EP2314765A1 - Herstellung eines Faserverbundes, dessen Verwendung und Faserverbund - Google Patents

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EP2314765A1
EP2314765A1 EP10185955A EP10185955A EP2314765A1 EP 2314765 A1 EP2314765 A1 EP 2314765A1 EP 10185955 A EP10185955 A EP 10185955A EP 10185955 A EP10185955 A EP 10185955A EP 2314765 A1 EP2314765 A1 EP 2314765A1
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EP
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fiber composite
pulp
fiber
composite
formation
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Reinhard Kräuter
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Bene_fit Systems & Co KG GmbH
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Definitions

  • the invention relates to a process for the production of a fiber composite, which comprises at least one additive and at least one organic fiber, wherein the fiber is selected from a group of wood pulp, half-pulp, pulp, wool, silk, linen, cotton, synthetic polymer fibers and / or comprises other fibrous materials with fiber thicknesses of less than 0.5 mm, with at least one additive being added which comprises Ca and / or Mg compounds and which changes its structure in the fiber composite and / or forms a structure and after the structural change and / or or structuring a network-like pulp structure, which is formed by the pulp, interspersed to stabilize the fiber composite as a three-dimensional composite of Ca and / or Mg compounds.
  • the invention relates to a fiber composite, which comprises at least one additive and at least one organic pulp, wherein the pulp is selected from a group comprising wood pulp, half-pulp, pulp, wool, silk, linen, cotton, synthetic polymer fibers and / or other fibers Fiber thicknesses of less than 0.5 mm and at least one of the additives comprises a Ca and / or Mg compound, which is present in a three-dimensional composite of Ca and / or Mg compounds, which is a net-like Fiber structure, which is formed or formed by the pulp, has interspersed structure for stabilizing the fiber composite.
  • the pulp is selected from a group comprising wood pulp, half-pulp, pulp, wool, silk, linen, cotton, synthetic polymer fibers and / or other fibers Fiber thicknesses of less than 0.5 mm and at least one of the additives comprises a Ca and / or Mg compound, which is present in a three-dimensional composite of Ca and / or Mg compounds, which is a net-like Fiber structure, which is formed or
  • the invention relates to the use of such a fiber composite as a medium for information storage, packaging material, decorating means (e.g., wallpaper), sanitary articles, insulating material, gas, water or vapor barrier, flame retardant material, sound insulation material, material, insulation means or the like.
  • decorating means e.g., wallpaper
  • sanitary articles e.g., insulating material, gas, water or vapor barrier, flame retardant material, sound insulation material, material, insulation means or the like.
  • a fiber composite is to be understood as meaning any fiber composites, as preferred in the form of paper, paperboard, corrugated board or boards, or else in another form, e.g. as packaging material, decorative material (e.g., wallpaper), sanitary articles, insulating material, gas, water or vapor barrier, flame retardant material, soundproofing material, material, insulation means may be used.
  • a fiber composite according to the invention is, for example, paper. Paper is predominantly used for writing and printing and so far consists mostly of vegetable fibers. In addition, fillers, pigments and additives are used. Important areas of application are packaging (cardboard, cardboard), sanitary papers such as toilet paper and special papers such as wallpapers. Paper is usually made of pulp or wood pulp (recycled wood pulp), as well as fibers made of recycled paper.
  • the paper is produced from wood in the form of wood pulp, semichemical pulp or pulp. Often, conifers such as spruce, fir, pine and larch are used. Due to the longer fibers compared to deciduous trees, softwood fibers are felted more easily, resulting in a higher strength of the paper.
  • the fibrous material used in the paper is one of the largest cost factors for paper raw materials because it is expensive compared to other fillers used and is also used in large proportions. Increasingly paper demand is expected globally, combined with further rising fiber prices. Furthermore, due to the anticipated increased competition of different uses for renewable raw materials (for example for energy use, bio-based polymers), a further significant shortage of pulp is expected, which could lead to further price increases.
  • fillers are already added to the prior art stock. These may be e.g. kaolin, talc, titanium dioxide, ground calcium carbonate (GCC) and precipitated calcium carbonate (PCC).
  • GCC ground calcium carbonate
  • PCC precipitated calcium carbonate
  • Kaolin is added both as fillers and as a coating pigment.
  • Kaolin remains chemically inert over a wide pH range and can therefore be used not only in acidic but also in alkaline production processes.
  • Talc is added to paper to reduce the porosity of the paper and thus to improve the printability of uncoated papers.
  • the use of high-quality talcum to influence the wood fiber grain improves the running properties of the paper.
  • Titanium Dioxide is a particularly effective white pigment that can be added to a paper to provide very high opacity, good light diffusion and excellent gloss. Since this material is many times more expensive than calcium carbonate, it is not used in standard filling or coating applications, but only in very high quality papers.
  • Calcium carbonate can be added to papers in two different modifications, namely as ground or precipitated calcium carbonate.
  • GCC Ground calcium carbonate
  • CaC0 3 -containing materials used for the production of GCC are sedimentary rocks (limestone or chalk) and the metamorphic marble rock.
  • Precipitated calcium carbonate is a synthetic industrial mineral made from quick lime or its raw material, limestone.
  • the paper industry where it is used as a filler and as a coating pigment, is the largest consumer of PCC.
  • Additives from PCC have a positive effect on a variety of properties of the paper.
  • PCC-containing papers have greater brightness, opacity and thickness than GCC-containing papers.
  • PCC can not be used indefinitely as a filler because it reduces fiber strength.
  • the fillers soften and soften the paper, giving it a smooth surface.
  • the proportion of fillers in the basis weight is expressed in the so-called ash number.
  • the composition and crystal structure of the fillers determines transparency and opacity of a paper as well as the ink acceptance when printing with weg knownden colors.
  • One of the key objectives in papermaking is to provide high tensile strength, such as As in the manufacture of kraft paper to achieve.
  • the tensile strength of a paper is given in N / m. Since the tensile strength mainly depends on the basis weight, the tensile index is often given in units of Nm / g.
  • pulp is one of the largest cost factors in papermaking. He is currently many times more expensive than the fillers used. For this reason in particular, the paper industry has great interest in having the means to be able to provide a paper product with the same or better properties and functionality, in particular high strength, at a reasonable price in the future.
  • Possibilities for this are to change the fibers and / or the fillers, for example by means of physical, chemical or mechanical processes (or combinations thereof) so that they give the paper higher strength and at the same time less fiber quantity.
  • the relative filler content can be increased thereby.
  • a positive side effect here is that the optical properties and processing properties thus produced Papers are also improved due to the higher filler content.
  • the grammage could also be reduced without significantly affecting other parameters.
  • PCC calcium carbonate
  • the strength of bleached pulp or waste paper pulp from mixed waste paper can also be increased by addition of carboxy-methyl cellulose (ERHARD K. and K. FROHBERG, Improvement of the Splitting Strength of Paper by CMC-Modified Fibers, PTS Research Report on the Research Project BMWA 408 / 03 and ERHARD K. and T. G ⁇ TZE, Improvement of the Usage Characteristics of Recycled Paper for the Production of Corrugated Paper by Chemical Reactivation of the Fiber Surface, PTS Research Report on Research Project AiF 12110B).
  • carboxy-methyl cellulose ERHARD K. and K. FROHBERG, Improvement of the Splitting Strength of Paper by CMC-Modified Fibers, PTS Research Report on the Research Project BMWA 408 / 03 and ERHARD K. and T. G ⁇ TZE, Improvement of the Usage Characteristics of Recycled Paper for the Production of Corrugated Paper by Chemical Reactivation of the Fiber Surface, PTS Research Report on Research Project AiF 12110B).
  • the aim of the invention is therefore methods for producing a fiber composite such. Paper, paperboard or cardboard to provide, wherein the fiber composite comprises at least one additive and at least one organic pulp and this at least one additive is added, which includes Ca and / or Mg compounds and which changes its structure in the fiber composite and / or a structure is formed and present after the structural change and / or structure formation as a three-dimensional composite for stabilizing the fiber composite.
  • the proportion of organic fibers in the production of a fiber composite should be reduced and at the same time its strength reduced only slightly, kept constant or increased, and the cost of production can be reduced.
  • the aim of the invention is also to provide a fiber composite, which comprises at least one additive and at least one organic fiber, wherein at least one of the additives comprises a Ca and / or Mg compound, which is convertible into a three-dimensional composite for stabilizing the fiber composite.
  • the optical properties such as opacity, whiteness, brightness, yellowness value and / or the physical properties such as air permeability or porosity are only marginally deteriorated, maintained or even improved.
  • the processing properties of the fiber composite at the e.g. Printing, cutting, folding, laminating, dyeing, bonding, etc. are also only marginally deteriorated, maintained or even improved.
  • the manufacture of the fiber composite should be only slightly affected, maintained or even simplified or accelerated, for example, in terms of sheet formation, drainage, drying or paper finishing.
  • should Energy can be saved or reduced by the invention in the dewatering and drying.
  • the amount of exhaust air and waste water should be increased only slightly, maintained or even reduced and the CO 2 balance in the production of a fiber composite deteriorated only slightly, maintained or even improved.
  • An essential aspect of the invention is a process for producing a fiber composite comprising at least one additive and at least one organic pulp, wherein the pulp is selected from a group consisting of groundwood, half-pulp, pulp, wool, silk, linen, cotton, synthetic polymer fibers and / or other fibrous materials having fiber thicknesses of less than 0.5 mm, wherein at least one additive is added which comprises Ca and / or Mg compounds and which changes its structure in the fiber composite and / or forms a structure and after Structure change and / or structure formation a reticulated fiber structure, which is formed by the pulp, interspersed to stabilize the fiber composite as a three-dimensional composite of Ca and / or Mg compounds.
  • a three-dimensional composite or three-dimensional network-like structure is understood as meaning a spatial connection of individual crystals or other solid particles of these Ca and / or Mg compounds.
  • the individual crystals or particles are interconnected and / or in a physical interaction with each other, which leads to the net-like (or framework-like) arrangement of the individual crystals or particles.
  • the three-dimensional composite thus formed has free spaces between the crystals and / or other solid particles, through which gases can diffuse, or in which individual fibers of the fibrous material or other additives can be arranged.
  • this (over) structure is referred to in this context as a crystal structure.
  • crystal structure In connection with certain forms of individual crystals such as rod-shaped, platelet-shaped, fibrous, star-shaped or tuft-shaped crystals, the term crystal structure for used the homogeneous three-dimensional arrangement of individual atoms within a crystalline particle.
  • a further reticulated (or skeletal) fiber braid is formed.
  • there are two reticulated fiber braids in the fiber composite which support each other in their capacity as a framework of the fiber composite. It is therefore possible to form two nested net-like structures, each of which has a positive influence on the stability of the fiber composite.
  • one of the structure-forming substances - ie either the Ca and / or Mg compound or the fibers of the pulp - is significantly smaller than the respective other structure-forming substance. This makes it possible for each of these to have a significantly different framework or network structure with e.g.
  • the smaller of the structure-forming substances interacts with pores, cracks, furrows, elevations, edges or other surface features of the larger structure-forming substances and thus integrates this larger structure into its own network-like structure. This is particularly the case when comparatively small Ca and / or Mg compounds interact with larger fibers of the pulp and are firmly attached to its surface. This placement on the surface is usually done only sporadically to increase the material properties of the fibers of the pulp and e.g. not excessively negatively affecting the binding of the fibers to each other.
  • the Ca and / or Mg compounds within the fiber composite do not completely enclose the fibers of the pulp, but cover the surface of the fibers only in sections.
  • the proportion of these covered by the Ca and / or Mg compounds sections is less than 95%, preferably less than 90%, more preferably less than 80%, but may also be less than 70% or less than 50%.
  • the Ca and / or Mg compound is used as sulfate, hydroxide, silicate, aluminate, ferrite and / or mixtures thereof in a proportion of 1-50% by mass, preferably 2-40 Ma-% and these by a reaction with water, CO 2 , carbonate ions, sulfate ions, oxygen, other additives and / or combinations thereof or by elimination of water or gases, such as CO 2 , O 2 or others, optionally under energy supply or discharge, to the three-dimensional Composite of Ca and / or Mg compounds implemented.
  • the Ca and / or Mg compounds may be, for example, cement or gypsum precursors such as CaSO 4 ("anhydrite") or CaSO 4 .1 ⁇ 2H 2 O ("bassanite", also "hemihydrate” or “hemihydrate”), however, as described above, any other Ca and / or Mg compound which forms reticulate, three-dimensional superstructures or composites.
  • the Ca and / or Mg compound can be used as a solution, suspension or solid. Preferably, they are soluble salts.
  • the formation of the structures or of the crosslinked crystal structures can be initiated, for example, by a reaction with water, CO 2 , oxygen, further additives and / or combinations thereof or by removal of water or gases, such as CO 2 , O 2 or others.
  • an energy supply or removal may be necessary.
  • air lime can harden and solidify by absorbing CO 2 .
  • Cement for example, reacts with water to form insoluble, stable calcium silicate hydrates, which form fine needle-shaped crystals which interlock with one another and thus lead to the high strength of the resulting fiber composite.
  • oxidation processes are also conceivable which lead to the formation of the crosslinked crystal structures.
  • Other possible reactions occur with elimination of smaller molecules such as water, CO 2 , O 2 , other gases or similar. as is the case for example in condensation reactions or polymerization reactions.
  • rod-forming, star-forming, tuft-forming or similar structures-forming materials or blends of these with each other or with other materials are preferred.
  • a structure-forming material such as a crystal structure-forming material or mixtures of these with each other or with others is dependent on the circumstances and the desired product properties. Depending on these, a specific selection can be made.
  • Crystal structure forming material example Structure formation eg Crystal structure formation Plaster, or dehydrated CaSO 4 * 0.5H 2 O, By reaction with water or partially dewatered gypsum precursors CaSO 4 with or other additives under certain conditions Mg compounds Mg (OH) 2 By reaction with CO 2 in water with or without other additives under certain conditions Ca and / or Al silicates Tricalcium silicate, C3S By reaction with water (3 CaO x SiO 2 with or without sulfate or Dicalcium silicate, C2S other additives (2 CaO x SiO 2 certain conditions Tricalcium aluminate, C3A (3 CaO x Al 2 O 3 ) Tetracalcium aluminate ferrite C4AF (4 CaO ⁇ Al 2 O 3 ⁇ Fe 2 O 3 ) Ca and / or Al silicates with Tricalcium silicate, C3S By reaction with water a low Fe 2 O 3 - (3 CaO x SiO 2 ) with or without sulfate or Content ⁇ 5%
  • Ca 3 Al 2 (OH) 12 tricalcium aluminate hydrate or [3CaO * A1 2 O 3 * 6 H 2 O] With or without sulfate or other additives in water under certain conditions
  • Ca 4 Al 2 (OH) 14 tetracalcium aluminate hydrate or [4CaO * Al 2 O 3 * 7H 2 O]
  • Table 2 shows an overview of chemical-physical parameters for further description of the properties of the structure-forming materials, such as the crystal structure-forming materials, which can be used by the invention:
  • the aggregates used for dry or wet grinding can be, for example: ball mills, pin mills, jet mill or bead mills, stirred ball mills, high-performance dispersers or high-pressure homogenizers.
  • the structure-forming materials may be other, especially organic or inorganic fiber materials of any origin and purity (natural, synthetic, recycled) and fiber length (long fiber, short fiber, nanofiber, microfibrillated fiber and mixtures thereof), fillers and / or pigments, and additives singly or in mixtures be added.
  • the structures formed by the respective reaction from the Ca and / or Mg compounds usually have the properties listed in Table 3.
  • Table 3 parameter unit Area prefers Mostly preferred refractive index 1-3 1.2-2.9 1.4 to 2.7 Whiteness R457, ISO 2470 % 1-100 5-100 10-100 Particle size *) microns .001-10000 0.01 to 7500 0.05 to 5000 Particle size **) microns .001-10000 0.01 to 7500 0.05 to 5000 Abrasion after Einlehne mg ⁇ 5000 ⁇ 4000 ⁇ 3000 Spec.
  • the Ca and / or Mg compound is present in the form of contiguous Ca and / or Mg-containing particles which a particle size, measured as d 50 (volume) between 0.001 and 10,000 microns, preferably between 0.01 and 7500 microns, more preferably between 0.05 and 5000 microns have.
  • a Ca and / or Mg compound is used which, after the structural change and / or structure formation in the fiber composite, has a refractive index n D of 1-3, preferably 1.2. 2.9, particularly preferably from 1.4 to 2.7 and has a whiteness R457 according to ISO 2470 of 1 to 100, preferably 5 to 100, particularly preferably 10 to 100.
  • a suitable structure-forming material e.g., paper, paperboard, cardboard
  • the requirements placed on a fiber composite can be very different. Due to the large number of possible choices of structure-forming materials and the properties of the forming structures or crystal structures, the requirements placed on a fiber composite can be met within a wide range.
  • the production of the fiber composite takes place. There are several ways to do this:
  • the structure-forming material, or the Ca and / or Mg compound can be brought in a suitable form (for example after preparation, as described above) in a first step to form the structures, such as the crystal structure ( eg also mixed with other materials) and brought in a second step on an already existing first fiber composite in order to then solidify this near the surface, for example.
  • a suitable form for example after preparation, as described above
  • the structures such as the crystal structure ( eg also mixed with other materials)
  • a second step on an already existing first fiber composite in order to then solidify this near the surface, for example.
  • This can also be done several times, with equipment and conditions for this purpose to those skilled in the art known (eg Blad Huawei, curtain coating, film press, size press, etc.).
  • Any pretreatment of the uncoated fiber composite or a post-treatment of the fiber composite with known suitable technical methods is possible.
  • the above fiber composite may be a known material in the art, e.g. Paper, cardboard, cardboard, fleece or a similar material. But it can also be a structure-containing fiber composite.
  • the structure-forming material, or the Ca and / or Mg compound can also be applied to an already existing first fiber composite in a suitable form (eg after preparation, as explained above) and there in a subsequent process step the structures , such as the crystal structures are brought to training.
  • the structure-forming material such as e.g. the crystal structure-forming material, thereby mixed together with other materials and applied in this form on a fiber composite. This may also be done several times, equipment and conditions of which may be varied and known to those skilled in the art (e.g., blading, curtain coating, film press, size press, etc.).
  • any pretreatment of the uncoated fiber composite or a post-treatment of the fiber composite after the formation of the three-dimensional composite of Ca and / or Mg compound, on or in this according to the known suitable technical methods is possible.
  • Forming the structures, e.g. the crystal structures can also be interrupted, e.g. by removal of the reactive component (such as water) and may e.g. B. temporally and later by the addition of a reactive component (such as water) in time and possibly also be separated spatially.
  • the structural change and / or structure formation of the Ca and / or Mg compounds is interrupted before the complete formation of the three-dimensional composite by a change of ambient conditions and the structural change and / or the structure formation up to complete formation of the three-dimensional composite at a later date, optionally after the fiber composite has been brought into a predetermined shape, continued by changing the environmental conditions again.
  • the structuring material may be added before, during, or after patterning, such as, e.g. crystal structure formation, with other materials (such as fillers, additives).
  • the fiber for this variant can also be mixed before, during or after the mixing with the formed structures of the Ca and / or Mg compounds and with other materials (for example fillers, additives).
  • the structure-forming material before, during, or after patterning e.g. crystal structure formation
  • the fiber may also be mixed with other materials and / or fibers before, during or after the mixing with the structure-forming material.
  • a pulp with a structure-forming material e.g. To bring a crystal structure-forming material, and other additives to a fiber composite and bring the structures until later in the training.
  • This can e.g. done by the fiber composite after training still a reactive component, e.g. Contains water and the structure-forming component, e.g. the crystal structure-forming component, together with this water forms the structures within this fiber composite. Thereafter, the fiber composite can be dried or further processed.
  • a fiber composite for example, a targeted shaping and then this form by forming structures, for example. Retains crystal structures, or is fixed by the fiber composite, a reactive component, e.g. Water is added.
  • a reactive component e.g. Water
  • the structures in the fiber composite can also be made such that they are very finely divided, whereby a flame-resistant and / or heat-insulating material is produced.
  • a pulp with a structure-forming material and other additives to a fiber composite and bring the structures of Ca and / or Mg compounds until later in the training.
  • This can be done, for example, by providing the fiber composite with a reactive, for forming the structures, such. the crystal structures, necessary component (such as water) is removed or this is not added and thus the structure formation, or the crystal structure formation, is interrupted in time.
  • the formation of structures such as e.g. crystal structures, and further crosslinking may then be initiated at a later time for the same or a different application by adding to the fiber composite the reactive component, e.g. Water is added.
  • the formation of the three-dimensional composite of the Ca and / or Mg compounds takes place before, during or after crosslinking of the organic fibrous materials.
  • the above-mentioned methods for producing a fiber composite can take place temporally and spatially next to one another or offset from one another. In addition, they can run continuously or in batch mode or in the form of intermediates of these methods.
  • Another essential aspect of the invention is a fiber composite comprising at least one additive and at least one organic pulp, wherein the pulp is selected from a group consisting of groundwood, half-pulp, pulp, wool, silk, linen, cotton, synthetic polymer fibers and / or comprising other fibrous materials having a fiber thickness of less than 0.5 mm, at least one of the additives comprising a Ca and / or Mg compound present in or translatable into a three-dimensional composite of the Ca and / or Mg compounds; which has a network-like fibrous structure, which is formed or formed by the fibrous material, passing through structure for stabilizing the fiber composite.
  • Such fiber composites can be cheaper in the material costs by the substitution of comparatively expensive organic fiber materials than comparable fiber composites in which the three-dimensional crosslinking is based exclusively on the crosslinking of the organic fiber materials.
  • these fiber composites due to the three-dimensionally crosslinked bond of the Ca and / or Mg compounds, these fiber composites can have a similar, or even improved Have strength as comparable fiber composites based on exclusively organic fibers.
  • Such a fiber composite preferably comprises the Ca and / or Mg compound in a proportion of 1-50% by mass, preferably 2-40% by mass, and the Ca and / or Mg compound is selected from a group which comprises sulfates , Hydroxides, silicates, aluminates, ferrites and / or mixtures thereof, in particular cements, gypsum and / or precursors thereof and by reaction with water, gases, in particular CO 2 or oxygen, carbonate ions, sulfate ions, further additives and / or combinations thereof or by elimination of water or gases such as CO 2 , O 2 or others, optionally with Energyzu- or -abssel, is a three-dimensional composite of Ca and / or Mg compounds in the fiber composite before or can be formed.
  • the Ca and / or Mg compound is selected from a group which comprises sulfates , Hydroxides, silicates, aluminates, ferrites and / or mixtures thereof, in particular cements, gypsum
  • the Ca and / or Mg compounds are present within the three-dimensional composite in substantially homogeneous crystal structures, which are preferably predominantly rod-shaped, platelet-shaped, fibrous, star-shaped or tuft-shaped.
  • These crystal structures are particularly suitable because of their geometry, as they are e.g. by interactions of their ends, corners or edges with adjacent crystals can form a three-dimensional net-like structure or a three-dimensional composite.
  • This three-dimensional structure can be referred to as reticulate or skeletal, since due to the geometry of the crystals cavities can be formed, which are comparable to the mesh of a network or the free spaces within a scaffold.
  • the interactions between the individual crystals can be physical or chemical in nature. For example, it may be a hooking or projections or the like. act. Likewise, however, electronic or electrostatic interactions between the ends as well as sticking (e.g., by a binder) of ends to each other are possible.
  • a fiber composite preferably comprises organic fibers which comprise individual fibers which have a substantially circular diameter of a size of less than 0.5 mm, preferably less than 0.25 mm, particularly preferably less than 0 , 01 mm.
  • These fibers may be, for example, groundwood, semi-pulp, cellulose, wool, silk, linen, cotton and other natural products, but also synthetic polymer fibers of organic origin such as (polyamides, polyesters, polyethers, polyolefins such as PE, PP, etc., polyurethanes and other organic polymers Substances).
  • the average length of the individual fibers is preferably less than 10 mm. But it can also be larger depending on the type and material of the fiber.
  • the Ca and / or Mg compound after the change and / or formation of the three-dimensional composite has a whiteness R457 according to ISO 2470 from 1 to 100, preferably from 5 to 100, more preferably from 10 to 100.
  • additives that positively affect the whiteness. These are known in the art and may be, for example, TiO 2 , kaolin, CaCO 3 , etc.
  • a surface coating can be applied to the fiber composite, can be printed, sprayed on, laminated on, rolled up, adhesively bonded or applied in another suitable manner. This makes it possible to further refine the fiber composite.
  • This surface coating can serve, for example, in the form of writing as an information medium.
  • other surface coatings are conceivable, the fiber composite only for subsequent applications (such as information storage, as packaging material, as decoration (eg wallpaper), as hygiene articles, as insulating material, as a gas, water or steam barrier, as a flame retardant, as Sound insulation material, as a material, as an insulating agent or the like) prepare.
  • These surface coatings can change the surface properties and, for example, adjust porosity, color, gloss, opacity, haptics, transparency, water resistance, wettability, and many others according to requirements.
  • the fiber composites described above also by several layers of these respective fiber composites or mixed with each other or with each other Materials (eg polymer films, metal foils) to merge into a multilayer fiber composite material.
  • Materials eg polymer films, metal foils
  • the fiber composites may be further processed according to the requirement and intended use or application, e.g. coated, printed, sprayed, rolled, laminated, folded, cut, pasted, coated, etc.
  • the abovementioned processes for producing a fiber composite can take place temporally and spatially next to one another or offset from one another. In addition, they can run continuously or in batch mode or in the form of intermediates of these methods.
  • the composite structures are each shown by scanning electron micrographs (SEM).
  • SEM scanning electron micrographs
  • Fig. 1a the fiber composite is shown, in which no structure-forming material, such as crystal structure-forming material, is included. Only the fibers are visible here. These form a loose, irregular network, with comparatively large pores in between. The strength of this network is based solely on the interactions of these fibers to each other and is therefore low.
  • Fig. 1b shows an enlarged view.
  • Fig. 2a shows a fiber composite with formed structures, such as crystal structures.
  • Fig. 2b shows an enlargement.
  • Fig. 2a and Fig. 2b show a fiber composite resulting from the use of a structure-forming material, here a rod and crystal structure-forming material in admixture with organic fibers, wherein the rod and crystal structures are formed before the fiber composite production.
  • the formation of the fiber composite together with the structure-forming material takes place first by adding a structure-forming material, such as e.g. a crystal structure forming material, selected and then mixed together with pulp in aqueous suspension, the structures such as e.g. Crystal structures, brought to training and finally the fiber composite is formed.
  • a structure-forming material such as e.g. a crystal structure forming material
  • a structure-forming material such as, for example, crystal structure-forming material, having a high degree of whiteness is selected, in this case a low-iron Ca-Al silicate.
  • a structure-forming material such as, for example, crystal structure-forming material, having a high degree of whiteness
  • a structure-forming material such as, for example, crystal structure-forming material, having a high degree of whiteness
  • a structure-forming material such as, for example, crystal structure-forming material, having a high degree of whiteness
  • d 50 laser diffraction
  • Quantachrome Quantachrome
  • a pulp is used as in Example 1 and this a structure-forming material, such as crystal structure-forming material (low iron Ca-Al-silicate), with a proportion> 0.1% by mass, preferably 1-50% by mass on the pulp, added and made an aqueous suspension.
  • this composite consisting of pulp and formed structures, here for example crystal structures, produced by filtration, this composite is then dried and examined the composite structure by scanning electron microscope (SEM).
  • the resulting fiber composite ( Fig. 2a and Fig. 2b ) shows both the fibers and the structures, here rod or crystal structures. These are intimately connected and form a felt.
  • the structures, here rod or crystal structures form networks and are connected to each other as well as to the pulp, so that the pores are also largely bridged.
  • the strength of such a paper is also based on interactions of the constituents contained. Due to the high degree of crosslinking, the interaction is also very high, combined with a significant increase in strength.
  • a pattern-forming material such as e.g. a crystal structure-forming material, are selected and then transferred separately from the pulp in an aqueous suspension and therein the structures, here rod or crystal structures are formed and only then combined with the pulp and finally formed the fiber composite.
  • a structure-forming material such as a crystal structure-forming material: Since a high degree of whiteness is required of the paper to be produced, a structuring, eg crystal structure-forming material is selected with a high degree of whiteness, in this case a low-iron Ca-Al-silicate ..
  • pulp is again used as unrefined hardwood pulp (Eucalyptus grandis) and a first suspension 1 is produced therefrom.
  • a first suspension 1 is produced therefrom.
  • a second suspension 2 is prepared and therein the structures, here rod and crystal structures, brought to training.
  • the two suspension mixed, so that structure-forming material, such as crystal structure-forming material, with a proportion of> 0.1% by mass, preferably 1-50% by mass based on pulp, is included.
  • the fiber composite consisting of pulp and formed structures, here rod or crystal structures, produced by filtration, then dried and examined the composite structure by scanning electron microscope (SEM).
  • the resulting fiber composite ( Fig. 3a and Fig. 3b ) shows both the fibers and the structures, here rod or crystal structures. These are intimately connected and form a felt.
  • the structures, here rod and crystal structures form networks and are connected with each other as well as with the pulp, so that the pores are also largely bridged.
  • the strength of such a paper is also based on interactions of the constituents contained. Due to the high degree of crosslinking, the interaction is very high, combined with a significant increase in strength.
  • Example 2 Compared with the REM images of the fiber composite Fig. 2a and Fig 2b , this shows a similar picture.
  • Example 2 two ways of producing the fiber composite could be demonstrated, the two having in common that the structures, here rod or crystal structures are formed to a large extent, before it comes to fiber composite formation, ie sheet formation.
  • the interaction and thus the paper strength in the composite is greater in both methods, compared with the method which is mentioned in Example 1.
  • Fig. 4a and Fig. 4b show a fiber composite produced by using a structure-forming material, such as a crystal structure-forming material, and the formation of this fiber composite, wherein the structures, here rod or crystal structures, are formed only after the fiber composite production.
  • a structure-forming material such as a crystal structure-forming material
  • a structure-forming material such as a crystal structure-forming material
  • this then mixed together with fiber in aqueous suspension and the fiber composite is formed.
  • Much of the structures, here chopsticks or crystal structures, is then brought to training and the fiber composite thereby further crosslinked.
  • a pulp is used as in Example 1 and this is a structure-forming material, such as. Crystal structure-forming material (low iron Ca-Al-silicate), with a proportion> 0.1 Ma-% preferably 1-50 Ma-% based on pulp added and an aqueous suspension prepared.
  • the fiber composite consisting of pulp and the structure-forming material, such as. the crystal structure-forming material in which the structures, here rod or crystal structures are largely not yet formed, produced by filtration.
  • the structures, here rod or crystal structures are formed in the composite. Thereafter, this composite is dried and the composite structure examined by scanning electron microscope (SEM).
  • the resulting fiber composite ( Fig. 4a and Fig. 4b ) shows both the fibers and the structures, here rod or crystal structures. These are intimately connected and form a felt.
  • the structures, here rod or crystal structures form networks and are connected with each other as well as with the pulp, so that the pores are also largely bridged.
  • the strength of such a manufactured paper is also based on interactions of the constituents contained. Due to the high degree of crosslinking, the interaction is also very high, combined with a significant increase in strength.
  • Fig. 5a shows Ca-Al-silicate as an example of a structure-forming eg crystal structure-forming material
  • Fig. 5b shows wollastonite as an example of a non-structuring but rod-shaped material. Therefore, wollastonite is not suitable for forming the three-dimensional composite structure under the selected conditions, even though the individual wollastonite particles are in the form of crystals having a regular crystal structure.
  • the fiber composite is produced by using a structure-forming material, such as a crystal structure-forming material, with increasing concentration and subsequent formation of this fiber composite.
  • the structures here are rod and crystal structures ( Fig. 5a ), are formed only after the fiber composite production - in contrast to a fiber composite, which is made with pulp and a non-structuring mineral but rod-shaped mineral (wollastonite) ( Fig. 5b ).
  • a structure-forming material such as e.g. a crystal structure-forming material, selected and this then mixed together with pulp in aqueous suspension and formed the fiber composite.
  • a structure-forming material such as e.g. a crystal structure-forming material
  • the selection of the structure-forming material such as. of the crystal structure-forming material. Since the paper to be produced requires a high degree of whiteness, a pattern-forming material, e.g. a crystal structure-forming material selected with a high degree of whiteness, in this case a low-iron Ca-Al silicate. A pretreatment of the low-iron Ca-Al silicate does not take place in this case.
  • a pulp is used as in Example 1 and this a structure-forming material, such as a crystal structure-forming material (low iron Ca-Al-silicate), was added and prepared an aqueous suspension.
  • a structure-forming material such as a crystal structure-forming material (low iron Ca-Al-silicate)
  • the fiber composite consisting of pulp and the structure-forming material, such as the crystal structure-forming material, but which has the structures (here rod or crystal structures) largely not yet formed, produced by filtration. Only then are the structures, here rod or crystal structures, formed in the composite. Thereafter, this composite is dried and the composite structure examined by scanning electron microscope (SEM).
  • the fiber composites produced using low-iron Ca-Al silicate and wollastonite also differ significantly.
  • the fiber composites based on low-iron Ca-Al silicate ( Fig. 6a . 7a, 8a .) Show both the fibers and the structures, here rod and crystal structures. These are intimately connected and form a felt.
  • the structures, here rod and crystal structures form networks and are connected with each other as well as with the pulp, so that the pores are also largely bridged.
  • the strength of such a paper is also based on interactions of the constituents contained. Due to the high degree of crosslinking, the interaction is also very high, combined with a significant increase in strength.
  • the fiber composites based on wollastonite ( Fig. 6b . 7b, 8b ) Only a loose, loose assembly of the respective components, without that they are recognizable connected.
  • Example 4 shows the difference in the use of a structure-forming material, such as a crystal structure-forming material, as compared to a non-structural but rod-shaped material.
  • a structure-forming material such as a crystal structure-forming material
  • the interactions in the composite and thus also the paper strength are much more pronounced in the first case.
  • a particular advantage of the structure formation (here rod and crystal structure formation) after fiber composite formation is that a part of the residual water contained by the structure formation (here rod and crystal structure formation reaction) is chemically bonded and does not have to be removed by drying, creating an additional benefit Energy saving is given.
  • a fiber composite is formed by the use of a structure-forming material, such as e.g. of a crystal structure-forming material, wherein the structure-forming material, such as e.g. Crystal structure-forming material, only subsequently applied to an already formed first fiber composite and the structures, here rod or crystal structures, are then formed.
  • a structure-forming material such as e.g. of a crystal structure-forming material
  • the structure-forming material such as e.g. Crystal structure-forming material
  • a structure-forming material such as a crystal structure-forming material is selected, and this is then applied in an aqueous suspension to a first fiber composite.
  • a structure-forming material such as a crystal structure-forming material is selected, and this is then applied in an aqueous suspension to a first fiber composite.
  • the majority of the structures, here rod and crystal structures, are only brought to the training after the order on the fiber composite and the fiber composite thus networked near the surface.
  • the selection of the structure-forming material such as the crystal structure-forming material. Since the paper to be produced requires a high degree of whiteness, a structure-forming material, such as a crystal structure-forming material, with a high degree of whiteness is selected, in this case a low-iron Ca-Al silicate.
  • Example 2 To form the first fiber composite, a pulp is used as in Example 1, and an aqueous suspension is produced therefrom. From this, the first fiber composite, consisting only of pulp produced by filtration. This first fiber composite can then be processed dry or wet. In this example, processing was continued in dry form.
  • an aqueous suspension of low-iron Ca-Al silicate is prepared and applied by means of a doctor blade on the first fiber composite.
  • the fiber composite is dried and the structure examined by scanning electron microscope (SEM).
  • SEM scanning electron microscope
  • the resulting fiber composite shows both the fibers and the structures, here rods and crystal structures. These are intimately connected and form a felt.
  • the Sticks form networks and are connected with each other as well as with the pulp, so that the pores are also largely bridged.
  • the strength of such a paper is also based on interactions of the constituents contained. Due to the high degree of crosslinking, the interaction is also very high, combined with a significant increase in strength.
  • the structure-forming e.g. Crystal structure-forming material applied to a fiber composite, wherein the structures, here rod or crystal structures, the fiber composite network near the surface.
  • the interaction in the formed fiber composite and thus also the paper strength increases in this case too.
  • a particular advantage in the subsequent coating of a fiber composite with a structure-forming material, such. a crystal structure-forming material is that a part of the contained residual water is chemically bound by the pattern-forming reaction, here, a sticking or crystal-forming reaction, and need not be removed by drying, thereby providing an additional benefit through energy saving.
  • the structure-forming material e.g. a crystal structure-forming material
  • the structure-forming material e.g. a crystal structure-forming material
  • the structure formation in this case rod and crystal structure formation, can then be continued by addition of a reactive component (for example water here).
  • Example 6 a paper prepared by using a pattern-forming material, such as e.g. a crystal structure forming material together with a filler and fibers.
  • a pattern-forming material such as e.g. a crystal structure forming material
  • the selection of the structure-forming material such as crystal structure-forming material. Since a high degree of whiteness is required of the paper to be produced, a structuring material such as a crystal structure-forming material having a high whiteness is selected, in this case a low-iron Ca-Al silicate.
  • other materials used in papermaking such as those mentioned by way of example at the various points of paper, paperboard or paperboard (fiber composite) production, such as fillers, dispersants, pigments or additives, which at different times during the process with the structure-forming materials, such as with crystal structure forming materials as well as with the fibers, can be combined.
  • the properties can be influenced, modified or optimized, for example, by physical and / or chemical and / or mechanical methods. For example, such property changes by addition of accelerator or retarder, Dispersants, surface coating, mixtures with organic and / or inorganic components and fillers, additives, fibers, thickeners or polymers, etc. can be achieved.
  • the properties of the materials used and thus of the fiber composite produced therefrom for example by dry milling, (for example by means of ball mills, jet mills, roller mills, pin mills, hammer mills, Attritiormühlen, rod mills, etc.), separation of fine and / or coarse fraction (for example, by screening and optionally Grobgut Vietnameselauf arrangement or electrostatic treatment and optionally magnetic separation, screening, etc.) or by wet comminution (for example by means of stirred ball mill, bead mill, ball mill or high pressure homogenizer, etc.) and optionally separated according to particle size and adapted according to the respective requirements.
  • dry milling for example by means of ball mills, jet mills, roller mills, pin mills, hammer mills, Attritiormühlen, rod mills, etc.
  • separation of fine and / or coarse fraction for example, by screening and optionally Grobgut Vietnameselauf arrangement and optionally magnetic separation, screening, etc.
  • wet comminution for example by means of stirred ball mill,
  • the structure-forming materials thus available can be used during the production process of a fiber composite during various process steps (eg fiber preparation, sheet formation, coating, finishing, spraying, coating) or as a separate process step and in different dosage forms (eg dry, wet, alone, with others) Be used.
  • the structures can be brought to the respective requirements (fast, slow) in different places (at the place of manufacture, the finishing or the place of processing) or afterwards by different methods at different times for training.
  • a variety of properties can be variably set or influence.
  • Possible material properties that can be influenced in the production of a fiber composite according to the invention are, for example, the strength, wet strength, elongation, optical properties, whiteness, brightness, yellowness, opacity, refraction, scattering, reflection, chromaticity, gloss, paper volume, pore size, number and distribution, vapor-tightness, water-tightness, gas-tightness, smoothness, wettability, absorbency, copiability, sealability, adhesion, non-sticky effect, flammability, corrosion-inhibiting effect, fungicidal, bactericidal, insecticidal action, resistance to aging, dust-free, high resistance to wet and alkali, good embossability, Coatability, coatability, printability, uniformity, calendering behavior, dimensional stability (eg flatness, plates, cockling, edge waviness), waviness and curl, ink
  • fiber composites according to the invention are suitable for a large number of uses.
  • An essential aspect of the invention is therefore the use of a fibrous composite as described above as a medium for information storage, packaging material, decorating means (e.g., wallpaper), sanitary articles, insulating material, gas, water or vapor barrier, flame retardant material, sound insulation material, material, insulation means or the like.
  • the fiber composite of the fiber composite is used in the form of paper as a medium for information storage.
  • structure-forming materials such as e.g. crystal structure-forming materials
  • structure-forming materials such as e.g. crystal structure-forming materials
  • the optical properties such as opacity, whiteness, brightness, yellowness value or physical properties, e.g. Air permeability or porosity, only marginally deteriorated, maintained or even improved.
  • the structure-forming materials e.g. crystal structure-forming materials
  • the processing properties of a fiber composite at e.g. Printing, cutting, folding, laminating, dyeing, bonding, etc. only marginally deteriorated, maintained or even improved.
  • the fiber composite eg paper or cardboard

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundes, welcher mindestens ein Additiv und mindestens einen organischen Faserstoff umfasst, wobei der Faserstoff ausgewählt ist aus einer Gruppe, welche Holzschliff, Halbzellstoff, Zellstoff, Wolle, Seide, Leinen, Baumwolle, synthetische Polymerfasern und/oder andere Faserstoffe mit Faserstärken von weniger als 0,5 mm umfasst, wobei mindestens ein Additiv zugesetzt wird, welches Ca- und/oder Mg-Verbindungen umfasst und welches in dem Faserverbund seine Struktur ändert und/oder eine Struktur ausbildet und nach der Strukturänderung und/oder der Strukturbildung eine netzartige Faserstoffstruktur, welche durch den Faserstoff gebildet wird, zur Stabilisierung des Faserverbundes als dreidimensionaler Verbund der Ca- und/oder Mg-Verbindungen durchsetzt. Weiterhin betrifft die Erfindung einen Faserverbund, welcher mindestens ein Additiv und mindestens einen organischen Faserstoff aufweist, wobei der Faserstoff ausgewählt ist aus einer Gruppe, welche Holzschliff, Halbzellstoff, Zellstoff, Wolle, Seide, Leinen, Baumwolle, synthetische Polymerfasern und/oder andere Faserstoffe mit Faserstärken von weniger als 0,5 mm umfasst und mindestens eines der Additive eine Ca- und/oder Mg-Verbindung umfasst, welche in einem dreidimensionalen Verbund der Ca- und/oder Mg-Verbindungen vorliegt oder in diesen überführbar ist, welcher eine eine netzartige Faserstoffstruktur, welche durch den Faserstoff bildbar oder gebildet ist, durchsetzende Struktur zur Stabilisierung des Faserverbundes aufweist.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundes, welcher mindestens ein Additiv und mindestens einen organischen Faserstoff umfasst, wobei der Faserstoff ausgewählt ist aus einer Gruppe, welche Holzschliff, Halbzellstoff, Zellstoff, Wolle, Seide, Leinen, Baumwolle, synthetische Polymerfasern und/oder andere Faserstoffe mit Faserstärken von weniger als 0,5 mm umfasst, wobei mindestens ein Additiv zugesetzt wird, welches Ca- und/oder Mg-Verbindungen umfasst und welches in dem Faserverbund seine Struktur ändert und/oder eine Struktur ausbildet und nach der Strukturänderung und/oder der Strukturbildung eine netzartige Faserstoffstruktur, welche durch den Faserstoff gebildet wird, zur Stabilisierung des Faserverbundes als dreidimensionaler Verbund der Ca- und/oder Mg-Verbindungen durchsetzt.
  • Weiterhin betrifft die Erfindung einen Faserverbund, welcher mindestens ein Additiv und mindestens einen organischen Faserstoff aufweist, wobei der Faserstoff ausgewählt ist aus einer Gruppe, welche Holzschliff, Halbzellstoff, Zellstoff, Wolle, Seide, Leinen, Baumwolle, synthetische Polymerfasern und/oder andere Faserstoffe mit Faserstärken von weniger als 0,5 mm umfasst und mindestens eines der Additive eine Ca- und/oder Mg-Verbindung umfasst, welche in einem dreidimensionalen Verbund der Ca- und/oder Mg-Verbindungen vorliegt oder in diesen überführbar ist, welcher eine eine netzartige Faserstoffstruktur, welche durch den Faserstoff bildbar oder gebildet ist, durchsetzende Struktur zur Stabilisierung des Faserverbundes aufweist.
  • Außerdem betrifft die Erfindung die Verwendung eines derartigen Faserverbundes als Medium zur Informationsspeicherung, Verpackungsmaterial, Dekorationsmittel (z.B. Tapete), Hygieneartikel, Dämmmaterial, Gas-, Wasser- oder Dampfbarriere, Flammschutzmaterial, Schallschutzmaterial, Werkstoff, Isolationsmittel oder ähnlichem.
  • Unter einem Faserverbund sollen im Folgenden jegliche Faserverbunde verstanden werden, wie sie bevorzugt in Form von Papier, Pappe, Wellpappe oder Platten oder aber auch in einer anderen Form z.B. als Verpackungsmaterial, Dekorationsmittel (z.B. Tapete), Hygieneartikel, Dämmmaterial, Gas-, Wasser- oder Dampfbarriere, Flammschutzmaterial, Schallschutzmaterial, Werkstoff, Isolationsmittel Verwendung finden können. Ein erfindungsgemä-Ber Faserverbund ist beispielsweise Papier. Papier wird vorwiegend zum Beschreiben und Bedrucken verwendet wird und besteht bisher größtenteils aus pflanzlichen Fasern. Daneben kommen Füllstoffe, Pigmente und Additive zum Einsatz. Wichtige Einsatzgebiete sind Verpackungen (Pappe, Karton), Hygienepapiere wie Toilettenpapier und Spezialpapiere wie Tapeten. Papier wird in der Regel aus Zellstoff oder aus Holzstoff (aus Holzschliff) sowie Fasern aus Recyclingpapier hergestellt.
  • Die für das Papier notwendigen Ausgangsmaterialien können in vier Gruppen eingeteilt werden:
    • Faserstoffe (Holzschliff, Halbzellstoffe, Zellstoffe, andere Fasern)
    • Leimung und Imprägnierung (tierische Leime, Harze, Paraffine, Wachse)
    • Füllstoffe (Kaolin, Talkum, Gips, Bariumsulfat, Calciumcarbonat, Titanweiß)
    • Hilfsstoffe (Wasser, Farbstoffe, Entschäumer, Dispergiermittel, Retentionsmittel, Flockungsmittel, Netzmittel).
  • Die Faserstoffe wiederum können in zwei Gruppen unterteilt werden:
    • Primärfaserstoffe, nämlich Rohstoffe, die erstmals in der Produktion eingesetzt werden, und
    • Sekundärfaserstoffe, nämlich Recyclingstoffe, die nach dem Gebrauch noch einmal dem Produktionsprozess zugeführt werden.
  • Nach dem Stand der Technik werden rund 95 % des Papiers aus Holz in Form von Holzstoff, Halbzellstoff oder Zellstoff hergestellt. Häufig werden Nadelhölzer wie Fichte, Tanne, Kiefer und Lärche verwendet. Aufgrund der längeren Fasern gegenüber Laubhölzern verfilzen Nadelholz-Fasern leichter und es ergibt sich eine höhere Festigkeit des Papiers.
  • Der im Papier eingesetzte Faserstoff ist einer der größten Kostenfaktoren bei den Papierrohstoffen, da er im Vergleich zu weiteren eingesetzten Füllstoffe teuer ist und zusätzlich auch in großen Mengenanteilen eingesetzt wird. Es wird global ein zunehmender Papierbedarf erwartet, verbunden mit weiter steigenden Preisen für Faserstoffe. Außerdem wird aufgrund des zukünftig zu erwarteten verschärften Wettbewerbs verschiedener Nutzungsarten für nachwachsende Rohstoffe (z.B. für energetische Nutzung, biobasierter Polymere) eine weitergehende erhebliche Verknappung von Faserstoffen erwartet, was mit weiteren Preissteigerungen verbunden sein könnte.
  • Neben den Faserstoffen werden dem Ganzstoff nach dem Stand der Technik bereits mehr als 30 % Füllstoffe hinzugefügt. Bei diesen kann es sich z.B. um Kaolin, Talkum, Titandioxid, gemahlenes Calciumcarbonat (GCC) und gefälltes Calciumcarbonat (PCC) handeln.
  • Einer der bei der Papierherstellung traditionell oft eingesetzten Materialien ist Kaolin, welches sowohl als Füllstoffe als auch als Streichpigment zugesetzt wird. Kaolin bleibt über ein weites pH-Spektrum chemisch inert und kann deshalb nicht nur in sauren, sondern auch in alkalischen Produktionsverfahren verwendet werden.
  • Talkum wird Papier zugesetzt, um die Porosität des Papiers zu verringern und somit eine Verbesserung der Bedruckbarkeit ungestrichener Papiere zu erreichen. Durch die Verwendung von qualitativ hochwertigem Talkum zur Beeinflussung der Holzfaserkörnung werden die Laufeigenschaften des Papiers verbessert.
  • Titandioxid ist ein besonders effektives Weißpigment, welches einem Papier zugesetzt werden kann, um eine besonders hohe Opazität, eine gute Lichtstreuung und ausgezeichneten Glanz zu erzielen. Da dieses Material um ein Vielfaches teurer als Calciumcarbonat ist, wird es nicht in standardmäßigen Füll- oder Streichanwendungen eingesetzt, sondern lediglich in besonders hochwertigen Papieren.
  • Calciumcarbonat kann Papieren in zwei verschiedenen Modifikationen, nämlich als gemahlenes oder gefälltes Calciumcarbonat, zugesetzt werden.
  • Gemahlenes Calciumcarbonat (GCC) mit einem Anteil von 40 - 75 % Partikel mit einer Größe von weniger als 2 µm wird vorwiegend als Füllstoff verwendet. Neben dieser Anwendung wird GCC insbesondere in Europa auch als Papierstreichpigment verwendet. Die wichtigsten für die Herstellung von GCC verwendeten CaC03-haltigen Materialien sind Sedimentgesteine (Kalkstein oder Kreide) und das metamorphe Marmorgestein.
  • Gefälltes Calciumcarbonat (precipitated calcium carbonate (PCC)) ist ein synthetisches Industriemineral, das aus gebranntem Kalk oder dessen Rohstoff, Kalkstein, hergestellt wird. Die Papierindustrie, wo es als Füllstoff und als Streichpigment verwendet wird, ist der größte Abnehmer von PCC. Zusätze von PCC wirken sich positiv auf eine Vielzahl von Eigenschaften des Papiers aus. Insbesondere weisen PCC-haltige Papiere eine größere Helligkeit, Lichtundurchlässigkeit und Dicke als GCC-haltige Papiere auf. PCC kann jedoch nicht unbegrenzt als Füllstoff verwendet werden, da es die Faserfestigkeit reduziert.
  • Durch das Ausfüllen der Zwischenräume zwischen den Fasern machen die Füllstoffe das Papier weicher und geschmeidiger und geben ihm eine glatte Oberfläche. Der Anteil der Füllstoffe am Flächengewicht drückt sich in der so genannten Aschezahl aus. Die Zusammensetzung und Kristallstruktur der Füllstoffe bestimmt Transparenz und Opazität eines Papiers sowie die Farbannahme beim Druck mit wegschlagenden Farben.
  • Eines der zentralen Ziele bei der Papierherstellung ist es, eine hohe Zugfestigkeit, wie z. B. bei der Herstellung von Kraftpapier, zu erreichen. Die Zugfestigkeit eines Papieres wird in N/m angegeben. Da die Zugfestigkeit vorwiegend von der Flächenmasse abhängt, wird oft auch der Zugfestigkeitsindex mit der Maßeinheit Nm/g angegeben.
  • Wie bereits beschrieben ist Faserstoff einer der größten Kostenfaktoren bei der Papierherstellung. Er ist z.T. um ein vielfaches teurer als die eingesetzten Füllstoffe. Vor allem aus diesem Grund besteht seitens der Papierindustrie großes Interesse daran, Möglichkeiten zur Verfügung zu haben, um zukünftig ein Papierprodukt mit gleicher oder besserer Eigenschaft und Funktionalität, insbesondere hoher Festigkeit, zu einem vertretbaren Preis bereitstellen zu können.
  • Möglichkeiten hierzu sind, die Fasern und/oder die Füllstoffe beispielsweise mittels physikalischer, chemischer oder mechanischer Verfahren (oder Kombinationen dieser) so zu verändern, dass diese dem Papier höhere Festigkeit bei gleichzeitig geringerer Fasermenge verleihen. Der relative Füllstoffanteil kann dadurch erhöht werden. Ein positiver Nebeneffekt hierbei ist, dass die optischen Eigenschaften und Verarbeitungseigenschaften so hergestellter Papiere aufgrund des höheren Füllstoffgehaltes ebenfalls verbessert werden. Das Flächengewicht könnte dadurch ebenfalls reduziert werden, ohne dass andere Parameter wesentlich negativ beeinflusst werden.
  • DE 10 2006 029 642 B3 beschreibt beispielsweise ein Verfahren zum Beladen einer Faserstoffsuspension mit Füllstoffen, insbesondere Calciumcarbonat (PCC) wobei Calciumhydroxid in flüssiger oder trockener Form in die Fasersuspension eingebracht und der Füllstoff durch eine chemische Reaktion in der Faserstoffsuspension ausgefällt wird. Das PCC fällt rhomboedrisch, skalenoedrisch oder kugelförmig an und die Kristalle haben Abmessungen von 0,05-5 µm, insbesondere 0,3-2,5 µm.
  • Weiterhin ist es möglich, durch mehrfache, wechselnde Anlagerung von kationischen und anionischen Polyelektrolyten an der geladenen Oberfläche von cellulosischen Fasern diese so zu beschichten, dass - ohne vorherige Mahlung - erhebliche Papierfestigkeiten erzeugt werden können (ERIKSSON M., The Influence of Molecular Adhesion on Paper strength, Dissertation KTH Stockholm, Department of Fibre and Polymer Technology, Stockholm 2006 und LINGSTRÖM R., Formation and Properties of Polyelectrolyte Multilayers on Wood fibres: Influence on Paper Strength and fibre Wettability, Dissertation KTH Stockholm, Department of Fibre and Polymer Technology, Stockholm, 2006).
  • Daneben können auch durch Anlagerung von Carboxy-Methyl-Cellulose die Festigkeit von gebleichtem Zellstoff oder Altpapierstoff aus gemischtem Altpapier erhöht werden (ERHARD K. und K. FROHBERG, Verbesserung der Spaltfestigkeit von Papier durch CMC-modifizierte Faserstoffe, PTS Forschungsbericht zum Forschungsvorhaben BMWA 408/03 und ERHARD K. und T. GÖTZE, Verbesserung der Gebrauchswerteigenschaften von Altpapierstoff für die Herstellung von Wellpappenrohpapier durch chemische Reaktivierung der Faseroberfläche, PTS Forschungsbericht zum Forschungsvorhaben AiF 12110B).
  • Nach dem bisherigen Stand der Technik wird versucht, durch physikalische und/oder mechanische und/oder chemische Modifizierung der Fasern und/oder der Füllstoffe oder einer Kombinationen dieser Verfahren z. B. in Kombination mit anderen Verfahren oder Materialien, wie z.B. Füllstoffen, eine Möglichkeit bereitzustellen, um die relative Fasermenge im Papier zu reduzieren und die Papierfestigkeit zu erhalten oder auch das Blattgewicht zu reduzieren und gleichzeitig die Papiereigenschaften wie z.B. die optischen Eigenschaften und die Verarbeitungseigenschaften beizubehalten.
  • Diese Maßnahmen sollen der Reduzierung der Herstellkosten bei möglichst gleicher oder besserer Papierqualität bei langfristig gesicherter Produktion durch ebenfalls langfristig gesicherte Rohstoffe dienen. Die Herstellungsprozesse sollten möglichst leicht auf neue Methoden anpassbar sein. Diese Ziele werden im Hinblick auf die beschriebenen zukünftigen Anforderungen, der zu erwartenden Faserverknappung und der daraus resultierenden zunehmenden Faserkosten nach dem Stand der Technik nicht befriedigend gelöst.
  • Ziel der Erfindung ist daher Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundes wie z.B. Papier, Pappe oder Karton bereitzustellen, wobei der Faserverbund mindestens ein Additiv und mindestens einen organischen Faserstoff umfasst und diesem mindestens ein Additiv zugesetzt wird, welches Ca- und/oder Mg-Verbindungen umfasst und welches in dem Faserverbund seine Struktur ändert und/oder eine Struktur ausbildet und nach der Strukturänderung und/oder der Strukturbildung als dreidimensionaler Verbund zur Stabilisierung des Faserverbundes vorliegt. Durch ein derartiges Verfahren sollte der Anteil organischer Fasern bei der Herstellung eines Faserverbundes reduziert und gleichzeitig dessen Festigkeit nur unwesentlich zu verringert, konstant gehalten oder gesteigert, sowie die Kosten zur Herstellung reduziert werden.
  • Ziel der Erfindung ist es weiterhin, einen Faserverbund bereitzustellen, welcher mindestens ein Additiv und mindestens einen organischen Faserstoff aufweist, wobei mindestens eines der Additive eine Ca- und/oder Mg-Verbindung umfasst, welche in einen dreidimensionalen Verbund zur Stabilisierung des Faserverbundes überführbar ist.
  • Gleichzeitig sollten andere Eigenschaften des Faserverbundes, wie z.B. die optischen Eigenschaften wie beispielsweise Opazität, Weißgrad, Helligkeit, Gelbwert und/oder die physikalischen Eigenschaften wie beispielsweise Luftdurchlässigkeit oder Porosität, nur unwesentlich zu verschlechtert, beibehalten oder sogar verbessert werden. Weiterhin sollten die Verarbeitungseigenschaften des Faserverbundes beim z.B. Bedrucken, Schneiden, Falzen, Kaschieren, Färben, Verbinden usw. ebenfalls nur unwesentlich verschlechtert, beibehalten oder sogar verbessert werden.
  • Nach Möglichkeit sollte die Herstellung des Faserverbundes z.B. in Bezug auf die Blattbildung, die Entwässerung, die Trocknung oder die Papierveredelung nur unwesentlich beeinträchtigt, beibehalten oder sogar vereinfacht bzw. beschleunigt werden. Insbesondere soll durch die Erfindung Energie bei der Entwässerung und der Trocknung eingespart bzw. reduziert werden. Außerdem sollte möglichst die Abluft- und Abwassermenge nur unwesentlich erhöht, beibehalten oder sogar verringert werden sowie die CO2-Bilanz bei der Herstellung eines Faserverbundes nur unwesentlich verschlechtert, beibehalten oder sogar verbessert werden.
  • Gelöst werden diese Aufgaben durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche 1 und 7 sowie den abhängigen Anspruch 14.
  • Ein wesentlicher Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundes, welcher mindestens ein Additiv und mindestens einen organischen Faserstoff umfasst, wobei der Faserstoff ausgewählt ist aus einer Gruppe, welche Holzschliff, Halbzellstoff, Zellstoff, Wolle, Seide, Leinen, Baumwolle, synthetische Polymerfasern und/oder andere Faserstoffe mit Faserstärken von weniger als 0,5 mm umfasst, wobei mindestens ein Additiv zugesetzt wird, welches Ca- und/oder Mg-Verbindungen umfasst und welches in dem Faserverbund seine Struktur ändert und/oder eine Struktur ausbildet und nach der Strukturänderung und/oder der Strukturbildung eine netzartige Faserstoffstruktur, welche durch den Faserstoff gebildet wird, zur Stabilisierung des Faserverbundes als dreidimensionaler Verbund der Ca-und/oder Mg-Verbindungen durchsetzt.
  • Bei diesen zugesetzten Ca- und/oder Mg-Verbindungen ist der Einsatz einer großen Vielzahl von Verbindungen möglich, sofern diese in dem Faserverbundes einen dreidimensionalen Verbund, oder dreidimensionale netzartige Struktur ausbilden. Als dreidimensionaler Verbund oder dreidimensionale netzartige Struktur wird in diesem Zusammenhang eine räumliche Verknüpfung einzelner Kristalle oder anderer fester Partikel dieser Ca- und/oder Mg-Verbindungen verstanden. Die einzelnen Kristalle oder Partikel sind miteinander verbunden und/oder stehen in einer physikalischen Wechselwirkung miteinander, welche zu der netzartigen (oder gerüstartigen) Anordnung der einzelnen Kristalle oder Partikel führt. Der so gebildete dreidimensionale Verbund weist zwischen den Kristallen und/oder anderen festen Partikeln Freiräume auf, durch die Gase hindurch diffundieren können oder in denen einzelne Fasern des Faserstoffes oder weitere Additive angeordnet sein können. Sofern dieser Verbund aus überwiegend kristallinen Ca- und/oder Mg-Verbindungen gebildet wird, wird diese (Über-) Struktur in diesem Zusammenhang als Kristallstruktur bezeichnet. In Verbindung mit bestimmten Formen einzelner Kristalle wie z.B. stäbchenförmigen, plättchenförmigen, faserförmigen, sternförmigen oder büschelförmigen Kristallen wird der Begriff Kristallstruktur für die homogene dreidimensionale Anordnung einzelner Atome innerhalb eines kristallinen Partikels verwendet.
  • Durch die Fasern des Faserstoffes in den Freiräumen der durch die Ca- und/oder Mg-Verbindungen gebildeten dreidimensionalen Verbundes wird ein weiteres netzartiges (oder gerüstartiges) Fasergeflecht ausgebildet. Dadurch liegen in dem Faserverbund zwei netzartige Fasergeflechte vor, welche sich in ihrer Eigenschaft als Gerüst des Faserverbundes gegenseitig unterstützen. Es ist daher möglich, zwei ineinander liegende netzartige Strukturen auszubilden, die jeweils einen positiven Einfluss auf die Stabilität des Faserverbundes haben. Insbesondere ist es möglich, dass eine der strukturbildenden Substanzen - also entweder die Ca- und/oder Mg-Verbindung oder die Fasern des Faserstoffes - deutlich kleiner ist als die jeweils andere strukturbildende Substanz. Dadurch ist es möglich, dass diese jeweils eine deutlich unterschiedliche Gerüst- bzw. Netzstruktur mit z.B. anderer Geometrie, Maschenweite, Vernetzungsgrad, Größe, Bindungsstärke oder sonstiger physikalischer Eigenschaften ausbilden. Ebenso ist es möglich, dass die kleinere der strukturbildenden Substanzen mit Poren, Risse, Furchen, Erhebungen, Kanten oder sonstigen Oberflächenbesonderheiten der größeren der strukturbildenden Substanzen wechselwirkt und so diese größere Struktur in die eigene netzartige Struktur integriert. Dies ist insbesondere der Fall, wenn vergleichsweise kleine Ca- und/oder Mg-Verbindungen mit größeren Fasern des Faserstoffes wechselwirken und sich fest auf dessen Oberfläche anordnen. Dieses Anordnen auf der Oberfläche erfolgt üblicherweise lediglich punktuell, um die Materialeigenschaften der Fasern des Faserstoffes und z.B. die Bindung der Fasern untereinander nicht übermäßig negativ zu beeinflussen. Bevorzugt umschließen die Ca- und/oder Mg-Verbindungen innerhalb des Faserverbundes die Fasern des Faserstoffes nicht vollständig, sondern bedecken die Oberfläche der Fasern nur abschnittsweise. Der Anteil dieser von den Ca- und/oder Mg-Verbindungen überdeckten Abschnitte beträgt weniger als 95 %, bevorzugt weniger als 90 %, besonders bevorzugt weniger als 80 %, kann aber auch weniger als 70 % oder weniger als 50 % betragen.
  • In einer bevorzugten Variante des Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundes wird die Ca- und/oder Mg-Verbindung als Sulfat, Hydroxid, Silikat, Aluminat, Ferrit und/oder Mischungen dieser mit einem Anteil von 1 ― 50 Ma-%, bevorzugt 2 - 40 Ma-% eingesetzt und diese durch eine Reaktion mit Wasser, CO2, Carbonat-lonen, Sulfat-lonen, Sauerstoff, weiteren Additiven und/oder Kombinationen davon oder durch Abspaltung von Wasser oder Gasen, wie CO2, O2 oder anderen, optional unter Energiezu- oder -abfuhr, zu dem dreidimensionalen Verbund der Ca- und/oder Mg-Verbindungen umgesetzt. Die Ca- und/oder Mg-Verbindung können beispielsweise Zement oder Gipsvorprodukte wie CaSO4 (,,Anhydrit") oder CaSO4 • ½ H2O (,,Bassanit", auch ,,Halbhydrat" oder ,,Hemihydrat") sein, jedoch wie oben beschrieben auch jede andere Ca- und/oder Mg-Verbindung, welche netzartige, dreidimensionale Überstrukturen bzw. Verbunde ausbildet. Die Ca- und/oder Mg-Verbindung kann dabei als Lösung, Suspension oder Feststoff eingesetzt werden. Bevorzugt handelt es sich um lösliche Salze.
  • Die Herstellung und Verwendung eines Faserverbunds kann erfolgen, indem zusätzlich zu den Faserstoffen die erwähnten strukturbildenden Ca- und/oder Mg-Verbindungen eingesetzt werden. Diese werden auch als strukturbildende Materialien oder als kristallstrukturbildende Materialien bezeichnet, um zu verdeutlichen, dass sie dreidimensional vernetzte Strukturen ausbilden, bei denen einzelne Kristalle oder Kristallverbunde dieser Verbindungen und/oder aus diesen Verbindungen entstehender Folgeprodukte einen dreidimensionalen Verbund ausbilden. Erfindungsgemäß geschieht dies, indem in einem ersten Schritt ein strukturbildendes Material, wie z.B. ein kristallstrukturbildendes Material, ausgewählt und dieses gegebenenfalls weiter veredelt wird und anschließend das strukturbildende Material:
    • entweder getrennt von anderen oder zusammen mit anderen Materialien (z.B. organischen oder anorganischen Fasern, Additiven oder Füllstoffen) gemischt wird, danach die Strukturen, wie z.B. die Kristallstrukturen, zur Ausbildung gebracht werden und anschließend der Faserverbund, z.B. aus einer Mischung der separat hergestellten Strukturen, wie z.B. Kristallstrukturen, und anderer Komponenten (Fasern, Additiven oder Füllstoffen) gebildet wird, und/oder
    • getrennt von anderen oder zusammen mit anderen Materialien (z.B. organischen oder anorganischen Fasern, Additiven oder Füllstoffen) gemischt wird, danach der Faserverbund z. B. aus einer Mischung der getrennt hergestellten Komponente und anderer Komponenten (Fasern, Additiven oder Füllstoffen) gebildet wird und die Strukturen, wie z.B. die Kristallstrukturen, erst dann zur Ausbildung gebracht werden, und/oder
    • alleine oder zusammen mit anderen auf einen ersten Faserverbund aufgetragen wird und die Strukturen, wie z.B. die Kristallstrukturen, auf diesem oberflächennah zur Ausbildung gebracht werden, wobei der erste Faserverbund wie z. B. Papier, Pappe, Karton oder ein anderer Faserverbund oder ein Faserverbund wie unter a) oder b) beschrieben sein kann
    wobei jeweils der resultierende Faserverbund Papier, Pappe oder Karton oder vergleichbare Materialien und Folgeprodukte dieser, z. B. in Kombination mit anderen Materialien, sein kann.
  • Die Ausbildung der Strukturen, bzw. der vernetzten Kristallstrukturen, kann beispielsweise durch eine Reaktion mit Wasser, CO2, Sauerstoff, weiteren Additiven und/oder Kombinationen davon oder durch Abspaltung von Wasser oder Gasen, wie CO2, O2 oder anderen ausgelöst werden. Optional kann dazu auch eine Energiezu- oder -abfuhr notwendig sein. So kann z.B. Luftkalk durch Aufnahme von CO2 aushärten und sich verfestigen. Zement reagiert beispielsweise mit Wasser unter Bildung unlöslicher, stabiler Calciumsilikathydrate, welche feine nadelförmige Kristalle ausbilden, die sich untereinander verzahnen und so zur hohen Festigkeit des daraus resultierenden Faserverbundes führen. Ebenso sind auch Oxidationsprozesse denkbar, die zur Ausbildung der vernetzten Kristallstrukturen führen. Weitere mögliche Reaktionen laufen unter Abspaltung kleinerer Moleküle wie z.B. Wasser, CO2, O2, anderen Gasen o.ä. ab, wie dies beispielsweise bei Kondensationsreaktionen oder Polymerisationsreaktionen der Fall ist.
  • Unter den geeigneten strukturbildenden Materialien sind stäbchen-, stern-, büschelbildende oder ähnliche Strukturen bildende Materialien oder Mischungen dieser miteinander oder mit anderen Materialien bevorzugt.
  • Die Auswahl eines strukturbildenden Materials, wie z.B. eines kristallstrukturbildenden Materials oder Mischungen dieser miteinander oder mit anderen erfolgt abhängig von den Gegebenheiten und den erwünschten Produkteigenschaften. Abhängig von diesen lässt sich eine spezifische Auswahl treffen. Eine Übersicht geeigneter strukturbildender Materialien, nach chemisch-mineralogischen Gesichtspunkten, zeigt Tabelle 1: Tabelle 1
    Strukturbildendes Material, wie z.B. kristallstrukturbildendes Material Beispiel Strukturbildung z.B.
    Kristallstrukturbildung
    Gips, bzw. entwässerte CaSO4 *0,5 H2O, Durch Reaktion mit Wasser
    oder teilentwässerte Gips-vorprodukte CaSO4 mit oder anderen Additiven bei bestimmten Bedingungen
    Mg-Verbindungen Mg(OH)2 Durch Reaktion mit CO2 in Wasser mit oder ohne anderen Additiven bei bestimmten Bedingungen
    Ca und/oder Al-Silikate Tricalciumsilikat, C3S Durch Reaktion mit Wasser
    (3 CaO × SiO2 mit oder ohne Sulfat oder
    Dicalciumsilikat, C2S anderen Additiven bei
    (2 CaO × SiO2 bestimmten Bedingungen
    Tricalciumaluminat, C3A
    (3 CaO × AI2O3)
    Tetracalciumaluminatferrit C4AF
    (4 CaO × A12O3 x Fe2O3)
    Ca und/oder Al-Silikate mit Tricalciumsilikat, C3S Durch Reaktion mit Wasser
    einem niedrigen Fe2O3- (3 CaO × SiO2) mit oder ohne Sulfat oder
    Gehalt <5 Ma-%, bevorzugt Dicalciumsilikat, C2S anderen Additiven bei
    <3 Ma-%, meist bevorzugt (2 CaO × SiO2 bestimmten Bedingungen
    <1 Ma-% Tricalciumaluminat, C3A
    (3 CaO × A12O3)
    Tetracalciumaluminatferrit,
    C4AF (4 CaO × AI2O3 × Fe2O3).
    Gefällte Calciumaluminate Ca3AI2(OH)12 = Tricalciumaluminat-Hydrat bzw. [3CaO * A12O3 * 6 H2O] Mit oder ohne Sulfat oder anderen Additiven in Wasser unter bestimmten Bedingungen
    Ca4AI2(OH)14 = Tetracalciumaluminat-Hydrat bzw. [4CaO * AI2O3 * 7 H2O]
    Gefällte Calciumaluminate mit einem niedrigen Fe2O3-Gehalt <5 Ma-%, bevorzugt Ca3AI2(OH)12 = Tricalciumaluminat-Hydrat bzw. [3CaO * AI2O3 * 6 H2O] Mit oder ohne Sulfat oder anderen Aditiven in Wasser unter bestimmten Bedingungen
    <3 Ma-%, meist bevorzugt Ca4AI2(OH)14 = Tetracalciuma-
    <1 Ma-% luminat-Hydrat bzw. [4CaO * AI2O3 * 7 H2O]
    Gebrannte CaO * AI2O3, [CA] Durch Reaktion mit Wasser
    Calciumaluminate 3CaO * AI2O3, [C3A] mit oder ohne Sulfat oder
    CaO * 2AI2O3, [CA2] anderen Additiven bei be-
    12CaO * 7AI2O3, [C12A7] stimmten Bedingungen
    Gebrannte CaO * AI2O3, [CA] Durch Reaktion mit Wasser
    Calciumaluminate mit ei- 3CaO * AI2O3, [C3A] mit oder ohne Sulfat oder
    nem Fe2O3-Gehalt <5 Ma- CaO * 2AI2O3, [CA2] anderen Additiven bei
    %, bevorzugt <3 Ma-%, meist bevorzugt <1 Ma-% 12CaO * 7AI2O3, [C12A7] bestimmten Bedingungen
    Calciumsulfoaluminat C4A3s Durch Reaktion mit Wasser
    mit oder ohne Sulfat oder anderen Additiven bei bestimmten Bedingungen
    Calciumsulfoaluminat mit C4A3s Durch Reaktion mit Wasser
    einem Fe2O3-Gehalt <5 Ma-%, bevorzugt <3 Ma-%, meist bevorzugt <1 Ma-% mit oder ohne Sulfat oder anderen Additiven bei bestimmten Bedingungen
    Katoit mit einem Fe2O3- Tricalciumaluminat-Hydrat Mit oder ohne Sulfat oder
    Gehalt <5 Ma-%, bevorzugt <3 Ma-%, meist bevorzugt <1 Ma-% anderen Additiven in Wasser unter bestimmten Bedingungen
  • Tabelle 2 zeigt eine Übersicht chemisch-physikalischer Parameter zur weiteren Beschreibung der Eigenschaften der strukturbildenden Materialien, wie z.B. der kristallstrukturbildenden Materialien, welche durch die Erfindung zum Einsatz kommen können: Tabelle 2
    Parameter Einheit Bereich bevorzugt Meist bevorzugt
    Reinheit****) Ma-% 1-100 5-100 10-100
    Schwermetalle***) Ma-% <1 <0,5 <0,1
    Feuchtigkeit bei Verwendung als Pulver Ma-% <10 <7,5 <5
    Feuchtigkeit bei Verwendung als Slurry Ma-% <99 <95 <90
    BET m2/g 0,001-1000 0,01-500 0,01-100
    Brechungsindex 1,0-3,0 1,2-2,9 1,4-2,7
    Weißgrad R457, nach ISO 2470 % 1-100 5-100 10-100
    Teilchengröße*) µm 0,001-1000 0,001-500 0,001-250
    Teilchengröße**) µm 0,001-1000 0,001-500 0,001-250
    Abrasion, nach Einlehner mg <5000 <4000 <3000
    Spez. Gewicht g/CM 3 <8 <7 <6
    Kornverteilung Uni- bis multimodal Uni- bis multimodal Uni- bis multimodal
    Partikelstruktur unregelmäßig unregelmäßig unregelmäßig
    *) gemessen als d50 (Volumen) mittels Sedimentation, z.B. Sedigraph
    **) gemessen als d50 (Volumen) mittels Laserbeugung, z.B. Cilas
    ***) Summe aus: Cu, Pb, Hg, Zn, Ni, Cd, Cr
    ****) Reinheit als Einzelstoff oder als Mischung von Stoffen
  • Chemisch ähnliche synthetische oder natürliche Verbindungen, die ebenfalls dreidimensionale vernetzte Strukturen bzw. Verbunde mit vergleichbaren Eigenschaften ausbilden, jedoch nicht explizit in Tabelle 1 erwähnt sind, sind ebenfalls Teil der Erfindung. Ebenso sind Mischungen der strukturbildenden Verbindungen untereinander oder mit anderen Materialien in jedem Mischungsverhältnis Gegenstand der Erfindung.
  • Die strukturbildenden Materialien, wie z.B. die kristallstrukturbildenden Materialien, können vor der Verwendung zusätzlich noch chemisch und/oder physikalisch und/oder mechanisch oder durch Kombinationen dieser Verfahren zusätzlich aufbereitet werden. Diese Verfahren können z.B. sein:
    • Trockenmahlung und/oder z.B. Sichtung, Magnetscheidung, Beschichtung, Homogenisierung oder Aktivierung mittels aller dafür geeigneter Aggregate oder z.B.
    • Nassmahlung und/oder z. B. Feinstofftrennung mittels Zyklon oder Zentrifuge und/oder Kreislaufführung, Magnetscheidung, chemischer oder physikalischer Bleiche, optional mit Additivierung, Homogenisierung, Beschichtung oder Abtrennung von Bestandteilen mittels aller dafür geeigneten Aggregate.
  • Die zur Trocken- oder Nassmahlung verwendete Aggregate können beispielsweise sein: Kugelmühlen, Stiftmühlen, Strahlmühle oder Perlmühlen, Rührwerkskugelmühlen, Hochleistungsdispergierer oder Hochdruckhomogenisatoren.
  • Den strukturbildenden Materialien können andere, insbesondere organische oder anorganische Fasermaterialien jeglicher Herkunft und Reinheit (natürlich, synthetisch, Recyclate) und jeglicher Faserlänge (Langfaser, Kurzfaser, Nanofaser, mikrofibrillierte Faser und Mischungen daraus), Füllstoffe und/oder Pigmente sowie Additive einzeln oder in Mischungen zugesetzt werden.
  • Die nach einer jeweiligen Reaktion aus den Ca- und/oder Mg-Verbindungen gebildeten Strukturen weisen üblicherweise die in Tabelle 3 aufgelistet Eigenschaften auf. Tabelle 3
    Parameter Einheit Bereich bevorzugt Meist bevorzugt
    Brechungsindex 1-3 1,2-2,9 1,4-2,7
    Weißgrad R457, ISO 2470 % 1-100 5-100 10-100
    Teilchengröße*) µm 0,001-10000 0,01-7500 0,05-5000
    Teilchengröße**) µm 0,001-10000 0,01-7500 0,05-5000
    Abrasion nach Einlehne mg <5000 <4000 <3000
    Spez. Gewicht g/cm3 <8 <7 <6
    Strukturdurchmesser****) µm 0,001-10000 0,001-7500 0,001-5000
    Strukturlänge****) µm 0,01-10000 0,01-7500 0,02-5000
    Aspektverhältnis***) 1-10000 2-7500 2-5000
    Kristallstruktur stäbchen-, plättchen-, faser-, stern, büschel- oder andersförmig stäbchen-, plättchen-, faser-, stern, büschel- oder andersförmig stäbchen-, plättchen-, faser-, stern, büschel- oder andersförmig
    Strukturform und Lage Kristallstrukturen zu anderen Partikeln / Fasern Jede, z.B. einzeln, Zwilling, Bündel, Stern, Büschel, mit und ohne ein- und angelagerte Partikel / Fasern Jede, z.B. einzeln, Zwilling, Bündel, Stern, Büschel, mit und ohne ein- und angelagerte Partikel / Fasern Jede, z.B. einzeln, Zwilling, Bündel, Stern, Büschel, mit und ohne ein- und angelagerte Partikel / Fasern
    Beschreibung Verbundmaterial Netzwerk aus Strukturen mit z.B. anderen anorg. und/oder org. Fasern oder Füllstoffen / Pigmenten Netzwerk aus Strukturen mit z.B. anderen anorg. und/oder org. Fasern oder Füllstoffen / Pigmenten Netzwerk aus Strukturen mit z.B. anderen anorg. und/oder org. Fasern oder Füllstoffen / Pigmenten
    *) gemessen als d50 (Volumen) mittels Sedimentation, z.B. Sedigraph
    **) gemessen als d50 (Volumen) mittels Laserbeugung, z.B. Cilas
    ***) Partikellänge/Partikeldurchmesser, Bereich
    ****) Rasterelektronenmikroskop, REM
  • In einer bevorzugten Variante des Verfahrens zur Herstellung eines Faserverbundes liegt die Ca- und/oder Mg-Verbindung nach der Ausbildung des dreidimensionalen Verbundes der Ca- und/oder Mg-Verbindungen in Form zusammenhängender Ca- und/oder Mg-enthaltender Partikel vor, welche eine Partikelgröße, gemessen als d50 (Volumen) zwischen 0,001 und 10000 µm, bevorzugt zwischen 0,01 und 7500 µm, besonders bevorzugt zwischen 0,05 und 5000 µm aufweisen.
  • In einer bevorzugten Variante des Verfahrens zur Herstellung eines Faserverbundes wird daher eine Ca- und/oder Mg-Verbindung verwendet, welche nach der Strukturänderung und/oder der Strukturbildung in dem Faserverbund einen Brechungsindex nD von 1 - 3, bevorzugt von 1,2 - 2,9, besonders bevorzugt von 1,4 - 2,7 aufweist und einen Weißgrad R457 nach ISO 2470 von 1 - 100, bevorzugt 5 - 100, besonders bevorzugt 10 - 100 aufweist.
  • Bevorzugt wird je nach den vom Faserverbund geforderten Eigenschaften, z.B. Weißgrad und Preis oder Festigkeit ein dafür geeignetes strukturbildendes Material ausgewählt und zur Herstellung des Faserverbundes verwendet. Die an einen Faserverbund (z.B. Papier, Pappe, Karton) gestellten Anforderungen können dabei sehr unterschiedlich sein. Durch die Vielzahl an Auswahlmöglichkeiten strukturbildender Materialien und der Eigenschaften der sich bildenden Strukturen, bzw. Kristallstrukturen, können die an einen Faserverbund gestellten Anforderungen in einen weiten Bereich erfüllt werden.
    • Nach der Auswahl des geeigneten strukturbildenden Materials erfolgt die Herstellung des Faserverbundes. Hierfür stehen verschiedene Vorgehensweisen zur Verfügung:
  • Beispielsweise kann das strukturbildende Material, bzw. die Ca- und/oder Mg-Verbindung, in geeigneter Form (z. B. nach Aufbereitung, wie oben ausgeführt) in einem ersten Schritt zur Ausbildung der Strukturen, wie z.B. der Kristallstruktur, gebracht werden (z.B. auch vermischt mit anderen Materialien) und in einem zweiten Schritt auf einen bereits bestehenden ersten Faserverbund gebracht werden, um diesen dann oberflächennah z.B. zu verfestigen. Dies kann auch mehrmals erfolgen, wobei Geräte und Bedingungen hierzu dem Fachmann aus dem Stand der Technik bekannt sind (z.B. Bladeauftrag, Curtaincoating, Filmpresse, Leimpresse usw.). Auch jegliche Vorbehandlung des unbeschichteten Faserverbundes oder auch eine Nachbehandlung des Faserverbundes mit bekannten geeigneten technischen Verfahren ist möglich.
  • Der oben genannte Faserverbund kann ein bekanntes Material nach dem Stand der Technik sein, z.B. Papier, Pappe, Karton, Vlies oder ein vergleichbares Material sein. Es kann aber auch ein strukturhaltiger Faserverbund sein.
  • Weiterhin kann das strukturbildende Material, bzw. die Ca- und/oder Mg-Verbindung, in geeigneter Form (z. B. nach Aufbereitung, wie oben ausgeführt) auch auf einen bereits bestehenden ersten Faserverbund gebracht werden und dort in einem folgenden Prozessschritt die Strukturen, wie z.B. die Kristallstrukturen, zur Ausbildung gebracht werden. In einer Variante davon kann das strukturbildende Material, wie z.B. das kristallstrukturbildende Material, dabei zusammen mit anderen Materialen gemischt und in dieser Form auf einen Faserverbund aufgebracht werden. Dies kann auch mehrmals erfolgen, wobei Geräte und Bedingungen hierzu verschiedenartig sein können und dem Fachmann bekannt sind (wie z.B. Bladeauftrag, Curtaincoating, Filmpresse, Leimpresse usw.). Auch jegliche Vorbehandlung des unbeschichteten Faserverbundes oder auch eine Nachbehandlung des Faserverbundes nach der Ausbildung des dreidimensionalen Verbundes der Ca- und/oder Mg-Verbindung, auf bzw. in diesem nach den bekannten geeigneten technischen Verfahren, ist möglich. Das Ausbilden der Strukturen, wie z.B. der Kristallstrukturen, kann auch unterbrochen werden, z.B. durch Entzug der reaktiven Komponente (wie z.B. Wasser) und kann z. B. zeitlich und später durch die Zugabe einer reaktiven Komponente (wie z.B. Wasser) zeitlich und evtl. auch räumlich getrennt fortgesetzt werden.
  • In einer bevorzugten Variante des Verfahrens zur Herstellung eines Faserverbundes wird die Strukturänderung und/oder die Strukturbildung der Ca- und/oder Mg-Verbindungen vor der vollständigen Ausbildung des dreidimensionalen Verbundes durch eine Änderung von Umgebungsbedingungen unterbrochen und die Strukturänderung und/oder die Strukturbildung bis zur vollständigen Ausbildung des dreidimensionalen Verbundes zu einem späteren Zeitpunkt, optional nachdem der Faserverbund in eine vorbestimmte Form gebracht wurde, durch erneute Änderung der Umgebungsbedingungen weitergeführt.
  • Alternativ zu der Beschichtung eines bestehenden ersten Faserverbundes können Strukturen, wie z.B. Kristallstrukturen, auch direkt in dem Faserverbund zur Ausbildung gebracht werden. Hierzu gibt es mehrere Möglichkeiten:
    • Einerseits besteht die Möglichkeit, die Strukturen alleine zur Ausbildung zu bringen, danach mit anderen Fasern zu mischen und erst in einem folgenden Prozessschritt den Faserverbund auszubilden.
  • In einer weiteren Variante kann das strukturbildende Material vor, während oder nach der Strukturbildung, wie z.B. der Kristallstrukturbildung, mit anderen Materialien (wie z.B. Füllstoffen, Additiven) gemischt werden. Weiterhin kann auch die Faser für diese Variante vor, während oder nach der Mischung mit den ausgebildeten Strukturen der Ca- und/oder Mg-Verbindungen und mit anderen Materialien (z.B. Füllstoffen, Additiven) gemischt werden.
  • Weiterhin ist es möglich, das strukturbildende Material vor, während oder nach der Strukturbildung, wie z.B. der Kristallstrukturbildung, mit den Fasern und/oder anderen Materialien gemischt werden. wie bereits oben beschrieben kann auch die Faser vor, während oder nach der Mischung mit dem strukturbildende Material mit anderen Materialien und/oder Fasern gemischt werden.
  • In einer weiteren Variante ist es möglich, einen Faserstoff mit einem strukturbildenden Material, wie z.B. einem kristallstrukturbildende Material, und weiteren Zusätzen zu einem Faserverbund zu bringen und die Strukturen erst zu einem späteren Zeitpunkt zur Ausbildung zu bringen. Dies kann z.B. geschehen, indem der Faserverbund nach der Ausbildung noch eine reaktive Komponente, z.B. Wasser enthält und die strukturbildenden Komponente, wie z.B. die kristallstrukturbildende Komponente, zusammen mit diesem Wasser die Strukturen innerhalb dieses Faserverbundes ausbildet. Danach kann der Faserverbund getrocknet oder weiterverarbeitet werden.
  • Dadurch sind neuartige gestalterisch-technische Anwendungen möglich, indem in einer Variante ein Faserverbund beispielsweise einer gezielten Formgebung ausgesetzt und diese Form dann durch Ausbildung von Strukturen z.B. Kristallstrukturen beibehalten, bzw. fixiert wird, indem dem Faserverbund eine reaktive Komponente, z.B. Wasser zugegeben wird.
  • Die Strukturen im Faserverbund können außerdem derart zur Ausbildung gebracht werden, dass diese sehr feinteilig sind, wodurch ein schwer brennbares und/oder Wärme dämmendes Material erzeugt wird.
  • Weiterhin ist es zudem möglich, einen Faserstoff mit einem strukturbildenden Material und weiteren Zusätzen zu einem Faserverbund umzusetzen und die Strukturen der Ca- und/oder Mg-Verbindungen erst zu einem späteren Zeitpunkt zur Ausbildung zu bringen. Dies kann beispielsweise geschehen, indem dem Faserverbund eine reaktive, zur Ausbildung der Strukturen, wie z.B. der Kristallstrukturen, nötige Komponente (wie z.B. Wasser) entzogen oder diese nicht zugesetzt wird und somit die Strukturbildung, bzw. die Kristallstrukturbildung, zeitlich unterbrochen wird. Die Ausbildung der Strukturen, wie z.B. der Kristallstrukturen, und eine damit weitergehende Vernetzung kann dann zu einem späteren Zeitpunkt für die gleiche oder eine andere Anwendung ausgelöst werden, indem dem Faserverbund die reaktive Komponente, z.B. Wasser zugegeben wird.
  • In einer bevorzugten Variante des Verfahrens zur Herstellung erfolgt daher die Ausbildung des dreidimensionalen Verbundes der Ca- und/oder Mg-Verbindungen vor, während oder nach einer Vernetzung der organischen Faserstoffe.
  • Die oben genannten Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundes können zeitlich und räumlich nebeneinander oder versetzt voneinander ablaufen. Daneben können diese kontinuierlich oder im Batchbetrieb oder in Form von Zwischenstufen dieser Verfahren ablaufen.
  • Ein weiterer wesentlicher Aspekt der Erfindung ist ein Faserverbund, welcher mindestens ein Additiv und mindestens einen organischen Faserstoff aufweist, wobei der Faserstoff ausgewählt ist aus einer Gruppe, welche Holzschliff, Halbzellstoff, Zellstoff, Wolle, Seide, Leinen, Baumwolle, synthetische Polymerfasern und/oder andere Faserstoffe mit Faserstärken von weniger als 0,5 mm umfasst, wobei mindestens eines der Additive eine Ca- und/oder Mg-Verbindung umfasst, welche in einen dreidimensionalen Verbund der Ca- und/oder Mg-Verbindungen vorliegt oder in diesen überführbar ist, welcher eine eine netzartige Faserstoffstruktur, welche durch den Faserstoff bildbar oder gebildet ist, durchsetzende Struktur zur Stabilisierung des Faserverbundes aufweist.
  • Derartige Faserverbunde können durch die Substitution der vergleichsweise teuren organischen Faserstoffe in den Materialkosten günstiger sein als vergleichbare Faserverbunde bei denen die dreidimensionale Vernetzung ausschließlich auf der Vernetzung der organischen Faserstoffe beruht. Gleichzeitig können diese Faserverbunde aufgrund des dreidimensional vernetzten Verbundes der Ca- und/oder Mg-Verbindung eine ähnliche, oder sogar verbesserte Festigkeit wie vergleichbare Faserverbunde auf Basis von ausschließlich organischen Faserstoffen aufweisen.
  • Bevorzugt umfasst ein derartiger Faserverbund die Ca- und/oder Mg-Verbindung mit einem Anteil von 1 - 50 Ma-%, bevorzugt 2 - 40 Ma-% und die Ca- und/oder Mg-Verbindung ist ausgewählt aus einer Gruppe, welche Sulfate, Hydroxide, Silikate, Aluminate, Ferrite und/oder Mischungen dieser, insbesondere Zemente, Gips und/oder Vorprodukte dieser umfasst und durch eine Reaktion mit Wasser, Gasen, insbesondere CO2 oder Sauerstoff, Carbonat-lonen, Sulfat-lonen, weiteren Additiven und/oder Kombinationen davon oder durch Abspaltung von Wasser oder Gasen wie CO2, O2 oder anderen, optional unter Energiezu- oder -abfuhr, liegt ein dreidimensionaler Verbund der Ca- und/oder Mg-Verbindungen im Faserverbund vor oder ist ausbildbar.
  • Bevorzugt liegen in einem Faserverbund die Ca- und/oder Mg-Verbindung innerhalb des dreidimensionalen Verbundes in weitgehend homogenen Kristallstrukturen vor, welche bevorzugt vorwiegend stäbchenförmig, plättchenförmig, faserförmig, sternförmig oder büschelförmig sind. Diese Kristallstrukturen sind aufgrund ihrer Geometrie besonders geeignet, da sie z.B. durch Interaktionen ihrer Enden, Ecken oder Kanten mit benachbarten Kristallen eine dreidimensionale netzartige Struktur bzw. einen dreidimensionalen Verbund ausbilden können. Diese dreidimensionale Struktur kann als netzartig oder gerüstartig bezeichnet werden, da aufgrund der Geometrie de Kristalle Hohlräume gebildet werden können, die den Maschen eines Netzes oder den Freiräumen innerhalb eines Gerüstes vergleichbar sind. Die Interaktionen zwischen den einzelnen Kristallen können physikalischer oder chemischer Natur sein. Beispielsweise kann es sich um ein Verhaken oder von Vorsprüngen o.ä. handeln. Ebenso sind aber auch elektronische oder elektrostatische Wechselwirkungen zwischen den Enden sowie ein Verkleben (z.B. durch eine Bindemittel) von Enden miteinander möglich.
  • Ein Faserverbund umfasst bevorzugt neben der strukturbildenden Ca- und/oder Mg-Verbindung organische Faserstoffe welche einzelne Fasern umfassen, welche einen weitgehend kreisförmigen Durchmesser einer Größe von weniger als 0,5 mm, bevorzugt weniger als 0,25 mm, besonders bevorzugt weniger als 0,01 mm aufweisen. Diese Fasern können beispielsweise Holzschliff, Halbzellstoff, Zellstoff, Wolle, Seide, Leinen, Baumwolle und andere Naturprodukte, jedoch auch synthetische Polymerfasern organischen Ursprungs wie beispielsweise (Polyamide, Polyester, Polyether, Polyolefine wie z.B. PE, PP etc., Polyurethane und andere Polymere organischer Substanzen) sein. Die durchschnittliche Länge der einzelnen Fasern beträgt bevorzugt weniger als 10 mm. Sie kann aber auch je nach Art und Material der Faser größer sein.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform des Faserverbundes weist die Ca- und/oder Mg-Verbindung nach der Änderung und/oder Ausbildung des dreidimensionalen Verbundes einen Brechungsindex nD von 1 - 3, bevorzugt von 1,2 - 2,9, besonders bevorzugt von 1,4 - 2,7 auf. Durch die große Differenz des Brechungsindex im besonders bevorzugten Bereich von nD = 1,4 - 2,7 zu dem Brechungsindex der Luft (nD≈ 1) weisen diese Substanzen besonders gute optische Eigenschaften, wie hohe Opazität, hohen Weißgrad usw. auf.
  • Da insbesondere bei Anwendungen von Faserverbunden als Papier besonders weißes Papier in großen Mengen benötigt wird, weist in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Faserverbundes die Ca- und/oder Mg-Verbindung nach der Änderung und/oder Ausbildung des dreidimensionalen Verbundes einen Weißgrad R457 nach ISO 2470 von 1 ― 100, bevorzugt 5 -100, besonders bevorzugt 10 -100 auf. Um den Weißgrad des Faserverbundes weiter zu steigern, ist es möglich, weiter Additive zuzusetzen, die den Weißgrad positiv beeinflussen. Diese sind nach dem Stand der Technik bekannt und können z.B. TiO2, Kaolin, CaCO3 usw. sein.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform des Faserverbundes ist auf den Faserverbund eine Oberflächenbeschichtung aufstreichbar, aufdruckbar, aufsprühbar, aufkaschierbar, aufwalzbar, aufklebbar oder auf eine andere geeignete Weise auftragbar. Dadurch ist es möglich, den Faserverbund weiter zu veredeln. Diese Oberflächenbeschichtung kann beispielsweise in Form von Schrift als Informationsmedium dienen. Außerdem sind jedoch auch weitere Oberflächenbeschichtungen denkbar, die den Faserverbund lediglich für spätere Anwendungen (wie z.B. zur Informationsspeicherung, als Verpackungsmaterial, als Dekorationsmittel (z.B. Tapete), als Hygieneartikel, als Dämmmaterial, als Gas-, Wasser- oder Dampfbarriere, als Flammschutzmaterial, als Schallschutzmaterial, als Werkstoff, als Isolationsmittel oder ähnlichem) vorbereiten. Diese Oberflächenbeschichtungen können die Oberflächeneigenschaften verändern und beispielsweise die Porosität, die Farbe, den Glanz, die Opazität, die Haptik, die Transparenz, die Wasserbeständigkeit, die Benetzbarkeit und viele andere entsprechend der Anforderungen anpassen.
  • Es ist weiterhin möglich, die oben beschriebenen Faserverbunde auch durch mehrere Lagen dieser jeweiligen Faserverbunde aufeinander oder gemischt miteinander oder mit anderen Materialien (z.B. Polymerfolien, Metallfolien), zu einem mehrschichtigen Faserverbundwerkstoff zusammenzuführen. Für die jeweiligen Prozesse können alle geeigneten, dem Fachmann bekannten technischen Verfahren und Materialien zum Einsatz kommen.
  • Die Faserverbunde können je nach Anforderung und Verwendungszweck oder Anwendung weiter bearbeitet werden, wie z.B. gestrichen, bedruckt, besprüht, gewalzt, kaschiert, gefalzt, geschnitten, beklebt, beschichtet usw. werden.
  • Erfindungsgemäß können die oben genannten Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundes zeitlich und räumlich nebeneinander oder versetzt voneinander ablaufen. Daneben können diese kontinuierlich oder im Batchbetrieb oder in Form von Zwischenstufen dieser Verfahren ablaufen.
  • Nachfolgend wird die Herstellung eines erfindungsgemäßen flächigen Faserverbundes an konkreten Beispielen, hier Papier, beschrieben, selbstverständlich ohne dabei andere Anwendungen auszuschließen.
  • Die Verbundstrukturen werden jeweils, anhand von Rasterelektronenmikroskopaufnahmen (REM) gezeigt. Zur Ausbildung des Faserverbundes wird in den nachfolgenden Beispielen ungemahlener Laubholzzellstoff (Eucalyptus Grandis) als Faserstoff verwendet. Aus einer wässrigen Suspension dieses Faserstoffes und gegebenenfalls weiteren Zusätzen wird mittels Filtration ein Faserverbund (Papier) hergestellt, dieser danach getrocknet und die Verbundstruktur mittels Rasterelektronenmikroskop untersucht.
  • Darin zeigen:
    • Fig. 1a und 1b
    eine rasterelektronische Aufnahme eines Faserverbunds ohne Zusatz von strukturbildenden Materialien;
    Fig. 2a und 2b
    eine rasterelektronische Aufnahme eines Faserverbunds mit ausgebilde- ten netzartigen Strukturen, hier eines u.a. stäbchen- und nadelförmige Kristallstrukturen ausbildenden Materials, wobei die Stäbchen- und Kris- tallstrukturen bereits vor der Faserverbundherstellung ausgebildet wor- den sind;
    Fig. 3a und 3b
    eine weitere rasterelektronische Aufnahme eines Faserverbunds mit ausgebildeten netzartigen Strukturen, hier eines u.a. stäbchen- und na- delförmige Kristallstrukturen ausbildenden Materials, wobei die Stäb- chen- und Kristallstrukturen einen besonders engmaschigen, filzartigen Faserverbund ausbilden;
    Fig. 4a und 4b
    eine rasterelektronische Aufnahme eines Faserverbunds mit ausgebilde- ten netzartigen Strukturen, wobei Strukturen nach der Herstellung des Verbundes der organischen Fasern ausgebildet worden sind und wiede- rum einen filzartigen Faserverbund ausbilden;
    Fig. 5a
    eine rasterelektronische Aufnahme von Ca-Al-Silikat als Beispiel für ein strukturbildendes Material;
    Fig. 5b
    eine rasterelektronische Aufnahme von Wollastonit als weiteres Beispiel für ein Material, welches keine dreidimensionale Verbundstruktur ausbil- det;
    Fig. 6a, 7a und 8a
    eine rasterelektronische Aufnahme eines Faserverbunds mit ausgebilde- ten netzartigen Strukturen unter Verwendung von Ca-Al-Silikat als Struk- turbildendes Material;
    Fig. 6b, 7b und 8b
    eine rasterelektronische Aufnahme eines Faserverbunds ohne ausgebil- deten netzartigen Strukturen der den organischen Fasern zugesetzten Ca- und/oder Mg-Verbindung Wollastonit (Ca3[Si3O9] und
    Fig. 9a und 9b
    eine rasterelektronische Aufnahme eines Faserverbunds mit ausgebilde- ten netzartigen Strukturen, wobei das Strukturbildende Ca-Al-Silikat nach Ausbildung eines ersten Faserverbundes aus organischen Fasern mittels Rakel auf diesen aufgetragen wurde und anschließend zur Aus- bildung der dreidimensional vernetzen Struktur gebracht wurde.
  • Diese Figuren und einige exemplarische und nicht einschränkende Beispiele zur Ausbildung eines erfindungsgemäßen Faserverbundes sind im folgenden genauer beschrieben:
    • Beispiel 1:
  • Herstellung eines Faserverbunds ohne Zusatz von strukturbildenden Materialien, wie z.B. kristallstrukturbildenden Materialien (Fig. 1a und 1b).
  • In Fig. 1a ist der Faserverbund dargestellt, in welchem kein strukturbildendes Material, wie z.B. kristallstrukturbildendes Material, enthalten ist. Es sind hier nur die Fasern zu erkennen. Diese bilden ein lockeres, unregelmäßiges Netzwerk, dazwischen vergleichsweise große Poren. Die Festigkeit dieses Netzwerkes beruht alleine auf den Wechselwirkungen dieser Fasern zueinander und ist damit gering. Fig. 1b zeigt eine vergrößerte Ansicht.
    • Beispiel 2:
  • Fig. 2a zeigt einen Faserverbund mit ausgebildeten Strukturen, wie z.B. Kristallstrukturen. Fig. 2b zeigt eine Vergrößerung. Fig. 2a und Fig. 2b zeigen einen Faserverbund, aus der Verwendung eines strukturbildenden Materials, hier eines stäbchen- und kristallstrukturbildenden Materials in Mischung mit organischen Fasern resultiert, wobei die Stäbchen- und Kristallstrukturen bereits vor der Faserverbundherstellung ausgebildet sind.
  • Die Ausbildung des Faserverbundes zusammen mit dem strukturbildenden Material, wie z.B. kristallstrukturbildenden Material, in diesem Beispiel ein eisenarmes Ca-Al-Silikat mit einer bestimmten Feinheit, erfolgt zunächst, indem ein strukturbildendes Material, wie z.B. ein kristallstrukturbildendes Material, ausgewählt und dieses dann zusammen mit Faserstoff in wässriger Suspension gemischt, die Strukturen, wie z.B. Kristallstrukturen, zur Ausbildung gebracht und schließlich der Faserverbund ausgebildet wird.
  • Da vom herzustellenden Papier ein hoher Weißgrad gefordert ist, wird ein strukturbildendes, wie z.B. kristallstrukturbildendes Material, mit einem hohen Weißgrad gewählt, in diesem Fall ein eisenarmes Ca-Al-Silikat. Im Falle der Verwendung von Pappe wäre z. B. auch nichteisenarmes Ca-Al-Silikat mit niedrigerem Weißgrad geeignet. Eine Vorbehandlung des eisenarmen Ca-Al-Silikats erfolgt in diesem Fall dahingehend, dass die Feinheit (gemessen als d50, Laserbeugung (,,Cilas", Quantachrome, in volume / Durchgang) mittels Trockenmahlung (z. B. mit einer Kugelmühle) ausgehend von d50 = 20 µm um 50 % reduziert wird.
  • Zur Ausbildung des Faserverbundes wird ein Faserstoff wie im Beispiel 1 verwendet und diesem ein strukturbildendes Material, wie z.B. kristallstrukturbildendes Material (eisenarmes Ca-Al-Silikat), mit einem Anteil > 0,1 Ma-%, bevorzugt 1-50 Ma-% bezogen auf den Faserstoff, zugegeben und eine wässrige Suspension hergestellt. Aus dieser wird der Faserverbund, bestehend aus Faserstoff und ausgebildeten Strukturen, hier z.B. Kristallstrukturen, mittels Filtration hergestellt, dieser Verbund danach getrocknet und die Verbundstruktur mittels Rasterelektronenmikroskop (REM) untersucht.
  • Der resultierende Faserverbund (Fig. 2a und Fig. 2b) zeigt sowohl die Fasern als auch die Strukturen, hier Stäbchen- bzw. Kristallstrukturen. Diese sind innig miteinander verbunden und bilden einen Filz. Die Strukturen, hier Stäbchen- bzw. Kristallstrukturen, bilden Netzwerke und sind sowohl miteinander als auch mit dem Faserstoff verbunden, sodass auch die Poren weitgehend überbrückt sind. Die Festigkeit eines derartigen Papiers beruht ebenfalls auf Wechselwirkungen der enthaltenen Bestandteile. Aufgrund der hohen Vernetzung ist auch die Wechselwirkung sehr hoch, verbunden mit einer deutlichen Zunahme der Festigkeit.
  • Alternativ kann zunächst auch ein strukturbildendes Material, wie z.B. ein kristallstrukturbildendes Material, ausgewählt werden und dieses dann aber getrennt vom Faserstoff in eine wässrige Suspension überführt und darin die Strukturen, hier Stäbchen- bzw. Kristallstrukturen zur Ausbildung gebracht und erst dann mit dem Faserstoff vereint und schließlich der Faserverbund ausgebildet werden.
  • Hierzu erfolgt zunächst die Auswahl eines strukturbildenden Materials, wie z.B. eines kristallstrukturbildenden Materials: Da vom herzustellenden Papier ein hoher Weißgrad gefordert wird, wird ein strukturbildendes z.B. kristallstrukturbildendes Material mit einem hohen Weißgrad gewählt, in diesem Fall ein eisenarmes Ca-Al-Silikat.. Eine Vorbehandlung des eisenarmen Ca-Al-Silikats erfolgt in diesem Fall dahingehend, dass die Feinheit (gemessen als d50, Laserbeugung (,,Cilas", Quantachrome, in volume / Durchgang) mittels Trockenmahlung (z. B. mit einer Kugelmühle) ausgehend von d50 = 20 µm um 50 % reduziert wird.
  • Zur Ausbildung des Faserverbundes wird als Faserstoff erneut ungemahlener Laubholzzellstoff verwendet (Eucalyptus Grandis) und von diesem eine erste Suspension 1 hergestellt. Von dem strukturbildenden Material, wie z.B. kristallstrukturbildenden Material (eisenarmes Ca-Al-Silikat), wird eine zweite Suspension 2 hergestellt und darin die Strukturen, hier Stäbchen- und Kristallstrukturen, zur Ausbildung gebracht. Danach werden die beiden Suspension gemischt, so dass strukturbildendes Material, wie z.B. kristallstrukturbildendes Material, mit einem Anteil > 0,1 Ma-% bevorzugt 1-50 Ma-% bezogen auf Faserstoff, enthalten ist.
  • Aus dieser Mischung der beiden Suspensionen wird schließlich der Faserverbund, bestehend aus Faserstoff und ausgebildeten Strukturen, hier Stäbchen- bzw. Kristallstrukturen, mittels Filtration hergestellt, danach getrocknet und die Verbundstruktur mittels Rasterelektronenmikroskop (REM) untersucht.
  • Der hierbei resultierende Faserverbund (Fig. 3a und Fig. 3b) zeigt sowohl die Fasern als auch die Strukturen, hier Stäbchen- bzw. Kristallstrukturen. Diese sind innig miteinander verbunden und bilden einen Filz. Die Strukturen, hier Stäbchen- und Kristallstrukturen, bilden Netzwerke und sind sowohl miteinander als auch mit dem Faserstoff verbunden, so dass auch die Poren weitgehend überbrückt sind. Die Festigkeit eines derartigen Papiers beruht ebenfalls auf Wechselwirkungen der enthaltenen Bestandteile. Aufgrund des hohen Vernetzungsgrades ist auch die Wechselwirkung sehr hoch, verbunden mit einer deutlichen Zunahme der Festigkeit.
  • Verglichen mit den REM-Aufnahmen des Faserverbunds Fig. 2a und Fig 2b. zeigt dieser ein ähnliches Bild. Im Beispiel 2 konnten also zwei Wege zur Herstellung des Faserverbundes aufgezeigt werden, wobei beiden gemeinsam ist, dass die Strukturen, hier Stäbchen- bzw. Kristallstrukturen zu einem großen Teil ausgebildet sind, bevor es zur Faserverbundbildung, also zur Blattbildung kommt. Die Wechselwirkung und damit auch die Papierfestigkeit im Verbund ist bei beiden Verfahren größer, verglichen mit dem Verfahren, welches im Beispiel 1 angeführt ist.
    • Beispiel 3:
  • Fig. 4a und Fig. 4b zeigen einen Faserverbund, hergestellt durch Verwendung eines strukturbildenden Materials, wie z.B. eines kristallstrukturbildenden Materials, und die Ausbildung dieses Faserverbundes, wobei die Strukturen, hier Stäbchen- bzw. Kristallstrukturen, erst nach der Faserverbundherstellung ausgebildet werden.
  • Dies geschieht, indem ein strukturbildendes Material, wie z.B. ein kristallstrukturbildendes Material, ausgewählt und dieses dann zusammen mit Faserstoff in wässriger Suspension gemischt und der Faserverbund ausgebildet wird. Ein Großteil der Strukturen, hier Stäbchen- bzw. Kristallstrukturen, wird erst danach zur Ausbildung gebracht und der Faserverbund dadurch auch weitergehend vernetzt.
  • Hierzu erfolgt im ersten Schritt die Auswahl des strukturbildenden Materials, wie z.B. kristallstrukturbildenden Materials. Da vom herzustellenden Papier ein hoher Weißgrad gefordert wird, wird ein strukturbildendes Material, wie z.B. ein kristallstrukturbildendes Material, mit einem hohen Weißgrad gewählt, in diesem Fall ein eisenarmes Ca-Al-Silikat. Eine Vorbehandlung des eisenarmen Ca-Al-Silikats erfolgt in diesem Fall dahingehend, dass die Feinheit (gemessen als d50, Laserbeugung (,,Cilas", Quantachrome, in volume / Durchgang) mittels Trockenmahlung (z. B. mit einer Kugelmühle) um 50 % ausgehend von d50 = 20 µm reduziert wird.
  • Zur Ausbildung des Faserverbundes wird ein Faserstoff wie im Beispiel 1 verwendet und diesem ein strukturbildendes Material, wie z.B. kristallstrukturbildendes Material (eisenarmes Ca-Al-Silikat), mit einem Anteil > 0,1 Ma-% bevorzugt 1-50 Ma-% bezogen auf Faserstoff zugegeben und eine wässrige Suspension hergestellt. Aus dieser wird der Faserverbund, bestehend aus Faserstoff und dem strukturbildenden Material, wie z.B. dem kristallstrukturbildenden Material, bei welchem die Strukturen, hier Stäbchen- bzw. Kristallstrukturen größtenteils noch nicht ausgebildet sind, mittels Filtration hergestellt. Anschließend werden die Strukturen, hier Stäbchen- bzw. Kristallstrukturen in dem Verbund ausgebildet. Danach wird dieser Verbund getrocknet und die Verbundstruktur mittels Rasterelektronenmikroskop (REM) untersucht.
  • Auch der hierbei resultierende Faserverbund (Fig. 4a und Fig. 4b) zeigt sowohl die Fasern als auch die Strukturen, hier Stäbchen- bzw. Kristallstrukturen. Diese sind innig miteinander verbunden und bilden einen Filz. Die Strukturen, hier Stäbchen- bzw. Kristallstrukturen, bilden Netzwerke und sind sowohl miteinander als auch mit dem Faserstoff verbunden, so dass auch die Poren weitgehend überbrückt sind. Die Festigkeit eines derartigen hergestellten Papiers beruht ebenfalls auf Wechselwirkungen der enthaltenen Bestandteile. Aufgrund der hohen Vernetzung ist auch die Wechselwirkung sehr hoch, verbunden mit einer deutlichen Zunahme der Festigkeit.
  • Es wird also ein weiterer Weg zur Herstellung eines Faserverbundes aufgezeigt, wobei sich bei diesem Faserverbund der Großteil der Strukturen, hier Stäbchen- bzw. Kristallstrukturen, erst dann bildet, wenn der Faserverbund, also die Blattbildung bereits geschehen ist. Die Wechselwirkungen im Verbund und damit auch Papierfestigkeit nimmt auch in diesem Fall zu. Ein besonderer Vorteil bei der Strukturbildung, hier Stäbchen- bzw. Kristallstrukturbildung, nach der Faserverbundbildung ist, dass ein Teil des enthaltenen Restwassers durch die Strukturbildungsreaktion, hier die Stäbchen- bzw. Kristallstruktur-bildungsreaktion, chemisch gebunden wird und nicht mittels Trocknung entfernt werden muss, wodurch ein zusätzlicher Nutzen durch Energieeinsparung gegeben ist.
    • Beispiel 4:
  • Fig. 5a zeigt Ca-Al-Silikat als Beispiel für ein strukturbildendes z.B. kristallstrukturbildendes Material und Fig. 5b zeigt Wollastonit als Beispiel für ein nichtstrukturbildendes aber stäbchenförmiges Material. Wollastonit ist demnach unter den gewählten Bedingungen nicht zur Ausbildung der dreidimensionalen Verbundstruktur geeignet, auch wenn die einzelnen Wollastonitpartikel in Form von Kristallen mit einer regelmäßigen Kristallstruktur vorliegen. Der Faserverbund wird durch Verwendung eines strukturbildenden Materials, wie z.B. eines kristallstrukturbildenden Materials, bei steigender Konzentration und anschließender Ausbildung dieses Faserverbundes hergestellt. Die Strukturen hier Stäbchen- und Kristallstrukturen (Fig. 5a), werden erst nach der Faserverbundherstellung ausgebildet - im Gegensatz zu einem Faserverbund, welcher mit Faserstoff und einem nichtstrukturbildenden Mineral aber stäbchenförmigen Mineral (Wollastonit) hergestellt wird (Fig. 5b).
  • Bei diesem Beispiel wird ein strukturbildendes Material, wie z.B. ein kristallstrukturbildendes Material, ausgewählt und dieses dann zusammen mit Faserstoff in wässriger Suspension gemischt und der Faserverbund ausgebildet. Der größte Teil der Strukturen, hier Stäbchenund Kristallstrukturen wird erst danach zur Ausbildung gebracht und der Faserverbund dadurch auch weitergehend vernetzt.
  • Hierzu erfolgt im ersten Schritt die Auswahl des strukturbildenden Materials, wie z.B. des kristallstrukturbildenden Materials. Da vom herzustellenden Papier ein hoher Weißgrad gefordert ist, wird ein strukturbildendes Material, wie z.B. ein kristallstrukturbildendes Material, mit einem hohen Weißgrad gewählt, in diesem Fall ein eisenarmes Ca-Al-Silikat. Eine Vorbehandlung des eisenarmen Ca-Al-Silikats erfolgt in diesem Fall nicht.
  • Zur Ausbildung des Faserverbundes wird ein Faserstoff wie im Beispiel 1 verwendet und diesem ein strukturbildendes Material, wie z.B. ein kristallstrukturbildendes Material (eisenarmes Ca-Al-Silikat), zugegeben und eine wässrige Suspension hergestellt. Aus dieser wird der Faserverbund, bestehend aus Faserstoff und dem strukturbildenden Material, wie z.B. dem kristallstrukturbildenden Material, welches aber die Strukturen (hier Stäbchen- bzw. Kristallstrukturen) größtenteils noch nicht ausgebildet hat, mittels Filtration hergestellt. Erst danach werden die Strukturen, hier Stäbchen- bzw. Kristallstrukturen, in dem Verbund ausgebildet. Danach wird dieser Verbund getrocknet und die Verbundstruktur mittels Rasterelektronenmikroskop (REM) untersucht.
  • In gleicher Weise wird ein Faserverbund aus Faserstoff und einem nicht strukturbildenden, dafür aber einem stäbchenförmigen Material hergestellt, wobei das Verhältnis von Faserstoff und stäbchenförmigen Material gleich ist. Nach dem Trocknen wird auch dieser Faserverbund mittels REM untersucht.
  • Als nichtstrukturbildendes dafür aber stäbchenförmiges Material, wird hier Wollastonit (d50 = 10 µm, (,,Cilas", Quantachrome, in volume / Durchgang) eingesetzt. Wollastonit hat die Eigenschaft, dass es bereits als stäbchenförmiges Material vorliegt. Das Ziel ist hierbei, den Vorteil der Strukturbildung, hier Stäbchen- bzw. Kristallstrukturbildung gegenüber der Verwendung eines nichtstrukturbildenden, dafür aber stäbchenförmigen Materials aufzuzeigen.
  • Bei den Versuchen wurden folgende Verfahrensweisen angewendet:
    • Einwiegen von Faserstoff und eisenarmes Ca-Al-Silikat (bzw. Wollastonit)
    • Dispergieren der Komponenten in 50 ml Wasser
    • Verdünnen der Suspension auf 1 Liter mit Wasser
    • Entwässern der Suspensionen über einem Sieb
    • Lagerung der feuchten Blätter unter Luftabschluss
    • Trocknung der Blätter, nachdem die Ausbildung der Strukturen, hier Stäbchen- und Kristallstrukturen vollzogen ist. Wollastonit wurde analog dazu behandelt.
  • Bei den Versuchen wurde eine Materialzusammensetzung entsprechend der Tabelle 4 ausgewählt: Tabelle 4
    Einheit 10 Ma% 25 Ma-% 50 Ma-%
    Vorlagewasser ml 50 50 50
    Zellstoff g 3,6 3,0 2,0
    eisenarmes Ca-Al-Silikat g 0,4 1,0 2,0
    Mineralischer Faserstoff
    (Wollastonit)    		 g 0,4 1,0 2,0
    Verdünnungswasser ml 950 950 950
  • Die morphologischen Unterschiede der beiden Einsatzstoffe eisenarmes Ca-Al-Silikat (Fig. 5a) und Wollastonit (Fig. 5b) sind in den REM-Aufnahmen eindeutig zu erkennen.,
  • Die Faserverbunde, hergestellt unter Verwendung von eisenarmen Ca-Al-Silikat und Wollastonit unterscheiden sich ebenfalls deutlich. Die Faserverbunde auf Basis von eisenarmen Ca-Al-Silikat (Fig. 6a, 7a, 8a.) zeigen sowohl die Fasern als auch die Strukturen, hier Stäbchen- und Kristallstrukturen. Diese sind innig miteinander verbunden und bilden einen Filz. Die Strukturen, hier Stäbchen- und Kristallstrukturen, bilden Netzwerke und sind sowohl miteinander als auch mit dem Faserstoff verbunden, sodass auch die Poren weitgehend überbrückt sind. Die Festigkeit eines derartig hergestellten Papiers beruht ebenfalls auf Wechselwirkungen der enthaltenen Bestandteile. Aufgrund der hohen Vernetzung ist auch die Wechselwirkung sehr hoch, verbunden mit einer deutlichen Zunahme der Festigkeit. Dagegen zeigen die Faserverbunde auf Basis von Wollastonit (Fig. 6b, 7b, 8b) nur eine lose, lockere Zusammenlagerung der jeweiligen Bestandteile, ohne dass diese erkennbar miteinander verbunden sind.
  • Beispiel 4 zeigt den Unterschied bei der Verwendung eines strukturbildenden Materials, wie z.B. eines kristallstrukturbildenden Materials, im Vergleich zu einem nichtstrukturbildenden, dafür aber stäbchenförmigen Material. Die Wechselwirkungen im Verbund und damit auch die Papierfestigkeit sind im ersten Fall deutlich stärker ausgeprägt. Ein besonderer Vorteil bei der Strukturbildung (hier Stäbchen- und Kristallstrukturbildung) nach der Faserverbundbildung ist, dass ein Teil des enthaltenen Restwassers durch die Strukturbildung (hier Stäbchen- und Kristallstrukturbildungsreaktion) chemisch gebunden wird und nicht mittels Trocknung entfernt werden muss, wodurch ein zusätzlicher Nutzen durch Energieeinsparung gegeben ist.
    • Beispiel 5:
  • In Beispiel 5 wird ein Faserverbund durch die Verwendung eines strukturbildenden Materials, wie z.B. eines kristallstrukturbildenden Materials hergestellt, wobei das strukturbildende Material, wie z.B. kristallstrukturbildende Material, erst nachträglich auf einen bereits gebildeten ersten Faserverbund aufgebracht und die Strukturen, hier Stäbchen- bzw. Kristallstrukturen, anschließend ausgebildet werden.
  • Dies geschieht, indem ein strukturbildendes Material, wie z.B. ein kristallstrukturbildendes Material, ausgewählt und dieses dann in einer wässrigen Suspension auf einen ersten Faserverbund aufgebracht wird. Der größte Teil der Strukturen, hier Stäbchen- und Kristallstrukturen, wird erst nach dem Auftrag auf den Faserverbund zur Ausbildung gebracht und der Faserverbund dadurch oberflächennah vernetzt.
  • Hierzu erfolgt im ersten Schritt die Auswahl des strukturbildenden Materials, wie z.B. des kristallstrukturbildenden Materials. Da vom herzustellenden Papier ein hoher Weißgrad gefordert wird, wird ein strukturbildendes Material, wie z.B. ein kristallstrukturbildendes Material, mit einem hohen Weißgrad gewählt, in diesem Fall ein eisenarmes Ca-Al-Silikat.. Eine Vorbehandlung des eisenarmen Ca-Al-Silikats erfolgt in diesem Fall dahingehend, dass die Feinheit (gemessen als d50, Laserbeugung, (,,Cilas", Quantachrome, in volume / Durchgang) mittels Trockenmahlung (z. B. mit einer Kugelmühle) ausgehend von d50 = 20 µm um 50 % reduziert wird.
  • Zur Ausbildung des ersten Faserverbundes wird ein Faserstoff wie im Beispiel 1 verwendet und von diesem eine wässrige Suspension hergestellt. Aus dieser wird der erste Faserverbund, bestehend nur aus Faserstoff mittels Filtration hergestellt. Dieser erste Faserverbund kann dann trocken oder nass weiterverarbeitet werden. In diesem Beispiel wurde in trockener Form weiter verarbeitet.
  • Parallel dazu wird eine wässrige Suspension aus eisenarmen Ca-Al-Silikat hergestellt und diese mittels Rakel auf den ersten Faserverbund aufgetragen. Der Großteil der Strukturen, hier Stäbchen- und Kristallstrukturen, bildet sich an der Oberfläche des ersten Faserverbundes aus und vernetzt diese. Danach wird der Faserverbund getrocknet und die Struktur mittels Rasterelektronenmikroskop (REM) untersucht. Auch der hierbei resultierende Faserverbund (Fig. 9a und Fig. 9b) zeigt sowohl die Fasern als auch die Strukturen, hier Stäbchenund Kristallstrukturen. Diese sind innig miteinander verbunden und bilden einen Filz. Die Stäbchen bilden Netzwerke und sind sowohl miteinander als auch mit dem Faserstoff verbunden, so dass auch die Poren weitgehend überbrückt sind. Die Festigkeit eines derartigen Papiers beruht ebenfalls auf Wechselwirkungen der enthaltenen Bestandteile. Aufgrund der hohen Vernetzung ist auch die Wechselwirkung sehr hoch, verbunden mit einer deutlichen Zunahme der Festigkeit.
  • Bei der erfindungsgemäßen Herstellung eines Faserverbundes nach Beispiel 5 wird das strukturbildende z.B. kristallstrukturbildende Material auf einen Faserverbund aufgetragen, wobei die Strukturen, hier Stäbchen- bzw. Kristallstrukturen, den Faserverbund oberflächennah vernetzen. Die Wechselwirkung im gebildeten Faserverbund und damit auch die Papierfestigkeit nimmt auch in diesem Fall zu. Besonderer Vorteil bei der nachträglichen Beschichtung eines Faserverbundes mit einem strukturbildenden Material, wie z.B. einem kristallstrukturbildenden Material, ist, dass ein Teil des enthaltenen Restwassers durch die Strukturbildungsreaktion, hier eine Stäbchen- bzw. Kristallstrukturbildungsreaktion, chemisch gebunden wird und nicht mittels Trocknung entfernt werden muss, wodurch ein zusätzlicher Nutzen durch Energieeinsparung gegeben ist.
  • In einem alternativen Verfahren gemäß der Erfindung ist es auch möglich, den Faserverbund, nachdem er mit dem strukturbildenden Material, wie z.B. einem kristallstrukturbildenden Material, beschichtet worden ist, zu trocknen, damit eine zur Strukturbildung notwendige reaktive Komponente zu entziehen und so die Strukturbildung, hier eine Stäbchen- bzw. Kristallstrukturbildung, zu unterbrechen. Zeitlich und räumlich getrennt davon kann dann in einem weiteren Schritt die Strukturbildung, hier Stäbchen- und Kristallstrukturbildung, durch Zugabe einer reaktiven Komponente (z. B. hier Wasser) wieder fortgesetzt werden.
    • Beispiel 6
  • In Beispiel 6 wird ein Papier beschrieben, hergestellt durch Verwendung eines strukturbildenden Materials, wie z.B. eines kristallstrukturbildenden Materials zusammen mit einem Füllstoff und Fasern.
  • Hierzu erfolgt im ersten Schritt die Auswahl des strukturbildenden Materials, wie z.B. kristallstrukturbildenden Materials. Da vom herzustellenden Papier ein hoher Weißgrad gefordert wird, wird ein strukturbildendes Material, wie z.B. ein kristallstrukturbildendes Material, mit einem hohen Weißgrad gewählt, in diesem Fall ein eisenarmes Ca-Al-Silikat. Eine Vorbehandlung des eisenarmen Ca-Al-Silikats erfolgt in diesem Fall dahingehend, dass die Feinheit (gemessen als d50, Laserbeugung (,,Cilas", Quantachrome, in volume / Durchgang) mittels Trockenmahlung (z. B. mit einer Kugelmühle) um 75 % ausgehend von d50 = 20 µm reduziert wird.
  • Zur Ausbildung des Faserverbundes werden 300 ml Zellstoffsuspension (2 Ma-%, gemahlener Zellstoff) mit 110 ml TiO2-Suspension (4 Ma-%, Füllstoff) versetzt, und mit Trinkwasser auf 1000 ml aufgefüllt. Danach wird Nassfestmittel und strukturbildendes Material, hier kristallstrukturbildenden Materials laut Tabelle zugegeben und die Mischung homogenisiert. Für die Blattbildung werden jeweils 300 ml dieser Suspension verwendet und das gebildete Blatt bei 90°C über 10 min getrocknet (=Papier). Zur Laminierung wird dieses Blatt dann 30 sec. in Melaminharz getaucht, vollständig benetzt, überschüssiges Harz entfernt und danach 30 sec bei 100°C getrocknet. Danach wird das Papier durch Tauchen in Harz erneut vollständig benetzt, überschüssiges Harz entfernt und das Papier schließlich 120 sec bei 100°C getrocknet. Verpresst wird das so imprägnierte Papier schließlich bei 100 bar, 160°C, 120 sec., gefolgt durch Kühlung mittels Kühlplatten (=Laminat). Tabelle 5
    Nr. TiO2 WZ* WZ* Blattgewicht Asche TI*** Papier Laminat
    g/Ansatz %TiO2 ** g/Ansatz g % N **** ****
    1 4,4 0 0 2,9 35,0 31,0 0 nb
    2 4,4 5 0,22 3,2 37,6 40,0 + 0
    3 4,4 15 0,66 3,5 38,8 32,2 - nb
    4 4,4 5 0,22 3,3 37,3 38,0 + +
    5 4,4 15 0,66 3,5 38,7 31,5 - nb
    6 4,4 0 0 2,9 35,0 30,0 0 0
    7 4,4 5 0,22 3,1 37,1 39,0 + +
    8 4,4 15 0,66 3,2 39,3 33,0 - nb
    *: WZ = Kurzbezeichnung für strukturbildendes Material, hier kristallstrukturbildendes Material
    **: Anteil WZ bezogen auf Masse Gesamtfüllstoff, gerundet
    ***: Tensile Index
    ****: Visuelle Bewertung der optischen Eigenschaften: + = besser; - = schlechter Bewertungskriterien Papier: Weißgrad, Formation, Gleichmäßigkeit Bewertungskriterien Laminat: Opazität, Weißgrad, Gleichmäßigkeit
    nb: nicht bestimmt
  • Aus den Ergebnissen geht eindeutig hervor, dass der Ascheanteil als Maß für den Füllgrad zunimmt, gleichzeitig nimmt die Festigkeit zum Teil deutlich zu. Sowohl die Papier- als auch die Laminateigenschaften können gleichbleibend gehalten oder tendenziell sogar verbessert werden. Es ist somit - wie in den angeführten Beispielen gezeigt - möglich, durch das erfindungsgemäße Verfahren und den Erfindungsgemäßen Faserverbund die eingangs genannten Aufgaben und Anforderungen in Bezug auf Funktion und Wirkung eines neuen Faserverbundes zu erfüllen.
  • Erfindungsgemäß können auch andere bei der Papierherstellung gebräuchliche, wie eingangs beispielhaft genannte Materialien an den verschiedenen Stellen der Papier, Pappeoder Karton- (Faserverbund) Herstellung zum Einsatz kommen, wie beispielsweise Füllstoffe, Dispergiermittel, Pigmente oder Additive, welche zu verschiedenen Zeitpunkten während des Prozesses mit den strukturbildende Materialien, wie z.B. mit kristallstrukturbildende Materialien sowie mit den Fasern, kombiniert werden können.
  • Nachfolgend ist eine Auswahl der Vorteile erfindungsgemäßer Faserverbunde, hergestellt unter Verwendung von strukturbildender z.B. kristallstrukturbildende Materialien, gemäß der vorliegenden Erfindung, gezeigt.
  • Durch die Vielzahl an Auswahlmöglichkeiten bei den Eigenschaften strukturbildender Materialien bieten sich eine große Vielfalt, wodurch die Eigenschaften an spätere Applikation angepasst werden können. Mögliche Eigenschaften, die als Auswahlkriterium herangezogen werden können sind z. B. die Art des strukturbildenden Materials, Korngröße, Topcut, Korngrößenverteilung, Morphologie, chemische Zusammensetzung, mineralogische Zusammensetzung, Reinheit, Abrasion, Löslichkeit, Dispergieverhalten, Bindemittelbedarf, Rheologie, Optische Eigenschaften wie Weißgrad und Gelbwert, Opazität, Blainewert, Reaktivität, Kristallstruktur, spezifische Oberfläche, Oberflächenladung, Dichte, Schüttdichte, Aspektverhältnis, Struktur der zu bildenden Strukturen usw..
  • Die Eigenschaften können z.B. durch physikalische und/oder chemische und/oder mechanische Verfahren beeinflusst, modifiziert oder optimiert werden. Beispielsweise können derartige Eigenschaftsänderungen durch Zusatz von Beschleuniger oder Verzögerer, Dispergiermittel, Oberflächenbeschichtung, Mischungen mit organischen und/oder anorganischen Komponenten sowie Füllstoffen, Additiven, Fasern, Verdickern oder Polymeren usw. erreicht werden. Weiterhin können die Eigenschaften der verwendeten Materialien und somit auch des daraus hergestellten Faserverbundes z.B. durch Trockenmahlung, (beispielsweise mittels Kugelmühlen, Strahlmühlen, Walzenschüsselmühlen, Stiftmühlen, Hammermühlen, Attritiormühlen, Stabmühlen usw.), Abtrennung von Fein- und/oder Grobanteil (beispielsweise mittels Sichtung und ggf. Grobgutkreislaufführung oder elektrostatisch Behandlung sowie ggf. Magnetscheidung, Siebung usw.) oder mittels Nasszerkleinerung (beispielsweise mittels Rührwerkskugelmühle, Perlmühle, Kugelmühle oder Hochdruckhomogenisierer usw.) und gegebenenfalls Trennung nach Korngrößen verändert und den entsprechend der jeweiligen Anforderungen angepasst werden.
  • Die dadurch zur Verfügung stehenden strukturbildenden Materialien können innerhalb des Produktionsprozesses eines Faserverbundes während verschiedener Prozessschritte (z.B. Faseraufbereitung, Blattbildung, Beschichtung, Veredelung, Sprühen, Coaten) oder als separater Prozessschritt und in verschiedenen Darreichungsformen (z.B. trocken, nass, alleine, mit anderen) zum Einsatz gebracht werden. Die Strukturen können den jeweiligen Anforderungen entsprechend (schnell, langsam) an verschiedenen Orten (am Ort der Herstellung, der Veredelung oder dem Ort der Verarbeitung) oder danach über verschiedene Verfahren zu unterschiedlichen Zeiten zur Ausbildung gebracht werden.
  • In einem Faserverbund mit den beschriebenen strukturbildenden Materialien lassen sich eine Vielzahl von Eigenschaften variabel einstellen bzw. beeinflussen. Mögliche Materialeigenschaften, auf die bei der Herstellung eines erfindungsgemäßen Faserverbundes einfluss genommen werden kann sind z.B. die Festigkeit, Nassfestigkeit, Dehnung, Optische Eigenschaften, Weißgrad, Helligkeit, Gelbwert, Opazität, Brechung, Streuung, Reflektion, Farbort, Glanz, Papiervolumen, Porengröße, -anzahl und -verteilung, Dampfdichtigkeit, Wasserdichtigkeit, Gasdichtigkeit, Glätte, Benetzbarkeit, Saugfähigkeit, Kopierbarkeit, Siegelbarkeit, Adhäsionswirkung, Antihaftwirkung, Brennbarkeit, korrosionshemmende Wirkung, fungizide, bakterizide, insektizide Wirkung, Alterungsbeständigkeit, Staubfreiheit, hohe Nass- und Laugenfestigkeit, gute Prägefähigkeit, Kaschierbarkeit, Lackierfähigkeit, Bedruckbarkeit, Gleichmäßigkeit, Satinageverhalten, Dimensionsstabilität (z.B. Flachlage, Tellern, Cockling, Randwelligkeit), Welligkeit und Rollneigung, Druckfarbenaufnahme, Tintenadsorptionsfähigkeit, Wärmestabilität, Wärmeleitung, Abriebfestigkeit, Spaltbarkeit, Lichtechtheit, Wischbeständigkeit, geringe Rollneigung, Druckglanz, Farbwegschlagverhalten, Rupffestigkeit, Bindemittelbedarf, Faserabdeckung, Immobilisierung, Bruchkraft, Bruchdehnung, Falzfestigkeit, Biegefestigkeit, Rauigkeit und andere.
  • Daher eigenen sich erfindungsgemäße Faserverbunde für eine große Anzahl von Verwendungsmöglichkeiten. Ein wesentlicher Aspekt der Erfindung ist daher die Verwendung eines wie oben beschriebenen Faserverbundes als Medium zur Informationsspeicherung, Verpackungsmaterial, Dekorationsmittel (z.B. Tapete), Hygieneartikel, Dämmmaterial, Gas-, Wasser- oder Dampfbarriere, Flammschutzmaterial, Schallschutzmaterial, Werkstoff, Isolationsmittel oder ähnlichem.
  • In einer bevorzugten Verwendung des Faserverbundes wird der Faserverbund in Form von Papier als Medium zur Informationsspeicherung verwendet.
  • Durch die erfindungsgemäße Verwendung strukturbildender Materialien, wie z.B. kristallstrukturbildender Materialien, zur Herstellung eines Faserverbundes wird erreicht, dass insbesondere der Anteil organischer Fasern und damit die Kosten zur Herstellung eines Faserverbundes, wie z.B. Papier oder Pappe reduziert und gleichzeitig die Festigkeit nur unwesentlich verringert, beibehalten oder sogar gesteigert wird.
  • Weiterhin können durch die Verwendung von strukturbildenden Materialien, wie z.B. kristallstrukturbildenden Materialien, zur Herstellung eines Faserverbundes gleichzeitig andere Eigenschaften des Faserverbundes (z.B. Papier oder Pappe), wie z.B. die optischen Eigenschaften wie Opazität, Weißgrad, Helligkeit, Gelbwert oder die physikalischen Eigenschaften wie z.B. Luftdurchlässigkeit oder Porosität, nur unwesentlich verschlechtert, beibehalten oder sogar verbessert werden.
  • Vorteilhaft werden durch die Verwendung der strukturbildenden Materialien, wie z.B. kristallstrukturbildenden Materialien, zur Herstellung eines Faserverbundes gleichzeitig die Verarbeitungseigenschaften eines Faserverbundes (z.B. Papier oder Pappe) beim z.B. Bedrucken, Schneiden, Falzen, Kaschieren, Färben, Verbinden usw. nur unwesentlich verschlechtert, beibehalten oder sogar verbessert.
  • Zusätzlich wird durch die erfindungsgemäße Verwendung der strukturbildenden Materialien, wie z.B. der kristallstrukturbildenden Materialien, zur Herstellung eines Faserverbundes gleichzeitig die Herstellung des Faserverbundes (z.B. Papier oder Pappe) nur unwesentlich beeinträchtigt, beibehalten oder sogar verbessert, z.B. durch Blattbildung, durch die Entwässerung und Trocknung oder die Papierveredelung. Insbesondere besteht zusätzlich die Möglichkeit die Energiekosten bei der Trocknung eines Faserverbundes zu reduzieren.
  • Aufgrund der besonders hohen Festigkeit der Faserverbunde ist es sogar möglich, Objekte die besondere Anforderungen in Bezug auf die Stabilität haben, aus derartigen Faserverbunden herzustellen. In einer Variante der Verwendung des Faserverbundes wird dieser als Möbelstück verwendet.
  • Durch die Verwendung von strukturbildenden Materialien bei der Herstellung eines Faserverbundes, wie z. B. Papier oder Pappe, können einige Produktionsprozesse hinsichtlich moderner ökologischer Anforderungen optimiert werden. So ist es bei der Herstellung eines wie oben beschriebenen Faserverbundes möglich die Abluft- und Abwassermenge nur unwesentlich zu erhöhen, beizubehalten oder sogar zu verringern. Ebenso kann die CO2-Bilanz nur unwesentlich verschlechtert, beibehalten oder sogar verbessert werden.
  • Sämtliche in den Anmeldungsunterlagen offenbarten Merkmale werden als erfindungswesentlich beansprucht, sofern sie einzeln oder in Kombination gegenüber dem Stand der Technik neu sind.

Claims (15)

  1. Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundes, welcher mindestens ein Additiv und mindestens einen organischen Faserstoff umfasst, wobei der Faserstoff ausgewählt ist aus einer Gruppe, welche Holzschliff, Halbzellstoff, Zellstoff, Wolle, Seide, Leinen, Baumwolle, synthetische Polymerfasern und/oder andere Faserstoffe mit Faserstärken von weniger als 0,5 mm umfasst,
    dadurch h gekennzeichnet,dass
    mindestens ein Additiv zugesetzt wird, welches Ca- und/oder Mg-Verbindungen umfasst und welches in dem Faserverbund seine Struktur ändert und/oder eine Struktur ausbildet und nach der Strukturänderung und/oder der Strukturbildung eine netzartige Faserstoffstruktur, welche durch den Faserstoff gebildet wird, zur Stabilisierung des Faserverbundes als dreidimensionaler Verbund der Ca- und/oder Mg-Verbindungen durchsetzt.
  2. Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundes nach Anspruch 1,
    dadurch h gekennzeichnet,dass
    die Ca- und/oder Mg-Verbindung als Sulfat, Hydroxid, Silikat, Aluminat, Ferrit und/oder Mischungen dieser mit einem Anteil von 1 - 50 Ma-%, bevorzugt 2 - 40 Ma-% eingesetzt wird und diese durch eine Reaktion mit Wasser, CO2 Carbonat-lonen, Sulfat-lonen, Sauerstoff, weiteren Additiven und/oder Kombinationen davon oder durch Abspaltung von Wasser oder Gasen, wie CO2, O2 oder anderen, optional unter - oder -abfuhr, zu dem dreidimensionalen Verbund der Ca- und/oder Mg-Verbindungen umgesetzt wird.
  3. Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundes nach einem der vorherigen Ansprüche,
    dadurch h gekennzeichnet,dass
    eine Ca- und/oder Mg-Verbindung verwendet wird, welche nach der Strukturänderung und/oder der Strukturbildung in dem Faserverbund einen Brechungsindex nD von 1 - 3, bevorzugt von 1,2 - 2,9, besonders bevorzugt von 1,4 - 2,7 aufweist und einen Weißgrad R457 nach ISO 2470 von 1 - 100, bevorzugt 5-100, besonders bevorzugt 10 - 100 aufweist.
  4. Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundes nach einem der vorherigen Ansprüche,
    dadurch h gekennzeichnet,dass
    die Ca- und/oder Mg-Verbindung nach der Ausbildung des dreidimensionalen Verbundes der Ca- und/oder Mg-Verbindungen in Form zusammenhängender Ca- und/oder Mg-enthaltender Partikel vorliegt, welche eine Partikelgröße, gemessen als d50 (Volumen) zwischen 0,001 und 10000 µm, bevorzugt zwischen 0,01 und 7500 µm, besonders bevorzugt zwischen 0,05 und 5000 µm aufweisen.
  5. Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundes nach einem der vorherigen Ansprüche,
    dadurch h gekennzeichnet,dass
    die Strukturänderung und/oder die Strukturbildung der Ca- und/oder Mg-Verbindungen vor der vollständigen Ausbildung des dreidimensionalen Verbundes durch eine Änderung von Umgebungsbedingungen unterbrochen wird und die Strukturänderung und/oder die Strukturbildung bis zur vollständigen Ausbildung des dreidimensionalen Verbundes zu einem späteren Zeitpunkt, optional nachdem der Faserverbund in eine vorbestimmte Form gebracht wurde, durch erneute Änderung der Umgebungsbedingungen weitergeführt wird.
  6. Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundes nach einem der vorherigen Ansprüche,
    dadurch h gekennzeichnet,dass
    die Ausbildung des dreidimensionalen Verbundes der Ca- und/oder Mg-Verbindungen vor, während oder nach einer Vernetzung der organischen Faserstoffe erfolgt.
  7. Faserverbund, welcher mindestens ein Additiv und mindestens einen organischen Faserstoff aufweist, wobei der Faserstoff ausgewählt ist aus einer Gruppe, welche Holzschliff, Halbzellstoff, Zellstoff, Wolle, Seide, Leinen, Baumwolle, synthetische Polymerfasern und/oder andere Faserstoffe mit Faserstärken von weniger als 0,5 mm umfasst,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    mindestens eines der Additive eine Ca- und/oder Mg-Verbindung umfasst, welche in einem dreidimensionalen Verbund der Ca- und/oder Mg-Verbindungen vorliegt oder in diesen überführbar ist, welcher eine eine netzartige Faserstoffstruktur, welche durch den Faserstoff bildbar oder gebildet ist, durchsetzende Struktur zur Stabilisierung des Faserverbundes aufweist.
  8. Faserverbund nach Anspruch 7,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Faserverbund die Ca- und/oder Mg-Verbindung mit einem Anteil von 1 - 50 Ma-%, bevorzugt 2 - 40 Ma-% umfasst und die Ca- und/oder Mg-Verbindung ausgewählt ist aus einer Gruppe, welche Sulfate, Hydroxide, Silikate, Aluminate, Ferrite und/oder Mischungen dieser, insbesondere Zemente, Gips und/oder Vorprodukte dieser umfasst und durch eine Reaktion mit Wasser, Gasen, insbesondere CO2 oder Sauerstoff, Carbonat-lonen, Sulfat-lonen, weiteren Additiven und/oder Kombinationen davon oder durch Abspaltung von Wasser oder Gasen wie CO2, O2 oder anderen, optional unter Energiezu- oder -abfuhr, ein dreidimensionaler Verbund der Ca- und/oder Mg-Verbindungen im Faserverbund vorliegt oder ausbildbar ist.
  9. Faserverbund nach Anspruch 7 oder 8,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Ca- und/oder Mg-Verbindung innerhalb des dreidimensionalen Verbundes in weitgehend homogenen Kristallstrukturen vorliegt, welche bevorzugt vorwiegend stäbchenförmig, plättchenförmig, faserförmig, sternförmig oder büschelförmig sind.
  10. Faserverbund nach einem der Ansprüche 7 - 9,
    dadurch gekennzeichnet,dass
    die organischen Faserstoffe einzelne Fasern umfassen, welche einen weitgehend kreisförmigen Durchmesser einer Größe von weniger als 0,5 mm, bevorzugt weniger als 0,25 mm, besonders bevorzugt weniger als 0,01 mm aufweisen.
  11. Faserverbund nach einem der Ansprüche 7 - 10,
    dadurch gekennzeichnet,dass
    die Ca- und/oder Mg-Verbindung nach der Änderung und/oder Ausbildung des dreidimensionalen Verbundes einen Brechungsindex nD von 1 - 3, bevorzugt von 1,2 - 2,9, besonders bevorzugt von 1,4 - 2,7 aufweist.
  12. Faserverbund nach einem der Ansprüche 7 - 11,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Ca- und/oder Mg-Verbindung nach der Änderung und/oder Ausbildung des dreidimensionalen Verbundes einen Weißgrad R457 nach ISO 2470 von 1 - 100, bevorzugt 5-100, besonders bevorzugt 10 - 100 aufweist.
  13. Faserverbund nach einem der Ansprüche 7 - 12,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    auf den Faserverbund eine Oberflächenbeschichtung aufstreichbar, aufdruckbar, aufsprühbar, aufkaschierbar, aufwalzbar, aufklebbar oder auf eine andere geeignete Weise auftragbar ist.
  14. Verwendung eines Faserverbundes nach einem der Ansprüche 7-13,
    dadurch gekennzeichnet,dass
    der Faserverbund als Medium zur Informationsspeicherung, Verpackungsmaterial, Dekorationsmittel, Hygieneartikel, Dämmmaterial, Gas-, Wasser- oder Dampfbarriere, Flammschutzmaterial, Schallschutzmaterial, Werkstoff, Isolationsmittel oder ähnlichem verwendet wird.
  15. Verwendung eines Faserverbundes nach Anspruch 14,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Faserverbund in Form von Papier als Medium zur Informationsspeicherung verwendet wird.
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