Das Mehrfach-Recycling-Projekt des IfP in Darmstadt

Transkript

1 haltigen Papieren zu einer Verbesserung des Wegschlagens führt. Welche stoffliche Komponente - eventuell der Füllstoffanteil - hierfür verantwortlich ist, kann von mir nicht eindeutig beantwortet werden. Messungen von Rauhigkeit, Porosität oder auch Saugfähigkeit (zum Beispiel Cobb-Test mit Öl) ergaben bisher leider keine plausiblen Ansätze. In Abhängigkeit von der Druckfarbe treten die Unterschiede bezüglich Abscheuerns auf den Papieren unterschiedlich stark auf. (So verhält sich Farbe Nr. 2 bei allen Papieren besser als Farbe Nr. 1.) Die Unterschiede zwischen den Papiergattungen werden bei der einen Farbe (Nr. 2) eindeutig minimiert. Wir wissen in diesem Fall, daß sich der niedrigviskose Harzanteil positiv auf die Ausbildung der Scheuerfestigkeit auswirkt. Eine weitere Farbe (Nr. 1) zeigt bei allen Frischfaserpapieren deutlich schlechtere Abriebwerte als bei den Papieren mit Altstoffanteilen. Hier zeigt sie durchweg normales, gutes Verhalten. Der geringere Feststoffanteil in dieser Farbe führt bei Frischfaserpapieren zu einer deutlich verringerten Verankerung auf dem Papier. Andererseits wirkt sich dies bei dem stärkeren Wegschlagverhalten auf den altstoffhaltigen Papieren nicht so stark aus. Beurteilung der Meßergebnisse Versucht man, das bisher Ermittelte zusammenzufassen, so kann man folgendes festhalten: Die Volltondichten Dv bei gleicher Auftragsmenge schwanken in Abhängigkeit vom eingesetzten Papier. Das gilt in gleicher Weise für Frischfaserpapiere wie auch für altstoffhaltige Papiere. Durch eine entsprechende Farbeinstellung können diese Unterschiede deutlich vermindert werden. Frischfaserpapiere neigen gegenüber altpapierhaltigen Qualitäten etwas zum langsameren Wegschlagen; festkörperärmere Farben zeigen ein schlechteres Abriebverhalten. Farben mit höherem Festkörperanteil zeigen diese Eigenschaft nicht, das Abriebverhalten auf beiden Papierkategorien verhält sich ähnlich. Wie jedoch der genaue Wirkungsmechanismus zur Ausbildung der einzelnen Produkteigenschafte$ ist, das heißt, die genaue Kenntnis der Wechselwirkung $wischen stofflicher und geometrisch-physikalischer G{gebenheit des Papiers einerseits und den physikalischen Eigenschaften der einzelnen Druckfarbenkomponenten andererseits kann bisher nur indirekt experimentell durch Hilfsmeßgrößen umschrieben werden. Das heißt letztlich, die endgültige Beurteilung der Verarbeitungsmöglichkeiten der Kombination Papier - Druckfarbe kann bisher immer noch nur in der Praxis erfolgen. Wir wissen jedoch andererseits aus der Praxis, daß es durchaus möglich ist, altpapierhaltige Papiere mit sehr gutem Erfolg einzusetzen, und daß es auch möglich ist, mit den gleichen Farben Frischfaserpapiere mit gleichem Ergebnis zu verarbeiten. Die Kombination Druckfarbe und Papier läßt sich in allen Fällen optimieren, auch für unterschiedliche Papiere. Wenn man jedoch an die eingangs aufgezeigten Unterschiede in den Papierzusammensetzungen denkt, so ist es schon wünschenswert, daß in der Zukunft hier eher eine Vereinheitlichung, um nicht zu sagen Standardisierung, eintreten möchte, damit von der Seite der Druckfarbenhersteller gezielter entwickelt werden kann. Das Mehrfach-Recycling-Projekt des IfP in Darmstadt PROF. DR.-ING. LOTHAR GÖTTSCHING Institut für Papierfabrikation Technische Hochschule Darmstadt, D Es wird über wesentliche Ergebnisse einer mehrjährigen Forschungsarbeit unter dem Thema,,Multiple Recycling Project, durchgeführt am Institut,für Papierfabrikation (IfP) in Darmstadt, berichtet. Dabei wird auf folgende Aspekte eingegangen: - Zusammensetzung von Altpapier aus Haushalten nach seinen verschiedenen Papiersorten für die Herstellung von Deinkingstoff und Zeitungsdruckpapier, - Zusammensetzung von Zeitungsdruckpapier nach un- - terschiedlichen Fasergenerationen, Einfluß des Mehrfach-Recyclings auf optische, Festigkeits- und drucktechnische Eigenschaften von holzhaltigem Papier sowie - Berechnung von Papiereigenschaften als Szenarien für heute und morgen. Einleitung 1 Bekanntlich besteht Papier in erster Linie aus Faserstoff, sei es in Form von Primär-Faserstoff,(Holzstoff und Zellstoff) oder von Sekundär-Faserstoff. Es sollte aber weder für den Drucker noch für den Endverbraucher eine Rolle spielen, ob Papier aus Primär- oder Sekundär-Faserstoff hergestellt wird, sofern vom erzeugten Papier die erforderlichen funktionellen Eigenschaften zugunsten Runnability und Printability, aber auch alle Kriterien zugunsten des Verbraucherschutzes erfüllt werden. Die Erfüllung der funktionellen Eigenschaften hängt nicht nur von der Art und vom Alter der Faserstoffe ab, sondern in ebenso starkem Maße von der verfahrenstechnischen Aufbereitung dieser Faserstoffe in der Papierfabrik und darüber hinaus von der Konzeption und Arbeit der Papiermaschine sowie vom anschließenden Finish beim Rollenschneiden. Sollten die Fasern im Altpapier im Vergleich 16 zeitungsteclznik Februar 1997

2 mit Primär-Faserstoffen aufgrund verschiedener Einflüsse beim Recycling qualitativ beeinträchtigt sein, dann hat der Papiermacher für ein Upgrading der Sekundär-Faserstoffe durch technologische Maßnahmen, wie zum Beispiel Dispergierung oder Bleiche, im Rahmen der Stoffaufbereitung zu sorgen. Zusammensetzung für Deinkingstoff von Altpapier nach Papiersorten Obwohl Zeitungsdruckpapier in einigen Werken Mitteleuropas zu 100 % aus Sekundär-Faserstoff hergestellt wird, hat man sich zu vergegenwärtigen, daß das dafür verwendete Altpapier noch einen großen Teil junger recycelter Fasern enthält. Eine Faser bezeichnen wir als jung, wenn sie nur einmal oder zweimal einen vollständigen Recyclingzyklus durchlaufen hat. In erster Näherung besteht in Deutschland das in Haushalten gesammelte Altpapier je zur Hälfte aus alten Zeitungen und alten Magazinen (Abbildung Ia). Die alten Zeitungen basieren natürlich auf Zeitungsdruckpapier, das aber nur teilweise zu 100 % aus Sekundär-Faserstoff und teilweise als importiertes Zeitungsdruckpapier entweder zu 100 % aus Primär-Faserstoffen oder aus einer Mischung von Primär- und Sekundär-Faserstoffen hergestellt wurde. Andererseits basieren die alten Magazine etwa je zur Hälfte auf ungestrichenem SC-Papier und auf gestrichenem LWC-Papier. Diese beiden höherwertigen grafischen Papiersorten sind europaweit noch dadurch charakterisiert, daß sie nahezu vollständig aus Primär-Faserstoffen bestehen. Damit ist also sichergestellt, daß Zeitungsdruckpapier aus 100 % Sekundär-Faserstoff einen sehr großen Anteil von Fasern enthält, die nur einmal den Recyclingkreislauf durchlaufen haben und folglich als Fasern der ersten zu bezeichnen sind. Für die nachfolgenden Betrachtungen und Berechnungen ist die in Abbildung Ia gezeigte Altpapier-zusammen- Setzung nach Papiersorten zu ungenau. Abbildung Ib verdeutlicht, daß derartiges Altpapier neben alten Zeitungen und alten Magazinen auch holzfreies Papier und einen kleinen Teil sonstiger weißer Papiere für Druckerzeugnisse enthält. l Im nächsten Schritt geht es um die Analyse der Zusammensetzung von Zeitungsdruckpapier aus Altpapier nach verschiedenen Fasergenerationen. Die Bestimmung der Fasern nach unterschiedlichen en in Deinkingstoff oder in einem altpapierhaltigen Papier kann nicht mit Hilfe mikroskopischer Analysen von Deinkingstoff- oder Papierproben durchgeführt werden. Vielmehr bietet sich nur die Möglichkeit, mit Hilfe mathematisch-statistischer Modellierung die Zusammensetzung nach unterschiedlichen Fasergenerationen in Zeitungsdruckpapier oder auch in anderen grafischen Papieren zu berechnen. Diese Berechnung nach Fasergenerationen ist dann die Voraussetzung dafür, mechanische und optische Eigenschaften von altpapierhaltigen Papieren in Abhängigkeit von seiner Zusammensetzung nach unterschiedlichen Fasergenerationen vorauszusagen. Zusammensetzung von Zeitungsdruckpapier nach Fasergenerationen Abbildung 2 beschreibt die Randbedingungen bezüglich des Altpapieranteils von deutschem Zeitungsdruckpapier Abbildung Ia (links): Die Zusammensetzung von Altpapier (Haushalts-Sammelware) für Zeitungsdruckpapier - vereinfachte Annahme (Deutschland). Vor allem Fasern der ersten Mehrfach recyclierte Fasern 10% 4% Holzfreie Andere papiere graph. Papiere 25 % importiertes 25 % deutsches Abbildung Ib (rechts): Die derzeitige Zusammensetzung von Altpapier (Haushalts-Sammelware) für Zeitungsdruckpapier, hergestellt in Deutschland (1995). Recyclierte Fasern der ersten 18 zeitungstechnik Februar 1997

3 sowie von den anderen Papiersorten als SC-, LWC- und holzfreies Papier, die Komponenten der deutschen Altpapiermischung aus privaten Haushalten sind. Die Szenarien beziehen sich zum einen auf die realen Bedingungen des Jahres 1994 und zum anderen auf das Jahr Außerdem enthält diese Abbildung auch die unrealistische, noch weiter verschärfende Annahme, daß Deutschland weder im Jahr 1994 noch im Jahr 2005 grafische Papiere aus dem Ausland importiert. In diesem Extremfall ohne jegliche Importe werden in das deutsche Recyclingsystem weit weniger Fasern der ersten zur Auffrischung eingespeist. Abbildung 3 zeigt die Verteilung der unterschiedlichen Fasergenerationen in Zeitungsdruckpapier, hergestellt im Jahr 1994 als Referenzjahr für die zukünftigen Szenarien. Auf den ersten Blick sind vier en von Altpapierfasern erkennbar, wobei die beiden jüngsten Sekundärfaser-en G 1 und G 2 immerhin 96 % ausmachen. Schließlich ist noch als ein wichtiger Parameter die mittlere Anzahl der en in altpapierhaltigem Zeitungsdruckpapier berechenbar. Diese mittlere Anzahl der en beträgt in unserem Beispiel G = 1,16. Nun wird die entsprechende Altersvert8ilung der Fasern im Zeitungsdruckpapier im Jahr 2005 betrachtet (Abbil- dung 4). Wegen des erhöhten Einsatzes von Sekundär- Faserstoffen in deutschen und importierten Zeitungsdruckund Magazinpapieren wird die mittlere Anzahl der Fasergenerationen auf G = 1,45 erhöht; außerdem entsteht mit G 5 eine zusätzliche Sekundärfaser-. Bemerkenswert ist allerdings, daß die drei jüngsten en G 0, G 1 und G 2 in der Summe noch über 90 % liegen. Halbtechnische Versuche zum Mehrfach-Recycling Nun geht es um die Frage, wie sich verschiedene physikalische Papiereigenschaften in Abhängigkeit von Stand 1994 GO Gl G2 G3 G4 1 Deinkingstoftanteil (kein Import) (kein Import) Deutsches Zeitungsdruckpapier 91 % 95% 91 % 95 % Deutsches SC-Papier 0% 20% 0% 20% Deutsches LWC-Papier 0% 20 % 0% 20 % Deutsches holdreies Papier 0 % 0% 0% 0% importiertes Zeitungsdruckpapier 20% 45% - Importlertes SC-Papier 0% 10% - Importlertes LWC-Papier 0 % 10% - Importiertes holatreles Papier 0% 0% - Importquote Zeitungsdruckpapier 58% 58% 0% 0% Magazinpapier 55 % 55 % 0 % 0% Holdreies Papier 55 % 55% 0% 0% Abbildung 2: Daten für verschiedehe Szenarien. der Anzahl der Fasergenerationen von altpapierhaltigem Papier entwickeln. Zu diesem Zweck wurden in Darmstadt in einer halbtechnischen Papierfabrik Untersuchungen durchgeführt, verbunden mit halbtechnischen Druckversuchen im einfarbigen Offsetdruck. Gemäß Abbildung 5 wurde, ausgehend von Primär- Faserstoffen und frischem Füllstoff, das industrielle Recycling über fünf Zyklen simuliert. Nach dieser ersten Papierherstellung auf einer 60 cm breiten Papiermaschine erfolgte eine Satinage mit anschließendem Offsetdruck. Anschließend wurde dieses bedruckte Papier der G 0 wieder mit Hilfe eines Pulpers in Wasser suspen- diert und danach in einer Flotationszelle deinkt, um erneut Papier auf der Papiermaschine herzustellen. Bei der zweiten Papierherstellung gehörten also alle Fasern einheitlich zur ersten G 1. Dieses Prozedere wurde fünfmal wiederholt, so daß alle Fasern immer älter wurden - bis zur fünften G 5. Die mittlere Anzahl der en beträgt also am Ende dieses Mehrfach- Recycling immerhin G = 5 und liegt damit weit über dem Massenanteil, % 70 1 Abbildung 3: Altersstruktur des Eintruges von deutschem Zei- Abbildung 4: Altersstruktur des Eintrages von deutschem Zeitungsdruckpapier (Stand 1994). tungsdruckpapier (Szenario 2005). 60 Szenario 2005 GO Gl G2 G3 G4 G5 reitungstechnik Februar

4 Halbtechnische Recyclingversuche Primärfaserstoffe, frischer Füllstoff (nur erster Recyclingkreislauf) \l von Laborblättern aus Zellstoff, wenn auch erstaunlich geringfügig, beim Mehrfach-Recycling ab. Das Gleiche gilt auch für das satinierte Papier, das je zur Hälfte aus Zellstoff und Holzstoff besteht, allerdings beladen mit zwölf Prozent Füllstoff. In diesem Zusammenhang ist zu bedenken, daß Zeitungsdruckpapier aus 100 % Sekundär- Faserstoff niemals eine durchschnittliche Anzahl von fünf en aufweisen wird. Auch für die Zukunft dürfte eine mittlere Anzahl von en von G = 2 die Obergrenze dhstellen. Weißgrad und Helligkeit sind die wichtigsten optischen Papiereigenschaften. Der Weißgrad der G 0 aus Primär-Faserstoff beträgt 68 % und fällt nach dem ersten Recycling-Zyklus bei G 1 auf 60 % ab (Abbildung 8). Die älteren Fasergenerationen erfahren dagegen nur noch eine geringe Weißgradabnahme. Bei der Entwicklung von Weißgrad und Helligkeit ist aber folgendes zu bedenken: Bei den vorgestellten halbtechnischen Versuchen mit Deinking wurde nur eine einstufige Flotation durchgeführt. In der Industrie ist dagegen die Technologie nach Stand der Technik zugunsten der Entfernung von Druckfarbenpartikeln dank zweistufiger Deinking-Flotation sowie einer Massenanteil, % * Papierherstellung umfaßt Blattbildung, Naßpressung und Trocknung Feinstoffgehalt (einschl. Füllstoff) * C Langfasergehalt...*...* Abbildung 5: Mehrfuch-Recycling. mittleren Alter der Fasern in zukünftigem deutschem Zeitungsdruckpapier. 0,oir.-.- ~~-.~~- + Kurzfasergehalt I-.*.-.-.q, l Ergebnisse zum Mehrfach-Recycling 60 GI G2 G3 G4 G5 Abbildung 6 macht deutlich, daß bei diesem Mehrfach- Recycling keine Veränderung der Faserlänge eintritt, da die verschiedenen Faserfraktionen, ermittelt mit dem McNett-Fraktioniergerät, über alle Fasergenerationen von G 0 bis G 5 konstant blieben. i Abbildung 7 dokumentiert die Reißlänge1 gemessen am satinierten Papier. Neben dem satinierten Papier sind in dieser Abbildung noch zwei weitere Kurv& dargestellt: Zum einen für Laborblätter aus 100 % Holzstoff und zum anderen für Laborblätter aus 100 % Zellstoff. Die Werte der Reißlänge sind normiert wiedergegeben, indem die Reißlänge von Papier und Laborblättern, hergestellt aus Primär-Faserstoff, gleich 100 % gesetzt wird. Man erkennt eine unterschiedliche Entwicklung der Reißlänge in Abhängigkeit vom Mehrfach-Recycling. Die Reißlänge von Holzstoff nimmt mit zunehmender Anzahl der Fasergenerationen zu. Auf der anderen Seite nimmt die Reißlänge Abbildung 6: McNett-Frakt~ ~wtierung (Maschinenbütte). Prozentuale Reißlänge, %,40 (bezogen auf GO) 80 8 GO GI G2 G3 G4 G5 Abbildung 7: Rt$lünge von Papier und Laborblättern. > A 20 zeitungstechnik Februar 1997

5 Dispergierung bedeutend aufwendiger, wodurch die optischen Eigenschaften besser kontrolliert werden können. Aus den gezeigten Ergebnissen wird stellvertretend für andere optische, mechanische und drucktechnische Papiereigenschaften folgendes deutlich: Ein holzhaltiges gefülltes Druckpapier kann aus mehrfach recycelten Fasern hergestellt werden, ohne signifikante Verschlechterungen verschiedener Papiereigenschaften zu erleiden. Wenn überhaupt eine Eigenschaft mit ihrer negativen Entwicklung hervorzuheben ist, dann handelt es sich um den Weißgrad beziehungsweise um die Anzahl von restlichen Druckfarbenpartikeln im Papierblatt. Diese Feststellung ist aber nur dann richtig, wenn der angewandte Deinking- Prozeß aus einer Flotationsstufe besteht. Zukünftige Eigenschaftsentwicklung von altpapierhaltigem Papier Anhand von Abbildung 9 wird abschließend dargelegt, in welchem Ausmaß einige ausgewählte Eigenschaften sich bei einer Intensivierung des Recycling entwickeln werden. Die Referenz ist bei dieser Betrachtung weiterhin das Jahr Das darauf aufbauende Szenario für 2005 setzt voraus, daß Deutschland im bisherigen Umfang weiterhin grafische Papiere mit Fasern der ersten importiert. Darüber hinaus werden aber auch weitere, deutlich verschärfte Szenarien ohne jegliche Importe von grafischen Papieren in den Jahren 1994 und 2005 betrachtet. Das durchschnittliche Alter der Fasergeneration erhöht sich von der Referenz mit G = 1,16 bis maximal G = 2,Ol. Mit den verschiedenen Szenarien steigt der Zellstoffgehalt signifikant an, ohne daß die Zusammensetzung des Altpapiers für Deinkingstoff bezüglich des Anteils von alten Zeitungen, alten Magazinen und holzfreien Druckerzeugnissen verändert wurde. Dieser hohe Zellstoffgehalt dient aber der Kompensation für den Abfall der Festigkeitseigenschaften von Zellstoff mit zunehmendem mittleren Alter der Fasergenerationen. Diese unerwartete Erhöhung des Zellstoffgehalts resultiert aus der Annahme, daß Deinkingstoff nur den Holzstoff im Papier ersetzt, aber nicht anteilig sowohl Zellstoff als auch Holzstoff. Die weiteren Spalten zeigen die Entwicklung von Reißlänge, Weiß&ad und der Fläche von sichtbaren Druckfarbenpartikeln impapier. Zur besseren Relativierung wurde das Niveau dieservrei Eigenschaften normiert, indem alle drei Eigenschaften für das Referenzjahr 1994 gleich 100 gesetzt wurden. Bei der Reißlänge tritt wegen des zunehmenden Zellstoffgehalts bei allen Szenarien sogar eine Verbesserung ein, wobei das Jahr 2005 als der wahrscheinlichere Fall anzusehen ist. Beim Weißgrad ist die Ergebnislage erstaunlich identisch, da alle Szenarien praktisch zum gleichen Weißgradniveau führen wie im Bezugsjahr Nach diesen beruhigenden Feststellungen ergibt sich bei der Fläche der restlichen Druckfarbenpartikel eine weniger 6. ISO-Weißgrad, Helligkeit, % Deinking-Rezeptur 1,O % Peroxid Abbildung 8: Weißgrad und Helligkeit.(satiniertes Papier). erfreuliche Tendenz, da dieser Parameter von Szenario zu Szenario zunimmt. Auch hier gilt wiederum die Feststellung, daß mit technologischen Maßnahmen die restlichen Druckfarbenpartikel kontrolliert werden können. Schlußbetrachtung Die Qualität von Papier hängt bezüglich Runnability und Printability in erster Linie davon ab, welche Länge die Fasern haben und wie gut die Fasern im Papierblatt miteinander über Wasserstoffbrücken zugunsten der Festigkeit verbunden sind. - Durch das Mehrfach-Recycling erfolgt weder bei Holzstoff- noch bei Zellstoff-Fasern eine Längenreduktion. - Bei Holzstoff-Fasern wird im Gegensatz zu Zellstoff- Fasern das Faser-zu-Faser-Bindevermögen nicht beeinträchtigt, sondern sogar verbessert. - Beim Recycling verbleiben trotz Stoffaufbereitung restliche Druckfarbenpartikel auf den Fasern, wodurch zum einen Weißgrad und Helligkeit - wenn auch in geringerem Maße - verschlechtert,werden und zum anderen die Anzahl der sichtbaren Druckfarben-Partikel zunimmt. - Insgesamt gesehen ist aber auch ein Sekundär-Faserstoff trotz mehrfachen Recyclings als Baustein für Papier geeignet, so daß Papier aus Sekundär-Faserstoffen die erforderlichen funktionellen Eigenschaften sowohl heute als auch morgen erfüllen kann (kein Import) (kein Import) 2,Ol Alle Eigenschaften sind für 1994 gleich 100 gesetzt Abbildung 9: Eigenschaften von deutschem Zeitungsdruckpapier bezogen auf halbtechnische Versuche und verschiedene Szenarien. Zeitungstechnik Februar