7 Streichen im Labormaßstab
7.1 Einstellen unterschiedlicher Strichporosität
Streichversuche am Handrakel – Unterschiedliche Porosität
Für die Labor-Handrakel Versuche wurden mit den aus AP 1 festgelegten Materialien ein Laborprogramm aufgestellt und die ebenfalls aus AP 1 ermittelten beiden Basis-Liner zunächst einfach gestrichen.
Penetrations- vorgänge
Penetrationsvorgänge in und an Papieren lassen sich mittels Ultraschallmessung mit sehr hoher Zeitauflösung verfolgen [21]. Bei der Beurteilung des Ein- und Durchdringens von Flüssigkeiten im Papier spielen folgende Einzelvorgänge eine Rolle:
Flüssigkeitspenetration in das Kapillarsystem des Papiers,
durch Oberflächendiffusion auf die Fasern,
durch Diffusion durch die Fasern,
durch Dampfphasentransport.
Messprinzip Da Ultraschall durch ein trockenes Papier über das Fasergerüst übertragen wird (Luft absorbiert und reflektiert die Schallwellen), wirkt sich jede physikalische Änderung des Fasergerüstes auf die Transmission aus. Damit ist der Prozess der Wechselwirkung Faser/Flüssigkeit erfasst. Bei der Verwendung von Wasser findet bei der Aufnahme durch die Papierfasern eine Destabilisierung der Fasern statt. Die Transmission nimmt infolge dieser Zustandsänderung der Fasern dramatisch ab, d. h. die Dämpfung nimmt zu.
Messkurve Durch die oben beschriebenen Vorgänge kommt es im Lauf der Messung zu einer Änderung der Absorption. Eine typische Ultraschall-Penetrationskurve ist in der folgenden Abbildung dargestellt (Abbildung 3):
60
Interpretation der Messwerte
Aus den Penetrationskurven I(t) lassen sich drei Parameter entnehmen:
1. A60: beschreibt den Volumen-Penetrationswiderstand (für 60s Messzeit)
2. W: beschreibt die Barriereeigenschaften der Papieroberfläche
3. tmax :beschreibt die Oberflächenpenetrationszeit
Penetrations-verhalten
Nachdem die Masseleimung des Papiers nicht für das Penetrationsverhalten des Strichs relevant ist, wurde diese Messgröße nicht weiter ausgewertet.
Tabelle 4: Kennwerte zum Penetrationsverhalten
Pigment W-Wert t max, s
G60 0,064 0,398
G90 0,089 0,350
G95 0,100 0,610
GF 0,056 0,326
GS60 0,038 0,206 GS75 0,081 0,474
GS 85 0,024 0,142
P3000 0,021 0,162
P40 0,016 0,126
Einfachstriche Es wurden Streichversuche mit 14 verschiedenen Pigmenten auf einem Streich-rohpapier durchgeführt. Wegen unterschiedlicher Feststoffgehalte der Pigments-lurrys und wegen Einschränkungen beim Streichen mit den Laborcoatern wurden drei Stufen an Auftragsgewicht appliziert (ca. 16 g/m², ca. 9 g/m² und ca. 6 g/m²).
In nachfolgender Abbildung sind die Ergebnisse des Wischtests für ein Strichge-wicht von ca. 16 g/m² (Kontakzeit 7 s) dargestellt.
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2
G 60 G 90 G 95 G F G S 60 G S 75 G S 85 P 40 P 60 P 3000
optische Dichte
(B P S D ) G C C
P C C (N P S D ) G C C
Abbildung 4: Porosität mit Wischtest für Einfachstriche mit ca. 16 g/m² Strichge-wicht nach 7s Kontaktzeit
Abbildung 4 zeigt, dass die Streichfarben mit PCC Pigmenten die größten optischen Farbdichten aufweisen, was auf ein gutes Absorptionsvermögen hindeutet. Die Streichfarbe mit GCC-Pigmenten (NPSD) haben ebenfalls ein gutes Absorptionsvermögen. Im Gegensatz dazu weisen Streichfarben mit GCC (BPSD) die niedrigste Farbdichte, d.h. ein geringes Absorptionsvermögen auf.
Dieses Verhalten kann mit einer größeren offenen Oberfläche bei PCC- und (NPSD) GCC-Pigmenten als bei (BPSD) GCC-Pigmenten erklärt werden. Eine bessere Durchlässigkeit des Strichs führt zu einer schnelleren Druckfarbenpenet-ration, was ein höheres Absorptionsvermögen bedeutet.
Innerhalb der Streichfarbengruppe mit PCC-Pigment nimmt die optische Farbdichte mit Abnahme der Partikelgröße ab (PP3000 < P40 <P60). Dies scheint im Widerspruch mit der Bosanquet-Gleichung, die besagt, je kleiner die Partikelgröße (Porengröße) umso größer ist die Absorptionsrate. Im vorliegenden Fall liegen aber ungleiche Bereiche der Partikelgrößenverteilungen vor. Obgleich das Pigment P3000 die kleinste Partikelgröße mit wiederum dem kleinsten Porenvolumen hat, weisen die Pigmente P40 und P60 mit gröberen Partikeln und einer offeneren Oberflächenstruktur eine größere Absorptionsrate pro spezifische Oberfläche auf. Die gleiche Tendenz bei den Strichen mit GCC-Pigment - abnehmende Farbdichte bei abnehmender Partikelgröße (G60 < GF <
G90 < G95) - kann somit ebenfalls erklärt werden. Bei den Strichen mit (NPSD) GCC-Pigmenten hat das feinste Pigment GS85 jedoch die höchste Farbdichte.
Dies dürfte auf eine besonders enge Partikelgrößenverteilung hindeuten mit einer hohen Anzahl an Partikeln nahezu gleicher Teilchengröße.
Strichgewichtsva riation
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4
G60 G90
G95 GF
GS60 GS75
GS85 P40
P60 P30
00 PC17
PC16 PC18
S50
optische Dichte
16 g /m ² 6 g /m ²
9 g /m ²
Abbildung 5: Porosität mit Wischtest für alle Einfachstriche (16 g/m², 9 g/m², 6 g/m² Strichgewicht) nach 7s Kontaktzeit
Das SiO2-Pigment S50 weist ein schlechteres Ergebnis im Wischtest als feines BPSD-GCC auf. Dafür können möglicherweise drei Faktoren verantwortlich sein:
1. das geringe Strichgewicht ermöglicht es nicht viel Druckfarbe aufzuneh-men,
2. sehr fein Partikelgröße erweitert den Kapillarbereich, was zu geringer Absorptionsrate und Permeabilität führt,
3. das unterschiedliche Bindersystem (16 Teile PVA im Vergleich zu SB-Latex) macht das Ergebnis nicht vergleichbar (höherer PVA-Anteil be-wirkt höhere Wasserresistenz und limitierte Porenstruktur). Dennoch sind die 16 Teile PVA für die Stabilität des SiO2-Strichs unbedingt notwendig.
Ebenso wurde der Wischtest nach einer Kontaktzeit von 2 Minuten durchgeführt, der die gesättigte Farbdichte des gestrichenen Papiers abbildet.
0,0
Abbildung 6: Porosität mit Wischtest für alle Einfachstriche (16 g/m², 9 g/m², 6 g/m² Strichgewicht) nach 7s und 2 min Kontaktzeit
In Abbildung 6 ist festzustellen, dass die Ergebnisse des Wischtests nach 7 s und nach 2 min weitgehend den gleichen Trend zeigen. Lediglich das Niveau der optischen farbdicht ist nach 2 Minuten Kontaktzeit höher als nach 7s. Jedoch sind aber auch leichte Unterschiede zu erkennen, wie z.B. eine leichte Zunahme der Farbdichte bei den feinen (BPSD) GCC-Pigmenten (G90, G95, GF) sowie dem Rückgang bei PCC-Pigment P40. Wie bereits erwähnt wird der Wischtest bei 7s beeinflusst von der Absortionsgeschwindigkeit und -vermögen, wohinge-gen der Wischtest 2 min lediglich einen Hinweis auf das Absorptionsvermöwohinge-gen (Porosität) liefert. Die Ergebnisse zeigen einen Einfluss der verschiedenen Absorptionsraten. Vereinfacht kann gesagt werden, dass möglicherweise die Absorptionsrate teilweise unabhängig von dem Absorptionsvermögen (Porosität) ist.
Zunächst wurde auf einen konstanten Vorstrich mit dem Pigment G60 ein Deckstrich mit Pigment P16 in 1, 2 bzw. 3 Schichten aufgetragen. Dadurch wurde ein ansteigendes Strichgewicht erzielt. das Absorptionsvermögen wurde mit dem Wischtest charakterisiert (vgl. Abbildung 7).
Wie erwartet erhöht sich die Kapazität des Strichs mit zunehmendem Strichge-wicht des Deckstrichs. Die Abweichung in der Messkurve von 7 s Kontaktzeit im unteren Bereich könnte auf unterschiedliche Absorptionsraten zwischen Vor- und Deckschicht zurückgeführt werden.
Bei geringen Strichgewichten des Deckstrichs ist möglicherweise die Wechsel-wirkung im Absorptionsverhalten der Strichschichten deutlicher erkennbar, als
Abbildung 7: Porosität mit Wischtest: Zweifachstriche mit variiertem Strichge-wicht des Deckstrichs (Pigment P16; 7s und 2 min Kontaktzeit)
Als weiteres Ergebnis wird das hohe Absorptionsverhalten des Pigmentes P16 verdeutlicht. Die Ergebnisse bei 2 min Kontaktzeit zeigen hauptsächlich die Porosität. Selbst bei einer verzögerten Wechselwirkung zwischen den Schichten, kann die Druckfarbe bei ausreichender Wartezeit tiefer in den Strich ein penetrie-ren. Demzufolge nimmt die Saugfähigkeit bei Erhöhung der Pigmentmenge im Deckstrich zu.
In einer zweiten Versuchsreihe (Abbildung 8) wurde ein weniger saugfähiges Pigment (G95) auf das Rohpapier in 1 bis 4 Schichten aufgestrichen.
Bei der Verwendung eines wenig saugfähigen Pigmentes (G95), ist im Gegen-satz zu der deutlichen Steigerung bei einem saugfähigen Pigment, keine signifi-kante Zunahme des Absorptionsvermögens bei Erhöhung des Strichgewichts erkennbar (vgl. Abbildung 8). Die Abnahme von einschichtigem zu zweischichti-gem Strichauftrag bei 7s Kontaktzeit kann möglicherweise mit einer nicht ausrei-chende Abdeckung des Rohpapiers durch die eine Schicht - ca. 13 g/m² - erklärt werden. Deshalb kann die Saugfähigkeit des Rohpapiers hierbei durchschlagen.
Sobald die Schtrichschicht den Rohkarton komplett abdeckt, kann dieser Einfluss vernachlässigt werden. Die Abweichungen in der Messkurve bei Kontakzeit 2 min sind nicht eindeutig zu erklären und müssen auf messverfahrensbedingte Ursachen zurückgeführt werden.
Kalandrierte Einfachstriche
Um die Anforderung einer für den Flexodruck ausreichende Glätte zu erzielen, wurde ein Laborkalander eingesetzt und damit die Rauheit (gemessen nach PPS) auf ein gewisses Niveau eingestellt. Es darf sicher davon ausgegangen werden, dass die Saugfähigkeit durch die Kalandrierung auf Grund der veränder-ten Porenstruktur beeinflusst wird. Mit Hilfe des Wischtests (Kontaktzeit 7s) wurde ein Vergleich zwischen kalandrierten und nicht kalandrierten Einfachstri-chen vorgenommen (vgl. Abbildung 9).
Abbildung 9: Porosität mit Wischtest für kalandrierte und nicht kalandrierte Einfachstriche (7s Kontaktzeit)
Der Vergleich im Wischtest (nach 7s) zeigt einen signifikanten Rückgang in der Saugfähigkeit durch das Kalandrieren. Die verschiedenen Pigmente zeigen auch nach der Satinage noch die gleichen Tendenzen in der Porosität, obwohl die Ergebnisse durch das Verdichten auf einem reduzierten Niveau sich einpendeln.
Der Vergleich über den Wischtest nach 2 min Kontaktzeit (vgl. Abbildung 10) bestätigt diese Niveauverschiebung.
Abbildung 10: Porosität mit Wischtest für kalandrierte und nicht kalandrierte Einfachstriche (2 min Kontaktzeit)
Die Ergebnisse der Farbaufnahme mit dem Bristow Wheel (vgl. Abbildung 11) bestätigen die Ergebnisse des Wischtests. Auch hier ist ein ähnlicher Rückgang der Farbaufnahmefähigkeit durch das Kalandrieren festzustellen.
Abbildung 11: Farbaufnahme mit dem Bristow Wheel für kalandrierte und nicht kalandrierte Einfachstriche
Das Kalandrieren verlängert die Farbstreifenlänge, was eine zu erwartende Verringerung der Kapazität aufgrund der Komprimierung der Papiere aufzeigt.
Aber, wie bereits ausgeführt, ist die Wiederholbarkeit mit einer hohen Streuung