6.4 Herstellen von beschichteten Mustern
6.4.4 Druckversuche unter Praxisbedingungen
Druckversuche Mit den Versuchspapieren, die an der schnell laufenden Versuchsstreichmaschine hergestellt wurden, wurden Druckversuche unter Praxisbedingungen an einer schmalbahnigen Rollen-Offset-Druckmaschine vom Typ Gallus RCS 330 sowie an einer schmalbahnigen Rollen-Flexo-Druckmaschine vom Typ Gallus EM 340 durchgeführt. Die Druckmaschinen sind in Abbildung 10 und Abbildung 11 gezeigt.
Die Druckversuche wurden unter folgenden Bedingungen durchgeführt:
Von jeder Musterrolle wurde auf beiden Druckmaschinen je ein Druckversuch mit 500 Laufmetern durchgeführt. Während und nach dem Bedrucken der Rollen wur-den folgende Prüfungen und Bewertungen durchgeführt:
• Bewertung der Be- und Verdruckbarkeit
• Beobachtung der Laufstabilität anhand der Farbwiedergabe des Druckbildes (Testform)
• Passergenauigkeit
Rollen-Offset-Druckmaschine
Abbildung 10: Rollen-Offset-Druckmaschine Typ Gallus RCS 330 [58]
Maschinenparameter zum Druckversuch:
• Druckgeschwindigkeit: 40 m/min
• Druckwerke / -farben: 4 Farbendruck / UV-Testfarben
• Gummitücher: Kompressibele Gummitücher
• Feuchtmittel: Wasser – Alkohol, pH = 5,6
• Rollenbreite: 300 mm
• Bahnspannung: 200 N/m
Rollen-Flexo-Druckmaschine
Abbildung 11: Rollen-Flexo-Druckmaschine Typ Gallus EM 340 [58]
Maschinenparameter zum Druckversuch:
• Druckgeschwindigkeit: 40 m/min
• Druckwerke / -farben: 4 Farbendruck / UV-Testfarben
• Rollenbreite: 300 mm
• Bahnspannung: nicht definiert
7 Auswahl der Ausgangsmaterialien und Aufbereitung der Rohstoffe 7.1 Auswahl der Rohpapiere
Vorgehen Für die Forschungsarbeiten wurde auf drei repräsentative Qualitäten aus dem ge-genwärtig verfügbaren Sortiment der Pergament-, Pergamentersatz- und der Per-gaminpapiere zurückgegriffen. Die Muster waren für Lebensmittelverpackungen geeignet. Weitere Auswahlkriterien waren zunächst neben der flächenbezogenen Masse eine gute Transparenz der Papiere. Die Muster wurden anschließend hin-sichtlich ihrer Eigenschaften charakterisiert (Tabelle 6).
Eigenschaften der Substrate
Tabelle 6: Eigenschaften der ausgewählten Rohpapiere
Mustercode P1 P2 P3
Papiersorte Pergamin Pergamentersatz echt Pergament Flächenbezogene Masse
[g/m²] 83 80 43
Dicke [µm] 73 103 56
Dichte [g/cm³] 0,881 1,290 1,295
Oberflächenspannung
[mN/m] 60,2 61,5 62,6
Transparenz [%] 57,6 31,5 69,7
Luftdurchlässigkeit [ml/min] 0,6 15,6 0,0
Wasserdampfdurchläs-sigkeit [g/(m²d)] 451 554 527
Sauerstoffdurchlässigkeit
[cm³/(m²d)] > 5000 > 5000 > 5000 Fettdichtigkeit (Kit-Test) > 12 > 9 > 12
Substratauswahl Die Bestimmung der Wasserdampf- und Sauerstoffdurchlässigkeiten erbrachten für alle drei Papiersorten sehr ähnlichen Resultate. Die Wasserdampfdurchlässigkeiten im Bereich von 500 g/m²d, während die Durchlässigkeiten für Sauerstoff so groß
waren, dass sie den Messbereich des Gerätes überschritten.
Ersten Vorversuchen zur Beschichtung mit wässrigen Barrieremitteln (Dispersionen, Lösungen) wiesen auf sehr ähnliche Beschichtungseigenschaften der drei Papier-muster hin. Dies dürfte vor allem auf die nahezu gleiche Oberflächenspannung und die relativ geringen Unterschiede in der Porosität und Rauheit der Muster zurückzu-führen sein.
Da somit keine wesentlichen Substrateinflüsse auf die Barrierewirkung und die opti-schen Eigenschaften der Beschichtungen zu erwarten waren, wurde auf eine Varia-tion der Rohpapiere zugunsten einer breiteren VariaVaria-tion der Beschichtungsformulie-rungen verzichtet. Für die nachfolgenden Untersuchungen wurde das Rohpapier P1 aufgrund seiner hohen Transparenz und der gegenüber Echt-Pergament größeren Verbreitung ausgewählt.
7.2 Auswahl an Tonmineralien
Vorgehen Bei der Auswahl der Tonmineralien sollten vor allem Bentonite (mit dem Hauptbe-standteil Montmorillonit), Hectorite und Vermiculite berücksichtig werden. Dazu wurden zunächst entsprechende Literatur- und Produktrecherchen durchgeführt und Unterlagen von Herstellern oder Lieferanten abgefragt. Die dabei ermittelten Produkte wurden hinsichtlich ihrer Zusammensetzung, ihrer Funktionalität und ihres wirtschaftlichen Einsatzes, d.h. Verfügbarkeit in ausreichenden Mengen zu günsti-gen Preisen, bewertet. Anschließend erfolgte auf dieser Basis eine Auswahl der Produkte bzw. Tonmineralien, die für die weiteren Forschungsarbeiten verwendet wurden (siehe dazu Zur Dispergierung wurde von den Herstellern empfohlen das Pigment zunächst in Wasser einzurühren und anschließend für ca. 1 h Quellzeit ruhen zu lassen. Anschließend erneutes Rühren mit hoher Scherrate, um eine sta-bile Suspension zu erhalten. Die Tonmineralien sollten dann weitestgehend in exfo-lierter Form in der Suspension vorliegen.
Die in Fehler! Ungültiger Eigenverweis auf Textmarke. aufgeführten Bezeich-nungen werden in den folgenden Abschnitten zur Kennzeichnung der Beschich-tungsmittel und Beschichtungen weiter verwendet.
Tabelle 7).
Eigenschaften der ausgewähl-ten Tonminera-lien
Zur Dispergierung wurde von den Herstellern empfohlen das Pigment zunächst in Wasser einzurühren und anschließend für ca. 1 h Quellzeit ruhen zu lassen. An-schließend erneutes Rühren mit hoher Scherrate, um eine stabile Suspension zu erhalten. Die Tonmineralien sollten dann weitestgehend in exfolierter Form in der Suspension vorliegen.
Die in Fehler! Ungültiger Eigenverweis auf Textmarke. aufgeführten Bezeich-nungen werden in den folgenden Abschnitten zur Kennzeichnung der Beschich-tungsmittel und Beschichtungen weiter verwendet.
Tabelle 7: Ausgewählte Tonmineralien und deren Eigenschaften Eigenschaft /
Bezeichnung
Typ Lieferform wässrige
Suspen-sion
Bentonit 1 alkalisch aktivierter Bentonit pulverförmig pH- Wert 9 - 11 Bentonit 2 natürlicher Bentonit pulverförmig pH-Wert 7,5 - 8,5 Laponite 1 organisch modifiziertes
syn-thetisches Magnesiumsilikat
pulverförmig pH-Wert 8 - 10
Laponite 2 organisch modifiziertes syn-thetisches Magnesiumsilikat
pulverförmig pH-Wert 9,8
Laponite 3 organisch modifiziertes syn-thetisches Magnesiumsilikat
Dispersion, 25 % Feststoff
pH-Wert 9 - 10
Tabelle 8: Ausgewählte Tonmineralien und deren Eigenschaften (Fortsetzung) Eigenschaft /
Aspect Ratio max. Feststoff-gehalt [%]
Laponite 3 lag in bereits dispergierter Form - vom Hersteller geliefert - vor.
Auswahlkriterien Bentonite sind in großen natürlichen Lagerstätten in Deutschland vorhanden und deshalb sehr preisgünstig. Auch entsprechende Modifikationen, wie alkalisch akti-vierte Bentonitsorten, sind kostengünstig in großen Mengen herstellbar. Deshalb wurde jeweils eine repräsentatives Muster aus beiden Sorten ausgewählt (Bentonit 1 und 2).
Hectorite stammen in der Regel nicht aus natürlichen Quellen und sind damit etwas teuerer als die meisten Bentonitsorten. Insbesondere die zur Gruppe der Hectorite zählenden Laponite zeichnen sich aber durch eine sehr hohe Transparenz aus und versprachen daher sehr große Vorteile für die geplante Anwendung. Deshalb wur-den diesbezüglich insgesamt 3 Muster ausgewählt, wobei eines der Muster (Laponi-te 3) bereits als Dispersion verfügbar war.
Die ebenfalls vorgesehenen Vermiculite erwiesen sich als entweder für den vorge-sehenen Zweck nicht geeignet oder waren in Deutschland nicht bzw. nur zu sehr hohen Preisen verfügbar. So führten die Recherchen der Forschungsstelle zu ver-gleichsweise preisgünstigen Vermiculit-Produkten, die aber nicht nanoskopisch dispergierbar oder nur mit einem unverhältnismäßig hohem Aufwand exfolierbar waren. Entsprechend geeignete Vermiculit-Produkte werden in den USA angebo-ten, erwiesen sich aber für die vorgesehene Anwendung als zu teuer. Von einer Untersuchung von Vermiculit-Produkten wurde daher zugunsten einer breiteren Auswahl an Hectorit-Produkten Abstand genommen.
Laut Herstellerangaben sollten die ausgewählten Muster für die vorgesehene An-wendung geeignet sein. Insbesondere sollten die pulverförmigen Produkte
disper-gierbar und die Partikel durch Exfolierung weiter aufgespaltet werden können. Die Dispersionen sollten darüber hinaus über eine ausreichende Transparenz verfügen.
Durch eigene Voruntersuchungen konnte dies bestätigt werden.
Die ausgewählten Muster zeichneten sich durch einen hohen Formfaktor (vgl. Zur Dispergierung wurde von den Herstellern empfohlen das Pigment zunächst in Was-ser einzurühren und anschließend für ca. 1 h Quellzeit ruhen zu lassen. Anschlie-ßend erneutes Rühren mit hoher Scherrate, um eine stabile Suspension zu erhal-ten. Die Tonmineralien sollten dann weitestgehend in exfolierter Form in der Sus-pension vorliegen.
Die in Fehler! Ungültiger Eigenverweis auf Textmarke. aufgeführten Bezeich-nungen werden in den folgenden Abschnitten zur Kennzeichnung der Beschich-tungsmittel und Beschichtungen weiter verwendet.
Tabelle 7) aus, der eine wichtige Voraussetzung für die geplante Reduzierung der Wasserdampf- und Sauerstoffdurchlässigkeit darstellt.
7.3 Auswahl an Dispergiermitteln und Additiven
Vorgehen In einem Screening wurden in Frage kommende Dispergiermittel hinsichtlich ihrer voraussichtlichen Wirkung bewertet. Zu diesem Zweck sind an ausgewählten Pig-mentproben die Zeta- bzw. Strömungspotentialkurven in Abhängigkeit des pH-Wertes und der Zusätze an Dispergiermitteln untersucht worden. Anhand der Messergebnisse konnten effektiv wirksame Dispergiermittel für die jeweiligen Pig-mente ermittelt werden. Für die Bearbeitung der weiteren Arbeitspakete sind die verwendeten Dispergiermittel auf die beiden effektivsten reduziert worden (siehe dazu Tabelle 9). In die endgültige Auswahl an Dispergiermitteln sind auch Erfahrun-gen der Pigmentlieferanten eingeflossen.
Eigenschaften der ausgewähl-ten Dispergier-mittel
Ein Dispergiermittel wirkt in der Pigmentslurry stabilisierend und dispergierend auf Grund der Ionisation in Wasser. Durch das Dispergierhilfsmittel wird in Wasser ein Kation (Natrium / Ammonium) und ein Polyanion gebildet. Das Anion absorbiert auf der Oberfläche des Pigmentteilchens und wird dadurch oberflächlich negativ gela-den. Die geladenen Pigmentteilchen werden dann von Kationen umgeben und sto-ßen sich gegenseitig bei Berührung der Pigmentteilchen wegen der gleichen La-dung voneinander ab und so bleibt die Suspension stabil.
Tabelle 9: Ausgewählte Dispergiermittel
Bezeichnung DM1 DM2
Wässrige Lösung eines Acrylpolymeren Natriumpolyacrylats chemischer Charakter Ammoniumsalz Natriumsalz
Feststoffgehalt [%] 40 45
pH-Wert 8,0 8 - 9
spez. Gewicht [g/cm³] 1,16 1,3 Lieferform gelbliche Flüssigkeit,
schwach riechend
gelbliche Flüssigkeit, aromatisch riechend
Die in Tabelle 9 aufgeführten Bezeichnungen werden in den folgenden Abschnitten weiter verwendet.
Begründung der
Auswahl Beide Dispergiermittel sind eingeführte und bekannte Produkte und werden zur Dispergierung von Streichfarbenpigmenten in der Papierindustrie eingesetzt. Insbe-sondere die Auswahl der beiden Varianten bezüglich des chemischen Charakters Ammoniumsalz und Natriumsalz bietet die Abdeckung eines breiten Wirkungsbe-reichs.
7.4 Dispergierversuche der Tonmineralien
Vorgehen Für die Exfolierung von Tonmineralien sollten neben geeigneten Dispergierzusätzen die eingesetzten Dispergiervorrichtungen eine entscheidende Rolle spielen. Es war sogar davon auszugehen, dass eine Delaminierung in einzelne Tonmineralschich-ten allein durch Quellvorgänge, die angewendeTonmineralschich-ten Scherkräfte, die ScherzeiTonmineralschich-ten und den gesamten Energieeintrag in das scherende System erreicht werden kann. Aus diesem Grund wurden im Rahmen von Versuchen folgende Einflussgrößen variiert:
• Zusammensetzung, d.h. Art des Tonminerals und des Dispergierzusatzes,
• Art des Dispergiergeräts, Dispergierzeit und Energieeintrag,
• Quellzeit und Quellbedingungen.
Anschließend wurden dabei folgende Eigenschaften mit dem Ziel der Herstellung stabiler Pigmentslurries mit einem ausreichenden Anteil an exfolierten Tonminera-lien betrachtet:
• Feststoffgehalte und rheologisches Verhalten
• Delaminierung, Grad an Exfolierung
7.4.1 Variation der Einflussgrößen
Zusammenset-zung Die Dispergierversuche wurden mit allen pulverförmigen Tonmineralien, die in Ab-schnitt 7.2 ausgewählt worden waren, durchgeführt. Bei den Dispergiermitteln wur-de zunächst nur DM1 eingesetzt, weil Vorversuche gezeigt haben, dass keine signi-fikanten Unterschiede zwischen den beiden Dispergiermitteln hinsichtlich der Visko-sitätsentwicklung vorhanden waren. Die Feststoffgehalte wurden auf 4% (± 0,5) bei den Bentoniten bzw. 4% und 9% (± 1) bei den Laponiten eingestellt.
Dispergiergerät
und Scherrate Der Ablauf der Versuche erfolgte in zwei Stufen:
Stufe 1: Das Pigment wurde zunächst bei geringer Scherung in Wasser eingerührt und die dabei entstehende Slurry homogenisiert. In dieser Stufe erfolgte auch die Zugabe des Dispergiermittels.
Stufe 2: Das Pigment wurde unmittelbar im Anschluss an Stufe 1 mit hoher Sche-rung dispergiert.
Dabei wurden an den beiden Dispergiergeräten folgende Einstellungen benutzt, die in Vorversuchen ermittelt worden waren:
• Disperger-Zahnscheibenrührer:
Stufe 1: Einrühren des Pigments in Wasser: 2 min bei 930 U/min
Stufe 2: Dispergierung: 18 min bei 1865 U/min.
• Ultra-Turaxx:
Stufe 1: Einrühren des Pigments in Wasser: 1 min bei 13500 U/min Stufe 2: Dispergierung: 5 min bei 13500 U/min.
Nach jedem Dispergiervorgang wurde die Viskosität der Slurries ermittelt.
Quellung Um den Einfluss der Quellung auf die Dispergiervorgänge zu untersuchen, wurde der oben genannte zweistufige Ablauf modifiziert. Dazu wurde nach Stufe 2 das Pigment (Tonmineral) ohne Scherung für 1 h lang für Quellvorgänge im Gefäß be-lassen. Anschließend erfolgte erneut bei hoher Drehzahl eine starke Scherung der Pigmentslurry analog den Einstellungen von Stufe 2.
Nach dieser Behandlung wurde wiederum die Viskosität der Slurries ermittelt.
Durchgeführte
Prüfungen Um die Wirksamkeit der Dispergierung festzustellen, wurden folgende Eigenschaf-ten der Pigmentslurries untersucht:
• Feststoffgehalt,
• Viskosität nach Brookfield,
• Untersuchungen zur Delaminierung mittels mikroskopischer Verfahren (Rasterelektronenmikroskop)
Die Ergebnisse werden in den folgenden Abschnitten dargestellt und diskutiert.
7.4.2 Feststoffgehalte der Pigmentslurries Eingestellte
Fest-stoffgehalte Nach Herstellerangaben werden für die Bentonite Feststoffgehalte von etwa 4%
empfohlen damit noch verarbeitungsfähigen Slurries erhalten werden können. Vor-versuche zeigten, dass mit den Laponiten bei 4% FG zu niederviskose Slurries erreicht wurden. Deshalb wurde der FG 9% eingestellt. Die Feststoffgehalte wurden nach der Dispergierung mit Hilfe einer IR-Waage überprüft.
Durch Erhöhung des Feststoffgehaltes auf 9 % wurde allerdings keine nennenswer-te Snennenswer-teigerung der Viskositänennenswer-ten erzielt.
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Bentonit 1 Bentonit 2 Bentonit 2 + DM1 Laponite 1 Laponite 2
Feststoffgehalt, %
Zahnscheibenrührer Ultra-Turaxx
Abbildung 12: Feststoffgehalte der hergestellten Pigmentslurries
7.4.3 Wirkung des Dispergierhilfsmittel
Versuchsbedin-gungen
Um festzustellen, in wie weit die Dispergierhilfsmittel die Exfolierung der Tonminera-lien unterstützen, wurde untersucht, wie sich die Eigenschaften der Pigmentslurries nach Dispergierung, anschließender Quellung und erneuter Scherung der Slurry (vgl. Abschnitt 7.4.1) verhalten. Für diese Versuchsreihe wurde das Dispergierhilfs-mittel DM2 eingesetzt, weil zu vermuten war, dass die Natrium-Kationen mit dem kationischen Charakter der Tonmineralien in Wechselwirkung treten könnten und dabei Auswirkungen auf die Eigenschaften der Pigmentslurry zu erwarten ist.
Anschließend wurden folgende Eigenschaften mit dem Ziel der Herstellung stabiler Pigmentslurries mit einem ausreichenden Anteil an exfolierten Tonmineralien be-trachtet:
• rheologisches Verhalten (Brookfieldviskositäten bei 20 min-1, 50 min-1 und 100 min-1)
• Feststoffgehalte (Trocknung bei 105°C)
• pH-Werte
Zur Dispergierung und Scherung nach Quellung wurde ein Zahnscheibenrührer verwendet.
Brookfieldvisko-sitäten
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000
Bentonit 1 Bentonit 2 Bentonit 1 + DM2 Bentonit 2 + DM2
Brookfield-Viskosität, mPas
BV20 [mPas] BV50 [mPas] BV100 [mPas]
Abbildung 13: Brookfieldviskositäten von Pigmentslurries aus Bentoniten mit und ohne Dispergierhilfsmittel
0
Laponite 1 Laponite 2 Laponite 1 + DM2 Laponite 2 + DM2
Brookfield-Viskosität, mPas
BV20 [mPas] BV50 [mPas] BV100 [mPas]
Abbildung 14: Brookfieldviskositäten von Pigmentslurries aus Laponiten mit und ohne Dispergierhilfsmittel
Bentonit 1 Bentonit 2 Laponite 1 Laponite 2 Bentonit 1 + DM2
Abbildung 15: Feststoffgehalte und pH-Werte der Pigmentslurries mit und ohne Dispergierhilfsmittel
Diskussion der
Ergebnisse Die Bentonite 1 und 2 zeigen sehr unterschiedliches Verhalten hinsichtlich der Wir-kung des Dispergierhilfsmittels. Bentonit 1 (alkalisch aktivierter Bentonit) weist ohne Dispergiermittel höhere Viskositäten bei erheblich geringerem Feststoffgehalt ge-genüber Bentonit 2 auf. Durch die Zugabe des Dispergiermittels DM2 werden die Viskositäten auf ein in etwa gleiches, mittelviskoses Niveau reduziert, wobei gleich-zeitig das Verhältnis der Feststoffgehalte umgekehrt wird. Mit dem Dispergiermittel konnte bei Bentonit 1 der Feststoffgehalt um Faktor drei erhöht werden. Hingegen musste bei dem Bentonit 2 der Feststoffgehalt etwa um die Hälfte reduziert werden, um eine verarbeitungsfähige Pigmentslurry zu erhalten.
Der Wert wird nach Zugabe des Dispergiermittels ebenfalls beeinflusst. Die pH-Werte lagen dabei allesamt im neutralen bis leicht alkalischen Bereich zwischen pH 7 und pH 10. Der pH der Pigmentslurry des Bentonit 1 war leicht alkalisch und wur-de durch das Dispergiermittel zum neutralen pH 7 verschoben. Bei Bentonit 2 war der Effekt wieder genau umgekehrt: Hier wurde der neutrale pH von 7 ins alkalische von pH 10 verschoben.
Die beiden Laponite reagierten auf die Zugabe des Dispergiermittels deutlich weni-ger als die Bentonite. Die Viskositäten der Laponite-haltigen Pigmentslurries war grundsätzlich niedriger als bei den Bentoniten. Eine geringe Viskositätserhöhung wurde bei der Pigmentslurry von Laponite 1 bei Zugabe des Dispergiermittels fest-gestellt, was mit einer besseren Quellung des Tonminerals erklärt werden könnte.
Laponite 2 zeigte bei Zugabe von DM2 keine Effekte. Auch die pH-Werte der Pig-mentslurries mit Laponiten wurden durch das Dispergierhilfsmittel kaum beeinflusst.
7.4.4 Untersuchungen zur Delaminierung
REM-Untersuchungen In wie weit die Dispergierung und Quellung der Pigmente zu einer Exfolierung der Tonmineralien führte, sollte durch eine Untersuchung mit dem Rasterelektronenmik-roskop (REM) geklärt werden. Dazu wurden von den Slurries Proben noch weiter verdünnt und anschließend getrocknet. Die Präparate wurden mit dem Rasterelekt-ronenmikroskop untersucht und die Befunde durch Aufnahmen bei jeweils gleicher Vergrößerung (Vergrößerungsfaktor 8000) dokumentiert. Zum Vergleich sind die Aufnahmen der pulverförmigen Pigmente den Präparaten aus der dispergierten Phase gegenübergestellt (siehe Abbildung 16 - Abbildung 18).
REM-Aufnahmen
Abbildung 16: REM-Aufnahme von Bentonit 1 trocken (links) und aus dispergierter Phase (rechts) - Vergrößerung 8000-fach
Abbildung 17: REM-Aufnahme von Bentonit 2 trocken (links) und aus dispergierter Phase (rechts) - Vergrößerung 8000-fach
Abbildung 18: REM-Aufnahme von Laponite 1 trocken (links) und aus dispergierter Phase (rechts) - Vergrößerung 8000-fach
Abbildung 19: REM-Aufnahme von Laponite 2 trocken (links) und aus dispergierter Phase (rechts) - Vergrößerung 8000-fach
Diskussion der
REM-Aufnahmen Deutlich sind bei den Pulvern einzelne plättchenförmigen Pigmentteilchen erkenn-bar.
An den dispergierten und getrockneten Proben lassen sich ebenfalls, wenn auch weniger abgegrenzt, einzelne plättchenartige Strukturen erkennen. Durch die Pro-benpräparation aus der dispergierten Phase ist eine Oberflächenstruktur entstan-den, die an eine Verfilmung von Teilchen erinnert. Dies könnte das Ergebnis von Quellungs- und Delaminierungsvorgängen sein, die beim Trocknen zu einem mehr-fachen Übereinanderlegen sehr dünner delaminierter Plättchen führt. Durch Ver-formungen und Anpassungen an den Untergrund könnten daraus kompakte Struk-turen entstanden sein, die vom REM nicht mehr aufgelöst werden können.
Insgesamt ließen sich aus den REM-Untersuchungen Hinweise entnehmen, dass eine Delaminierung in Plättchen kleinerer Schichtdicke und damit eine Exfolierung der Tonmineralpartikel stattgefunden hat. Über die Vollständigkeit der Exfolierung ließen sich jedoch keine Aussagen machen.
7.5 Zusammenfassung der Untersuchungen von Abschnitt 7
Eingesetzte Tonmineralien
Bei den Pigmentslurries mit den Laponiten war die Viskosität stets zu gering, um einen Messwert zu erhalten. Bei den Bentoniten fielen die Viskositäten der Slurries nach der Quellung meist zu gering aus, weil sich die Pigmente als Bodensatz abge-setzt hatten.
Hinsichtlich der Viskositäten der hergestellten Pigmentslurries war festzustellen, dass mit Bentonit 1, bei vergleichbarem Feststoffgehalt, deutlich höhere Viskositä-ten erzielt wurden als mit den restlichen Tonmineralien. Für die weiteren Untersu-chungen wurden deshalb die maximal mit den Pigmenten erzielbaren Feststoffge-halte für die Pigmentslurries verwendet.
Dispergierbedin-gungen Der Einsatz des Dispergierhilfsmittels ergab bei den Pigmentslurries mit Laponiten keine signifikanten Viskositätsänderungen. Bei den Bentoniten war eine Wirkung des Dispergiermittels festzustellen. Als Schlussfolgerung daraus Wurde für das Pigment Bentonit 1 (alkaisch aktivierter Bentonit) bei den weiteren Rezepturen auch die Dispergierhilfsmittel eingesetzt.
Auch zeigte sich ein geringer Einfluss der Dispergierbedingungen in Abhängigkeit vom eingesetzten Rührsystem (Scherbedingungen). Da dieser Einfluss jedoch nicht so entscheidend für die Eigenschaften der Slurries war, wurde für die weiteren Un-tersuchungen die Pigmentslurries mit dem Zahnscheibenrühren dispergiert.
Quellzeit Der Einfluss der Quellzeit und der Quellbedingungen ist bei einer weitgehend abge-schlossenen Quellphase der Tonmineralien nicht mehr entscheidend für den Grad der Exfolierung. Mit einer Quellzeit von 1h unter Raumbedingungen war die Quel-lung der eingesetzten Tonmineralien ausreichend fortgeschritten.
8 Entwicklung der Beschichtungsmassen 8.1 Auswahl an Binde- und Barrieremitteln
Einleitung Wichtige Eigenschaften des Binders sind neben einer guten Bindekraft der Pigmen-te eine guPigmen-te Sperrwirkungen gegen die üblichen im Verpackungsbereich auftrePigmen-ten- auftreten-den problematischen Einflüsse (Wasser, Wasserdampf, Sauerstoff, Fett und Öl).
Insgesamt wurden aus dem verfügbaren Binderangebot vier Polymersysteme aus-gewählt, die für die weiteren Formulierungsversuche zum Einsatz kamen.
Wichtig für die weitere Verwendung ist die Kompatibilität mit den Pigmentslurries.
Dies ist durch Mischungsversuche abgeklärt worden. Dazu wurden Mischungen mit 100 Teilen Pigment und 200 Teilen Bindemittel hergestellt und deren Stabilität an-hand visueller Beobachtungen (verklumpen, Ausflocken usw.) sowie begleitenden rheologischen Messungen ermittelt worden. Zusätzlich wurden Handrakelversuche im Labor auf einem sehr glatten und dichten Standardsubstrat durchgeführt worden, die Aufschluss darüber gaben, ob gleichmäßige Filme erzeugt werden konnten.
Auswahl der Bindemittel für die Barrierebe-schichtung
Grundlage für die Auswahl der eingesetzten Bindemittel war, dass hierfür stellver-tretend jeweils eine Type der in der Papierindustrie gängigen und etablierten Bin-demittelsorten für Streichfarben vertreten war.
Bei der Auswahl der Bindmittel wurde kein Wert auf hohe Sauerstoff- und Wasser-dampfbarriere gelegt. Es sollten aber gängige Typen für Papier- und Kartonbe-schichtungen sein. Jedoch wurde zum Vergleich eine spezielle Barrieredispersion eingesetzt, wobei aber auf halogenierte Systeme bewusst verzichtet wurde.
Tabelle 10 stellt die ausgewählten Beschichtungsbindemittel mit ihren Sperreigen-schaften einander gegenüber.
Eigenschaften der ausgewähl-ten Beschich-tungsbindemittel
Tabelle 10: Für das Projekt ausgewählte Beschichtungsbindemittel und deren Eigenschaften
Bezeichnung Typ Lieferform Sperrwirkung gegenüber Mod. SB Basis: modifiziertes
Styrol-Butadien
45 % Feststoff pH 9-11
Wasserdampf und Sauerstoff SA-Binder Basis: n-Butylacrylat,
Acrylnitril und Styrol
50 % Feststoff, pH 8
Wasserdampf (gering) SB-Latex Basis: Butadien und
Styrol
50 % Feststoff, pH 6,5
Wasserdampf (gering)
PVOH Polyvinylalkohol Granulat Sauerstoff
Die in Tabelle 10 aufgeführten Bezeichnungen werden in den folgenden Abschnit-ten zur Kennzeichnung der Beschichtungsmittel und Beschichtungen weiter ver-wendet.
Der Schwerpunkt der Untersuchungen in diesem Projekt war die Entwicklung einer transparenten Barrierebeschichtung. Zunächst mussten dafür die
Der Schwerpunkt der Untersuchungen in diesem Projekt war die Entwicklung einer transparenten Barrierebeschichtung. Zunächst mussten dafür die