In dieser Studie wird ein neuer Ansatz zur Herstellung von Hybridfüllstoffen – Compositen aus Cellulose und präzipitiertem Calciumcarbonat – zur Festigkeitssteigerung in Papier sowie für Anwendungen über die Papierherstellung hinaus (wie bspw. Kunststoff sowie Baufaserplatten, Filter oder Filterhilfsmittel und Foamforming-Produkte) vorgestellt. Das Hauptaugenmerk lag dabei auf der Fällung von CaCO3 über Doppelaustauschreaktion mit Calciumhalogeniden (CaCl2) und Alkalimetallcarbonaten (vorwiegend Na2CO3) auf chemisch und mechanisch modifizierte Faserstoffe in einem Doppelschneckenextruder. Die Hypothese, die dieser Doktorarbeit zugrunde lag, war, dass es möglich ist, CaCO3 durch die reaktive Extrusion direkt auf die Fasern – durch deren veränderte Ladungseigenschaften nach Modifizierung – auszufällen und damit eine irreversible Anlagerung des mineralischen Füllstoffs an den cellulosischen Faserstoff zu generieren. Dabei erwies sich die reaktive Extrusion als vielversprechende Methode sowohl für die Erzeugung carboxymethylierter und fibrillierter Faserstoffe (CMFC) als auch für die in-situ Fällung von CaCO3 direkt auf die CMFC zur Herstellung faserarmierter Füllstoffe mit einer optimierten Füllstoffretention. Darüber hinaus wurde untersucht, inwiefern sich durch die Einstellung der Reaktions- und Prozessparameter die CaCO3-Morphologie, Kristallform und -größe steuern und damit die resultierenden Composite-Eigenschaften einstellen lassen. Zudem konnte durch Anwendungsversuche der neuartigen Hybridfüllstoffe das Potenzial eben dieser in variierenden Endanwendungen – besonders jedoch zur Festigkeitssteigerung in Papier sowie zur Verbesserung des Eigenschaftsprofils in Polypropylen – verdeutlicht werden. Die Untersuchungen zeigten, dass die funktionellen Faserstoffeigenschaften einen entscheidenden Einfluss auf die CaCO3-Fällung – sowohl auf die Kristallisations- als auch Umwandlungsprozesse – und damit auf die resultierenden Hybridfüllstoff-Eigenschaften haben. Besonders wird die Keimbildungsrate durch die hydrogelartige Oberfläche der CMFC reduziert und das Kristallwachstum gefördert, sodass vor-wiegend große CaCO3-Kristalle (≥ 3 µm) an bzw. in der hydrogelartigen Faseroberfläche entstehen. Ebenso konnte gezeigt werden, dass sich auch bei intensiver mechanischer Behandlung bis zu 89 wt.-% des ausgefällten CaCO3 nicht von der CMFC lösen und demnach irreversibel angelagert sind. Dies führt bei der Laborblattbildung zu einer Verbesserung der CaCO3-Retention von 62 wt.-% auf 80 wt.-% bei Kurzfaserzellstoff (BEKP) bzw. von 38 wt.-% auf 91 wt.-% bei Langfaserzellstoff (NBSK). Darüber hinaus konnte gezeigt werden, dass die Hybridfüllstoffe zu einer Festigkeitssteigerung (Tensile Index) um das 1,5-fache bei NBSK- (16,4 Nm/g) und um das 2,1-fache bei BEKP-Laborblättern (26,2 Nm/g) beitragen. Diese Doktorarbeit verdeutlicht, dass die reaktive Extrusion ein innovatives und zukunftsfähiges Verfahren zur Composite-Herstellung ist und die neuartigen Hybridfüllstoffe Potenzial für den vielseitigen Einsatz in variierenden Materialien versprechen.:Abstract I Zusammenfassung II Danksagung III Eidesstattliche Erklärung IV Abbildungsverzeichnis VIII Abkürzungsverzeichnis XIV Formelzeichen und Indizes XVIII Formelverzeichnis XXII Normen- und Methodenverzeichnis XXIII Tabellenverzeichnis XXVI 1 Einleitung 1 2 Allgemeiner Aufbau von Zellstofffasern 3 2.1 Holzquelle Wald 3 2.2 Anatomie des Holzes 3 2.3 Morphologische Eigenschaften und chemische Zusammensetzung der Zellwand 5 2.4 Chemischer Aufbau des Holzes 6 3 Von der Zellstofffaser zur Nanocellulose 11 3.1 Nanocellulosetypen 11 3.2 Mikrofibrillierte Cellulose – MFC 14 3.3 Einsatzmöglichkeiten für MFC 14 3.3.1 Allgemeine Einsatzmöglichkeiten von MFC 14 3.3.2 Einsatz von MFC in der Papierherstellung 15 3.4 Herstellung von MFC 16 3.4.1 Allgemeine Herstellung von MFC 16 3.4.2 Herstellung von MFC im Extruder 18 3.5 Chemische Modifizierung/Vorbehandlung von Faserstoffen 20 3.5.1 Carboxymethylcellulose – CMC 20 3.5.2 TEMPO-Oxidierte Cellulose 22 3.5.3 Carboxymethylierte, fibrillierte Cellulose – CMFC 24 4 Theorie der Fällung und Kristallisation 25 4.1 Fällung und Kristallisation im Allgemeinen 25 4.2 Keim- und Partikelbildung 29 4.2.1 Änderung der freien Enthalpie bei der Keim- und Partikelbildung 29 4.2.2 Löslichkeit und Übersättigung 30 4.2.3 Keimbildungskinetik 34 4.2.4 Keimbildungs- und Wachstumsrate 37 4.3 Kristallwachstum 39 4.3.1 Diffusionskontrolliertes und einbaulimitiertes Wachstum 39 4.3.2 Modellansätze von LaMer und Ostwald 41 4.4 Mechanismen zur Beeinflussung von Fällungsreaktionen 43 5 Calciumcarbonat – Eigenschaften, Herstellung, Einsatz 45 5.1 Stoffsystem Calciumcarbonat 45 5.1.1 Eigenschaften und Vorkommen 45 5.1.2 Modifikationen und Kristallformen 47 5.1.3 Bildung der wasserfreien Phasen – Calcit, Aragonit und Vaterit 50 5.1.4 Möglichkeiten zur Steuerung der Modifikationen und Kristallformen 55 5.2 Herstellung von Calciumcarbonat 57 5.2.1 Allgemein 57 5.2.2 Natürliches Calciumcarbonat – GCC 58 5.2.3 Synthetisches Calciumcarbonat – PCC 59 5.2.3.1 Fällung aus Kalkmilch 59 5.2.3.2 Doppelaustauschreaktion 60 5.2.3.3 Weitere technische Fällungs-Methoden 61 5.3 Einsatzmöglichkeiten von Calciumcarbonat 62 5.3.1 Allgemeine Einsatzmöglichkeiten von Calciumcarbonat 62 5.3.2 PCC als funktioneller Füllstoff in der Papierherstellung 63 6 Calciumcarbonat-Fällung an Faseroberflächen 66 6.1 Motivation 66 6.2 Stand der Technik 67 6.2.1 Calciumcarbonat-Fällung an Faseroberflächen zur Hybridfüllstoff-Herstellung 67 6.2.2 Weitere Methoden zur Hybridfüllstoff-Herstellung bzw. zur Verbesserung der Faser-Füllstoff-Interaktion 72 6.3 Prozesse bei der Calciumcarbonat-Fällung an Faseroberflächen und in Hydrogelen 76 7 Problemstellung 81 7.1 Idee und Ziel der Arbeit 81 7.2 Hypothesen der Arbeit 84 8 Material und Methoden 85 8.1 Material 85 8.1.1 Verwendete Zellstoffe und deren Modifizierung 85 8.1.2 Fällungsreagenzien/-chemikalien 86 8.1.3 Weitere Chemikalien und Materialien 87 8.2 Laborfällung 87 8.2.1 Versuchsaufbau 87 8.2.2 Versuchsdurchführung 88 8.3 Extruderfällung 93 8.3.1 Versuchsaufbau 93 8.3.2 Versuchsdurchführung 95 8.4 Messmethoden zur Materialcharakterisierung 98 8.4.1 Überblick über alle angewandten Messmethoden zur Calciumcarbonat-, Faserstoff- sowie Composite-Charakterisierung 98 8.4.2 Themenspezifische und adaptierte Messmethoden sowie Probenpräparation 100 8.5 Anwendung der Composite in unterschiedlichen Produkten 107 8.5.1 Composite-Einsatz in der Laborblattbildung 107 8.5.2 Composite-Einsatz in weiteren Materialien 108 9 Ergebnisse und Diskussion der Fällungsexperimente 111 9.1 Untersuchungen zur Steuerung der Doppelaustauschreaktion zur reinen Calciumcarbonat-Fällung im Labor 111 9.2 Untersuchungen zur Composite-Bildung über Doppelaustauschreaktion im Labor 120 9.3 Untersuchungen zur Composite-Bildung über Doppelaustauschreaktion und Kalkmilchfällung im Extruder 132 9.4 Zusammenfassung der Ergebnisse 149 10 Anwendungsversuche 152 10.1 Definition möglicher Einsatzgebiete für mineralisierte Cellulosestrukturen 152 10.2 Einfluss der Composite in der Laborblattbildung 154 10.3 Einfluss der Composite in anderen Materialien 159 10.4 Zusammenfassung der Ergebnisse 164 11 Zusammenfassung und Ausblick 166 Literaturverzeichnis 169 Anlagenverzeichnis 194 / This study presents a new approach for the production of hybrid fillers – composites of cellulose and precipitated calcium carbonate – for strength enhancement in paper as well as for applications beyond paper production (such as plastics as well as building fibre boards, filters or filter aids and foamforming products). The main focus was on the precipitation of CaCO3 via double exchange reaction with calcium halides (CaCl2) and alkali metal carbonates (mainly Na2CO3) onto chemically and mechanically modified fibrous materials in a twin screw extruder. The hypothesis underlying this PhD thesis was that it is possible to precipitate CaCO3 directly onto the fibres – through their altered charge properties after modification – by reactive extrusion, thus generating an irreversible attachment of the mineral filler to the cellulosic pulp. Reactive extrusion proved to be a promising method both, for the generation of carboxymethylated and fibrillated cellulose (CMFC) and for the in-situ precipitation of CaCO3 directly onto the CMFC for the production of fibre-reinforced fillers with optimised filler retention. Furthermore, it was investigated to what extent the CaCO3 morphology, crystal shape and size can be controlled by adjusting the reaction and process parameters and thus the resulting composite properties. In addition, the potential of the novel hybrid fillers in varying end-use applications – especially for increasing the strength of paper and improving the property profile of polypropylene – was demonstrated in application trials. The investigations showed that the functional fibre properties have a decisive influence on CaCO3 precipitation – both on the crystallisation and conversion processes – and thus on the resulting hybrid filler properties. In particular, the nucleation rate is reduced by the hydrogel-like surface of the CMFC and crystal growth is promoted, so that predominantly large CaCO3 crystals (≥ 3 µm) are formed on or in the hydrogel-like fibre surface. It was also shown that even with intensive mechanical treatment, up to 89 wt. % of the precipitated CaCO3 does not detach from the CMFC and is therefore irreversibly attached. This leads to an improvement in CaCO3 retention in laboratory sheet formation from 62 wt. % to 80 wt. % for hardwood pulp (BEKP) and from 38 wt. % to 91 wt. % for softwood pulp (NBSK). Furthermore, it could be shown that the hybrid fillers contribute to an increase in strength (tensile index) of 1.5 times for NBSK (16.4 Nm/g) and 2.1 times for BEKP laboratory sheets (26.2 Nm/g). This thesis work illustrates that reactive extrusion is an innovative and sustainable process for composite production and that the novel hybrid fillers promise potential for versatile use in varying materials.:Abstract I Zusammenfassung II Danksagung III Eidesstattliche Erklärung IV Abbildungsverzeichnis VIII Abkürzungsverzeichnis XIV Formelzeichen und Indizes XVIII Formelverzeichnis XXII Normen- und Methodenverzeichnis XXIII Tabellenverzeichnis XXVI 1 Einleitung 1 2 Allgemeiner Aufbau von Zellstofffasern 3 2.1 Holzquelle Wald 3 2.2 Anatomie des Holzes 3 2.3 Morphologische Eigenschaften und chemische Zusammensetzung der Zellwand 5 2.4 Chemischer Aufbau des Holzes 6 3 Von der Zellstofffaser zur Nanocellulose 11 3.1 Nanocellulosetypen 11 3.2 Mikrofibrillierte Cellulose – MFC 14 3.3 Einsatzmöglichkeiten für MFC 14 3.3.1 Allgemeine Einsatzmöglichkeiten von MFC 14 3.3.2 Einsatz von MFC in der Papierherstellung 15 3.4 Herstellung von MFC 16 3.4.1 Allgemeine Herstellung von MFC 16 3.4.2 Herstellung von MFC im Extruder 18 3.5 Chemische Modifizierung/Vorbehandlung von Faserstoffen 20 3.5.1 Carboxymethylcellulose – CMC 20 3.5.2 TEMPO-Oxidierte Cellulose 22 3.5.3 Carboxymethylierte, fibrillierte Cellulose – CMFC 24 4 Theorie der Fällung und Kristallisation 25 4.1 Fällung und Kristallisation im Allgemeinen 25 4.2 Keim- und Partikelbildung 29 4.2.1 Änderung der freien Enthalpie bei der Keim- und Partikelbildung 29 4.2.2 Löslichkeit und Übersättigung 30 4.2.3 Keimbildungskinetik 34 4.2.4 Keimbildungs- und Wachstumsrate 37 4.3 Kristallwachstum 39 4.3.1 Diffusionskontrolliertes und einbaulimitiertes Wachstum 39 4.3.2 Modellansätze von LaMer und Ostwald 41 4.4 Mechanismen zur Beeinflussung von Fällungsreaktionen 43 5 Calciumcarbonat – Eigenschaften, Herstellung, Einsatz 45 5.1 Stoffsystem Calciumcarbonat 45 5.1.1 Eigenschaften und Vorkommen 45 5.1.2 Modifikationen und Kristallformen 47 5.1.3 Bildung der wasserfreien Phasen – Calcit, Aragonit und Vaterit 50 5.1.4 Möglichkeiten zur Steuerung der Modifikationen und Kristallformen 55 5.2 Herstellung von Calciumcarbonat 57 5.2.1 Allgemein 57 5.2.2 Natürliches Calciumcarbonat – GCC 58 5.2.3 Synthetisches Calciumcarbonat – PCC 59 5.2.3.1 Fällung aus Kalkmilch 59 5.2.3.2 Doppelaustauschreaktion 60 5.2.3.3 Weitere technische Fällungs-Methoden 61 5.3 Einsatzmöglichkeiten von Calciumcarbonat 62 5.3.1 Allgemeine Einsatzmöglichkeiten von Calciumcarbonat 62 5.3.2 PCC als funktioneller Füllstoff in der Papierherstellung 63 6 Calciumcarbonat-Fällung an Faseroberflächen 66 6.1 Motivation 66 6.2 Stand der Technik 67 6.2.1 Calciumcarbonat-Fällung an Faseroberflächen zur Hybridfüllstoff-Herstellung 67 6.2.2 Weitere Methoden zur Hybridfüllstoff-Herstellung bzw. zur Verbesserung der Faser-Füllstoff-Interaktion 72 6.3 Prozesse bei der Calciumcarbonat-Fällung an Faseroberflächen und in Hydrogelen 76 7 Problemstellung 81 7.1 Idee und Ziel der Arbeit 81 7.2 Hypothesen der Arbeit 84 8 Material und Methoden 85 8.1 Material 85 8.1.1 Verwendete Zellstoffe und deren Modifizierung 85 8.1.2 Fällungsreagenzien/-chemikalien 86 8.1.3 Weitere Chemikalien und Materialien 87 8.2 Laborfällung 87 8.2.1 Versuchsaufbau 87 8.2.2 Versuchsdurchführung 88 8.3 Extruderfällung 93 8.3.1 Versuchsaufbau 93 8.3.2 Versuchsdurchführung 95 8.4 Messmethoden zur Materialcharakterisierung 98 8.4.1 Überblick über alle angewandten Messmethoden zur Calciumcarbonat-, Faserstoff- sowie Composite-Charakterisierung 98 8.4.2 Themenspezifische und adaptierte Messmethoden sowie Probenpräparation 100 8.5 Anwendung der Composite in unterschiedlichen Produkten 107 8.5.1 Composite-Einsatz in der Laborblattbildung 107 8.5.2 Composite-Einsatz in weiteren Materialien 108 9 Ergebnisse und Diskussion der Fällungsexperimente 111 9.1 Untersuchungen zur Steuerung der Doppelaustauschreaktion zur reinen Calciumcarbonat-Fällung im Labor 111 9.2 Untersuchungen zur Composite-Bildung über Doppelaustauschreaktion im Labor 120 9.3 Untersuchungen zur Composite-Bildung über Doppelaustauschreaktion und Kalkmilchfällung im Extruder 132 9.4 Zusammenfassung der Ergebnisse 149 10 Anwendungsversuche 152 10.1 Definition möglicher Einsatzgebiete für mineralisierte Cellulosestrukturen 152 10.2 Einfluss der Composite in der Laborblattbildung 154 10.3 Einfluss der Composite in anderen Materialien 159 10.4 Zusammenfassung der Ergebnisse 164 11 Zusammenfassung und Ausblick 166 Literaturverzeichnis 169 Anlagenverzeichnis 194