfen und die Kontrolle des Ca²⁺-Spiegels.
- Nach der Zugabe eine Aushärtung (z. B. 80 °C für 30 Minuten) durchführen.
- Mischen Sie Nassfestigkeitsmittel mit Trockenfestigkeitszusätzen, um die Festigkeit und Retention der Bahn zu erhöhen.
8. Fazit & Ausblick
Nassfestmittel sind in der modernen Papierherstellung unverzichtbar. Sie verbessern die Haltbarkeit des Papiers unter Feuchtigkeitseinfluss und ermöglichen vielfältige Anwendungen. Angesichts steigender Maschinengeschwindigkeiten und Produktanforderungen gewährleisten diese Mittel Leistung und Prozesseffizienz. Die laufende Forschung und Entwicklung konzentriert sich auf nachhaltige und effektive Nassfestmittellösungen wie Polycarboxylate, Chitosan und umweltfreundliche Alternativen zu herkömmlichen Harzen.
