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Main Title: Untersuchung der Wechselwirkung kationischer Stärkederivate mit einem Cellulosefaserstoff
Translated Title: Investigation of the Interaction of Cationic Starch Derivatives with Cellulose Fibres
Author(s): Ulbrich, Marco
Advisor(s): Senge, Bernhard
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät III - Prozesswissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: German
Language Code: de
Abstract: Bei der industriellen Papierherstellung wird im wet end kationische Stärke in wässriger Lösung zur Erhöhung der Trockenfestigkeit eingesetzt, wobei die kationische Stärke adsorptiv am negativ geladenen Cellulosefaserstoff fixiert sein muss. Die elektrostatische Wechselwirkung zwischen Stärkepolysacchariden und Faserstoff wird sowohl durch molekulare Parameter des Stärkederivates als auch durch Verfahrens- und Stoffparameter komplex beeinflusst. Dies hat Auswirkung auf das Festigkeitspotential des eingesetzten Stärkeproduktes. Die vorliegende Arbeit geht auf das Wechselwirkungsverhalten kationischer Massestärke (adsorbierte Menge und molekulare Zusammensetzung) mit einem Papierfaserstoff und eine mögliche Korrelation zu resultierender Papierfestigkeit ein. Die Einflussfaktoren mittlere Molmasse, Amylosegehalt, Substitutionsgrad (DS) und massenspezifische Substituentenverteilung (SV) des Stärkeproduktes sowie initiale Stärkekonzentration, Kontaktzeit des Stärkederivates mit der Faser und Ionenmilieu in der Stärke-Faserstoffsuspension wurden untersucht. Es wurde eine Methode zur indirekten Charakterisierung der am Faserstoff adsorbierten Stärke mittels Gelpermeationschromatographie mit Vielwinkellaserlichtstreuung (GPC-MALLS) entwickelt. Dabei wurde die Verarmung der Polymersubstanz in der Lösung infolge der Adsorption qualitativ als auch quantitativ bestimmt. Somit waren Aussagen zur Menge und molekularen Zusammensetzung der adsorbierten Stärke möglich. Des Weiteren wurde eine Methode zur Bestimmung der SV an Amylopektin und Amylose mittels semipräparativer Fraktionierung und anschließender Polyelektrolyttitration ausgearbeitet. Durch gezielte Aufbereitung des Faserstoffes und die Anwendung von Stärkelösungen mit sehr guten Lösungszuständen konnten für die Adsorption Daten mit sehr guter Reproduzierbarkeit erhalten werden, die statistisch ausgewertet wurden. Es konnte keine eindeutige Korrelation von molekularen Eigenschaften kationischer Stärkeprodukte aus unterschiedlichen Herstellungsverfahren (Slurry-, Semi-Trocken-, Kleister- und Extruderderivate) auf Adsorption und Papierfestigkeit nachgewiesen werden. Vielmehr wurde ein wechselseitiger Einfluss der mittleren Molmasse, des DS und der verfahrensbedingten SV vermutet. Alle weiteren Einflüsse wurden anhand von Slurryderivaten untersucht. Der Amylosegehalt der Stärkebasis hatte schon bei geringer Ionenkonzentration keinen Einfluss auf die Adsorption. Extrem hoher Amylose- oder Amylopektingehalt verringerte vergleichsweise die Papierfestigkeit. Der Einfluss des DS-Wertes auf die Adsorption war stark abhängig vom Elektrolygehalt in der Stärke-Faserstoffsuspension. Aufgrund der höheren spezifischen Substitution des Amylopektins durch Slurryderivatisierung sank mit steigendem DS die Adsorption in Reinstwasser vor allem durch verminderte Amylopektinadsorption, bei höherem Salzgehalt hingegen stieg sie durch etwas vermehrte Amyloseadsorption. Die adsorbierte Menge Stärke konnte sehr gut mit resultierender Papierfestigkeit korreliert werden. Die molekulare Zusammensetzung der adsorbierten Stärke wurde durch das Ionenmilieu beeinflusst. Verhältnismäßig hohe Amylopektinadsorption bzw. hohe Amyloseadsorption führten zu einer deutlichen Senkung der Papierfestigkeit im Vergleich zu adsorbierter Stärke mit einem Amylopektin/Amyloseverhältnis von etwa 40/60 bis 60/40. Steigende initiale Stärkekonzentration und steigende Kontaktzeit bewirkten generell eine Erhöhung der Stärkeadsorption. Es konnten Abhängigkeiten der Stärkeadsorption von den untersuchten Parametern ermittelt werden. Zwischen der Adsorption kationischer Stärkederivate am Faserstoff und resultierender Papierfestigkeit wurde eine Korrelation nachgewiesen.
In industrial papermaking process, cationic starch in aqueous solution is used in the wet end to improve the dry strength, whereas the starch has to be fixed by adsorption on the negatively charged cellulose pulp. The electrostatic interaction between the starch polysaccharides and the pulp is extensively influenced by molecular starch parameters, process parameters and pulp characteristics. This affects the strength potential of the employed starch product. The present work deals with the interaction behaviour of cationic wet end starch (the adsorbed amount and the molecular composition) with a pulp and a possible correlation to resulting paper strength. The influencing variables of the starch product average molecular weight, amylose content, degree of substitution (DS) and the distribution of the cationic substituents as well as initial starch concentration, retention time of the starch and the electrolyte content in the pulp suspension were investigated. A method was developed for the indirect characterisation of the adsorbed starch on the pulp by means of size exclusion chromatography-multi angle laser light scattering (SEC-MALLS). Thereby the depletion of the starch polysaccharides in the starch-pulp suspension due to adsorption was measured quantitatively as well as qualitatively to get information about amount and molecular composition of the adsorbed starch. Furthermore a method was developed for the determination of the specific distribution of the cationic substituents on amylopectin and amylose by means of semi-preparative fractionation and following polyelectrolyte titration. By special preparation of the pulp and the use of starch solutions with a very good solution state adsorption data of good reproducibility were obtained, which were evaluated statistically. No correlation was found between molecular characteristics of cationic starch products prepared by different derivatisation processes (slurry, semi-dry, paste and extruder process) and starch adsorption and resulting paper strength. In fact it was supposed an interacting impact/influence of the average molar mass, the DS and the specific substitution due to the derivatisation process. All other influences were investigated with derivatives from the slurry process. The influence of amylose content of the starch on the adsorption disappeared already at low ionic strength. Extremely high amylose or amylopectin content decreased the resulting paper strength comparatively. The influence of the DS on starch adsorption was strongly dependent on electrolyte content in the starch pulp suspension. Because of the higher specific substitution of the amylopectin fraction by the slurry process, the adsorption in deionised water decreased with increasing DS by decreased amylopectin adsorption. At higher salt content starch adsorption increased with increasing DS due to slightly enhanced amylose adsorption. The adsorbed amount of cationic starch showed good correlation to resulting paper strength. The molecular composition of the adsorbed cationic starch was clearly influenced by the ionic milieu in the starch pulp suspension. Relatively high amylopectin adsorption respectively high amylose adsorption lead to significant decrease of the paper strength in comparison to adsorbed starch with a amylopection/amylose ratio of about 40/60 to 60/40. Increasing initial starch concentration or increasing retention time generally enhanced the starch adsorption. Some dependencies between the starch adsorption and the investigated parameters could be shown. In general a good correlation between adsorption of cationic starch derivatives and resulting paper strength could be demonstrated.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-17279
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/2041
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1744
Exam Date: 14-Dec-2007
Issue Date: 4-Jan-2008
Date Available: 4-Jan-2008
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): Adsorption
GPC-MALLS
Kationische Stärke
Semipräparative Fraktionierung
Substituentenverteilung
Adsorption
Cationic starch
Distribution of substituents
SEC-MALLS
Semipreparative fractionation
Usage rights: Terms of German Copyright Law
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