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Bentonit ist ein Ton, dessen Name auf den amerikanischen Geologen Knight zurückgeht. Um 1890 explorierte er in Wyoming ( USA ) in der Nähe von Fort Benton ein Tonvorkommen. Nach der Fundstätte wurde dieses Material ‚Bentonit’ genannt. Maßgebend für seine vielfältigen Eigenschaften ist das Tonmineral Montmorillonit, benannt nach seiner Lagerstätte bei Montmorillon in Südfrankreich. Bentonit ist die Bezeichnung für ein Industriemineral, das neben dem Hauptbestandteil Montmorillonit noch Begleitmineralien wie Quarz, Feldspat, Glimmer oder auch Calzit enthalten kann.

Bedeutsame Bentonitvorkommen findet man nicht nur in den Vereinigten Staaten, sondern nahezu auf der gesamten Welt. In Europa wird er rund um das Mittelmeer, zum Beispiel in Sardinien, Spanien, den griechischen Inseln, der Türkei und Marokko abgebaut. In Deutschland befinden sich wirtschaftlich interessante Bentonitvorkommen in Bayern rechts und links der Isar, in der Gegend von Mainburg, Moosburg und Landshut.

Die Bentonitproduktion im Jahre 2007 betrug in der USA 5.1 Millionen Tonnen, in China 3.1, Türkei und Griechenland jeweils 1 Million Tonnen.

Entstehung von Bentoniten – am Beispiel bayerischer Vorkommen

Die bayerischen Bentonite sind Verwitterungsprodukte saurer vulkanischer Glastuffe. Diese Glastuffe entstammen einer massiven vulkanischen Aktivität im Karpatenbogen vor etwa 14 Millionen Jahren. Die vulkanischen Aschen wurden durch Windverblasungen über eine Distanz von etwa 3.000 Kilometer nach Bayern transportiert. Hier bildeten die Ascheeinwehungen mehrere Meter dicke Ablagerungen in Flusssenken, die durch den Einfluss von Wasser schnell von Sand und Mergel überdeckt wurden.

durch geeignete hydrothermale Bedingungen, das heißt durch Einwirkung von Wasser und Temperatur, entstanden im Laufe der Zeit die

Bentonitlagerstätten.

Voraussetzung für eine erfolgreiche Bentonitgewinnung ist die Durchführung von Suchbohrungen, um den meist linsenförmig eingelagerten Bentonit zu finden. Abgebaut wird der Ton im Tagebau, die entstandenen Gruben werden später vollständig rekultiviert. Dabei wird die durch den Abbau beeinträchtigte Landschaft in den ursprünglichen Zustand zurückversetzt und dem Besitzer übergeben. Auf dem Gelände kann wieder Forst- oder Landwirtschaft betrieben werden.

 Modifikationen von Bentoniten

Montmorillonit  ist ein  kristallines, schichtförmig aufgebautes Aluminiumhydrosilikat (4SiO₂* Al₂O₃*H₂O+n*H₂O). Die Silikatlamellen bestehen aus drei Schichten mit einem SiO4-Tetraeder, einem Aluminiumoxidhydratoktaeder und wieder einem SiO4-Tetraeder. Der Kristall ist aus 15 bis 20 solcher Schichtlamellen aufgebaut. Durch Austausch von dreiwertigem Aluminium in der Oktaederschicht durch zweiwertige Ionen (z.B. Magnesium) besitzen die einzelnen Lamellen negative Überschussladung, die durch die Einlagerung austauschfähiger Kationen wie Kalzium – und / oder Natriumionen in der Zwischenschicht kompensiert wird. Durch chemische Nachbehandlung können die Eigenschaften des Montmorillonits verstärkt werden.

Beim Einsatz als Naturbentonit wird der grubenfeuchte Rohton mit 30 bis 40 Prozent Wasseranteil im Werk auf eine Restfeuchte von etwa zehn bis 15 Prozent heruntergetrocknet. In geeigneten Zerkleinerungsaggregaten werden Produkte mit definierter Korngröße hergestellt.

Für Anwendungen in der Lebensmittel-, Kosmetik- oder Tierfutterindustrie werden bevorzugt naturbelassene Bentonite verwendet.

Die alkalische Aktivierung beruht auf einer Ionenumtauschreaktion, bei der eingelagerte Erdalkali- durch Alkali-Ionen ersetzt werden. Diese Teilchen befinden sich an den Rändern und in den Zwischenschichten und haben bei Anwesenheit von Wasser das Bestreben, zu hydratisieren. Die Folge ist die Einlagerung von Wasser zwischen den Schichten und eine starke Erweiterung des Schichtabstands. Die innerkristalline Quellung ergibt eine  starke Erhöhung der inneren Oberfläche, woraus sich das hohe  Adsorptions- und Wasserrückhaltevermögen erklären lässt.

Alkalisch aktivierte Bentonite werden meist in vordispergierter, ausgequollener Form zum Einsatz gebracht, um eine größtmögliche Adsorptionswirkung zu erzielen.

Diese Produktgruppe zeichnet sich durch thixotropes Verhalten aus. Das heißt, Produkte, die diese Additive enthalten, gehen von dem gelförmigen in den flüssigen Zustand über, wenn sie geschüttelt oder gerührt werden. In Ruhe bildet sich der Gel- Zustand wieder aus.

Bei der sauren Aktivierung werden Bentonite mit Mineralsäuren (Salz- oder Schwefelsäure) behandelt, sodass die eingelagerten austauschfähigen Kationen durch Wasserstoffionen ersetzt werden. Außerdem werden die Aluminium- und Magnesiumionen  entsprechend den Reaktionsbedingungen aus der Oktaederschicht herausgelöst. Dabei bleibt voluminöse Kieselsäure zurück, die über SiO₄-Tetraeder mit dem noch nicht angegriffenen Montmorillonit verbunden ist. Die saure Behandlung führt zur Auflockerung des Kristallgefüges und einer starken Vergrößerung der spezifischen Oberfläche (m²\g). Nach der Dispergierung in Wasser bleibt das Kristallgefüge intakt, mit einer stabilen Porenstruktur und einem hohen Anteil an Makroporen.

Zur Herstellung organophiler Bentonite erfolgt eine Umsetzung mit quaternären Alkylammoniumverbindungen. Durch den Austausch der Zwischenschichtkationen entstehen Produkte, die bevorzugt zur Thixotropierung in organischen Lösungsmitteln sowie Ölen, Fetten, Salben und Kunststoffen zum Einsatz kommen. Durch die organische Modifizierung wird die Oberfläche des

Bentonits umgepolt. Die ursprünglich hydrophile Bentonitoberfläche wird hydrophobiert und erlaubt eine vollständige Dispergierung der Silikatplättchen in organischen Lösungsmitteln.

 Bentonit für die Anwendung in der Papierindustrie

 Kohlefreie Formularsätze enthalten Papierblätter mit unterschiedlicher Beschichtung: Das obere Blatt hat auf der Rückseite eine Geberschicht, das darunterliegen

de eine Nehmerschicht. Durch Druck auf das obere Blatt werden die Kapseln mit Farbstoffen auf der Rückseite zerstört. Die farblose Vorstufe wird von der saugfähigen Nehmerschicht adsorbiert. Der in der Nehmerschicht befindliche saure aktivierte Bentonit reagiert als Farbentwickler zu einer farbigen Endstufe.

Streichbentonite ergeben bereits bei kleinsten Auftragsmengen eine gute Abdeckung der Papieroberfläche. In den Streichformulierungen kann der Bindergehalt reduziert werden und die Produktion einer für verschiedene Druckverfahren geeigneten Papierqualität ist möglich.

Schnelllaufende Papiermaschinen benötigen Mikropartikelsysteme, um die gewünschten Parameter Retention, Entwässerung und Formation einstellen zu können. Alkalisch aktivierte Bentonite bieten hier in Kombination mit synthetischen und natürlichen Polymeren die gewünschte Lösung.

Bei der immer weiter gehenden Schließung der Wasserkreisläufe und verstärktem Eintrag von Störstoffen über die Rohstoffe wird Bentonit zur Passivierung von klebrigen Komponenten verwendet.

Bei der Peroxidbleiche werden Schwermetalle durch Bentonit gebunden und eine Zerstörung des Bleichmittels auf öko-logischem Wege verhindert.

Bentonit für die Anwendung in Waschmitteln

 Die außerordentlich weichen und dünnen Silikatplättchen werden auf der textilen Faseroberfläche angelagert und sorgen für einen Weichgriff der Wäsche. Sie bieten eine umweltfreundliche Alternative zu organischen Weichspülern. Bentonite in Agglomeratform werden als Trägermaterial für verschiedene Waschmitteladditive (optische Aufheller, Farbstoffe, Tenside) eingesetzt.

Bentonit für die Anwendung als Katzenstreu

 Katzenstreu besteht meist aus Tonmineralien (z.B. Bentonit), die durch die poröse Struktur sehr viel Feuchtigkeit aufnehmen. Klumpenbildende Katzenstreu hat den Vorteil, dass die Einstreu nach Benutzung durchsiebt  und dann gezielt entsorgt werden kann.

Bentonit für die Anwendung in der Eisenerzindustrie

In der Eisenerzindustrie wird Bentonit als Bindemittel bei der Erzpelletierung eingesetzt. Das Erz fällt bei der Aufbereitung sehr feinkörnig an und muss für die Weiterverarbeitung im Hochofen pelletisiert werden. Dies geschieht mithilfe eines Trommelprozesses unter Zugabe von Wasser und Bentonit.

Bentonit für die Anwendung in der Gießereiindustrie

Wer am Strand schon eine Sandburg gebaut hat weiß, dass sie in  sich zusammenfällt, wenn die Sonne den Sand trocknet. Bei der Zumischung von kleinen Mengen Bentonit bliebe die Burg erhalten, weil dieser Wasser bindet und die Flüssigkeit für ausreichenden Zusammenhalt der Sandkörner sorgt.

Um Gießereiformen aus Quarzsand und Wasser herzustellen, in die das flüssige Metall gegossen wird, muss der Mischung Bentonit zugegeben werden, der die Quarzkörner verklebt und gut einbindet. Hierdurch wird der Formsand ausreichend plastisch und erhält die erforderliche Stabilität gegenüber den glutflüssigen Metallen.

Bentonit für die Anwendung in der Bau- und Bohrindustrie

Bentonitsuspensionen haben die Aufgabe, Bohrlöcher zu stabilisieren und das Bohrgut zu transportieren. Diese Eigenschaft ermöglicht Arbeiten von der Kabelverlegung im Horizontal-bohrverfahren bis zum Bau von Verkehrstunneln.

Beim Bau von Schlitz- und Dichtwänden stützen Bentonitsuspensionen die ausgehobenen Schlitze und machen zusätzliche Verschalungen überflüssig.

Bentonit für die Anwendung Deponieabdichtung

Wenn Regen auf eine Deponie fällt, besteht die Gefahr, dass im Boden gelagerte Schadstoffe ins Grundwasser ausgewaschen werden.

Bentonit verhindert dies, indem er nach Kontakt mit Regenwasser aufquillt und dadurch eine wasserundurchlässige Schicht ausbildet. Diese Abdichtungen sind äußerst unempfindlich gegenüber Temperaturschwankungen. Es bilden sich keine Risse und Undichtigkeiten wie bei der Anwendung von Asphalt.

Bentonit für die Anwendung in Bleicherden

Zur Raffination von Speise- und Mineralölen, Fetten und Wachsen, kommen sauer aktivierte Bentonite (sogenannte Bleicherden) mit spezifischen Oberflächen von 200 – 400 m²\g zum Einsatz. Durch die Entfernung unerwünschter Begleitstoffe wie Farbstoffe und Oxidationsprodukte tritt neben einer Aufhellung auch eine Geschmacksstabilisierung ein

Bentonit für die Anwendung bei der Getränkebehandlung

Bentonit bindet Eiweiße und andere Verunreinigungen in Wein, Bier und Fruchtsäften. Der Fachmann spricht von Schönung, Stabilisierung und Klärung, wenn auf diese Weise die Halt-barkeit und Verträglichkeit verbessert werden. Nach der Klärung kann der Bentonit rückstandslos aus der Flüssigkeit entfernt werden und ist somit kein Zusatzstoff.

Bentonit für die Anwendung in der Bodenverbesserung

Dem Erdreich beigemischter Bentonit verhindert das Austrocknen und zu schnelles Versickern des Regenwassers im Boden. Stickstoff-, Phosphor- und Kalkdünger, die der Regen aus dem Boden ausschwemmt, werden durch Bentonit gespeichert.

Bentonit für die Anwendung als Tierfutteradditiv

Wiesen, frisches Getreide und Feldfrüchte stehen immer seltener auf dem Speiseplan von Nutztieren.

Stattdessen verfüttert die Landwirtschaft heute meist Fertigfutter. Nicht selten sind Futtermittel von Schimmelpilzen (sogenannten Mykotoxinen) befallen, die gefährliche Giftstoffe abgeben. Mykotoxinadsorber auf Basis

von Bentonit werden dem Futter beigemischt, damit die Pilzgifte gezielt gebunden werden. Dadurch gelangen die Mykotoxine nicht mehr in den Stoffwechsel des Tieres und werden wieder ausgeschieden.

Bentonit für die Anwendung in der Wasserbehandlung

In der Belebtschlammbiologie dient Bentonit als Aufwuchsfläche für Bakterien. Das stabilisiert die Reinigungsleistung der Belebung bezüglich Kohlenstoff- und Stickstoffabbau.

Bentonit weist ein hohes Adsorptions- und Puffervermögen für Kationen (z.B. NH₄ + – Ionen ) bei Belastungsspitzen auf. Durch den Einsatz erfolgt eine erwünschte Schlammbeschwerung und verbesserte Schlammeindickung.

Bentonit für die Anwendung in Trockenmitteln

Bentonite werden bei der Verpackung hochwertiger und empfindlicher Güter eingesetzt und sorgen dafür, dass ihre Qualität während

der Lagerung und des Transportes trotz möglicherweise widriger Umstände erhalten bleibt. Der Wasserdampf wird zwischen die Bentonitschichten adsorbiert und das Material bleibt auch bei voller Beladung trocken und rieselfähig. Die Wasserdampfaufnahme reicht von cirka zehn Gewichtsprozent in trockener bis zu 30 Gewichtsprozent in feuchter Umgebung.

Schlussbetrachtung

 Ad- und Absorptionsfähigkeit, Porenvolumen, spezifische Oberfläche, innerkristalline Quellfähigkeit, Wasserrückhaltevermögen, kleine Partikel (Nanopartikel), ausgeprägtes Verhältnis Fläche zur Dicke der Teilchen (aspect ratio) und ein Ladungsträger sind eine Vielzahl von Eigenschaften, die Bentonit in sich vereint.

Es ist deshalb ein äußerst vielseitig einsetzbares Naturprodukt, das dazu beiträgt, die Lebensqualität in vielen Bereichen zu verbessern. Bentonit ein vielseitig einsetzbares umweltfreundliches Produkt!

Basierend auf einer sehr breiten wissenschaftlichen Ingenieurausbildung – idealerweise während eines Bachelor of Science Studiums in Chemie-und Verfahrenstechnik  an der TU Graz – ist das Institut für Papier-, Zellstoff-und Fasertechnik (IPZ)  einer der wenigen Ausbildungsstandorte in Europa, und der einzige in Österreich, der ein  Master of Science (Dipl.Ing.) Studium für Papier -und Zellstofftechnologie anbietet.

In den Pflichtfächern erhalten die Studenten ein umfangreiches Wissen über Prozesse,  Technologien und Anlagen der Zellstoff-und Papierproduktion. Diese theoretische Ausbildung wird ergänzt durch eine Reihe von Laborpraktika  und Betriebsbesichtigungen bei Herstellern und Veredlern von Papier-und Zellstoff. In den  Wahlpflichtfächer, die von Fachleuten aus der Branche  unterrichtet werden , können die Studierenden aus einer Vielzahl von Themen wählen, um ihre Ausbildung zu vertiefen z.B in den Bereichen Modellierung und Simulation, Mineralien, Lignocellulose-Bioraffinerie, Umwelttechnologie und andere.

Das Studium wird mit einer sechs Monate dauernden  Diplomarbeit abgeschlossen; in der Regel arbeitet man während dieser Zeit in der Zellstoff-und Papierindustrie. Interessierte Absolventen haben die Möglichkeit eines Doktoratsstudiums. Um ihre theoretischen Kenntnisse zu vertiefen bietet das Institut für  Absolventen anderer Studienrichtungen oder aber auch für Techniker mit einigen Jahren Berufserfahrung den dreisemestrigen Kurs für Papier-und Zellstoff-Technologie an, mit dem man den Titel „Akademisch geprüfter Ingenieur für Papiertechnologie“ erwerben kann.

Dienstleistungen:

Das IPZ betreibt auch eine Technische Versuchs- und Forschungsanstalt für Papier-, Zellstoff-und Faser Technik“, die eine Akkreditierung gemäß ISO / IEC 17 025 besitzt.  Für eine Vielzahl von Kunden werden hier Prüfungen von Rohstoffen sowie von Papier- und Faserprodukten nach internationalen Standards durchgeführt. Eine Übersicht der möglichen Tests und Preise erhalten Sie unter www.ipz.tugraz.at/nDienstleistungen/.

Neben Standard-Tests werden auch einzigartige Routine-Prüfverfahren für Forschungsprojekte entwickelt und zur Verfügung gestellt wie z.B. 3D-Abbildungen von Schichtdickenverteilungen, Faserquerschnittseigenschaften im trockenen Zustand, Elastizität der Einzelfaser, Schäden an Fasern durch Veredelung,  Ausdrucke von Bildanalysen für die Bewertung der Bedruckbarkeit nach dem neuestem Stand der Technik, Abbildungen von  Brechungsindices von Papieroberflächen und von der Kompressibilität etc.

Zusätzlich werden auch Untersuchungen von Laborgeräten durchgeführt.  Die Testgeräte für Zellstoff, Papier und Karton werden ebenfalls nach ISO / IEC 17025 hinsichtlich ihrer Konformität mit internationalen Normen überprüft. Diese Routinekontrollen werden  vor Ort beim Kunden durchgeführt und anschließend werden detaillierte Berichte über das Ergebnis werden erstellt, die der Kunde für die Zertifizierung seines  Qualitätsmanagementsystems verwenden kann.

Das Institut ist Anbietern von Testgeräten nicht verpflichtet. Neben der Prüfung der Geräte wird auch eine  ausführliche Beratung zu allen Fragen betreffend das Testgerät angeboten.

Diese Dienstleistungen sind für die Mitarbeiter des Instituts sehr wichtig, weil die Erfahrung gezeigt hat, dass die  Beratung, die der Papier-und Zellstoffindustrie für die Lösung von aktuellen Problemen angeboten wird, oft die Grundlage für eine langfristige und vertrauensvolle Zusammenarbeit ist.

Serienschnitttechnik für 3D-Papieranalyse

Forschung:

Die größte Herausforderung bei der Papierherstellung ist es, eine gleichmäßige Verteilung der sehr inhomogenen Rohstoffe im Endprodukt zu erzielen. Daher zählen hochauflösende Messsysteme, die Modellierung von Papier-und Faserstrukturen und die Produktionsprozesse zu den wichtigsten Faktoren bei der Entwicklung von verbesserten und neuen Papierprodukten bei optimierten Kosten  ein. Ein interdisziplinäres Team bestehend aus Papier-und Verfahrenstechnikern, Maschinenbauern, Bildanalyse-Spezialisten und Mathematikern arbeitet an diesen Themen und einige davon sind nachfolgend beschrieben:

 3D-Rekonstruktion der Fasern im Papier

 Hochauflösende Analyse der 3D Papier-Materialstruktur

Die Kenntnis der räumlichen Anordnung der Hauptkomponenten (Fasern, Füllstoffen, …) in Papier-Produkte ist die Basis für ein tieferes Verständnis der Eigenschaften von Papier und Karton. Eine detaillierte Analyse einer 3D-Papierstruktur erfordert eine hohe räumliche Auflösung und eine ausreichende Menge an Stichproben. Es wurde eine serielle Schnitttechnik entwickelt, die die Digitalisierung der Papierproben bis zu einer Größe von 1 cm ² bei einer Auflösung von 0,6 x 0,6 x 1 um ³ ermöglicht.

Das Ergebnis ist eine Abfolge von Bildern, die unter Verwendung von speziell entwickelten Bildanalysealgorithmen weiter verarbeitet werden. Ein dreidimensionales  Analysewerkzeug für den Strich ermöglicht die Charakterisierung von Strichstrukturen. Andere Tools ermöglichen die in-situ-Charakterisierung von Parametern der morphologischen Fasern, wie Faserbreite, Faserwanddicke und den Grad ders Zusammenbruchs der Fasern. Darüber hinaus sind dreidimensionale Rekonstruktionen einzelner Fasern im Papierverbund möglich. Die laufenden Arbeiten konzentrieren sich auf die Vorhersage von Papiereigenschaften auf der Grundlage der Messdaten sowie auf die  Entwicklung neuer Auswertungsprogramme sowohl für  Papier als auch für andere Materialien.

Flexo-Druckfarbe (grün) auf einer 3D-Visualisierung der Papieroberflächentopographie

Charakterisierung der Faser-Faser-Bindungen in Papier

Neben der Festigkeit der Einzelfaser und der Anzahl der Faser-Faser-Bindungen, sind die Bindungsfläche und die spezifischen Bindefähigkeit für die mechanischen Eigenschaften des Fasernetzes verantwortlich. Basierend auf Mikrotom Serienschnitten und Bildanalyse wurde eine neue Methode zur Messung der Größe der Bindungsfläche entwickelt, die gleichzeitig auch die Charakterisierung der morphologischen Parameter der Faser im Bereich der Bindung erlaubt. Weitere Aktivitäten haben ihren Fokus auf der Bestimmung der spezifischen Bindungsfestigkeit und deren Verbesserung durch Modifikationen der Faser.

Bildanalytische Auswertung von Papierfasern und Fasersuspensionen

Es wurden automatische Bildanalyse-Programme  entwickelt, um die morphologischen Parameter der Zellstofffasern in einer  Suspension auf Basis einer einzigen Faser zu charakterisieren. Neben den Standardparametern wie Faserlänge, Breite, Rollneigung etc. werden mehrere neue Parameter wie die Flexibilität  der einzelnen Faser, das Fibrillieren, der Grad der Beschädigung der S1 Faserwand und der Widerstandsbeiwert der Fasern in Suspension in stark verdünnten Fasersuspensionen gemessen. Ein weiterer Schwerpunkt liegt  auf der bildanalytischen Charakterisierung von Fasersuspensionen bei einer Konsistenz von 0,5 bis 1,5%, die jener Konsistenz entspricht, die  in der  Regel auf industriellen Papiermaschinen eingesetzt wird. Der wichtigste interessante Parameter ist der Grad der Faserflockenbildung in der Suspension unter verschiedenen Strömungsbedingungen. Die Korrelation der morphologischen Parameter der  Faser mit dem Grad der Ausflockung sowie der Einfluss der chemischen Zusätze auf die Flockung der Faser werden ebenfalls beurteilt.

Modellierung der Bedruckbarkeit des Papiers anhand von  Messungen vor Ort

Ziel der Forschung ist es, vorherzusagen, wie gleichmäßig die Druckfarbenschicht auf das Papier übertragen wird. Die ungleichmäßige Übertragung der Druckerfarbe sowie deren

Abnahme, die  von der Inhomogenität in der Papierstruktur verursacht werden, führen zu einem fleckigen Aussehen des Druckes. Die multivariante statistische Modellierung wird verwendet, um herauszufinden, welche der lokalen Papiereigenschaften ( z.B. Oberflächentopographie, Flüssigkeitspenetration, chemische Zusammensetzung, Porenstruktur) hauptsächlich für die ungleichmäßige Farbübertragung  und die daraus resultierende schlechte Druckqualität verantwortlich ist.

Messgerät für Einzelfaserflexibilität

Kontakt:

Institut für Papier-, Zellstoff- und Fasertechnik der Universität Graz

Kopernikusgasse 24

A-8010 Graz

Österreich

Tel: +43 316 873-7511

Fax:+43 316 873-8010

office.jpz@tugraz.at

www.ipz.tugraz.at

Institutsleiter:

Univ.-Prof. Dr. Wolfgang Bauer