Untersuchungen zur Wirkung polymerer Retentionsmittel auf die Füllstoffverteilung in Papieren

Um im Papier die geforderten optischen Eigenschaften zu erreichen, müssen stark streuende mineralische Füllstoffe in das Faservlies eingebaut werden. Dies ist unter den Bedingungen des technischen Herstellprozesses nur mit Hilfe von Polymeren möglich, die als Retentions- bzw. Fixiermittel dienen. Die Retentionssysteme sind im Wesentlichen hochmolekulare kationische Polymere, die auch noch andere Komponenten enthalten können. Diese Systeme bilden Flocken, in denen sowohl Faser- als auch Füllstoffe eingelagert sind. Die Struktur der sich während der Vliesbildung bildenden Flocken ist entscheidend für alle wichtigen Eigenschaften des Papiers. Die Aufgabe der Untersuchungen bestand darin, aufzuklären, welche makromolekularen Parameter die Art der Flockenbildung steuern und in welcher Weise sie sich auf die Flockenstruktur auswirken. Dabei muss noch berücksichtigt werden, dass neben den Retentionsmitteln auch noch andere Polymere beispielsweise Stärke zur Verbesserung der Trockenfestigkeiten eingesetzt werden. Für die Untersuchungen wurden einfache und komplexe praktisch eingesetzte Retentionssysteme ausgewählt und schrittweise deren Wirkung auf die Bildung von Flocken mit Fasern und Füllstoffen untersucht. Insbesondere wurde ein Augenmerk auf das Entstehen dichter Füllstoffflocken („Cluster“) gelegt. Es wurde zunächst die Flockenbildung in der Faserstoffsuspension verfolgt, wobei zur Charakterisierung der Flockenstruktur verschiedene Methoden (Entwässerungsgeschwindigkeit, Sedimentationsverhalten, Lichtdurchlässigkeit) herangezogen wurden. Zur Charakterisierung der Füllstoffverteilung im Papier wurde eine eigene Methode entwickelt, die es gestattet, das Ausmaß der Bildung von Füllstoffclustern zu bestimmen. Dabei erwies sich, dass Polyacrylamide stärker flockend wirkten als Polyethylenimin oder Polyvinylamin. Kationische Stärke bewirkt eine mittelstarke Flockenbildung. Die von Stärke erzeugten Füllstoffflocken sind weniger kompakt als diejenigen, die durch kationisches Polyacrylamid zustande kommen. Die untersuchten Retentionssysteme führten zu verschiedenen Füllstoffverteilungen. Die Papierstruktur wird auch noch erheblich durch den Gesamtfüllstoffgehalt beeinflusst, der wiederum von der Menge an eingesetztem Füllstoff und von der Dosierung und Wirksamkeit des Retentionssystems abhängt. Je höher der Grad an Clusterbildung, desto geringer wird die spezifische Wirkung des Füllstoffs auf die Opazität, anderseits wird aber auch der negative Einfluss auf die Festigkeit weniger bedeutsam. Aufgrund der Ergebnisse wurde ein Mechanismus vorgeschlagen, der die Flockenbildung in der Fasersuspension und die davon Abhängigkeit der Papierstruktur erklärt. Dabei erwies sich insbesondere die Ladungsbilanz der eingesetzten Komponenten, bzw. deren wirksame Oberflächenladung (Zeta-Potenzial) als ein entscheidender Faktor