Meteen naar de inhoud 
1. Wat is natte sterkte?
Natsterkte verwijst naar het vermogen van papier om zijn sterkte te behouden bij blootstelling aan vocht. Dit wordt beoordeeld in twee belangrijke fasen:
- Initiële natte sterkte – De sterkte van het papierweb vóór het drogen, belangrijk voor de verwerkbaarheid van de machine.
- Natsterkte bij herbevochtiging – De natsterkte van het afgewerkte papier tijdens processen zoals coaten of bedrukken en bij eindgebruik (bijv. tissues, verpakkingen).
Omdat deze twee typen verschillende doeleinden dienen en verschillende prestatievereisten stellen, moeten ze op verschillende manieren worden geoptimaliseerd.
2. Initiële natte sterkte
Bij minder dan 30% vaste stof (d.w.z. > 70% vocht) behoudt papier slechts 15-20% van zijn droge sterkte. De initiële natte sterkte wordt beïnvloed door:
- Pulpsamenstelling, raffinageniveau en webdroogte
- Procescondities en chemische additieven voor het natte uiteinde
Hogesnelheidspapiermachines maken gebruik van geavanceerde natte-web-ondersteuningssystemen om de spanning te minimaliseren en de stabiliteit te behouden. Dit zorgt voor papier met een lager basisgewicht en kostenbesparingen.
Een kwantitatief model (Page, 1993) relateert natte sterkte aan oppervlaktespanning (γ), waterfilmoppervlak (A), kromtestraal (r), wrijving (µ) en vezelruwheid (C).
3. Natte sterkte na bevochtiging
Hernatte natsterkte verwijst naar de sterkte die gedroogd papier behoudt nadat het weer nat is geworden. Met de juiste natsterktebehandeling behoudt papier doorgaans 20-40% (zelfs tot 50%) van zijn droge sterkte in natte omstandigheden – een belangrijke vereiste voor veel eindtoepassingen.
4. Hoe natte-sterktemiddelen werken
Water verstoort de waterstofbruggen tussen vezels, waardoor het papier zwakker wordt. Natsterktemiddelen gaan dit tegen via twee mechanismen:
- Bescherming: Het creëren van een stevig, kruislings verbonden netwerk rond de vezels om zwelling te voorkomen.
- Versterking: Het vormen van nieuwe, waterongevoelige chemische verbindingen die de structuur versterken.
Op basis van hun bindingschemie kunnen natsterktemiddelen de volgende eigenschappen hebben:
- Tijdelijk: Vormen bindingen (bijv. hemiacetalen) die bij herbevochtiging verbreken (bijv. geglyoxyleerd PAM).
- Permanent: creëer waterbestendige covalente bindingen (bijv. PAE, UF, MF).
5. Veel voorkomende natte-sterktemiddelen
Ureum-formaldehyde (UF)
- Oudste reactieve hars; vormt hydrofobe, vernette netwerken bij pH 4–5.
- Meestal gebruikt in een dosering van 0.5–3%, aangebracht in de buurt van de mengpomp.
- Moet overeenkomen met de pH-waarde van het systeem en interactie met aluin-harsmassa vermijden om residu te voorkomen.
Melamine-Formaldehyde (MF)
- Wateroplosbare hars die wordt gebruikt in speciaal papier.
- Wordt positief geladen bij een lage pH-waarde en hecht zich aan vezels, waardoor de binding verbetert.
- Toepassen met een dosering van 0.1–3%, met zorgvuldige dosering om zetmeel-/harsvlekken te voorkomen.
- Vereist uitharding na droging. Maximale natte sterkte bereikt zich na ongeveer 10 dagen.
Polyamide-epichloorhydrine (PAE)
- Ontworpen voor neutrale/alkalische systemen, veel gebruikt in tissue- en verpakkingspapier.
- Biedt een hoge natte sterkte-efficiëntie bij een breed pH-bereik (4–8).
- Vormt covalente dwarsverbindingen via epoxideringen; dosering ~0.25–1%.
- Efficiëntie beïnvloed door vezeltype, raffinage, pH, retentie, Ca²⁺-concentratie en volgorde van chemische toevoeging.
6. Milieu- en regelgevingsoverwegingen
De belangrijkste bijproducten in het productieproces van PAE-hars zijn onder meer: DCP = 1,3-dichloor-2-propaan MCPD = 3-chloor-1,2-propyleenglycol EPI = epichloorhydrine De drie hierboven genoemde chloorhoudende organische kleine moleculaire verbindingen zijn de belangrijkste bijproducten in PAE-hars, gedefinieerd als adsorbeerbare organische haliden (AOX), die worden geproduceerd door de hydrolyse van epichloorhydrine, zoals weergegeven in Afbeelding 2.
De EU-verordening REACH heeft momenteel de toxiciteit en carcinogeniteit van AOX-bijproducten in PAE-harsen duidelijk vastgesteld. 1,3-dichloor-2-propaan-DCP is geïdentificeerd als een mogelijk carcinogeen H 350 (cat. 1B), terwijl 3-chloor-1,2-propaandiol MCPD is geïdentificeerd als H 351 (cat. 2) als vermoedelijk carcinogeen. Bovendien bedraagt de bovengrens van de resthoeveelheid 1,3-dichloor-2-propaan-DCP voor papierproducten voor contact met levensmiddelen, na extractie van het monster in water, 2 μg/l en de bovengrens van de resthoeveelheid 3-chloor-1,2-propaandiol MCPD 12 μg/l, volgens de bepalingen van BfR XXXVI. Dit stelt ongetwijfeld hogere eisen aan de milieubescherming en de reinheid van de gebruikte natsterktehars.
Omdat PAE-natsterktemiddelen de belangrijkste bron van AOX zijn in de afvalwaterlozing van papierfabrieken, zijn sinds het midden van de jaren tachtig de tweede en derde generatie milieuvriendelijke PAE-natsterkteharsen geïntroduceerd om de door AOX veroorzaakte milieuvervuiling te verminderen. Vergeleken met de eerste generatie PAE-harsen hebben de tweede en derde generatie PAE het gehalte aan rest-epichloorhydrine en de resthoeveelheid van de hydrolyseproducten DCP en MCPD aanzienlijk verminderd.
| Indicator | Eerste generatie | Tweede generatie | Derde generatie |
|---|---|---|---|
| Producttype | Industriële natsterkte-agent | Standaard natsterktemiddel | Natsterktemiddel van voedingskwaliteit |
| Vastestofgehalte (%) | 12.5 1 ± | 15 3 ± | 18 2 ± |
| pH | 4 1.5 ± | 4 1.5 ± | 4 1.5 ± |
| Viscositeit (cps) | ≤ 110 | ≤ 110 | ≤ 110 |
| DCP (ppm) | * (niet gecontroleerd) | ≤ 100 | ≤ 10 |
| MCPD (ppm) | * (niet gecontroleerd) | ≤ 100 | ≤ 10 |
| Voordelen | Lage kosten met goede natte sterkte-prestaties | Laag restchloor, voldoet aan de normen voor voedselverpakkingen en EU-normen | Volledig chloorvrij; geschikt voor de productie van papier voor langdurig gebruik in contact met levensmiddelen |
| Nadelen | Bevat een hoog gehalte aan restchloor, wat mogelijk schadelijk is voor de menselijke gezondheid | Iets hogere prijs dan de eerste generatie, vereist een ~15% hogere dosering | Hoge kosten; relatief lagere natte sterkte, vereist ~5% meer dosering dan tweede generatie |
7. Beste praktijken voor nat-sterk gebruik
- Controleer de dosering (0.25–1%) om het optimale zetapotentiaal te bereiken.
- Sequentietoevoeging om incompatibiliteit met anionische additieven te voorkomen.
- Zorg voor retentie door het combineren met retentiehulpmiddelen en door de Ca²⁺-waarden te reguleren.
- Na het toevoegen de coating laten uitharden (bijv. 80 °C gedurende 30 min).
- Meng natte sterktemiddelen met droge sterkteadditieven om de sterkte en retentie van het web te verbeteren.
8. Conclusie en toekomstperspectief
Natsterktemiddelen zijn onmisbaar in de moderne papierproductie. Ze verbeteren de duurzaamheid van papier onder vochtige omstandigheden en maken diverse toepassingen mogelijk. Met toenemende machinesnelheden en producteisen zorgen deze middelen voor prestaties en procesefficiëntie. Continue R&D richt zich op duurzame en effectieve natsterkteoplossingen zoals polycarboxylaten, chitosan en groene alternatieven voor traditionele harsen.
