Vorbemerkung Im Optimierungszyklus des Projektplans wurden die Rezepturen für die Barrierebe-schichtungsmassen sukzessive hinsichtlich Bindemittel und Pigmentart, sowie de-ren Anteile, variiert und anschließend auf die Barriereeigenschaft überprüft. Rezep-turen, die nicht erfolgreich zur Erreichung für das Projektziel erschienen wurden nicht weiter verfolgt.
Die geprüften und ermittelten Eigenschaftswerte sind in den nachfolgenden Ab-schnitte zusammengefasst dargestellt und werden diskutiert. Zum Vergleich auch die Eigenschaften der Beschichtungen aus 100% Bindemittel (ohne Pigmente) und des Rohpapiers P1 (Base) aufgeführt.
8.4.1 Barrierebeschichtungen mit dem Bindemittel Mod. SB Einfluss der
Bar-riereschicht auf die WDD
Die Bestimmung der Wasserdampfdurchlässigkeit der beschichteten Labormuster erfolgte wie in Tabelle 2 aufgeführt.
Eine starke Abhängigkeit der WDD mit dem Bindemittel Mod. SB vom Pigmentanteil ist zu erkennen. Bei höherem Pigmentanteil wird die Barriere gegen Wasserdampf schlechter. Die beste Sperrwirkung wird bei diesem Binder mit der Beschichtung aus 100% Bindemittel erzielt. Dies war aber zur erfolgreichen Entwicklung im Sinne des Projektziels nicht hilfreich.
0
Bentonit 2 Laponite 2 Laponite 3
WDD, g/m²•d
5 Teile 15 Teile 25 Teile
Abbildung 21: Wasserdampfdurchlässigkeiten der Barriereschichten mit Mod. SB
Entwicklung der Transparenz
Eine Verringerung der Transparenz der beschichteten Labormuster war im Ver-gleich zum Basispapier P1 nicht festzustellen. Teilweise wurde die Transparenz durch die Beschichtung sogar noch etwas erhöht. Zum Vergleich sind jeweils auch die Transparenzwerte für die Beschichtung mit 100% Bindemittel (ohne Pigmente) und sowie des Rohpapiers P1 (Base) aufgeführt.
Oberflächen-spannung der Beschichtung
Die Oberflächenspannung der 100% Bindemittelbeschichtung weist mit < 20 mN/m einen sehr geringen Wert auf. Die Beschichtungen mit Pigmentanteilen weisen Oberflächenspannungen zwischen 55 mN/m und 40 mN/m auf. Jedoch ist ein Trend zu erkennen, dass mit steigendem Pigmentanteil die Oberflächenspannung kleiner wird.
Luftdurchlässig-keit / Barriere-schicht
Alle pigmenthaltigen Beschichtungen wiesen eine höhere Luftdurchlässigkeit auf im Vergleich zum Rohpapier P1 sowie der Beschichtung mit 100% Binde-mittel. Bei dem Pigment Bentonit 1 ist folgender Einfluss des Pigmentanteils zu erkennen: Je mehr Pigment umso geringer die LD. Dies könnte möglicherweise mit der ausgeprägten plättchenförmigen Struktur von Bentonit 1 zu erklären sein. Dass die LD des Rohpapiers durch die Beschichtung größer wird, kann darin ursächlich sein, dass mit der Beschichtung eine große Wassermenge vom Papier aufgenommen werden muss und die Porosität des Papiers sich nach dem Abtrocknen des Wassers wesentlich verändert hat.
8.4.2 Barrierebeschichtungen mit dem Bindemittel SA-Binder Einfluss der
Bar-riereschicht auf die WDD
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450
P1 SA-(Base) Binder
Bentonit 1 Bentonit 2
WDD, g/m²•d
0,05 Teile 0,1 Teile 1 Teile
Abbildung 22: Wasserdampfdurchlässigkeiten der Barriereschichten mit SA-Binder Bei dem Bindemittel SA-Binder konnten nur die Bentonite als Pigmente einge-setzt werden. Die WDD ist bei den Beschichtungen mit und ohne Pigmente weitgehend gleich, die Barriere gegen Wasserdampf wird durch die Zugabe der Tonmineralien nicht wesentlich beeinflusst.
Die Laponite wiesen eine Unverträglichkeit mit dem SA-Binder auf. Hier kam es beim Einmischen der Pigmentslurry in das Bindemittel zu Ausfällungen, so dass keine homogene Beschichtungsmasse hergestellt werden konnte.
Transparenz Eine signifikante Auswirkung auf die Transparenz durch die Beschichtung zu war nicht festzustellen.
Oberflächen-spannung der Beschichtung
Im Vergleich zum Rohpapier wird bei dem SA-Binder wird die Oberflächenspan-nung durch das Bindemittel nur leicht verringert. Sie liegt bei allen Rezepturen - mit als auch ohne Pigment - bei etwa 40 mN/m. Der Pigmentanteil hat offenbar hier keinen signifikanten Einfluss auf die Oberflächenspannung.
Luftdurchlässig-keit / Barriere-schicht
Bei den Beschichtungen mit Bentonit 2 gehen die LD gegen Null, unabhängig vom Pigmentanteil. Anders hingegen bei Bentonit 1, bei dem die LD der beschichteten Papiere deutlich höher war.
8.4.3 Barrierebeschichtungen mit dem Bindemittel SB-Latex Einfluss der
Bar-riereschicht auf die WDD
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450
P1 SB-(Base) Latex
Bentonit 1 / DM1 Bentonit 1 / DM2 Bentonit 2 Laponite 2 Laponite 3
WDD, g/m²•d
0,05 Teile 0,1 Teile 1 Teil 5 Teile 15 Teile 25 Teile
Abbildung 23: Wasserdampfdurchlässigkeiten der Barriereschichten mit SB-Latex Bei dem Bindemittel SB-Latex ein signifikanter Einfluss des Pigmentes auf die Bar-rierewirkung vorhanden. Offenbar ist bei einem mengenmäßigen Pigmentanteil von 0,1 Teilen bis 1 Teil Pigment ein Optimum in der Barriereeigenschaft erreicht. Bei höherem bzw. geringerem Pigmentanteil verschlechtern sich die Barriereeigen-schaften gegen Wasserdampf wieder.
Transparenz Die Transparenz der beschichteten Papiere war weitgehend übereinstimmend mit der des Rohpapiers.
Einfluss der Pig-mente auf die Oberflächen-spannung der Beschichtung
Bei dem SB-Latex zeigt sich ein ähnliches Verhalten wie bei dem Bindemittel Mod.
SB. Allerdings ist die Oberflächenspannung der Beschichtung mit 100% Bindemittel mit einem Wert von etwa 50 mN/m nicht so extrem niedrig wie bei Mod. SB. Es ist aber ebenfalls der Trend einer Verringerung der Oberflächenspannung bei zuneh-mendem Pigmentanteil festzustellen. Bei kleinen bis sehr kleinen Pigmentanteilen (≤ 5 Teile) ist die Oberflächenspannung vergleichbar zur 100% Bindemittelbeschich-tung.
Luftdurchlässig-keit / Barriere-schicht
Die Ergebnisse zeigen, dass sowohl das Basispapier als auch die meisten be-schichteten Labormuster eine sehr geringe Luftdurchlässigkeit (≤ 2ml/min) aufwei-sen, die in einigen Fällen sogar gegen Null geht. Es sind jedoch auch Beschich-tungsmuster dabei die eine etwas höhere Luftdurchlässigkeit haben. Offenbar be-wirken hier die größeren Pigmentanteile auch die höheren Luftdurchlässigkeiten.
8.4.4 Barrierebeschichtungen mit dem Bindemittel PVOH Einfluss der
Bar-riereschicht auf die WDD
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450
P1 (Base) PVOH Bentonit 2 Laponite 3
WDD, g/m²•d
0,05 Teile 0,1 Teile 1 Teil 5 Teile 10 Teile
Abbildung 24: Wasserdampfdurchlässigkeiten der Barriereschichten mit PVOH Bei dem Bindemittel PVOH wird wiederum durch Zugabe des Pigments die Barriere gegenüber Wasserdampf verbessert. Jedoch ist dabei kein eindeutiges Optimum zu erkennen. Die besten Barrieren zeigen sich für Pigment Bentonit 2 mit 10 Teilen und für Pigment Laponite 3 mit 0,1 Teilen.
Transparenz Die Transparenz der beschichteten Papiere war weitgehend übereinstimmend mit der des Rohpapiers.
Oberflächen-spannung der Beschichtung
Bei dem Bindemitteln PVOH war kein Einfluss der Pigmente bzw. des Pigmentan-teils auf die Oberflächenspannung der Barriereschicht zu erkennen.
Luftdurchlässig-keit / Barriere-schicht
Die Ergebnisse zeigen, dass sowohl das Basispapier als auch alle beschichteten Labormuster eine sehr geringe Luftdurchlässigkeit (≤ 2ml/min) aufweisen, die in vielen Fällen gegen Null geht.
8.4.5 Sauerstoffdurchlässigkeit der Barriereschichten
Sauerstoff-durchlässigkeit Barriereschicht
Von den Laborbeschichtungen wurden diejenigen ausgewählt deren Barrierewir-kung gegen Wasserdampf in etwa ≤ 100 g/m²•d waren. Bei den übrigen Labormus-tern war keine nennenswerte Sperrwirkung gegen Gase zu erwarten. Deshalb wur-de bei diesen Beschichtungen auf die Prüfung wur-der Sauerstoffdurchlässigkeit ver-zichtet.
Bis auf drei Ausnahmen konnte bei den untersuchten Laborbeschichtungen keine Sauerstoffbarriere erzielt werden. Wird bei diesem Prüfverfahren ein Wert von 5000 cm³/(m²•d) überschritten liegt er außerhalb des Messbereiches der Messmethodik.
Höhere Sauerstoffdurchlässigkeiten können nach diesem Verfahren nicht mehr gemessen werden.
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Abbildung 25: Sauerstoffdurchlässigkeiten der Barriereschichten
Die Beschichtung ohne Pigmente mit dem Bindemittel Mod. SB wies - im Gegen-satz zu den anderen Bindemittelbeschichtungen - eine Sauerstoffbarriere auf. Die Beschichtungen mit dem Bindemittel SB-Latex mit den Pigmenten Bentonit 2 und Laponite 3 zeigten bei geringen Pigmentanteilen von 0.1, 0.5 bzw. 1 Teil ebenfalls eine Sauerstoffbarriere auf. Bemerkenswerterweise wurde bei den Beschichtungen auf Polyvinylalkohol-Basis, sowohl mit als auch ohne Pigment, keine Barriere gegen Sauerstoff erzielt.
8.4.6 Fett- und Öldichtigkeit der Barriereschichten
Kit-Test Die fett- und ölabweisende Wirkung der Barrierebeschichtungen wurden mit Hilfe des sog. Kit-Test (siehe Tabelle 2) durchgeführt.
Alle geprüften Muster wiesen einen Kit-Wert von größer 12 auf, was einer sehr gu-ten Fett- und Öldichtigkeit entspricht.
8.4.7 Zusammenfassung der Untersuchungen von Abschnitt 8
Barrierewirkung Mit den Optimierungen der Beschichtungsrezepturen ist es gelungen eine Barriere-wirkung gegen Wasserdampf zu erreichen. Diese ist jedoch stark abhängig vom eingesetzten Bindemittel und den Pigmentanteilen der Tonmineralien. Es hat sich gezeigt, dass nicht ein möglichst hoher Anteil an Pigment die Barrierewirkung ver-bessert, sondern der Anteil der Tonmineralien relativ gering sein musste.
Eine Barrierewirkung der Beschichtungen gegen Sauerstoff konnte nur sehr bedingt erzielt werden. Die Beschichtungen mit Polyvinylalkohol wiesen keine Barrierewir-kung gegen Sauerstoff auf.
Die meisten der Laborbeschichtungen hatten eine sehr geringe Luftdurchlässigkeit, was für die Barriereeigenschaften eine Vorbedingung ist. Eine hohe Luftdurchläs-sigkeit deutet in aller Regel auf eine Porosität hin, durch die ein Gasaustausch un-gehindert erfolgen kann.
Alle geprüften Labormuster wiesen einen Kit-Wert von größer 12 auf, was einer sehr guten Fett- und Öldichtigkeit entspricht.
Transparenz Die Transparenz der beschichteten Labormuster zeigte in Vergleich zum Basispa-pier keine signifikante Beeinträchtigung. Es ist also mit den erprobten Rezepturen in jedem Fall möglich transparente Beschichtungen herzustellen, ohne die Eigenschaft der Transparentpapiere zu beeinträchtigen.
Oberflächen-spannung Die Oberflächenspannungen sind sehr stark abhängig vom eingesetzten Bindemit-tel und werden weniger von den Pigmentanteilen der Tonmineralien beeinflusst. Die Oberflächenspannungen liegen jedoch bei allen beschichteten Labormustern zwi-schen 30 und 60 mN/m und somit in einem Bereich bei dem weder eine Beeinträch-tigung der Bedruckbarkeit noch der Weiterverarbeitbarkeit (Verklebung) zu erwarten ist.
Untersuchungen mittels REM und TEM
Der Grad der Exfolierung der Tonmineralien und die Verteilung der Einzelplättchen in der Beschichtung der Papiere konnten mit den vorgesehenen Untersuchungsme-thoden nicht nachgewiesen bzw. verifiziert werden. Eine letztendliche Bewertung der Exfolierung der Tonmineralien war deshalb nicht möglich. Diese konnte nur indirekt über die Funktionalität der Beschichtung, also der Barrierewirkung, erfolgen.
Aber auf Grund der guten Transparenz der Beschichtungen - die Transparenz des Basispapiers wurde durch die Beschichtung kaum beeinflusst - kann davon ausge-gangen werden, dass eine gute Exfolierung der Tonmineralien erreicht wurde. Bei einem nicht sehr hohen Exfolierungsgrad würden noch Pigmentagglomerate in der Beschichtung vorliegen, die mit hoher Wahrscheinlichkeit die Transparenz beein-trächtigen würden. Indirekt weist also die gute Transparenz auf einen sehr hohen Exfolierungsgrad der Tonmineralien hin.
Rezepturauswahl für die weiteren Arbeiten
Auf der Basis der erzielten Untersuchungsergebnisse aus den vorangegangenen Arbeitspaketen wurden für das folgende AP8 wie vorgesehen 6 Rezepturen, die insbesondere hinsichtlich der Barriereeigenschaften (Wasserdampf- und Sauer-stoffdichtigkeit) die besten Ergebnisse versprachen, ermittelt.
Folgende Rezepturvarianten wurden ausgewählt:
• Bindemittel SB-Latex; Pigment Bentonit 2 (0,1 und 1 Mengenanteile)
• Bindemittel SB-Latex; Pigment Laponite 3 (0,1 und 1 Mengenanteile)
• Bindemittel PVOH; Pigment Bentonit 2 (10 Mengenanteile)
• Bindemittel PVOH; Pigment Laponite 3 (0,1 Mengenanteile)
9 Herstellen von Versuchspapieren im Technikumsmaßstab
Einleitung Mit den in entwickelten Rezepturen wurden im kleintechnischen Maßstab beschich-tete Musterrollen hergestellt. Dazu verfügt die Forschungsstelle über einen Labor-coater der Fa. Jagenberg. Es handelt sich dabei um eine kleine Beschichtungsma-schine mit 2 verschiedenen Auftragswerken (Filmpresse und Walzenauftrag/Blade) und einer IR-Trocknungseinrichtung. Beide Auftragswerke sollten für Vergleichsun-tersuchungen eingesetzt werden, um für die Formulierungen die beste Auftragsme-thode für die nachfolgenden Pilotversuche zu ermitteln. Die maximale Geschwin-digkeit der kleintechnischen Anlage liegt bei etwa 30 m/min, bei einer Arbeitsbreite
von 300 mm.
Neben den in AP 7 aufgeführten Prüfungen der Muster wurde außerdem eine Be-wertung der Rezyklierbarkeit nach einer international anerkannten Methode [59]
durchgeführt.
Rezeptur-auswahl Auf der Basis der vorliegenden Ergebnisse, insbesondere der Barriereeigenschaf-ten gegen Wasserdampf und Sauerstoff, wurden insgesamt sechs Rezepturen aus-gewählt. Dabei wurde berücksichtigt, dass sowohl zwei der Bindemittel und zwei Tonmineralien (Pigmente) jeweils in Kombination zum Einsatz kamen. Die Be-schichtungsmassen mit diesen Rezepturen wurden in ausreichender Menge herge-stellt, so dass diese für die weiteren Versuche zur Herstellung von Versuchspapie-ren im Technikumsmaßstab eingesetzt werden konnten.
Tabelle 11: Formulierungstabelle für die Barrierebeschichtungen der Versuche im Technikumsmaßstab
Angegeben sind die prozentualen Mengenanteile bezogen auf den Feststoffgehalt der Einzelkomponenten. Das Bindmittel war stets zu 100 Teilen eingesetzt.
Anlage Für die Streich- und Beschichtungsversuche im kleintechnischen Maßstab stand eine Beschichtungsmaschine der Fa. Jagenberg (Beschreibung siehe 6.4.2) zur Verfügung.