7 Penetrationsmodell
7.2 Variation der Penetrationsmodelle
Varianten-rechnungen
Mit der erstellten Modellierungssoftware wurden bei Änderung von Parametern für Liner, Klebstoff und Prozess einige Variantenrechnungen durchgeführt. Die Ziele dieser Rechnungen waren:
• Unterschiede in den Penetrationsverläufen in den Linern festzustellen,
• Unterschiede der Restmengen im zeitlichen Verlauf zu beobachten,
• Feuchteverteilungen in Welle / Decke und Rest (in g/m² bzw. in %) nach dem Verkleisterungspunkt zu berechnen,
• Beobachtung der Variationsbreite der Feuchteinhalte in den Linern und den Restmengen, abhängig vom jeweils variierten Parameter
Beispielergebnisse für angenommene Situationen an Riffelwalze bzw. Ka-schierwerk sind nachfolgend dargestellt.
Riffelwalze Variation der Wellenstoff- und Kleb-stoffmengen
Für den Bereich der Riffelwalze wurden Penetrationsvorgänge bei variierendem Wellenstoff und unterschiedlicher Klebstoffmenge berechnet (Abbildung 18).
Aus der Abbildung ist folgendes ersichtlich:
• Die Penetration in die Wellenstoffe W6 und W7 verläuft ähnlich (blaue, ro-te, grüne Kurven fast deckungsgleich), für W6f (W6f ist die vorbefeuchtete Version von W6) verläuft die Penetration schneller, es wird mehr Klebstoff aufgenommen. Eine geringere Zuführung von Klebstoff (2. Fall, nur 6 g/m²) wirkt sich auf die Welle nicht aus, da der Gelierzeitpunkt den Penetrations-prozess abstoppt. Nur die Restmenge des Klebstoffes ist dann kleiner.
• Da die Decke unverändert ist, gibt es auch bezüglich der Penetration keine Änderungen.
• Bezüglich der Restmengen ist zu sehen, dass wegen der unterschiedlichen Porositäten von W6, W7, W6f in gleichen Zeiträumen etwas unterschiedli-che Mengen in den Wellenstoff eindringen und deshalb die Restmengen leicht differieren. Wird weniger Klebstoff angeboten (2. Fall), so ist die Restmenge entsprechend kleiner. (Hinweis: Die Auftragsmengen 6 bzw. 8 g/m² beziehen sich auf den Feststoffanteil des Klebstoffs, die im Diagramm dargestellten Restmengen auf den Wasseranteil im Klebebereich!).
Abbildung 18: Eindringvorgänge bei Variation von Wellenstoff (Sorten W6, W6, W7, W6f), B-Welle und Klebstoffmengen von 6 - 8 g/m².
Hinweis: Die Abkürzungen in der Legende des Diagramms bedeuten:
• K1 - Klebstoff Nr. 1,
• W6 – Wellenstoff Nr. 6, W6f – Wellenstoff Nr. 6 befeuchtet
• T3 – Deckliner ist Testliner Nr.3,
• B(x) – B-Welle mit Kleberauftragsmenge x
Ergänzend sind in der nachfolgenden Tabelle die aufgenommenen Feuchte-mengen nach 260 ms (Gelierzeit an der Riffelwalze) zusammengefasst.
W6- B(8) W6- B(6) W7- B(8) W6f- B(8)
g/m² % g/m² % g/m² % g/m² %
Welle 2,0 2,5 2,0 2,5 2,5 2,2 1,3 1,3
Decke 2,2 2,1 2,2 2,1 2,2 2,1 2,2 2,2
Rest im
Zwi-schenraum 7,8 4,8 7,4 8,5
Variation der
Tortuosität Die Tortuosität von Papieren wird z.B. durch die eingesetzten Faser- und Füll-stoffe beeinflusst. Für Liner können diese Skalierungswerte etwa im Bereich zwischen 2 und 3 angenommen werden.
Im Variationsbeispiel (Abbildung 19) wurden die Tortuositäten für beide Liner in den Stufen 2, 2.5 und 3 variiert (Details siehe Legende). Erwartungsgemäß ergibt sich für beide Liner eine schnellere Penetration für kleinere Tortuositäts-werte. Der Klebstoff kann dann schneller eindringen. Auch die Restmengen sind dann für kleine Werte (Fall 3: 2 – 2, grüne Kurven) kleiner als für große Werte (Fall 5: 3 – 3, rosa Kurven).
Die Diagrammkurven zeigen vor allem die qualitativen Unterschiede bezüglich der Eindringtiefen und der Restmengen bei diesen Abstufungen der Tortuosität.
Abbildung 19: Eindringvorgänge bei Variation der Tortuosität für Welle (2.5, 2.0, 3.0), und Decke (2.5, 2.0, 3.0)
Hinweis zur Legende: Alle Rechnungen mit Kleber 5, Wellenstoff 6, Testliner 1;
Zahlen: angenommene Tortuosität von Welle bzw. Decke
Ergänzend sind in der nachfolgenden Tabelle die aufgenommenen Feuchte-mengen nach 260 ms (Gelierzeit an der Riffelwalze) zusammengefasst.
T=2,5 / 2,5 T=2,0 / 2,5 T=2,0 / 2,0 T=3,0 / 2,5 T=3,0 / 3,0
g/m² % g/m² % g/m² % g/m² % g/m² %
Welle 1,8 2,3 2,3 2,8 2,3 2,8 1,5 1,9 1,5 1,9
Decke 1,9 1,2 1,9 1,2 2,3 1,5 1,9 1,2 1,6 1,0
Rest im
Zwi-schenraum 5,3 4,8 4,4 5,6 5,9
Übersicht
Rif-felwalze Die Ergebnisse der zahlreichen Variationsrechnungen können hier nicht alle abgebildet werden. In der folgenden Tabelle ist deshalb eine verbale Einschät-zung bezüglich der qualitativen Wirkung einiger Parameter an der Riffelwalze zusammengefasst. Konkrete Aussagen für einzelne WPA sind nur möglich, wenn die jeweiligen Parameter für Liner, Klebstoff und Prozess bereitgestellt und dann in den realen Grenzen variiert werden.
Tabelle 13: Einschätzung der Wirkung ausgewählter Parameter auf das Eindringverhalten der Klebstoffe an der Riffelwalze
Variiert Einschätzung
Klebstoff-mengen Kurven für Liner identisch, nur Gesamtmengen und Reste unterscheiden sich. Hohe Mengen führen zu größeren Res-ten, zu kleine Mengen zum (fast) vollständigen Eindringen und damit zu ungenügender Verklebung.
Klebstoffart
(Viskosität) Deutliche Unterschiede in Eindringtiefen und Restmengen.
Klebstoffsorten bringen mit gewählten Parametern deutliche Unterschiede; bei Klebstoff 5 bleibt wegen der größeren Vis-kosität eine größere Restmenge.
Wellenart Kurve für Liner identisch, nur Gesamtmengen und Reste un-terscheiden sich.
Kontakt-winkel Unterschiede werden auch quantitativ sichtbar, vor allem Unterschied zwischen <90° und >=90°. Für höhere Kontakt-winkel penetriert der Klebstoff nur in den „Andruckphasen“.
Decke Deutliche Unterschiede für verschiedene Liner als Decke, Welle natürlich identisch, aber auch Restmengen dann un-terschiedlich!
Tortuosität Einfluss sehr deutlich sichtbar. Hohe Werte führen zu größe-ren Restmengen!
Porenanteil Kurve für Liner identisch, nur Gesamtmengen und Reste un-terscheiden sich (Zusammenhänge sind komplex). Geringe-re Porositäten fühGeringe-ren zu größeGeringe-ren Restmengen.
Porenradius Interessante Variationen mit deutlichen Unterschieden; ge-ringere Porenradien führen zu langsameren Eindringen in Welle und Decke und damit zu größeren Restmengen.
Gelier-temperatur Kurven bis zur niedrigsten Geliertemperatur „identisch“; Pro-zess bricht früher oder später ab; geringe G-Temperaturen führen zu größeren Restmengen im Klebespalt.
Druck1/Zeit1 (Leimauf-tragswalze)
Unterschiede sind klar sichtbar, auch quantitativ; Auswir-kungen natürlich nur auf Welle! Kürzere Zeiten und geringe Drücke führen zu größeren Restmengen.
Druck2/Zeit2 (Presswalze bzw. Band)
Unterschiede sind klar sichtbar, auch quantitativ; Auswir-kungen auf Welle und Decke! Kürzere Zeiten und geringe Drücke führen wieder zu größeren Restmengen.
Zur quantitativen Charakterisierung der Ergebnisse dienen folgende Angaben:
Die Zeiten für das Eindringen der Klebstoffe in die Liner sind durch das Er-reichen des Gelierpunktes begrenzt. Dieser wird an der Riffelwalze 250 bis 300 ms nach Beginn des Klebstoffauftrages erreicht, am Kaschierwerk je nach Bauform etwa 500 bis 700 ms nach dem Leimwerk. Die Eindringvorgänge spie-len sich also im ms-Bereich ab.
Die Eindringtiefen für den flüssigen Anteil des Klebers betragen typischer Wei-se je nach Anpressdruck und Liner- bzw. Klebstoffeigenschaften zwischen 20 und 60 µm. Geringere Werte gelten vor allem dann, wenn der Kontaktwinkel zwischen Klebstoff und konkretem Liner ≥ 90° beträgt, da dann ein Eindringen nur in den Phasen erfolgt, in denen ein äußerer Druck anliegt.
Die in die Liner übertragenen Feuchtemengen schwanken im Bereich von 1% bis 10% Feuchtezuwachs im Papier. Insbesondere die höheren Werte kön-nen im Prozessablauf zwischen Riffelwalze und Kaschierwerk zu einer deutli-chen Dehnung der „einseitigen Wellpappe“ führen und damit Spannungen in die Wellpappe eintragen, die später zu Planlageabweichungen führen.
Kaschierwerk Variation der Wellenart und der Klebstoff-mengen
Für den Bereich des Kaschierwerks wurden Penetrationsvorgänge bei variie-render Wellenart (B, E, F) und unterschiedlichen Klebstoffmengen (5 bis 9 g/m²) berechnet (Abbildung 20). Aus dieser Abbildung ist folgendes ersichtlich:
• Die Penetration in Welle und Decke verläuft deckungsgleich bis auf die unterschiedlich lang vorrätigen Klebstoffmengen. Im Diagramm zu sehen sind deshalb nur doch die beiden letzten Kurven zu B(7) und F(7), d.h. B-Welle mit 7g/m² und F-B-Welle mit 7g/m².
• Bezüglich der Restmengen ist zu sehen, dass wegen der unterschiedlichen Auftragssituationen und Mengen die Klebstoffe unterschiedlich lange rei-chen. Im vorliegenden Fall sind für die Fälle 3 Welle, 9g/m²) und 5 (F-Welle, 7g/m²) zu wenig Klebstoff vorhanden, so dass die Restmengen be-reits vor Erreichen des Gelierpunktes auf „Null“ gehen. Eine für den Klebe-vorgang ausreichende Restmenge liegt nur für den Fall 4 (B-Welle, 7g/m²) vor. (Hinweis: Die Auftragsmengen 5, 7, und 9 g/m² beziehen sich auf den Feststoffanteil des Klebstoffs, die im Diagramm dargestellten Restmengen auf den Wasseranteil im Klebebereich!)
Abbildung 20: Eindringvorgänge bei Variation von Wellenart (B, E, F) und Klebstoffmenge (5, 7, und 9 g/m²)
Hinweis zur Legende: Alle Rechnungen für Kaschierwerk mit Kleber 4, Wellenstoff 7, Kraftliner 4; variiert: Wellenart (Klebermenge)
Ergänzend sind in der nachfolgenden Tabelle die aufgenommenen Feuchte-mengen nach 600 ms (Gelierzeit am Kaschierwerk) zusammengefasst.
B(5) E(7) F(9) B(7) F(7)
g/m² % g/m² % g/m² % g/m² % g/m² %
Welle 2,5 2,3 3,7 3,3 5,5 4,4 2,5 2,3 4,2 3,8
Decke 4,4 3,8 6,4 5,5 8,5 7,1 4,4 3,8 6,3 5,4
Rest im
Zwi-schenraum 0,6 0,4 0 3,6 0
Kaschierwerk Variation des Porenradius
In diesem Variationsbeispiel am Kaschierwerk wurden der Porenradius für beide Liner variiert (Abbildung 21). Für die Welle in den Stufen r=2.2, 1.5, 2.8, für die Decke mit r=1.9, 1.4, 2.3 (Details siehe Legende). Die Kurven zeigen deutlich die Abstufungen in der Eindringgeschwindigkeit und im Verbrauch.
Die Eindringkurven für Welle und Decke zeigen ein schnelles Eindringen jeweils
bei großen Porenradien. Bezüglich der Restmengen zeigt sich die Abstufung der einzelnen Kombinationen mit dem minimalen Rest für (rW=2.8, rD=2.3, rosa Kurve) und dem maximalen Rest für (rW=1.5, rD=1.4, grüne Kurve).
Abbildung 21: Eindringvorgänge bei Variation des Porenradius für Welle (2.2, 1.5, 2.8), und Decke (1.9, 1.4, 2.3)
Hinweis zur Legende: Alle Rechnungen für Kaschierwerk mit Kleber 3, Wellenstoff 6, Testliner 2; variiert: Porenradius Welle – Decke (in µm)
Ergänzend sind in der nachfolgenden Tabelle die aufgenommenen Feuchte-mengen nach 600 ms (Gelierzeit am Kaschierwerk) zusammengefasst.
r= 2,2 / 1,9 r= 2,2 / 1,4 r= 1,5 / 1,4 r= 2,2 / 2,3 r= 2,8 / 2,3
g/m² % g/m² % g/m² % g/m² % g/m² %
Welle 2,8 3,4 2,8 3,4 2,1 2,7 2,8 3,4 3,3 4,0
Decke 4,2 4,3 3,1 3,3 3,1 3,3 5,0 5,1 5,0 5,1
Rest im
Zwi-schenraum 3,6 4,6 5,2 2,7 2,2
Übersicht
Ka-schierwerk In der folgenden Tabelle 14 ist eine verbale Einschätzung bezüglich der qualita-tiven Wirkung ausgewählter Parameter am Kaschierwerk zusammengefasst.
Die Wirkung einiger Parameter ist mit der an der Riffelwalze naturgemäß sehr vergleichbar. Auf die Unterschiede wird kurz hingewiesen.
Tabelle 14: Einschätzung der Wirkung ausgewählter Parameter auf das Eindringverhalten der Klebstoffe am Kaschierwerk
Variiert Einschätzung
Klebstoff-menge Kurven für Liner identisch, nur Gesamtmengen und Reste un-terscheiden sich, solange die Klebstoffmenge ausreicht. Hohe Mengen führen zu größeren Resten, zu kleine Mengen zum (fast) vollständigen Eindringen und damit zu ungenügender Verklebung.
Wellenart Kurve für Liner identisch, nur Gesamtmengen und Reste un-terscheiden sich, solange die Klebstoffmenge reicht. Die Mo-delle können zur Optimierung der benötigten Mengen helfen.
Porenanteil Qualitativ analog Riffelwalze
Porenradius Qualitativ analog Riffelwalze Tortuosität Qualitativ analog Riffelwalze Geliertemp. Qualitativ analog Riffelwalze Druck1/
Zeit1 Unterschiede geringer als bei Riffelwalze; vor allem wirkt die Zeit wegen der geringen Drücke sehr wenig; niedrigerer Druck führt naturgemäß zu größeren Restmengen.
Druck2/
(Zeit2) Nur Druckvariation sinnvoll; Zeit wird durch G-Temp be-stimmt; niedrigerer Druck führt wieder zu größeren Restmen-gen.
Einschätzung der Feuchte-änderung auf der Brücke
Zur Abschätzung von Spannungen, die beim Kleben in die Wellpappen einge-bracht werden, sind u.a. die Feuchtegehalte im Moment des Klebens von Be-deutung. Ein entscheidender Prozessabschnitt zur Einschätzung der Situation am Leim- bzw. Kaschierwerk ist der Feuchteabfall auf der Brücke.
Gemäß der Berechnungen zur Trocknung im Abschnitt 8 (AP9) lässt sich dieser grob abschätzen. Unter der Annahme, dass die Prozesszeiten zwischen Riffel-walze und Leimwerk je nach Situation zwischen 1 und 2 Minuten liegen, zeigt Abbildung 22 den Feuchteabfall in den Linern in 4 Varianten. In den Beispielen ist jeweils eine Gleichgewichtsfeuchte der Liner von 7% angenommen und ein gemäß der Penetrationsmodelle realistischer Feuchtezuwachs an der Riffelwal-ze von 2%, 3%, bzw. 5% bei typischen HalbwertsRiffelwal-zeiten τ für die Trocknung zwi-schen 4 und 12 Minuten.
Aus dem Diagramm wird ersichtlich, dass in den betrachteten Zeiträumen nur ein geringer Feuchteabfall anzunehmen ist. Die aus der Praxis bekannten teil-weise deutlichen Unterschiede im Verhalten der Wellpappen bei unterschiedli-chen Verweilzeiten auf der Brücke müssen also noch durch andere Effekte überlagert werden. Denkbar wäre hier z.B. ein Wechsel von elastischen zu plas-tischen Verformungen durch längere „Liegezeiten“.
Abbildung 22: Abgeschätzter Feuchteabfall der Liner im Bereich der Brü-cke nach unterschiedlichen Feuchteeinträgen, ausgehend von einer Gleichgewichtsfeuchte von 7%. Die jeweiligen Ausgangsfeuchten u0 (nach Riffelwalze) und die Halbwertszeiten tau sind in der Legende ersichtlich
8 Trocknungs modell