Papier-, karton- oder pappenartiger Werkstoff

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft einen papier, karton- oder pappenartigen Werkstoff hergestellt durch Blattbildung aus einer wässrigen faserhaltigen Stoffaufschlämmung und Entwässerung der Stoffaufschlämmung auf einem Sieb mit anschließender Trocknung, wobei die Gefügefestigkeit eines Blattes abhängig ist von Wasserstoffbrücken, die sich bei der Entwässerung zwischen den einzelnen Fasern bilden.

[0002] Die Bedeutung von anorganischen Füllstoffen im Hinblick auf bestimmte Papier-, Karton- und Pappenqualitäten,wie z.B. Weißgrad, Glätte, Opazität und Bedruckbarkeit sind bekannt.

[0003] Die Gefügefestigkeit von papier-, karton- oder pappenartigen Werkstoffen ist bekanntlich abhängig von der Anzahl der Wasserstoffbrücken zwischen den faserartigen Trägermaterialien des Werkstoffes, die sich beim Entwässern der Stoffaufschlämmung bilden. Dabei verringert sich allerdings die Gefügefestigkeit des Werkstoffes mit steigendem Füllstoffgehalt, da die herkömmlichen anorganischen Füllstoffe die Ausbildung von Wasserstoffbrücken zwischen den Fasern blockieren oder behindern.

[0004] Bei herkömmlichen, leicht brennbaren papier-, karton- und pappenartigen Werkstoffen mit Cellulosefasern als Trägermaterial bilden sich Wasserstoffbrücken zwischen HydroxylGruppen an den Oberflächen der Cellulosefasern aus. Zwischen anorganischen Fasern bilden sich dagegen keine Wasserstoffbrücken aus. Es sind daher Festigkeits- und/

[0005] oder Vernetzungshilfsmittel (organische Polyelekrolyte) notwendig, die sich wenigstens stellweise adsorptiv an den anorganischen Faseroberflächen anlagern, um dadurch gecoatete, aktivierte Faserstellen zu bilden, zwischen denen sich bei der Entwässerung der Stoffaufschlämmung zur Bindung der anorganischen Fasern, vergleichbar wie bei den Cellulosefasern, Wasserstoffbrücken ausbilden.

[0006] Aufgabe der Erfindung ist es, einen papier-, karton- oder pappenartigen Werkstoff anzugeben, dessen Qualität durch einen Füllstoff einstellbar ist, der aufgrund seiner besonderen Eigenschaften die Gefügefestigkeit des blattförmigen Werkstoffes weder blockiert noch behindert, sondern im Gegenteil zu den bekannten Füllstoffen die Gefügefestigkeit unterstützt oder positiv beeinflußt.

[0007] Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß als Füllstoff mit Wasserstoffbrückenbindungsfähigkeit, kristallines Calciumsilikat verschiedener Hydratisationsstufen vorgesehen ist, das zur Unterstützung der Gefügefestigkeit des Blattes in die Wasserstoffbrücken zwischen den Fasern eingebunden ist.

[0008] Vorteilhafte Ausführungen ergeben sich aus den Merkmalen der Unteransprüche.

[0009] Der erfindungsgemäße Füllstoff weist damit eine besondere Affinität zu organischen Fasern und zu gecoateten, aktivierten anorganischen Fasern mit Wasserstoffbrückenbindungsfähigkeit auf und unterscheidet sich damit wesentlich von herkömmlichen Füllstoffen, wie z.B. Talkum, Kaolin, Gips, Schwerspat, Kreide, Magnesit, Dolomit, Titanweiß, Zinkspat und Zinkweiß.

[0010] Besonders vorteilhaft ist es, wenn ein nadelförmig kristallisiertes Calciumhydrosilikat verwendet wird, das Xonotlit-

[0011] Struktur besitzt. Solche Calciumhydrosilikate lassen sich vorteilhafterweise synthetisch im Hydrothermalprozeß hergestellten und besitzten im wesentlichen die Formel 6Ca0.6SiO₂ x H₂0 bzw. Ca₆ [(OH)₂Si₆O₁₇] ^nH₂^0. So läßt sich Calciumhydrosilikat bekanntlich durch eine Direkt-Synthese aus Kalk und Kieselsäure unter bestimmten Mineralisationsbedingungen durch Fällungsprozesse oder aus Kalk und Quarzsand mit Wasser unter Druck bei hohen Temperaturen herstellen, wobei die Mengenverhältnisse gemäß dem gewünschten Endprodukt variiert werden können und dabei auch verschiedene Hydratisationsstufen verzielt werden können, um Restfeuchtigkeiten von 2 bis etwa 50 Gew.-% sicherstellen zu können. Unterschiedliche Restfeuchtigkeiten der kristallinen synthetischen Calciumhydrosilikate werden bei der Herstellung durch verschiedene Hydratisationsstufen erhalten.

[0012] Überraschenderweise zeigte es sich, daß ein Xonotlitmit einer minimalen Restfeuchte etwa entsprechend der Formel 6Ca0 · 6SiO₂ H₂0 bzw. CaO . SiO₂ 0,2H₂0 keine Wasserstoffbrückenbindungsfähigkeit besitzt. Das hängt wahrscheinlich damit zusammen, daß an der Oberfläche der XonotlitKristalle weitgehend Siloxangruppen und nur vereinzelte Silanolgruppen vorhanden sind. Je höher der Wassergehalt des synthetischen Xonotlits ist um so größer ist jedoch der'Anteil der Silanolgruppen, die sich an den Xonotlit-Kristalloberflächen ausbilden können und die befähigt sind, Wasserstoffbrücken zu binden.

[0013] Erfinderseits wurde also besonders erkannt, daß solche synthetischen kristallinen Calciumsilikate verschiedener Hydratisationsstufen bevorzugt als Füllstoffe mit Wasserstoffbrückenbindungsfähigkeit im aufgabengemäßen Sinne verwendbar sind, die eine relativ hohe Restfeuchtigkeit vorzugsweise von 2 Gew.-% bis etwa 50 Gew.-% H₂0 vorzugsweise um 40 bis 50 Gew.-% H₂0 besitzen.

[0014] Xonotlitische Calciumhydrosilikate besitzen eine hohe spezifische Oberfläche und enthalten weniger als 1% an freier kristalliner Kieselsäure.

[0015] Auch unter definierten Trocknungsbedingungen lassen sich kristalline Calciumhydrosilikate mit Restfeuchten von 2 Gew.-% bis etwa 50 Gew.-% einstellen. Mittels Differentialthermoanalyse und Differntialthermogravimetrie zeigen sich Veränderungen bei xonotlitischen Calciumhydrosilikat im Temperaturbereich oberhalb 500°C, die durch Umwandlung von einer Xonotlit-Struktur zur Wollastonit-Struktur erklärt werden können.

[0016] Synthetische, kristalline Calciumhydros-ilikate mit hohen Restfeuchtigkeiten besitzen kurze Alterungsfähigkeit bei Zutritt von Luft. Das hängt wahrscheinlich damit zusammen,' daß sich durch Zutritt von C0₂ aus der Luft an den Oberflächen der wasserreichen Calciumhydrosilikate Karbonate bilden, die die Wasserstoffbrückenbindungsfähigkeit vereiteln, also wahrscheinlich die vorhandenen Silanolgruppen blockieren. Es zeigte sich, daß ein Xonotlit mit einer Restfeuchte von etwa 42 % H₂0 seine guten Wasserstoffbrückenbindungsfähigkeit bei einer Lagerzeit von 1 Woche wesentlich eingebüßt hatte. Außer der oberflächlichen Karbonatisierung kann das auch damit zusammenhängen, daß bei einer längeren Lagerung von synthetischen kristallinem Calciumhydrosilikat mit hohem Wassergehalt, Wasser abgeschieden wird. Wichtig ist dabei, daß es sich um originäre Wassergehalte handelt. Xonotlit mit niedrigen Wassergehalten, der keine Wasserstoffbrückenbindungsfähigkeit besitzt, erhält diese nicht dadurch, daß man ihn in einer wässrigen Trübe ansetzt und dort längere Zeit rührt.

[0017] Die vorteilhaften Eigenschaften des erfindungsgemäßen Füllstoffes kommen auch dann wirksam zur Geltung, wenn die Fasern wenigstens teilweise aus synthetischen, im Hydrothermalprozeß hergestellten Magnesium-Aluminiumsilikatfäsern bestehen. Solche Silikatfasern können im Mittel aus 45% Si0₂, 20% Ca0, 15% Mg0, 12% A1203, 3% Na0, 5% Fe be- stehen und können eine Länge von 1 bis 5 mm bei einem mittleren Durchmesser von 3 bis 5µm aufweisen. Ein bekanntes Verfahren zur Herstellung solcher Silikatfasern ist in der DE-OS 28 29 692 offenbart.

[0018] Die anorganischen Fasern können mit Vorteil auch Glasfasern enthalten. Dabei können die Glasfasern eine Länge von 3 bis 12 mm und einen mittleren Durchmesser von 10 bis 14µm aufweisen. Vorzugsweise weisen die Glasfasern eine größere Länge auf als die im Hydrothermalprozeß hergestellten Magnesium-Aluminiumsilikatfasern.

[0019] Damit die anorganischen Fasern in der Lage sind, Wasserstoffbrücken zu binden, werden sie durch Zugabe von Festigkeits- und/oder Vernetzungshilfsmittel in Form von organischen Polyelektrolyten wenigstens stellenweise gecoatet und aktiviert.

[0020] Nach der Erfindung lassen sich damit vor allem auch nicht brennbare oder schwer entflammbare Papiere, Kartons und Pappen angeben bzw. herstellen, die ausschließlich oder überwiegend aus anorganischen Fasern und wenigstens einem anorganischen Füllstoff bestehen, der eine auffällige Affinität zu den aktivierten, gecoateten anorganischen Fasern aufweist und sich dabei - Dank seiner Fähigkeit, Wasserstoffbrücken zu binden - vorteilhafterweise in die Wasserstoffbrücken zwischen den aktivierten, anorganischen Fasern einbinden läßt und auch unter sich Wasserstoffbrücken bindet, um dadurch die Gefügefestigkeit zwischen den Fasern, den Fasern und den Füllstoffen und zwischen den Füllstoffen zu unterstützen oder wenigstens positiv zu beeinflußen. Nach der deutschen Industrienorm DIN 4102 "Brandverhalten von Baustoffen und Bauteilen", Ausgabe September 1977, sind Feuerwiderstandsklassen F30, F60 und F90 für Baustoffe der Klasse Al und A2 definiert. Die Erfindung umfaßt damit vor allem auch nicht brennbare oder schwer entflammbare Papiere, Kartons und Pappen, die wenigstens die F30-Bedingung für Baustoffe der Klasse Al und A2 erfüllen. Dabei lassen sich die erfindungsgemäßen Papiere, Kartons und Pappen falz- und rillfähig ausbilden, so daß sie zur Herstellung von brandsicheren-Verpackungen, wie Kartons und Schachteln, geeignet sind. Die Werkstoffe lassen sich mit jedem bekannten Verfahren bedrucken. Durch entsprechende Oberflächenbehandlung sind den erfindungsgemäßen Papieren, Kartons und Pappen hinsichtlich ihrer Verwendbarkeit vor allem auf dem Bausektor, einschließlich dem Studio- und Ausstellungsbau sowie für Displays praktisch keine Grenzen gesetzt. Dabei können die erfindungsgemäßen Papiere, Kartons und Pappen aus anorganischen Fasern oder überwiegend aus solchen Fasern vorteilhafterweise asbestfaserfrei sein.

[0021] Dank der hohen Restfeuchtigkeitsgehalte der erfindungsgemäß in nicht brennbaren oder schwer entflammbaren Papieren, Kartons und Pappen verwendeten Calciumhydrosilikat-Füllstoffe besitzen derartige Papier- oder Pappenwerkstoffe vorteilhafterweise eine überraschend hohe Wärmedämmfähigkeit, wenn sie - wie z.B. bei Bränden extrem hohen Temperaturen ausgesetzt werden. Das hängt wahrscheinlich damit zusammen, daß die erfindungsgemäßen Füllstoffe so lange eine hohe Wärmedämmfähigkeit besitzen, bis sie unter der Einwirkung hoher Temperaturen ihr gebundenes Wasser abgegeben haben und sich dabei wahrscheinlich mehr oder weniger von feiner -_XonotlitStruktur in eine Wollastonit-Struktur umgewandelt haben.

[0022] Erfindungsgemäß lassen sich besonders gute Ergebnisse erzielen, wenn das kristallisierte Calciumhydrosilikat ein Längen-/Breitenverhältnis von 10:1 bis 200:1 aufweist, wenn das kristallisierte Calciumhydrosilikat außerdem _XonotlitStruktur besitzt oder ein hydratisierter Wollastonit ist. Der nadelförmig kristallisierte Xonotlit oder bandförmig kristallisiertes Calciumhydrosilikat besitzt vorteilhafterweise auch ein Längen-/Breitenverhältnis von 100:1 bis 50:1 und weist Breitenabmessungen unter 1µm auf.

Ansprüche

1. Papier, karton- oder pappenartiger Werkstoff, hergestellt durch Blattbildung aus einer wässrigen faserhaltigen Stoffaufschlämmung und Entwässerung der Stoffaufschlämmung auf einem Sieb mit anschließender Trocknung, wobei die Gefügefestigkeit eines Blattes abhängig ist von Wasserstoffbrücken, die sich bei der Entwässerung zwischen den einzelnen Fasern bilden, dadurch gekennzeichnet, daß brücken als Füllstoff mit Wasserstoffbindungsfähigkeit kristallines Calciumsilikat verschiedener Hydratisationsstufen vorgesehen ist, das zur Unterstützung der Gefügefestigkeit des Blattes in die Wasserstoffbrücken zwischen den Fasern eingebunden ist.

2. Werkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das kristallisierte Calciumhydrosilikat ein hohes Längen-/ Breitenverhältnis sowie eine Breitenabmessung unter lgm besitzt.

3. Werkstoff nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das kristallisierte Calciumhydrosilikat ein Längen-/ Breitenverhältnis von 10:1 bis 200:1 aufweist.

4. Werkstoff nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß das kristallisierte Calciumhydrosilikat Xonotlit-Struktur besitzt.

5. Werkstoff nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Calciumhydrosilikat ein hydratisierter Wollastonit ist.

6. Werkstoff nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das nadelförmig kristallisierte Xonotlit oder bandförmig kristallisiertes Calciumhydrosilikat ein Längen-/Breitenverhältnis von 100:1 bis 50:1 und Breitenabmessungen unter 1µm aufweist.

7. Werkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Calciumhydrosilikat synthetisch im Hydrothermalprozeß hergestellt ist und im wesentlichen die Formel 6Ca0.6SiO₂ · nH₂O bzw. Ca₆ [(OH)₂Si₆O₁₇]·nH₂O ^be- sitzt, wobei die Restfeuchtigkeit 2 bis etwa 50 Gew.-% H₂0 vorzugsweise 35 bis 50 Gew.-% H₂0 beträgt.

8. Werkstoff nach Anspruch l,dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern wenigstens teilweise aus synthetischen, im Hydrothermalprozeß hergestellten Magnesium-Aluminiumsilikatfasern bestehen.

9. Werkstoff nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnesium-Aluminiumsilikatfasern im Mittel etwa aus 45% Si0₂, 20% CaO, 15 Mg0, 12% A1₂0₃, 3% Na0 und 5% Fe bestehen.

10. Werkstoff nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnesium-Aluminiumsilikatfasern eine Länge von 1 bis 5 mm bei einem mittleren Durchmesser von 3 bis 5µm aufweist.

11. Werkstoff nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Anteil der anorganischen Fasern aus Glasfasern besteht.

₁₂. Werkstoff nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Glasfasern eine Länge von 3 bis 12 mm, vorzugsweise 3 bis 6 mm und einen mittleren Durchmesser von 10 bis 14µm, vorzugsweise 12 bis 13µm aufweisen.