Interaction between cationic starch and other polyelectrolytes in fiber suspension and the influence onto the paper properties

Die Vielseitigkeit von Papierprodukten gründet sich darauf, dass bei der Herstellung eine große Variation an Rohstoffen und polymeren Additiven verwendet wird. Additive auf Stärkebasis spie-len dabei als Trockenverfestiger und Retentionsmittel eine wichtige Rolle. Durch die Verringerung des Frischwasserverbrauchs und die ansteigende Verwendung von Altpapierfaserstoffen im Papierherstellungsprozess reichern sich Störstoffe im Prozesswasser an und das häufige Recyceln führt zu einer Verschlechterung des Festigkeitspotentials der Faserstoffe. Der Einsatz kationischer Stärke muss daher auf die verwendeten Rohstoffe, die Wasserqualität und die Prozessführung abgestimmt werden, um die angestrebten Papierfestigkeiten zu erreichen. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit den wechselseitigen Beeinflussungen von kationischen Stärkederivaten und synthetischen Polykationen bei der Adsorption an Faserstoffen. Un-tersuchungen bezüglich der Wechselwirkungen zwischen kationischen Stärken und anionischen Störstoffen sind ebenfalls Gegenstand der Arbeit. Der Einfluss von Stärkeparametern (Stärkeart, DS-Wert und Amylosegehalt), der Konstitution des synthetischen Polykations, von Prozesspara-metern (Adsorptionszeit und Dosierreihenfolge) sowie von Faserstoffart und Elektrolytgehalt des Prozesswassers wurden untersucht. Es wurde festgestellt, dass die Adsorption von kationischen Stärken an Füllstoffen trotz erhöhtem Elektrolytgehalt im Wasser anstieg. Synthetische Polykationen hatten einen negativen Einfluss auf die Stärkeadsorption und auf die Papierfestigkeit. Je höher die Ladungsdichte des synthetischen Polykations war, desto niedriger waren die adsorbierten Stärkemengen. Die Dosierreihenfolge der Additive beeinflusste die Stärkeadsorption ebenfalls signifikant. Die Zugabe der Stärke vor den synthetischen Polykationen reduzierte den negativen Einfluss auf die Stärkeadsorption und Papierfestigkeit. Beim Vergleich des Adsorptionsverhaltens der verwendeten Stärken wurde deutlich, dass mit Kartoffelstärke (DS=0.065) höhere Adsorptionsmengen erreicht wurden als mit allen anderen kationischen Stärken. Dieses Verhalten war unabhängig vom synthetischen Polykation, vom Faserstoff und von der Wasserqualität zu beobachten. Eine Korrelation zwischen adsorbierter Stärkemenge und resultierender Papierfestigkeit konnte nur begrenzt hergestellt werden. Die Zugabe von synthetischen Polykationen hatte jedoch einen signifikanten Einfluss auf die Füllstoffretention, den Formationsindex und die Entwässerung. Mittels Transmissionsmessungen, Partikelgrößenanalytik und mikroskopischen Aufnahmen wurde die Polyelektrolytkomplexbildung sowie die Aggregation zu makroskopischen Flocken infolge der Wechselwirkungen zwischen kationischen Stärken und anionischen Modellstörstoffen untersucht. Die Entwicklung der Trübung war zeitabhängig und wurde signifikant vom anwesenden Störstoff beeinflusst. Der Trübungswert der Lösung korrelierte mit der Größe, Menge und Ladung der gebildeten Flocken. Der maximale Trübungswert wurde bei neutralen Polyelektrolytkomplexen erreicht. Die Anwesenheit von anionischen Störstoffen steigerte den Aschegehalt und die Festigkeiten von Laborblättern. Die Praxisrelevanz der ermittelten Zusammenhänge konnte an ausgewählten Dosierempfehlungen im Technikumsversuch größtenteils bestätigt werden.
The versatility of paper products is due to the usage of various raw materials and polymeric addi-tives. Additives based on modified starches play an important rule as a dry strength or retention aid. The decrease of fresh water wastage and the increasing usage of recycled paper in the paper production cause trash compound concentration and every recycling step results in a degradation of paper strength. The dosage of cationic starch has to be fine tuned relating to the used fiber, the water quality and the production process in order to achieve the desired paper properties. This work deals with the interaction between cationic starches and synthetic polycations regard-ing to their adsorption behaviour on cellulosic fibers. Investigations about the interaction be-tween cationic starches and anionic trash compounds are also included. The influences of starch parameters (starch origin, degree of substitution and amylose content), the constitution of syn-thetic polycation, the process parameters (adsorption time and dosage order), the fiber origin and water quality were also investigated. It has been found out, that the adsorbed amounts of cationic starch onto fillers increased alt-hough the amount of electrolytes in the water rose. Synthetic polycations had a negative influ-ence on the starch adsorption and the paper strength. The higher cationic charge of the synthetic polycation the less starch adsorption was found. The dosage order also impacted the starch adsorption significantly. The application of cationic starch before the synthetic polycation re-duced the negative influence on the starch adsorption and paper strength. Comparing all the used starches it has been found out, that cationic potato starch (DS=0.065) was less influenced by synthetic polycations than all other cationic starches. This dependency was discovered independ-ent to the used synthetic polycation, the fiber type and the water quality. A Correlation between adsorbed starch amount and resulting paper strength could not be estab-lished in all experiments. The application of synthetic polycation had a significant influence on the filler retention, the formation of the paper and the drainage rate. With transmission measurements, particle analysis and microscopic viewing it was possible to characterize the PEC and floc formation because of the interaction of cationic starches and anionic trash compounds. The development of the turbidity in solution was time dependent and was controlled by the trash compound. The value of turbidity correlated with the size, the amount and the charge of the flocs. The maximum of turbidity was achieved with neutral polyelectrolyte complexes. The attendance of anionic trash compounds increased the filler retention and paper strength of laboratory sheets. The relevancy for practice of the results was tested and mostly confirmed on a pilot plant paper machine.