Kreplin, Frederic ; Putz, Hans-Joachim
Hrsg.: Schabel, Samuel ; Fachgebiet Papierfabrikation und Mechanische Verfahrenstechnik (PMV) (2020)
Ermittlung der Eigenschaftsänderungen von Wellpappe beim mehrfachen Recycling und Abschätzung der maximal möglichen Umläufe.
doi: 10.25534/tuprints-00012681
Report, Erstveröffentlichung

Kurzbeschreibung (Abstract)

Altpapier ist mit 74,5 % der eingesetzten Faserstoffe die mit Abstand wichtigste Rohstoffquelle der deutschen Papierindustrie. Im Teilbereich der Verpackungspapiere liegt die Altpapiereinsatzquote aktuell sogar bei 108 %, sodass Altpapier für diesen Bereich ein essentieller Rohstoff ist. In den Statistiken der letzten 15 Jahren bestätigt sich der Trend, dass die Produktion von grafischen Papieren immer weiter zurückgeht, während die Produktion von Verpackungspapieren stetig ansteigt. Dies hat im Recyclingsystem zur Folge, dass immer weniger frische Fasern aus dem grafischen Bereich in die Verpackungspapiere eingetragen werden. Die häufig postulierte Aussage, dass Fasern lediglich 5 bis 7 Mal rezykliert werden könnten, würde langfristig zu einem Kollaps des Recyclingsystems führen, da zu wenige Frischfasern eingetragen würden. Das Mehrfachrecycling von Fasermaterialien für die Papierproduktion wurde bereits in der Vergangenheit wissenschaftlich untersucht. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen beziehen sich auf verschiedenste Ausgangmaterialien (Zell- und Holzstoffe) und Prozessschritte beim Recycling und deren Auswirkungen auf das Fasermaterial. In keiner dieser Untersuchungen ist eine Aussage zur limitierten Lebensdauer von Fasern zu finden. Die Untersuchungen wurden in der Regel nach unterschiedlich vielen Recyclingzyklen abgebrochen, weil nicht mehr ausreichend Material zur Verfügung stand, um weitere Zyklen durchzuführen. Die Auswirkungen des Recyclings auf die Fasern müssen differenziert betrachtet werden, da sie je nach Faserart und Verfahrensschritten unterschiedlich stark ausfallen. Untersuchungen zum Mehrfachrecycling im Bereich der Wellpappenrohpapiere sind selten. Zudem wurden Aspekte der Produktion von Wellpappe und der Einfluss der Stärke zur Verklebung der Wellpappe und zur Steigerung der Papierfestigkeit, z. B. durch Leimpressenapplikation, bisher nicht detailliert betrachtet. Daher wird in diesem Projekt zunächst im ersten Arbeitspaket das Mehrfachrecycling von 5 Wellpappenrohpapieren bestehend aus Kraftliner, NSSC-Fluting, Testliner 2 bzw. 3 und Wellenstoff sowie einer Mischung aus 20 % Kraftliner, 40 % Testliner 3 und 40 % Wellenstoff untersucht. Die Mischung stellt dabei die repräsentative prozentuale Einsatzmenge der Papiere für die deutsche Wellpappenproduktion im Jahr 2018 nach. Im zweiten Arbeitspaket werden Zerfaserungsbedingungen und die Applikation von Stärke untersucht. Arbeitspaket drei befasst sich mit den Einflüssen der Wellpappenherstellung auf das Recyclingpotential der Fasern. Die Erkenntnisse der Laboruntersuchungen in den Arbeitspaketen 1 bis 3 werden im vierten Arbeitspaket im Pilotmaßstab überprüft. Abschließend findet eine Modellierung des Mehrfachrecyclings im letzten Arbeitspaket statt. Die Ergebnisse des Mehrfachrecyclings im ersten Arbeitspaket zeigen keine Verschlechterung der mechanischen Prüfergebnisse für die einzelnen Wellpappenrohpapiere. Vielmehr steigen die Festigkeitskennwerte durch den Verlust der Füllstoffe im Verlauf des Mehrfachrecyclings an. Die Retention der Füllstoffe ist bei der Versuchsreihe der Wellpappenrohpapier-Mischung durch eine veränderte Prozessführung verbessert worden, wodurch die Festigkeitskennwerte in den 25 Recyclingzyklen leicht zurückgehen. Die Füllstoffmenge im Papier ist somit ein wichtiger Hebel für die Festigkeitseigenschaften von Recyclingpapier. Die Applikation von Stärke in Arbeitspaket 2 steigert wie erwartet die Festigkeit der Papiere auf ein höheres Niveau. Der Verlauf der Messdaten mit Stärkeapplikation ähnelt dem Verlauf der Messdaten ohne Stärkeapplikation. Der Stärkeeintrag verbessert die Füllstoffretention, sodass der Kurvenverlauf mit Stärkeapplikation eine etwas geringere Zunahme im Mehrfachrecycling zeigt als die Laborversuche ohne Stärkeapplikation. Durch die Produktion von Wellpappe (Arbeitspaket 3) kann ebenfalls kein negativer Einfluss auf die Festigkeitskennwerte identifiziert werden. Die Fasern werden durch die Verarbeitung zu Wellpappe nicht gekürzt, jedoch wird die mittlere Faserbreite reduziert. Die Erkenntnisse der Laborversuche der vorherigen Arbeitspakete können in Arbeitspaket 4 im Pilotmaßstab bestätigt werden. Nachdem die Füllstoffverluste der ersten 15 Recyclingzyklen im 16. Zyklus kompensiert wurden, zeigt sich, dass das Papier auch nach 16 Recyclingzyklen mit einem vergleichbaren Füllstoffgehalt wie das Ausgangsmaterial (Zyklus 1) ähnliche Festigkeitskennwerte aufweist. Die Modellierung des Mehrfachrecyclings stellt eine besondere Herausforderung dar. Durch die fehlende Kenntnis der Altersstruktur und Faserzusammensetzung der untersuchten Recyclingpapiere ist es nicht möglich eine detaillierte Modellierung des Mehrfachrecyclings durchzuführen. Anhand der Laboruntersuchungen kann der Einfluss der Mineralienverluste nicht eindeutig abgebildet werden, sodass auch die Mischungsregel wegen stark unterschiedlicher Mineraliengehalte nicht überprüft werden kann. Es bleibt anzumerken, dass in diesen Laboruntersuchungen Prozessschritte der Altpapieraufbereitung, wie Drucksortierung, Cleanerreinigung, Dispergierung oder Mahlung des Faserstoffs, ausgelassen werden mussten, um einerseits Faserverluste zu minimieren. Andererseits können diese Prozessschritte im Labormaßstab nicht oder nur mit sehr hohem Aufwand nachgestellt werden, so dass deren Einfluss in den Untersuchungsergebnissen nicht berücksichtigt ist. Allerdings ist zu erwarten, dass der Einfluss dieser unberücksichtigten Prozessschritte auf das Recyclingpotential der Fasern gering ist. Die Prozessschritte mit dem größten Energieeintrag in das Fasermaterial sind in diesen Untersuchungen berücksichtigt. Unberücksichtigt bleibt des Weiteren die Nutzung der Verpackungen und der Einfluss der Umwelteinwirkungen auf das Recyclingpotential des Materials. Dies könnte nur an realem Altpapier untersucht werden. Mehrfachrecyclingversuche im industriellen Maßstab mit realem Altpapier würden diese unberücksichtigten Einflüsse abdecken, könnten jedoch keine Auskunft über maximal mögliche Faserzyklen liefern, wären zudem extrem aufwändig und vermutlich durch den Einfluss weiterer Additive zur Herstellung von Papierprodukten überlagert. Nichtsdestotrotz konnte im Labor- und Pilotmaßstab gezeigt werden, dass das Fasermaterial deutlich häufiger als die postulierten 5 bis 7 Mal rezykliert werden kann, ohne signifikant an Qualität zu verlieren oder gar unbrauchbar zu werden. Nach bis zu 25 Recyclingzyklen im Labormaßstab bzw. 16 Zyklen im Pilotmaßstab ist das Fasermaterial weiterhin geeignet, um daraus qualitativ nahezu gleichwertiges Recyclingpapier herzustellen. Die Anzahl der Recyclingzyklen ergibt sich nicht aus der Qualität des Fasermaterials, sondern aus den Füllstoff- und Faserverlusten während der Untersuchungen. Es ist somit nicht möglich, pauschal eine maximale Anzahl der Recyclingzyklen anzugeben. Ein Kollaps des Recyclingsystems im Bereich der Verpackungspapiere wegen zu häufig rezyklierten Fasern ist aus den Erkenntnissen der Labor- und Pilotuntersuchungen nicht zu erwarten. Vielmehr entstehen Schwierigkeiten für das Recyclingsystem im Bereich der Verpackungen durch ungeeignetes Verpackungsdesign und der Verwendung ungeeigneter Materialien für das Papierrecycling, die bei der Altpapieraufbereitung zu Problemen und/oder hohen Verlusten führen. Somit ist die Zusammenarbeit aller Beteiligten des Papierkreislaufs, von der Papierherstellung und -verarbeitung bis hin zu Produzenten von Chemikalien, Klebstoffen und Beschichtungsmaterialien sowie den Nutzern der Verpackungen, den Beteiligten bei Altpapiererfassung und -sortierung enorm wichtig, um das Fasermaterial möglichst lange im Recyclingsystem zu halten und vermeidbare Stoffverluste zu minimieren.

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