Hintergrund und Aufgabenstellung
Papier und Karton bestehen aus Zellulose, die aufgrund ihrer vielen Hydroxylgruppen stark hydrophil ist. Direkter Wasserkontakt führt daher zu hoher Wasseraufnahme, Faserquellung, Strukturänderungen und Festigkeitsverlust. Um dies zu verhindern, werden bereits während der Herstellung sogenannte Leimungsmittel (AKD oder ASA) zugesetzt, die die Fasern wasserabweisend machen bzw. die Wasserbeständigkeit erhöhen.
Damit das Leimungsmittel seine Wirkung voll entfalten kann, wird es vor der Zugabe in den Papierherstellungsprozess in Stärkeleim stabil eingekapselt. Dadurch bleiben Papier und Karton formstabil, reißfest und druckbar – auch bei Feuchtigkeit. Außerdem werden die Beschreib- und Bedruckbarkeit sowie die Saugfähigkeit gesteuert, die für spätere Veredelungsprozesse eine wichtige Rolle spielen. Auch die Produktionsgeschwindigkeit des Papiers in der Papiermaschine kann durch die vorherige Leimung gesteigert werden, da sich Druck- und Laufverhalten verbessern.
Die Herausforderung
Das in der Papier- und Kartonproduktion am häufigsten verwendete Leimungsmittel ist Alkenyl-Succinic-Anhydride (ASA), oder auf Deutsch: Alkenyl-Bernsteinsäure-Anhydrid. Da ASA von Natur aus ölig ist und sich nicht in Wasser löst, muss dem Faserstoff im Nassbereich des Papierherstellungsprozesses das hydrophobierende Additiv in Form einer Emulsion beigemischt werden.
Da ASA zudem ein reaktives Molekül ist, das bei falscher Handhabung schnell hydrolysiert und dadurch unbrauchbar wird, wird die ölige ASA-Komponente in ein Schutzkolloid eingekapselt bzw. emulgiert, welches in der Regel aus kationischer Stärke (oder einem anderen kationischen, hydrophilen Polyelektrolyten) besteht. Die feine Einkapselung in der Stärke schützt das ASA davor, sich schnell zu zersetzen (hydrolysieren) und ermöglicht es, das Leimungsmittel in die wässrige Suspension des Papierstoffs gleichmäßig verteilt einzubringen, um eine optimale Hydrophobierung zu gewährleisten.
Da Stärkeleim überwiegend hydrophil ist und sich ASA nur schwer homogen darin verteilen lässt, birgt der Prozess einige Herausforderungen:
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„Ungeeignete“ Scherkräfte: Eine zu intensive Scherung zerstört die bereits gebildete Grenzschicht, was zum Verschmelzen der Tröpfchen führen kann. Nicht ausreichend Scherung verursacht eine zu grobe Tropfenverteilung.
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Unvollständige Einkapselung: Zu große ASA-Teilchen werden unzureichend von Stärkeleim umhüllt und können frühzeitig reagieren. Sind sie zu fein, vergrößert sich die Oberfläche und damit die „Angriffsfläche“ für die Hydrolyse.
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Instabile Emulsion: Nicht ausreichende Scherung verhindert eine feine Dispergierung und führt zu Phasentrennung.
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Hoher Energieaufwand: Konventionelle Rührtechniken erfordern lange Prozesszeiten und hohe Drehzahlen, um hydrophobe und hydrophile Komponenten zu vermischen.
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Qualitätsverluste: Bereits geringe Reaktionen von ASA mit Wasser vor der Einkapselung beeinträchtigen die spätere Wirksamkeit und damit die Qualität des Endprodukts.
Die Lösung
Cavitron bietet für das Einkapseln von ASA in Stärkeleim eine Emulgiermaschine mit einem eigens für diese Anwendung entwickelten Rotor-Stator-System. Dieses System zeichnet sich durch eine Kombination unterschiedlicher Rotor- und Stator-Ringe aus, die sowohl gelocht als auch geschlitzt sind. Zudem sorgen die extrem engen Spaltmaße zwischen Rotor und Stator für hohe Scherkräfte.
Mit der ASA-Emulgiermaschine von Cavitron erreichen Sie:
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die gewünschte Teilchen- bzw. Tröpfchengröße: Die hohen Scherkräfte sorgen für die optimale Teilchengröße zum Einkapseln bzw. Emulgieren von ASA in Stärkeleim.
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eine hervorragende Verteilung bzw. Dispergierung: Die Geometrie des Rotor-Stator-Systems sorgt dafür, dass sich das ASA gleichmäßig im Stärkeleim verteilt und sich keine „ASA-Nester“ bilden, die zu Instabilität oder ungleichmäßiger Leimung führen würden.
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eine hohe Stabilität der Emulsion: Die optimal eingestellte Tröpfchengröße und die gleichmäßige Verteilung gewährleisten eine hohe Emulsionsstabilität.
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schnelle Prozesszeiten: Durch die intensive Durchmischung in einem kontinuierlichen Prozess wird der Einkapselungsprozess erheblich beschleunigt.
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einen geringeren Verbrauch an ASA: Durch die Verwendung einer Cavitron-Emulgiermaschine in Kombination mit dem entsprechenden Leimungsmittel sind Einsparungen von bis zu 20 % ASA möglich.
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eine Qualitätsverbesserung der ASA-Emulsion: Die Emulsion zeigt eine geringe Ablagerungsneigung und hilft bei der Vermeidung sogenannter „Blue Spots“.
Übersicht Kundenvorteile
1
Hohe Produktqualität
2
Hohe Prozesskontrolle und reproduzierbare Qualität
3
Kontrollierbarer Energieeintrag
4
Platzsparend und sauber
5
Geringere Umweltbelastung und maximaler Arbeitsschutz
6
Robust und effizient
7
Flexibel und vielseitig
8
Maßgeschneiderte Lösung
9
Zubehör und Anlagenbau
- Hohe Produktqualität: Das speziell für ASA-Anwendungen entwickelte Rotor-Stator-System sorgt für eine schnelle Emulgierung und gleichmäßige Verteilung des ASA, sodass die Emulsion eine hohe Stabilität erreicht.
- Hohe Prozesskontrolle und reproduzierbare Qualität: Die Maschine arbeitet exakt und zuverlässig und liefert Ergebnisse von gleichbleibender Produktqualität. Die kontinuierliche Fahrweise im geschlossenen System beschleunigt den Prozess zusätzlich.
- Kontrollierbarer Energieeintrag: Die Drehzahl (und damit die Scherintensität) lässt sich über die Emulgiermaschine exakt einstellen.
- Platzsparend und sauber: Im Vergleich zur klassischen Chargenproduktion benötigt das kontinuierliche System von Cavitron bis zu 90 % weniger Platz. Es gibt keine verklebten Behälter oder Einbauteile, da das Produkt durch die Maschine zwangsbefördert wird. Dies vermeidet Rückstände und reduziert den Reinigungsaufwand.
- Geringere Umweltbelastung und maximaler Arbeitsschutz: Der Einkapselungsprozess findet in einem geschlossenen System statt. Keine Stäube gelangen in die Umgebungsluft, was sowohl die Sicherheit der Mitarbeitenden als auch den Umweltschutz erhöht.
- Robust und effizient: Im Vergleich zu anderen Systemen ist der Energiebedarf geringer, die Wartung einfacher und die Maschine robuster gegenüber Viskositätsschwankungen.
- Flexibel und vielseitig: Die leistungsstarke Cavitron-Maschine ermöglicht es, verschiedene Produktqualitäten und Rezepturen zu verarbeiten.
- Maßgeschneiderte Lösung: Cavitron-Maschinen können je nach Anwendung und Kundenwunsch individuell ausgestattet werden. Dazu zählen neben den unterschiedlichen Rotor/Stator-Systemen u. a. diverse Wellendichtungen, verschiedene Motoren und Antriebe, Heiz-/Kühlmäntel, Eindüsungen und Mehrstoffzuläufe.
- Zubehör und Anlagenbau: Zusätzlich zu unseren Stand-alone-Maschinen bietet Cavitron weitere Anlagenkomponenten (Trichter, Behälter, Dispergierer etc.) sowie komplette Prozessanlagen an.
Aus Sicht der Papier- und Kartonhersteller zeigen die mit Cavitron-Maschinen hergestellten ASA-Emulsionen eine hohe Stabilität, eine gute Hydrophobierung und eine geringe Ablagerungsneigung unter Prozessbedingungen. Sie profitieren nicht nur von einer verbesserten Produktqualität, sondern auch von einer erheblichen Steigerung der Prozess- und Energieeffizienz.
Allgemeine technische Spezifikationen
Statische Dichtungen:
Viton, Teflon, Kalrez, andere Elastomere.
Betriebsdruck:
Bedarfsabhängig, bis 100 bar, Standard: bis 10 bar.
Betriebstemperatur:
Bedarfsabhängig bis 250 °C, Standard: 150 °C.
Leistungen, Energieeinsatz:
Typenübersicht Download.
Antriebe und Kraftübertragung:
Drehstrommotoren, Hochfrequenzmotoren, mechanische Getriebe, Regelantriebe, stufenlose, elektronisch gesteuerte und kontrollierte. Keilriemen, Poly-V-Riemen.
Intensitätsstufen:
Betriebsbezogene, von der groben Vermischung bis zur Dispergierung im Angström-Bereich.
Lagerung:
Kegelrollenlager, Schrägkugellager (doppelt).
engineered.
