Rezyklierbarkeit - Forschungseinrichtung(en) Forschungsvereinigung Berichtszeitraum Thema Schlu

Abbildung 8: Allgemeiner Ablauf TS-RH 021/97 Kategorie II.

Durchgeführte Untersuchungen

Die Untersuchung erfolgt nach PTS-Methode PTS-RH 021/97 (2012) „Kennzeichnung der Rezyklierbarkeit von Packmitteln aus Papier, Karton und Pappe sowie von grafischen Druckerzeugnissen“.

Unter Rezyklierbarkeit im Sinne dieser Prüfmethode ist die Eigenschaft eines gebrauchten oder gebrauchsfähigen Produktes aus Papier, Karton oder Pappe zu verstehen, in einer den anerkannten Regeln der Technik entsprechenden Altpapieraufbereitungsanlage so aufbereitbar zu sein, dass der erzeugte Altpapierstoff die störungsfreie und kosteneffiziente Herstellung eines qualitativ akzeptablen, altpapierhaltigen Neupapiers erlaubt.

Die Kriterien, die zur Bewertung der Rezyklierbarkeit herangezogen werden, sind:

 Zerfaserbarkeit

Massenanteil, der nicht zur Papierherstellung nutzbaren Bestandteile (Trockenentfernte, papierfremde Produktbestandteile und Rückstände von nicht zerfaserten Faserstoffbestandteilen nach einer 0,7mm-Lochplatten-Fraktionierung (Brecht-Holl))

 Störungsfreie Blattbildung (keine klebenden Verunreinigungen und optischen Inhomogenitäten) --> Sauberkeit des zur Papierherstellung nutzbaren Massenanteils

Eine Bewertung möglicher Auswirkungen auf Kreislauf- bzw. Abwässer ist nicht Bestandteil dieser Methode.

4.2.6.1 Zerfaserbarkeit

Das Kriterium der Zerfaserbarkeit und der damit einhergehenden Ausbeute an recyclingfähigen Faserstoff wird anhand der folgenden Untersuchungen bewertet:

 Rückstandsgehalt nach einer Brecht-Holl-Fraktionierung: Dieser kann sowohl nicht desintegrierte Faseragglomerate, Strich- und Kleberpartikel als auch mögliche papierfremde Produktbestandteile, wie bspw. flächige Partikel von Beschichtungen enthalten. Die Zerfaserbarkeit wird durch den Massenanteil des Rückstands bewertet und zusätzlich qualitativ beschrieben.

 Anteil Papierfremder Produktbestandteile: Der Anteil basiert entweder auf Herstellerangaben oder ist abgeschätzt. Bei einer Abschätzung werden folgende Anteile und Bewertungen mit berücksichtigt:

o Händisch trockenentfernte papierfremde Produktbestandteile wie Verschlüsse, Henkel, Sichtfenster bei Probenvorbereitung

o Beschichtungen und Kaschierungen, welche zum einen anhand des Rückstandsgehalts nach einer Brecht-Holl-Fraktionierung bewertbar sind und zum anderen bei der visuellen Bewertung der Gutstoffblätter nach einer Haindl-Sortierung erkennbar sind. Druckfarbenpartikel und Klebstoffapplikationen sind hier nicht mit inbegriffen.

 Gesamtrückstand: Dieser Anteil ergibt sich aus dem Anteil des Rückstands der Brecht-Holl-Fraktionierung und dem Anteil der trockenentfernten papierfremden Produktbestandteile.

Faserstoffausbeute: Dieser Anteil ergibt sich aus der Masse des Ausgangsmaterials abzüglich der Masse des Gesamtrückstands. Der Anteil bezieht sich auf die ofentrockene Gesamtmasse des Ausgangsmaterials.

Die Bestimmung der Zerfaserbarkeit erfolgt in Anlehnung an die Zellcheming-Methode ZM V/18/62. Der Gesamtstoff wird dabei mit Hilfe eines Brecht-Holl-Fraktionators für 5 Minuten über einer Lochplatte mit 0,7 mm Lochdurchmesser ohne weitere Chemikalienzufuhr sortiert. Anschließend erfolgt eine visuelle Beurteilung und gravimetrische Ermittlung des Rückstandes auf der Lochplatte. Neben diesem Rückstandsgehalt wird auch der Anteil an trockenentfernten papierfremden Produktbestandteilen hinzugezogen. Aus dem Differenzbetrag von Ausgangsmaterial (ofentrocken, 100%) und Gesamtrückstandsgehalt lässt sich die Faserstoffausbeute ableiten.

Tabelle 2: Bewertung des Gesamtrückstandes (inkl. trockenentfernter papierfremder Produktbestandteile).

< 20 % 20 – 50 % > 50 %

Rezyklierbar Das Produkt ist rezyklierbar, aber hinsichtlich der Produktgestaltung

Die Untersuchungen an Packmittel- sowie Halbzeugmustern erfolgen an einer repräsentativen Menge von jeweils mind. 250 g Lutftrocken (bzw. mindestens ein komplettes Packmittelmuster). Bei kompletten Packmittelmustern werden zunächst die verschiedenen Bestandteile, wie bspw. Verklebungen von Seiten und Boden, Sichtfenster, Henkel, u.a. gravimetrisch erfasst. Papierfremde Produktbestandteile (wie Kunststoffverschlüsse, Textilhenkel, etc.) werden, soweit möglich, trocken entfernt. Vor der Probeneinwaage erfolgt an einem Teil der Proben die Bestimmung des Feuchtigkeitsgehalts nach DIN ISO 287. Für die einzuwiegende Untersuchungsmenge von 50 ± 1 g Ofentrocken wird das massengewichtete Anteilsverhältnis der restlichen Bestandteile untereinander beachtet. Die Zerkleinerung des Probenmaterials in Stücke von ca. 2 cm x 2 cm erfolgt mit einem Planschneider bzw. mittels einer Stanze mit passendem Stanzeisen.

Sortierung und Blattbildung

Zur Bewertung der störungsfreien Blattbildung wird der Gesamtstoff zunächst in Anlehnung an die Zellcheming-Methode ZM V/1.4/86 sortiert.

Der Gesamtstoff wird mit Hilfe eines Haindl-Fraktionators für 2 Minuten über einer Schlitzplatte mit 0,15 mm Schlitzbreite fraktioniert. Der Durchlauf der Fraktionierung, im Folgenden als Gutstoff bezeichnet, wird aufgefangen.

Anschließend erfolgt die Laborblattbildung vom Gutstoff in Anlehnung an DIN EN ISO 5269 mittels eines Rapid-Köthen-Blattbildners. Die Flächenmasse der Laborblätter beträgt ca. 60 g/m², die Trocknung erfolgt bei ca. 96°C.

Für den Blattklebetest werden nach der Trocknung die Laborblätter zusammen mit Gautschkarton und Deckblatt für 2 Minuten in einem Trockenschrank bei 130°C vollflächig einer Flächenpressung von 1,18 kPa zwischen zwei Messingplatten ausgesetzt. Danach werden diese Proben für 10 Minuten in einem Exsikkator abgekühlt und anschließend dem Blattklebetest und der visuellen Beurteilung auf vorhandene optische Inhomogenitäten unterzogen.

Zur qualitativen Bewertung des Sortiereffekts und der Abtrennung von Verunreinigungen werden vom Gesamtstoff ebenfalls Laborblätter gebildet und einer Prüfung auf klebende Verunreinigungen und optische Inhomogenitäten unterzogen.

Das Kriterium der störungsfreien Blattbildung wird basierend auf folgenden zwei Untersuchungen bewertet:

(1) Blattklebetest an Laborblättern aus den gewonnenen Faserstoffen (Gesamtstoff und sortierter Gutstoff) zur Beurteilung auf vorhandene klebende Verunreinigungen, verursacht durch bspw.:

 Verklebungen von Seiten und Bodenlaschen

 Strichbindemittel

 Beschichtungen und Kaschierungen

 Haftetiketten und Klebebänder

 Klebende Partikel (Stickys) in Papieren, Karton und Pappe, welche aus Recyclingfasern hergestellt sind.

Die Prüfblätter werden einzeln vom Deckblatt und vom Trägerkarton langsam abgezogen. Dabei wird beobachtet, ob jeweils eine Klebewirkung festzustellen ist.

Außerdem werden die Oberflächen des Prüfblattes, des Deckblattes und des Trägerkartons auf mögliche Beschädigungen oder Anhaftungen untersucht.

Tabelle 3: Bewertung des Blattklebetestes (Gutstoff).

Keine Klebewirkung Klebewirkung mit Beschädigungen/

Anhaftungen Laborblatt

Rezyklierbar Wegen klebender Verunreinigungen nicht rezyklierbar

(2) Visuelle Beurteilung auf optische Inhomogenitäten, wie bspw.:

 Schmutzpunkte durch Druckfarben-, Strich-, Metall-, Lack-, Kleberpartikel, etc.

 Transparente oder weiße Stellen bzw. Fehlstellen durch klebende Verunreinigungen, Kunststoffpartikel, Strichpartikel, etc.

 Durchgefärbte auffällige Fasern und signifikante Verfärbung des Prüfblatts durch Farbstoffe

Die Prüfblätter werden zum einen im Durchlicht auf mögliche vorhandene Fehlstellen, transparente und weiße Flecken und Schmutzpunkte durch Druckfarben, Strich-, Lack-, Beschichtungs- und Klebstoffpartikel untersucht. Zum anderen wird die Verfärbung der Blätter durch mögliche dunkle Farbstoffe beurteilt.

Tabelle 4: Bewertungskriterien zur visuellen Beurteilung optischer Inhomogenitäten.

Keine bzw. keine störenden optischen Inhomogenitäten

Störende optische Inhomogenitäten*

Nicht mehr vertretbare optische Inhomogenitäten**

* Wenn diese durch optisch störende Partikel (Schmutzpunkte) verursacht wird, erfolgt der Hinweis, dass diese durch eine wirksame Dispergierung reduziert werden können

** in sehr seltenen Ausnahmefällen, wie bspw. signifikant durchgefärbte Papiere / Kartone

Die Feuchtdehnung gibt die relative Längenänderung von Prüfstreifen bezugnehmend auf den Ausgangszustand an. Die Längenmessung erfolgt mit Hilfe eines, in einer Klimakammer aufgestellten Rahmens, in dem die zu prüfenden Materialien an sensiblen Messuhren befestigt werden. Nach Erreichen des Gleichgewichtes unter der Ausgangsfeuchtigkeit werden die Messuhren genullt und das gesamte Gestell im Zielklima platziert.

Abbildung 9: Mobile Einspannvorrichtung für die Messung klimatisch bedingter Längenänderung.

Die Feuchtdehnungseigenschaften der Papiere werden nach ISO 8226-2 sowohl in Maschinenrichtung (MD) als auch in Querrichtung (CD) erfasst. Für die als isotrop angenommenen Polymerfilamente wurde lediglich die Dimensionsänderung in Längsrichtung ermittelt. Die Längenänderung der Materialien werden nach einer Umklimatisierung der Prüfstreifen von 33% auf 85% relativer Luftfeuchte (r.H.) bestimmt. Die Feuchtdehnung x wird in Prozent angegeben und berechnet sich mittels folgender Formel: x = [(L85- L33) / L0] x 100

Darin bedeuten:

- L85 = Länge des Probenstreifens in mm bei 85% relativer Luftfeuchte - L33 = Länge des Probenstreifens in mm bei 33% relativer Luftfeuchte - L0 = Länge des Probenstreifens in mm bei 50% relativer Luftfeuchte

4.3.2 Konzepterstellung für die Befestigung des Papiers auf der Bauplattform Um reproduzierbar auf das DIN A4 Papier drucken zu können, wurde zunächst ein Konzept für die Befestigung des Papiers auf der Bauplattform erarbeitet. Die bisherigen Lösungen waren nicht in der Lage, das dünne Papier flächig und eben über den kompletten Druckprozess hinweg zu fixieren.

4.3.3 Z-Zugversuch nach Tappi T 541 bzw. ISO 15754

Für die Bewertung des Haftungsverhaltens hat sich im Rahmen der Vorversuche der Z-Zugversuch als zielführend erwiesen. Die Bestimmung von Scherkräften in Anlehnung an DVS Richtlinie 2019 liefert aufgrund einer hohen Streuung keine sinnvollen Werte.

Dafür wurden nach einer Optimierung der Prüfvorrichtung erfolgreich Schälversuche in Anlehnung an VDI Richtlinie 2019 durchgeführt.

Beim Internal Bond Test (Z-Zugversuch nach Tappi T 541 bzw. ISO 15754) wird eine Belastung ausschließlich in Z-Richtung aufgebracht. Durch die Krafteinwirkung senkrecht zur Probenoberfläche kann die Haftfestigkeit der Lagen untereinander ermittelt werden. Das zu prüfende Papier bzw. der Schichtverbund wird in Form von Quadraten der Abmessung 25,4 mm x 25,4 mm unmittelbar vor der Prüfung mittels doppelseitigem Klebeband (in Abbildung 10 schematisch gelb dargestellt) an den Probeträgern fixiert.

Für die Reproduzierbarkeit wurde dafür stets eine 6-sekündige Druckkraft von 900 N aufgewendet. Beim anschließenden Auseinanderbewegen der Prüfflächen (mit einer Geschwindigkeit von 20 mm/min) kommt es zur Lagentrennung. Der gesamte Prüfvorgang wird in Form einer Kraft-Weg- bzw. Kraft-Zeit-Kurve aufgezeichnet. Als Abbruchkriterium wurde ein Kraftabfall von ≥ 50% oder aber das Erreichen einer Maximalkraft von 9000 N definiert. Die Prüfung eines Materials erfolgt stets an mindestens fünf Einzelproben. Für aussagekräftige Resultate ist sicher zu stellen, dass die zu messende Spaltfestigkeit die schwächste Kraft im Lagenverbund darstellt. Erfolgt die Lagentrennung an den Grenzflächen Metall-Klebeband oder Polymer-Klebeband sind die Messergebnisse zu verwerfen.

Abbildung 10: Lagenspaltung im Rahmen des Z-Zugversuches (links) und schematische Darstellung des in der Prüfeinrichtung fixierten Schichtverbundes (rechts).

wurde neben Machbarkeit und Kosten für etwaige Anpassungen auch die Aussagekraft der erzielbaren Resultate in Betracht gezogen.

In enger Kooperation mit Experten, Herstellern und Verarbeitern wurden die Anforderungsprofile an eine, mittels additiver Fertigungsverfahren verstärkte, Faltschachtel eruiert.

Additive Fertigung und Qualitätsbeurteilung der Komposite

Die Fertigung von Papier-Polymer-Kompositen unter Variation vielfältiger Prozessparameter und Einflussgrößen in einem DOE-Versuchsplan erfolgte auf den ausgewählten verschiedenen Papiersubstraten. Dazu wurden je Versuchsreihe fünf gleich große Quadrate (25 mm x 25 mm x 0,5 mm) auf das jeweilige Papier gedruckt (vgl.

Abbildung 11).

Abbildung 11: Exemplarische Darstellung eines Druckauftrages für ein Papiersubstrat in Simplify3D.

Die berücksichtigten Parameter (vgl. Tabelle 5) waren die Verarbeitungstemperatur, die Druckgeschwindigkeit und Schichtdicke, welche jeweils einmal nach oben sowie nach unten variiert wurden, sodass auf jedem Papier 35 Quadrate gedruckt werden konnten.

Tabelle 5: Parametervariation für den DOE-Versuchsplan.

Standard Variation

Düsentemperatur (°C) Materialabhängig ± 20 Druckgeschwindigkeit

(mm/s) 40 ± 30

Schichtdicke (mm) 0,25 ± 0,15

Der Düsendurchmesser wurde konstant bei 0,4 mm belassen. Eine Variation der Plattformtemperatur sollte ebenfalls erfolgen. Bei ersten Vorversuchen zeigte jedoch eine Erhöhung der Plattformtemperatur auf 60°C negativen Einfluss auf die Haftung und die Welligkeit der Papiersubstrate. Somit wurde die Plattformtemperatur konstant auf 30°C gehalten. Für jedes Material und Papiersubstrat ergibt sich die in Tabelle 6 am Beispiel PLA dargestellte Versuchsreihe.

Tabelle 6: DOE-Versuchsplan am Beispiel PLA.

Versuchsreihe A B C

Identifizierung relevanter Einflussgrößen und Empfehlung geeigneter Prozessparameter

Ziel dieses Arbeitspaketes ist es, die komplexen Zusammenhänge zwischen den Substrat- und Polymereigenschaften und den Qualitätskriterien Haftung und Dimensionsstabilität zu identifizieren. Diese werden bei beim Bedrucken der Substrate, neben den Verarbeitungsparametern, insbesondere auch durch die Füllstrategie und Slicingparameter beeinflusst. Hier sollen primär die in AP 2 analysierten thermo-mechanischen, chemischen und strukturellen Grundeigenschaften der Einzelkomponenten adressiert werden. Als Orientierungshilfe sollen existierende Arbeiten zu Schmelzklebstoffen dienen. Die grundlegenden Zusammenhänge zwischen Einflussfaktoren wie: Rauheit, Hydrophilie, wirksamer Oberfläche, Schmelzviskosität, etc. und den Effekten der Benetzung, Penetration und Adhäsion sind zu berücksichtigen.

Auch Prozessparameter wie z.B. Feuchte und Temperatur des Bauraumes oder die Temperatur der Polymerschmelze bei Applikation sollen evaluiert werden.

Ausgehend von statischen Gesichtspunkten wurden die additiv gefertigten Versteifungselemente im Kompositbauteil optimiert. Dabei wurden die Steuergrößen:

Anzahl, Geometrie und Positionierung bzw. Ausrichtung berücksichtigt. Speziell was die Geometrie der Strukturelemente angeht, sind verschiedenste Dimensionen, Querschnitte und auch Querschnittsverläufe realisiert worden (vgl. Abbildung 12).

Abbildung 12: Verwendete Füllmuster und Füllwinkel.

Füllmuster Füllwinkel

Grid 45°/-45°

Grid 60°/-60°

Grid 0°/90°

Wiggle 0°/90°

Honeycomb 0°/120°/-120°

Triangular 0°/60°/-60°

Basierend auf existierenden Faltschachtelmodellen und Materialkennwerten sind die statisch beanspruchten Bereiche identifiziert worden. Im Hinblick auf den Stapelstauchwiderstand sind die für das finale Versagen verantwortlichen Schwachstellen durch Polymerapplikationen stabilisiert worden. Das Systemversagen einer Faltschachtel im BCT ist mit Hilfe der „McKee-Formel“ in die zwei Hauptbelastungsszenarien (Biegesteifigkeit und Kantenstauchwiderstand) zerlegt und durch entsprechende Materialprüfungen als Optimierungshilfsmittel genutzt worden [29]. Im Abgleich mit Berechnungen und Messungen wurde die maximale Tragfähigkeit bei minimalem Materialeinsatz realisiert.

Entwicklung eines Materialmusters

Zur Visualisierung des Potentials bedruckter Faltschachteln wurden komplexe Materialmuster als Demonstratoren entworfen und gefertigt. In Kombination mit dem Einsatz von Lasertechnologie wurden speziell die Möglichkeiten zur gezielten Stabilisation durchbrochener Strukturen aufgezeigt. Die angefertigten Demonstratoren enthalten sowohl Funktions- als auch Designelemente wie Scharniere, Blindenschrift, Stoßecken und Siegel.

 Recyclingkarton mit Rückseitenstrich 167 g/m

 Karton für schalenförmige Verpackungen 190 g/m²

 Kraftliner mit einseitiger Pigmentierung 225 g/m²

 Karton für schalenförmige Verpackungen 230 g/m²

 vollgestrichener Faltschachtelkarton (GC2) 260 g/m²

In dieser Reihenfolge werden die Materialien im nachfolgenden Dokument mit den Kurzformen: Fs167; Tr190; Kr225; Tr230 und Ta260 bezeichnet.

Die ursprünglich ebenfalls angedachten „medizinischen Papiere“ (Verpackungspapiere für Medizinprodukte) haben sich bereits bei Vorversuchen als nicht prozessfähig herausgestellt. Aufgrund sehr geringer Grammatur und hoher Flexibilität dieser Materialien war es nicht möglich, diese mit definierten Polymeren zu versehen, ohne dass es bereits während der Applikation zu erheblichen Deformationen gekommen wäre.

Tabelle 7: Ausgewählte Polymerschmelzen für den DOE-Versuchsplan.

Name Materialeigenschaften Hersteller Gellay v-514 mikroporös mit PVA Porolay High-T-Lay T6 wasserlöslich LAYFilament

Layfelt v111 mikroporös mit PVA Porolay Layfomm 60 mikroporös mit PVA Porolay

Laywoo-D3 40 % Holz LAYFilament

Scaffold Soluble wasserlöslich spool.Works

PLA Blau PLA Herz

PLA Natpgrün PLA Herz

Hytrel 3D4100FL TPE-E Du Pont

Hytrel 3D4000FL TPE-E Du Pont

Ninja Flex Midnight TPE-U Ninja Flex

Zytel FE310161 PA Du Pont

Charakterisierung von Papiersubstraten, Faltschachtelkartons, (Faltschachteln) und Kunststoffen

5.2.1 Substratcharakteristika

Die nachfolgend angeführte Tabelle 8 enthält eine Zusammenstellung relevanter, mechanischer Papierkenngrößen, die im Rahmen der grundlegenden Charakterisierung ermittelt wurden. Entscheidend für die geplanten Untersuchungen ist die hohe Varianz der Papier-/Kartoneigenschaften.

* bestimmt bei Normklima (23°C und 50 % RF)

5.2.1.1 Benetzungsverhalten und Oberflächenenergie

Zur Interpretation der Haftungsversuche wurden zunächst grundlegende Untersuchungen der Einzelkomponenten durchgeführt. Im Zuge dessen wurde das Benetzungsverhalten und die Oberflächenenergie der Materialien untersucht. In nachfolgender Abbildung 13 ist der statische Kontaktwinkel von Wasser auf den Substraten (RS=Rückseite;

VS=Vorderseite) dargestellt. Das aufgetragene Benetzungsverhalten umfasst jeweils die ersten 30 Sekunden nach Applikation.

Abbildung 13: Benetzungsverhalten der Substrate, Auftragung des zeitaufgelösten Kontaktwinkels (Wasser) im Intervall 0 – 30s.

Ein deutlich anisotropes Verhalten zwischen Vorder- und Rückseitenbenetzung ist speziell bei den gestrichenen oder pigmentierten Proben festzustellen. Zurückzuführen ist eine Kontaktwinkelreduktion in diesem Zusammenhang auf die Wirkung hydrophiler Pigmentteilchen bei den rückseitig pigmentierten Proben Kr225 und Fs167 bzw. bei der vorderseitig gestrichenen Probe Ta260. Bei den Proben Tr190/230 war kein Unterschied zwischen Vorder- und Rückseite zu detektieren.

Abgesehen von der Probe Fs167 zeigen alle Substrate einen relativ stabilen Kontaktwinkel in diesem Zeitfenster. Das Benetzungsverhalten des Recyclingkartons, speziell der signifikante Abfall des Kontaktwinkels mit der Zeit, lässt sich auf dessen vergleichsweise hohes Saugvermögen zurückführen.

Abbildung 14 zeigt den mittleren Kontaktwinkel der Flüssigkeiten Wasser und Formamid nach 0,2 Sekunden auf den Substratoberflächen.

Abbildung 14: Mittlerer Kontaktwinkel der Flüssigkeiten Wasser und Formamid nach 0,2 s auf den Substratoberflächen.

In Abhängigkeit der Eigenschaften der beteiligten Komponenten bei der Kontaktwinkelmessung lassen sich verschiedene Benetzungsszenarien unterscheiden.

Die einfachste Klassifizierung differenziert dabei in vollständig, partiell und nicht benetzende Systeme. Bei einer vollständigen Benetzung spreitet das Fluid vollständig auf dem Substrat und bildet einen zusammenhängenden Film. Der Kontaktwinkel ist für diesen Zustand genaugenommen nicht definiert, wird aber häufig mit ~ 0° angegeben. Im Gegensatz dazu kommt es bei einem nicht benetzenden System zu einer weitestgehenden Minimierung der Kontaktfläche von Fluid und Substrat. Die Flüssigkeit strebt der Gestalt einer Kugel entgegen, so dass der Kontaktwinkel im Idealfall 180° beträgt. Zwischen den genannten Extremszenarien liegen vielfältige, partiell benetzende Zustände.

Basierend auf diesen individuellen Kontaktwinkeln und den bekannten physikalischen Eigenschaften der Prüfflüssigkeiten lässt sich die Oberflächenenergie des jeweiligen Substrates ermitteln. In der nachfolgenden Tabelle 9 sind diese Kennwerte zusammengestellt. Neben der, mit „total“ bezeichneten Oberflächenenergie sind auch deren in polar und dispers differenzierte Anteile angegeben.

0,0 20,0 40,0 60,0 80,0 100,0 120,0 140,0

CA(M) in°

Mittlerer Kontaktwinkel

Wasser Formamid

Ta260_VS 16,9 11,5 5,4

Fs167_RS 20,8 18,6 2,3

Fs167_VS 8,2 4,9 3,3

5.2.1.2 Porosität

Im Hinblick auf die Zielstellung, substratseitige Einflussfaktoren auf die Bedruckbarkeit mit geschmolzenen Polymeren zu identifizieren, erweist es sich als erforderlich, sowohl die Oberflächenrauheit wie auch die Porosität der Papiere zu analysieren. Die mittels Quecksilberintrusion ermittelte Gesamtporosität der Proben ist der Tabelle 10 zu entnehmen. Die grafische Darstellung der gemittelten Porengrößenverteilungen befindet sich nachfolgend in Abbildung 15.

Tabelle 10: Porositätskennwerte der Papiersubstrate.

Probe/Messung Porosität [%] Mittlerer Porenradius [µm]

Porenvolumen [mL/g]

Fs167_A 44,1 1,36 0,52

Fs167_B 43,7 1,37 0,51

MW 43,7 1,4 0,5

Tr190_A 44,8 3,60 0,59

Tr190_B 42,7 3,80 0,56

MW 43,8 3,7 0,6

Kr225_A 37,0 3,71 0,49

Kr225_B 38,8 3,68 0,51

MW 37,9 3,7 0,5

Tr230_A 45,6 3,02 0,56

Tr230_B 41,0 3,18 0,5

MW 43,3 3,1 0,5

Ta260_A 45,2 4,45 0,85

Ta260_B 45,2 4,51 0,85

MW 45,2 4,5 0,9

Die Ähnlichkeit der vermessenen Papierproben im Hinblick auf die Kennwerte der Gesamtporosität und des mittleren Porenradius war sehr hoch. Signifikante Unterschiede konnten lediglich bei den Proben Fs167 und Kr225 festgestellt werden. Erstere zeichnet sich durch einen, im Vergleich zu allen anderen Proben, um mehr als die Hälfte reduzierten Porenradius aus. Die Probe Kr225 hingegen besaß trotz erhöhtem Porenradius mit ~ 38% die geringste Gesamtporosität.

Abbildung 15: Quecksilberporosimetrie, Mittelwertkurven zur Porengrößenverteilung der einzelnen Substrate.

Im Rahmen der Messung wird Quecksilber, das unter Laborbedingungen (20°C / 1013 mbar) eine Oberflächenspannung von 476 mN/m besitzt, unter stetig steigendem Druck in die Hohlräume der jeweiligen Probe gepresst. Unter vereinfachender Annahme einer zylindrischen Porengeometrie wird basierend auf der sogenannten Washburn-Gleichung (Washburn-Gleichung i) ein Zusammenhang zwischen Druckdifferenz und Porenradius hergestellt.

P_L− P_G= 4σ cosθ

D_P ⁱ

Durch Korrelation von Druck und eingebrachtem Quecksilber lassen sich die genannten Kennwerte ermitteln. Während geschlossene Poren mittels Quecksilberporosimetrie nicht zugänglich sind, führen sog. „Flaschenhalsporen“ zu einer Verfälschung der Porengrößenverteilung. Da die Kennwerte zur Porosität auf dem gesamten Volumen der Papierprobe (inkl. etwaiger Beschichtungen) basieren und dies nur unzureichende Rückschlüsse auf die oberflächliche Interaktion von Polymerschmelze und Papieroberfläche ermöglicht, wurden ergänzend noch Oberflächen-Topographie-Messungen durchgeführt.

Abbildung 16: Topographisches Abbild des Papiersubstrates Fs167.

Abbildung 17: Topographisches Abbild des Papiersubstrates Kr225.

Abbildung 18: Topographisches Abbild des Papiersubstrates Ta260.

Abbildung 19: Topographische Abbilder der Papiersubstrate Tr190/230.

Tabelle 11: Kennwerte zur Flächenrauheit der Substrate.

S

S10

Fs167_VS: 1,16 ± 0,08 1,50 ± 0,10 5,44 ± 0,91 8,92 ± 1,37 14,36 ± 1,78 12,07 ± 1,06

Fs167_RS: 2,01 ± 0,17 2,57 ± 0,20 12,08 ± 1,25 13,87 ± 3,99 25,95 ± 4,12 22,07 ± 3,90

Kr225_VS: 3,14 ± 0,46 4,30 ± 0,74 30,97 ± 22,88 28,28 ± 5,36 59,25 ± 22,50 49,56 ± 17,64

Kr225_RS: 2,28 ± 0,34 2,98 ± 0,49 17,58 ± 10,50 16,75 ± 6,80 34,33 ± 12,32 28,68 ± 9,84

Ta260_VS: 0,29 ± 0,01 0,37 ± 0,02 2,15 ± 0,75 1,56 ± 0,06 3,71 ± 0,73 2,94 ± 0,26

Ta260_RS: 1,82 ± 0,14 2,35 ± 0,17 10,93 ± 8,12 10,85 ± 2,12 21,78 ± 8,87 18,02 ± 5,73

Tr190: 1,44 ± 0,17 1,97 ± 0,23 7,88 ± 6,22 18,62 ± 7,55 26,51 ± 9,80 20,71 ± 6,60

Tr230: 1,62 ± 0,21 2,20 ± 0,29 8,79 ± 4,55 21,10 ± 7,82 29,89 ± 8,62 25,12 ± 7,46

Unabhängig vom betrachteten Flächenrauheitskennwert lässt sich sehr deutlich die glättende Wirkung von Strichapplikationen oder von Pigmentierungen identifizieren. So erwiesen sich die Vorderseiten der gestrichenen Proben Fs167 und Ta260 wie auch die Rückseite der pigmentierten Probe Kr225 erwartungsgemäß von geringerer Rauheit als die jeweilige Gegenseite. Im Rahmen der Probenauswahl besaß der 2-fach gestrichene Faltschachtelkarton Ta260 die mit Abstand geringste Rauheit.

In diesem Zusammenhang ist anzumerken, dass bezüglich des adressierten Haupt-Anwendungsszenarios, der Faltschachtelverstärkung, primär die Rückseiten Substrate (also die Innenseiten der Schachteln) für die Applikation von polymeren Verstärkungselementen vorgesehen waren.

5.2.2 Polymercharakteristika

5.2.2.1 Benetzungsverhalten und Oberflächenenergie

Die Oberflächenenergie der Polymere wurde basierend auf Kontaktwinkelmessungen mit verschiedenen Flüssigkeiten und der Methode nach Owens, Wendt, Rabel & Kaelble (OWRK) bestimmt. Konkret wurden zu diesem Zweck die statischen Kontaktwinkel mit den Flüssigkeiten Wasser und Dijodmethan genutzt. Diese sind der Abbildung 20 für die untersuchten Polymere zu entnehmen. Um die Polymerfilamente in derartiger Weise charakterisieren zu können, wurden diese zuvor in Form von Folien gepresst.

Layfomm60 33,5 30,6 2,8

LW-L30 30,6 29,6 1,0

Ninja Flex Midnight 28,8 28,2 0,6

PLA Blau 33,0 30,2 2,8

PLA Natogrün 34,1 30,8 3,3

spool.Works_Scaffold 33,5 31,1 2,4

Zytel Fe310161 30,7 28,1 2,6

Klebeband TM* 32,9 32,7 0,2

*Eingesetzt im Z-Zugversuch zur Fixierung der Polymer- und Papierproben

Abbildung 20: Mittlerer Kontaktwinkel der Prüfflüssigkeiten Wasser und Diiodmethan nach 0,2 s auf den zu Folien gepressten Polymeren.

5.2.2.2 DSC

Die nachfolgende Tabelle zeigt die Peaks der durchgeführten DSC-Messungen mit den in Tabelle 7 vorgestellten Materialien. Abbildung 21 zeigt einen Auszug aus den DSC-Messungen. Mit Hilfe der Schmelztemperaturen der einzelnen Materialien lässt sich der Prozess der additiven Fertigung genau einstellen.

0,0 20,0 40,0 60,0 80,0 100,0 120,0

CA(M) in°

Mittlerer Kontaktwinkel

Wasser Diiodmethan

Tabelle 13: Peak aus den DSC-Messungen.

Material Peak [°C]

Gellay v-514 179,3

High-T-Lay_T6 155,6

Im Dokument Forschungseinrichtung(en) Forschungsvereinigung Berichtszeitraum Thema Schlussbericht (Seite 20-0)