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Werkstoffkunde Bedru

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Direkte Vorläufer des Papiers als Medium für das Weitergeben bzw. Aufzeichnen von Informationen Papyrus und Pergament. Davor wurde Stein, Ton oder Holz als Medium verwendet.
Papyrus Er ist etwa 5000 Jahre alt und wird hergestellt, indem dünne Blätter aus dem Pflanzenmark geschnitten, kreuzweise übereinandergelegt, gehämmert und durch den so ausgetretenen Saft und die anschließende Trocknung verklebt werden.
Pergament wurde und wird aus Tierhäuten hergestellt. In Kalkmilch eingeweicht, von Tierhaaren befreit, geglättet und getrocknet, ist es im Gegensatz zu Leder nicht gegerbt. Es wird heute nur noch für repräsentative Zwecke verwendet.
Zeit der eientlichen Erfindung des Papiers Die eigentliche Erfindung des Papiers wird lokal China zugeschrieben und zeitlich mit etwa 100 n.Chr. angegeben. Jedenfalls datiert auf diese Zeit die Beschreibung eines Herstellprozes- ses durch einen chinesischen Minister mit Namen Tsai Lun.
Kunst des Papiermachens in Europa Die erste ur- kundlich benannte Produktionsstätte für Papier in Deutschland war die Gleismühl des Ulman Stromer bei Nürnberg um 1390. Textilabfälle dienten als Rohstoffe.
Prozesse der Papiererzeugung • Zerfasern der Rohstoffe, • Aufbereiten der Faserstoffe mit Wasser zu einem Faserbrei, • Schöpfen (Blattbildung), • Gautschen (Lösen des Blattes vom Sieb), • Pressen, • Trocknen, • Glätten
Mechanisierung der Papierherstellung Stampfwerk, welches Mitte 1700 durch die Einführung des sogenannten holländischen Geschirrs bzw. des Holländers verbessert wurde.
Holländer Mahlwerk, bei dem Faserstoffmasse in einer Wanne im Kreis umlaufend immer wieder zwischen einer rotierenden, messerbesetzten Walze und feststehenden Gegenmessern hindurch muß. Zerfaserung Lumpen, innige Durchmischung Zutaten des Faserbreis.
Papiermaschine 1798 durch den Franzosen Nicolas-Louis Robert. Maschine besaß ein endlos umlaufendes Sieb. Aufgegossener Faserbrei verfilzte auf dem laufenden Sieb und am Ende wurde die Bahn kontinuierlich durch zwei filzbezogene Walzen abgenommen.
Ursprünglicher Rohstoff leinene Lumpen, Flachsabfälle und Hanf, führte aber aufgrund großer Nachfrage zu Rohstoffkrise.
Holzschliff 1840 durch Weber Friedrich Gottlob Keller nach Vorbild der Wespen, welche den papierähnlichen Stoff für ihre Nester durch Zernagen von Holz unter Einwirkung ihres Speichels herstellen.
Holzschliff Eigenschaften . Schlecht verfilzend gibt er brüchige und grobe Papiere, ebenfalls vergilbt er unter Lichteinwirkung schnell, wegen Inkrusten.
Inkrusten Als Inkrusten bezeichnet man allgemein sämtliche außer der Zellulose in Pflanzenfasern enthaltenen organi- schen Stoffe wie Lignin, Hemizellulosen, Pektin, Pflanzensäuren, Öle, Fette und anorganische Verbindungen.
Wieso Zellstoff? Bemühungen, den reinen Faserstoff aus dem Holzverband zu lösen, gelangen ab 1857 durch verschiedene Kochverfahren und führten zu reinen, aus Zellulose bestehenden Pflanzenfasern, dem Zellstoff.
Nachhaltigkeit Rohstoffe Dem Prinzip der nachhaltigen Bewirtschaftung folgend, aber auch aus ökonomischen Überlegungen, findet vor allem Holz aus Durchforstung oder aus Windbruch Verwendung; ebenfalls ist man bestrebt, Abfallholz aus der holzverarbeitenden Industrie zu nutz
Faserlieferant für Papierherstellung Textile Abfälle aus Baumwolle oder Flachs. Ersetzt bzw. substituiert wurden sie zunächst von Holzschliff und später von Zellstoff bzw. Cellulose, der/die wiederum aus dem Rohstoff Holz oder anderen geeigneten Pflanzen gewonnen wurde.
Cellulose Cellulose steht in der Papiererzeugung an erster Stelle. Cellulose ist eine Makromolekül, dessen kleinstes sich kettenartig wiederholende Grundelement Glukose ist. (C6H10O5, 44.44% C, 6.17% H und 49.38% O)
Polymerisationsgrad (Anzahl von Glukosemolekülen pro Cellulosemolekül) ist abhängig von den verwendeten Celluloselieferanten. Baumwolle, roh 14000 Flachs 8000 Bakteriencellulose 2700 Tanne 2500
Cellulose in der Natur Cellulose entsteht in der Natur an den Zellwänden von Pflanzen, Algen, manchen Bakterien und pflanzlichen Samenhaaren. Sie entsteht aus Wasser, CO 2 , Sonnenlicht und Chlorophyll als Katalysator.
Celluloseanteil in % in der Trockenmasse Baumwollfaser 95 Pappelholz 53 Kiefernholz 44 Birkenholz 40 Stroh 40 - 50 Blätter 10 - 20 Zellstoff 82 - 89 Reyon-Faser 93 - 98 Acetatseide 98
Unterscheidung α-, β- und γ-Cellulose α -Cellulose ist unlöslich in wässriger, 17.5% NaOH-Lösung. Im Gegensatz dazu sind β - und γ -Cellulose in derselben Lauge löslich, wobei bei Neutralisation β -Cellulose wieder ausfällt, γ -Cellulose dagegen nicht.
Hemicellulose häufig benannte Abart der Cellulose ist die Hemicellulose. Besitzt in ihrem makromolekularen Aufbau neben Glukose noch andere Saccharide und zeichnet sich durch wesentliche kürzere Makromoleküle sowie geringere Beständigkeit aus.
Eigenschaften der Cellulose farblos, hygroskopisch, Zersetzungspunkt: 180°C. Flammpunkt: 290°C, quillt in Wasser, unlöslich in Wasser
Zusammenhalt der Cellulosemoleküle? wird vor allem durch Wasserstoffbrücken gewährleistet. Einzelne Moleküle ordnen sich zumindest abschnittsweise sehr regelmäßig, kristallin an.
Wassergehalt Holz Lebendes Holz enthält durchschnittlich 50-60% Wasser, frisch gefälltes Holz ca. 45% und lufttrockenes Holz rd. 15% Wasser. Völlig getrocknetes Holz besteht maximal aus etwa 50% Cellulose. Die restlichen 50% sind Bindesubstanzen für die Cellulosefasern
Faserlängen, Faserdurchmesser, Cellulosegehalt Fichte 2,6 - 3,8 25 - 69 41 Kiefer 2,6 - 4,4 30 - 75 40 Tanne 2,5 - 4,5 30 - 70 39 Buche 0,7 - 1,7 15 - 29 38
schematischer Aufbau der Holzzellen 1. Mittellamelle 2. Primärwand 3. Sekundärwand 4. Tertiärwand 5. Lumen Als Lumen werden in der Anatomie/Biologie Zellhohlräume bezeichnet.
Funktion der Cellulose stellt im Papier vor allem die Funktion ”Zugfestigkeit” sicher. Sie quillt nur begrenzt und ist ebenfalls begrenzt in ihrem Bindungsvermögen zwischen Cellulose-Fasern. Sie ist nicht thermoplastisch. Die Moleküle sollten möglichst langkettig sein.
Funktion der Hemicellulose wasseraufnahme- und quellfähiger als Cellulose, hat unterstützende Wirkung bei Zerfaserung des Holzes. Bei völligem Fehlen erhält man saugfähige Papiere oder Vliese. Zu hoher Gehalt führt zu Rückgang der Opazität und Verringerung der Fortreißfestigkeit.
Funktion des Lignins amorph, nimmt in der Pflanze als Matrixwerkstoff zwischen den Fasern eine aussteifende Funktion wahr. Führt im Papier zu Erhöhung der Vergilbungsneigung, jedoch auch zu Klang, Härte und Steifigkeit.
Holzstoff Oberbegriff für mit mechanischen Mitteln zerfaserten Faserstoff aus Holz. Klassisch mit Hilfe von Steinschleifern gewonnen trägt er die Bezeichnung Holzschliff. Im Refinerverfahren mit Mahlplatten zerfasert wird er Holzstoff genannt.
Steinschliffverfahren Rohstoff Holzprügel von 1-1,4m Länge und 8-30cm Durchmesser, werden zu Fasern zerschliffen, Schleifstein enthält als Schleifmittel Quarz, Aluminiumoxid oder Siliziumcarbid, Fasern werden aus dem Verband von Lignin und Hemicellulose herausgerissen.
Drei gängige Schleifverfahren Steinschleifverfahren SGW: Stone Groundwood Thermoschliffverfahren TGW: Thermo Groundwood (Atmosphärendruck, 100°C) Druckschliffverfahren PGW: Pressurized Groundwood (120°C, Überdruck)
Maschinenbauarten für Steinschliffverfahren • Stetigschleifer, • Pressenschleifer, • Magazinschleifer, • Ringschleifer
Prinzip Stetigschleifer hat über dem Schleifstein einen senkrechten Schacht, der seitlich durch permanent in Richtung Schleifstein bewegte Förder-/Greiferketten begrenzt wird. Diese pressen das Holz gegen den Stein.
Prinzip Pressenschleifer hat zwei oder mehrere Preßkästen, in denen die Holzprügel periodisch nachgefüllt und der Transport in Richtung, bzw. die Zustellung gegen den Schleifstein mittels Hydraulikstempel erfolgt.
Prinzip Magazinschleifer preßt wie der Pressenschleifer über hydraulische Stempel das Holz gegen den Schleifstein, jedoch ist der Raum zwischen Presse und Scheibe nach oben (zum Magazin) teilweise geöffnet.
Prinzip Ringschleifer rotiert exzentrisch innerhalb einer Trommel ein Schleifstein. Greifer auf einem Vorschubring an der Trommelinnenwand transportieren die Holzprügel in den sich keilförmig verjüngenden Raum zwischen Schleifscheibe und Trommel.
Refinerverfahren Mahlgerät, das in zwei Funktionen unter dieser Bezeichnung verwendet wird. In der Papierfabrik zur Aufbereitung bzw. Mahlung von Faserstoffsuspensionen verwendet, interessiert uns hier der Refiner zur Erzeugung von Holzstoff.
Aufbau Refiner besteht aus zwei gegeneinander rotierenden Mahl- oder Schleifscheiben (eine rotierend, eine fest). Der Refiner benötigt Hackschnitzel von ca. 40-60 mm Länge und 10 mm Dicke. Sie werden zwischen den rotierenden Refinerplatten zerfasert.
Drei Refinerverfahren RMP: Refiner Mechanical Pulp TMP: Thermo Mechanical Pulp CTMP: Chemical Thermo Mechanical Pulp
Refiner Mechanical Pulp (RMP) Refinerholzstoff, der mit dem Refiner ohne weitere Vorbehandlung der Schnitzel hergestellt wird
Thermo Mechanical Pulp (TMP) Vorgewärmte Hackschnitzel werden bei Temperaturen um 130°C zerfasert. Diese Verfahrensart ist im Vergleich zum RMP-Stoff schonender und liefert einen größeren Anteil längerer Fasern.
Chemical Thermo Mechanical Pulp (CTMP) Wie TMP, jedoch unter zusätzlicher Chemikalienzugabe mit dem Ziel, eine noch bessere Aufweichung des Lignins zu erzielen.
Refinerverfahren vs. Steinschliffverfahren Refinerverfahren geht schonender mit den Fasern um und ergibt Holzstoffe höherer Festigkeit. Dafür ist Steinschliff günstiger in Bezug auf den Energieverbrauch, liegt je nach Verfahren bei 1.5–3 kWh pro kg.
Ausbeute aus 100kg Holz Aus 100 kg Holz lassen sich 90 - 98 kg Holzstoff gewinnen, dagegen nur etwa 50% Zellstoff.
Vorteile von Holzstoff Überlegen hinsichtlich Ausbeute, Opazität, Kompressibilität und Dimensionsstabilität. Nachteilig ist seine geringere Festigkeit und die durch das Lignin bedingte Vergilbungsneigung.
Zellstoff das auf chemischem Wege aus Holz oder anderen Pflanzen durch Kochen gewonnene Fasermaterial. Sein Hauptbestandteil ist Cellulose. Daneben finden sich mit wechselnden Anteilen Hemicellulose, Harze und Lignin darin.
Ziel des Kochprozesses Lignin aus dem Holz zu lösen
Kochprozesse Sulfitverfahren und Sulfatverfahren
Sulfitverfahren saures Aufschlußverfahren, wäßrige Lösung von Calciumhydrogensulfit, Calciumbisulfit und Schwefeldioxid. Hackschnitzel kochen 7-10h bei 125-130°C leichter bleichbar, aber von geringerer Festigkeit, Kocher (60-300 m3), ungeeignet für Kiefernholz
Sulfatverfahren basisches Aufschlußverfahren, wäßrige Lösung von Natronlauge, Natriumsulfid Na2S, Natriumsulfat entsteht, Kocher aus Eisen, Schwefelgeruch
Alternativen zur Zellstoffgewinnung ASAM-Verfahren (Antrachinon+Methanol, 180°C, 12bar) Organosolv-Verfahren (Methanol+Natronlauge, 165°C, 13bar, besonders rein)
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