Faserbasierte Lösungen

PTS-FORSCHUNGSBERICHT IGF 18421

ENTWICKLUNG EINES VERFAHRENS ZUR WIRTSCHAFTLICHEN ANWEN-

FASERN & COMPOSITE

VERPACKUNGEN & KONFORMITÄT DRUCK & FUNKTIONALE OBERFLÄCHEN PAPIERWIRTSCHAFT 4.0 PRÜFUNG & ANALYTIK

» VERPACKUNGEN

UND KONFORMITÄT »DRUCK UND

FUNKTIONALE OBERFLÄCHEN » MATERIALPRÜFUNG

UND ANALYTIK

» FASERN UND

COMPOSITE » ^INNOVATIVE

MESSTECHNIK

Faserbasierte Lösungen

für die Produkte von Morgen

T. Stocker, F. Schechtel:

Entwicklung eines Verfahrens zur wirtschaftlichen Anwendung der gepulsten Lasertechnologie für die Verarbeitung von Papier und Karton

(ALasKa)

PTS-Forschungsbericht 33/13 März 2017

Papiertechnische Stiftung (PTS) Heßstraße 134

D - 80797 München www.ptspaper.de

Download-Information:

Diese Studie steht auf der Homepage der PTS zum Download bereit:

www.ptspaper.de/forschungsdatenbank

Ansprechpartner:

Dipl.-Ing.(Univ.) Thomas Stocker Tel. +49 89 12146-498

thomas.stocker@ptspaper.de

Dipl.-Phys. Florian Schechtel Tel. +49 9131 97790-37 florian.schechtel@blz.org Papiertechnische Stiftung PTS

Papiertechnisches Institut Heßstraße 134

80797 München

Bayerisches Laserzentrum blz Konrad-Zuse-Straße 2-6 91052 Erlangen

Das Forschungsvorhaben IGF 18421 N der AiF-Forschungs-

vereinigung PTS wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Dafür sei an dieser Stelle herzlich gedankt.

Unser Dank gilt außerdem den beteiligten Firmen für die Probenbe- reitstellung und für die freundliche Unterstützung bei der Projekt- durchführung.

Entwicklung eines Verfahrens zur wirtschaftlichen Anwendung der gepulsten Lasertechnologie für die Verarbeitung von Papier und Karton

T. Stocker, F. Schechtel

Inhalt

1 Zusammenfassung 3

2 Abstract 4

3 Wissenschaftlich- technische und wirtschaftliche Problemstellung 7

3.1 Anlass für den Forschungsantrag 7

3.2 Ausgangssituation 7

3.2.1 Lasertechnologie in der Papierbearbeitung ... 7 3.2.2 Papierherstellung und -verarbeitung in der Verpackungsindustrie ...10

3.3 Stand der Forschung 12

3.3.1 Aktuelle Forschungsthemen auf den Gebieten der Papierherstellung und -

verarbeitung ...12 3.3.2 Aktuelle Forschungsthemen auf den Gebieten Laser-Papierbearbeitung und Laser-

Papierreinigung ...12

4 Material und Methoden 15

4.1 Papieranalytik 15

4.1.1 Messverfahren für Flüssigkeiten und Dispersionen ...15 4.1.2 Messverfahren zur Papierprüfung ...16

4.2 Laserprozess 16

4.2.1 Verwendete Lasersysteme ...16 4.2.2 Messung der während des Laserprozesses entstehenden Partikel ...17

4.3 Bewertung der Bearbeitungsergebnisse 18

5 Anforderungsdefinition und Materialauswahl (vgl. AP 1) 19

5.1 Vorgehen 19

5.2 Ergebnisse der Anforderungsdefinition und Materialauswahl sowie Diskussion 19

5.3 Fazit 24

6 Substratentwicklung und Mehrlagenaufbau (vgl. AP 2) 25

6.1 Vorgehen 25

6.2 Ergebnisse 27

6.3 Fazit 30

7 Grundlegende Untersuchungen zur Laser-Papier-Wechselwirkung (vgl. AP 3) 30

7.1 Vorgehen 30

7.2 Ergebnisse 31

7.3 Fazit 39

8 Abhängigkeit des Bearbeitungsergebnisses von Additiven (vgl. AP 4) 39

8.1 Vorgehen 39

8.2 Ergebnisse 40

8.3 Fazit 43

9 Untersuchung des Alterungsprozesses (vgl. AP 5) 44

9.1 Vorgehen 44

9.2 Ergebnisse 45

9.3 Fazit 47

10 Weiterverarbeitbarkeit prozessierter Muster (vgl. AP 6) 47

10.1 Vorgehen 47

10.2 Ergebnisse 48

10.3 Fazit 51

11 Untersuchung zur Umweltrelevanz und Nachhaltigkeit (vgl. AP 7) 52

11.1 Vorgehen 52

11.2 Ergebnisse 53

11.3 Fazit 56

12 Ermittlung des wirtschaftlichsten Verfahrens zur laserbasierten Papierbearbeitung

(vgl. AP 8) 57

12.1 Vorgehen 57

12.2 Ergebnisse 57

12.3 Fazit 62

13 Untersuchung und Qualifizierung einer neuartigen Applikation durch gezielte

Modifikation der Faserfüllstoffe (AP 9) 62

13.1 Vorgehen 62

13.2 Ergebnisse und Diskussion 63

13.3 Fazit 65

14 Literaturverzeichnis 65

Glossar

1 Zusammenfassung

Thema Entwicklung eines Verfahrens zur wirtschaftlichen Anwendung der gepulsten Lasertechnologie für die Verarbeitung von Papier und Karton.

Ziel des

Projektes Ziel des Projektes ist die Entwicklung eines Non-Impact-Verfahrens zur indivi- duellen Verarbeitung von Papier und Kartonmaterialien mittels gepulster Laser- strahlsysteme bspw. zur individuellen Produktgestaltung für die Verpackungsin- dustrie.

Ergebnisse Die in diesem Projekt ermittelten Ergebnisse konnten zum Verständnis der Wechselwirkung von Laserstrahlung unterschiedlicher Ausprägung mit Pa- piersubstraten beitragen. Aufgrund der Vielzahl der existierenden Papier- und Kartonsorten, wurde der Fokus der Untersuchungen auf industriell relevante Substrate gelegt. Für diese Substrate konnte die Laserstrahlung als Alternative zu konventionellen Verarbeitungsprozessen in Hinblick auf die Qualität der Schnitte identifiziert werden. Dabei ist es möglich, durch die Parameterwahl des Laserprozesses die Verfärbung der Papiere in den Bereich von ΔE ≤ 4 einzu- stellen, womit die Verfärbungen kaum bzw. nicht sichtbar sind. Die Strahlung die sich durch Variation der Pulsdauer τ, Wellenlänge λ und Spitzenleistung P unterschied, verursachte signifikante Auswirkungen auf die Bearbeitung von Papieren. Sind bestimmte Schwellwerten überschritten, welche stark von dem gewählten Lasersystem abhängen, kommt es zu einer Karbonisierung oder zum Abtrag der Papiere. Strahlung bei λ = 10600 nm koppelt sehr stark in alle Papierbestandteile ein, wodurch es schnell zu einer homogen Bearbeitung, proportional zur eingebrachten Leistung, kommt. Bei λ = 1064 nm hingegen ist die Absorption lokal stark abhängig von den Bestandteilen des Papiers. Gene- rell werden daher für eine Bearbeitung höhere Pulsspitzenleistungen P benötigt.

Weiterhin skalieren diese Effekte mit der Pulsdauer der eingesetzten Laser- strahlung. Ausgehend vom Dauerstrichbetrieb, über den thermischen Abtrag bei µs- oder ns-Pulsen, bis zum „kalten“ Abtrag bei ps-Pulsen verringert sich die Karbonisierung der Papiersubstrate merklich. Weiterhin war es möglich, ur- sprünglich für Anwendungen im Kunststoffbereich entwickelte, laseraktive Additive aufzubereiten und sowohl in den Strich, als auch in die Papiermasse einzubringen. Diese Additive erhöhen lokal die Absorption bestimmter Spektren wodurch es zur erhöhten Energieaufnahme kommt. Dies erlaubt bspw. im Zusammenhang mit der Lasermarkierung von Pharmafaltschachteln zur Seriali- sierung das Einbringen von DataMatrix- oder Barcodes die direkt in den Strich oder das Papier eingebettet sind und somit nicht verändert werden können ohne das Werkstück zu zerstören. Durch das Aufbringen eines Striches ist es möglich die Verfärbung der Papieroberfläche zu verringern. Zum einen ließen sich Verfärbungen durch geeignete Striche gut überdecken, zum anderen erlaubten ausgewählte Spezialpigmente auf Basis von Aluminiumtrihydroxid die Verfärbung der Striche bzw. der Papiersubstrate bei der laserbasierten Bearbei- tung signifikant zu verringern. Die Verfärbung ΔE konnte dabei von 28,8 (Refe- renz), über 8,4 (50 % Füllstoff) auf 2,3 (80 % Füllstoff) reduziert werden.

Schließlich konnte beobachtet werden, dass mehrschichtige Strichsysteme gezielt abgetragen werden konnten. Das heißt, dass Schichten die in unter- schiedlichen Papierbereichen liegen direkt freigelegt werden können. Dadurch

sind z.B. neue Gestaltungmöglichkeiten denkbar bei denen übereinander liegende, verschiedenfarbige Schichten freigelegt und somit neue Farbeindrü- cke bei gleichzeitiger Veränderung von Textur und Haptik erreicht werden können.

Schluss-

folgerungen Das Projekt erlaubte einen Überblick über die vielfältigen Möglichkeiten des Einsatzes von Lasern in der Papierindustrie. So können bestehende Verarbei- tungsprozesse ergänzt werden oder auch für kleine Losgrößen wirtschaftlich dargestellt werden. Auch wichtige wachsende Felder wie die Serialisierung von Verpackungen können durch die Ergebnisse dieses Projekts profitieren. Nicht zuletzt konnte gezeigt werden, dass heute existierende Prozesse der Laserbe- arbeitung durch Anpassung der Laserparameter oder auch durch das Aufbrin- gen eines geeigneten Striches hin zu höherer optischer Qualität beeinflusst werden können.

Nutzen und wirtschaftliche Bedeutung des Forschungsthem as für kleine und mittlere

Unternehmen (kmU)

Der Nutzen der Forschungsergebnisse für deutsche kleine und mittlere Unter- nehmen liegt in der weiteren Optimierung und Verbreitung der lasergestützen Verarbeitung innerhalb der Papierindustrie.

Davon profitieren vor allem die stark kmU-geprägten Branchen der Papierverar- beitung, der Sondermaschinenbauer (Lasertechnologie), Messgerätehersteller und die jeweiligen Zulieferbetriebe. Angesichts der geringen eigenen For- schungs- und Entwicklungskapazitäten von kmU in diesem Bereich, sind die Ergebnisse dieses Projektes von größter Bedeutung für deren Wettbewerbsfä- higkeit. Für branchenfremde Zulieferindustrien (Hersteller von Laseradditiven) ergibt sich ein neuer, höchst attraktiver Absatzmarkt.

2 Abstract

Theme Developing a method for the economic use of pulsed laser technology in paper and board converting.

Project objective The project objective was the development of a non-impact process for the specific converting of paper and cardboard materials by means of pulsed laser beam systems e.g. to design individualized products for the packaging industry.

Results The results achieved in the project contribute to a better understanding of the interactions of various types of laser radiation with paper substrates. Due to the great variety of paper and cardboard grades available today, the main emphasis of the examinations was put on industrially relevant substrates. For these sub- strates laser radiation could be identified as an alternative to conventional converting processes regarding the quality of cut edges. By selecting suitable parameters of the laser process, it is possible to adjust the resulting discoloura- tion of papers to a range of ΔE ≤ 4, which is hardly visible or even invisible. Tests varying the pulse duration τ, wavelength λ and peak power P of the laser have shown that the type of radiation used has significant effects on the processing results of paper. When exceeding certain threshold values, which are greatly dependent on the laser system chosen, carbonization or ablation of the paper materials takes place. Radiation at λ = 10600 nm interacts strongly with all paper components, which leads to homogeneous processing results that are propor- tionally to the power introduced. However at λ = 1064 nm the local absorption was strongly dependent on individual paper components. It is therefore advisable to use a generally higher peak pulse power P for laser processing. Moreover, the effects correlate with the pulse duration of the laser radiation used. From contin- uous wave mode to the thermal ablation at µs or ns pulses and “cold” ablation at ps pulses, the carbonization of paper substrates was found to decrease signifi- cantly. It was also possible to prepare laser active additives originally developed for plastics and introduce them in the coating material or paper pulp. The addi- tives were found to locally increase the absorption of specific spectra, leading to higher energy absorption. For the serialization of pharmaceutical folding boxes by laser coding, for example, this makes it possible to embed data matrix or bar codes directly in the coating or paper bulk, which means the code cannot be changed afterwards without destroying the packaging product. The discolouration of paper surfaces can be reduced by applying a suitable coat layer. On the one hand, discolourations could be sufficiently covered by suitable coatings; on the other hand, selected special pigments based on aluminum tri hydroxide were capable of significantly reducing the discolouration of coatings or paper sub- strates during laser processing. The discolouration ΔE could be reduced from 28.8 (reference) to 8.4 (50% filler content) and a minimum value of 2.3 (80% filler content). Last but not least, it could be observed that multi-layer coat systems can be ablated selectively, i.e. it is possible to directly expose layers located in different portions of the paper. This opens up new possibilities for the design of packaging products: differently coloured layers lying on top of each other may be exposed to create new colour impressions whilst changing the texture and surface feel.

Conclusion The project provided an overview of the many possible uses of lasers in the paper industry. Laser techniques can complement existing converting processes or make the treatment of small batch sizes economically feasible. Important and rapidly developing applications like the serialization of packaging materials can benefit from the project results as well. Last but not least, it could be shown that the optical quality achieved by laser processing techniques already available today can be improved by adjusting the laser parameters or by applying suitable coatings.

Economic relevance of this research subject for small and medium enter- prises (SME)

Small and medium enterprises in Germany will benefit from the further optimiza- tion and dissemination of laser-aided converting techniques within the paper industry.

Sectors benefitting most from the results are the paper converting, special machine construction (laser technology) and instrument manufacturing industries as well as their supply industries, all of which are dominated by small and medi- um enterprises.

Considering the small proportion of own research and development capabilities of SME in these sectors, the results of the project are of high relevance to their competitiveness. For suppliers outside the above-mentioned industries (produc- ers of laser additives), the results open up a new, highly attractive market.

3 Wissenschaftlich- technische und wirtschaftliche Problemstellung

3.1 Anlass für den Forschungsantrag Trends in der

Papier- und Verpackungsind ustrie

Aktuell ist in der Papier- und Verpackungsindustrie ein deutlicher Trend hin zu individuellen Produkten und zur Personalisierung von Produkten zu verzeich- nen. Die Auflagen mit personifizierten Verpackungen wie bspw. Pralinenverpa- ckungen mit Namen oder Portraitaufnahmen nehmen zu. Daneben schreitet die Entwicklung neuer Hightech-Materialien, wie Nanowellpappe, voran. Um den neuen Entwicklungen zu entsprechen, werden hohe Anforderungen an die Bearbeitungsverfahren von papierbasierten Erzeugnissen gestellt:

• Weiterentwicklung von „Non-Impact-Verfahren“, d.h. möglichst geringe Materialveränderung oder Schädigung durch mechanische oder thermi- sche Einwirkung während des Verarbeitungsprozesses von Papier, Pappe und Kartonerzeugnissen

• Mehr Freiheitsgrade zur Herstellung von gestalterischen Elementen durch sehr feine und filigrane Schnittkanten und Strukturgrößen

• Einstellung definierter Abtragstiefen bei der Papierbearbeitung als wei- tere gestalterische Möglichkeit zur Erzeugung von haptischen Features

• Schnelle und flexible Bearbeitung

Die genannten Anforderungen können z. T. bereits mit dem aktuell eingesetzten CO2-Laserverfahren erfüllt werden, allerdings sind die Materialveränderungen während des Bearbeitungsprozesses durch thermische und/oder mechanische Einwirkung erheblich. Es besteht daher akuter Forschungsbedarf, den genann- ten Defiziten zu begegnen. Auf der einen Seite gilt es, die Lasertechnologien für die Papierbearbeitung zu optimieren und weiter zu entwickeln und auf der anderen Seite das Papier bzw. Kartonmaterial speziell für die Laserbearbeitung so zu veredeln, dass eine optimale Bearbeitungsmöglichkeit gegeben ist.

3.2 Ausgangssituation

3.2.1 Lasertechnologie in der Papierbearbeitung Laser-Papier-

bearbeitung In der Papierindustrie wird der Laser bisher überwiegend zum Laserstanzen (Laserschneiden), Lasergravieren und -perforieren von papierbasierten Erzeug- nissen oder zum Reinigen von Kunstwerken und Pergamenten [1] eingesetzt.

Sich ergebende Vorteile gegenüber konventionellen mechanischen Fertigungs- verfahren sind beispielsweise [2]

• Hohe Flexibilität

• Möglichkeit zur Herstellung komplexer Geometrien

• Berührungslos, keine mechanische Belastung des Materials

• Geringer Werkzeugverschleiß

• Geringer Materialverlust, da sehr kleiner Schnittspalt im Vergleich zu mechanischen Verfahren

• Minimale Staubentstehung

• Saubere und definierte Schnittkanten, d.h. keine herausstehenden Fa- serenden (vgl. Abbildung 1)

Abbildung 1: Schnittkante von a) mechanisch & b) mittels Laser geschnittenem Papier [3]

Bisher überwiegend industriell für Schneidanwendungen eingesetzte Lasersys- teme sind cw-CO2-Laser (cw: continuous wave/Dauerstrich), die beispielsweise zur Realisierung feiner Konturen (Schriftzüge, Filigranschnitte, Bilder) in Druck- erzeugnissen zum Einsatz kommen. Abbildung 2 zeigt Beispiele für auf diese Weise geschnittene Papiere (sog. Laserstanzungen). Die Verwendung von cw- CO2-Lasern bringt den Vorteil der hohen Absorption von Papier bei der verwen- deten Laserwellenlänge λ, wobei die kleinsten realisierbaren Strukturbreiten je nach Materialdicke zwischen 0,3 mm (Papiere mit 80...290 g/m²) und 0,5 mm (Papiere mit 300...800 g/m²) sind [4]. Wird das Material nur oberflächlich abgetragen, spricht man von einer Lasergravur. Die Rückseite des bearbeite- ten Papiers bleibt dabei unbeeinflusst, wobei visuelle und haptische Effekte durch die Abbildung dreidimensionaler Strukturen auf der bestrahlten Oberflä- che realisiert werden können. Diese Technik wird aktuell insbesondere im Hochpreissegment z. B. für Visitenkarten, Einladungen und Menükarten eingesetzt. Hierbei werden neben cw-CO2-Laserstrahlquellen auch UV-Laser eingesetzt [5, 6], mit denen eine Oberflächenbearbeitung möglich wird.

Abbildung 2: Konventionelle Laserbearbeitung: Laserstanzung unterschiedli- cher Papiere, mit CO2-Laser (a) und (b) sowie eine Lasergravur hergestellt mittels UV-Laser (c) [5]

Zum Reinigen von Gemälden und alten Schriften werden derzeit kurz- bzw.

ultrakurzgepulste Festkörperstrahlquellen eingesetzt. Ziel ist es dabei, Verun- reinigungen von der Oberfläche zu entfernen, ohne das Papier selbst zu schä- digen. Es wird somit keine Papierbearbeitung angestrebt, sondern nur der Abtrag ausgewählter Schichten bzw. Stoffe vom Papier [1]. Wegen des beste- henden Forschungsdefizits in diesem Bereich, der sich insbesondere durch die hohe Materialvielfalt ergibt, wird das Laserstrahlreinigen aktuell nicht industriell, sondern nur im Forschungsumfeld eingesetzt (siehe auch Kapitel 2.3.2).

Physikalische Wechselwirkung und aktuelle Grenzen

Trifft ein Laserstrahl auf Materie, wird die in den Photonen enthaltene Energie teilweise, entsprechend der Absorptionseigenschaften des Materials, in einer oberflächennahen Schicht absorbiert und in Wärme umgewandelt. Bei hohen Energiedichten der Laserstrahlung verursachen die dabei entstehenden Tempe-

a) b) c)

raturen ein Aufschmelzen oder Verdampfen des Materials [7].

Sowohl beim Laserstanzen als auch beim Lasergravieren von Papier treten Verfärbungen an den Schnittkannten bzw. in der Strukturtiefe auf (siehe Abb. 2) [8, 9, 10]. Grund hierfür ist die thermische Schädigung des Materials. Auf hellem Substrat erscheinen die Kanten durch die entstandene Karbonisierung aufgrund des Wärmeeintrags in das Papier dunkler (vgl. Abb. 2 a). Bei dunklem Papier werden hingegen die Farbpigmente durch die thermische Belastung zerstört, was zu einer Aufhellung der Schnittkanten führt, siehe Abb. 2 b). Um die thermi- sche Belastung des Materials durch die Laserbearbeitung zu minimieren, werden vermehrt anstelle der cw-CO2-Laser, deren Energie sehr gut von der Cellulose absorbiert wird, Excimerlaser (UV, Pulsdauer: ca. 40 ns) zur Bearbei- tung von Papier eingesetzt. Hier ergeben sich jedoch wirtschaftliche Nachteile, die insbesondere im komplexen Systemaufbau begründet sind. Excimerlaser müssen zudem aufgrund ihrer schlechten Strahlqualität mit Hilfe von Masken- abbildungen auf das Werkstück projiziert werden, was eine starke Einschrän- kung der Flexibilität bewirkt. Des Weiteren ist der Wartungsaufwand wie bei allen Gaslasern, hierzu gehört auch der CO2-Laser, sehr hoch.

Lasersysteme Der heutige Trend in der Lasermaterialbearbeitung geht zunehmend hin zu qualitativ hochwertigen, feinen Schnittkanten sowie zu filigranem Formabtrag wie z.B. das gratfreie Trennen von Folien im Metall- und Kunststoffbereich oder das selektive Entfernen von Ablagerungen [1]. Für diese Präzisionsprozesse werden aktuell meist gepulste Festkörperlaser eingesetzt, da diese die industri- ellen Anforderungen in Bezug auf geringe thermische Schädigung des Materials bedienen (vgl. Schema Abbildung 3). Die in diesem Zuge zunehmend auf dem Markt erhältlichen Lasersysteme weisen immer kürzere Pulsdauern bei hohen mittleren Laserleistungen auf, was eine hohe Präzision, d. h. Bearbeitungs- genauigkeit, ermöglicht. Gleichzeitig sinkt die Wirtschaftlichkeit, weshalb für jede Anwendung ein entsprechender Konsens gefunden werden muss.

Abbildung 3: Zusammenhang zwischen Pulsdauer, thermischer Belastung, Präzision und Wirtschaftlichkeit [blz]

Als Folge dieses Trends werden zunehmend kurzgepulste CO2-Lasersysteme entwickelt [11, 12], die Pulsdauern im Bereich einiger 100 ns aufweisen. Bisher waren CO2-Lasersysteme beschränkt auf minimale Pulsdauern im µs-Bereich.

Diese neuentwickelten Laser weisen aufgrund der Wellenlänge von 10,6 µm hervorragende Absorptionseigenschaften bei vielen Materialien auf während die kurzen Pulsdauern einen geringen Wärmeeintrag ins Material bewirken, was sie zukünftig für vielfältige Bearbeitungsprozesse qualifiziert.

Laseradditive Laseradditive sind meist Pigmente, die aktuell überwiegend im Bereich der Laser-Kunststoffbearbeitung eingesetzt werden. Laseradditive ermöglichen die Bearbeitung von Materialien, die ohne Modifikation nicht bearbeitbar wären. So kann beispielsweise die Absorption lasertransparenter Kunststoffe durch

Zugabe von Additiven erhöht und eine Laserschweißung realisiert werden. Auch im Bereich der Oberflächenbearbeitung (z. B. beim Markieren) werden Additive genutzt, um einen Farbumschlag zu erreichen [13]. Diese werden hierbei direkt in das Kunststoffsubstrat oder in einen Kunststofflack eingebracht und anschlie- ßend mit dem Laser aktiviert. Je nach Anwendung werden Laseradditive für verschiedene Substratmaterialien und Laserwellenlängen ausgelegt [14]. Im Bereich der Papierherstellung und -verarbeitung ist ein Einsatz von Laseradditi- ven derzeit noch nicht kommerziell verfügbar bzw. dokumentiert.

3.2.2 Papierherstellung und -verarbeitung in der Verpackungsindustrie Einsatz von

Additiven bei der Papierherstel- lung

Um den hohen qualitativen und wirtschaftlichen Anforderungen an moderne Papiere gerecht zu werden, ist der Einsatz von Additiven im Herstellungspro- zess unerlässlich. Hier kann prinzipiell zwischen zwei Arten von Additiven unterschieden werden. Während der Papierherstellung werden Prozesschemi- kalien eingesetzt, um den Papierherstellungsprozess selbst in einem gezielten Maße zu beeinflussen. Die Papiereigenschaft selbst wird allerdings nicht bzw.

nur in einem sehr geringen Maß beeinflusst. Zu den Prozesschemikalien zählen beispielsweise Retentionsmittel und Entwässerungsbeschleuniger, Fixiermittel und Additive, die Produktionsstörungen mindern. Daneben gibt es Additive, die zur gezielten Veredelung des Papiers beitragen (funktionelle Additive). Auf diese Weise kann eine konkrete Eigenschaft des fertigen Papiers verändert werden. Hier werden beispielsweise Füllstoffe (TiO2, CaCO3 oder Schichtsilika- te) oder bestimmte Polymere (z. B. optische Aufheller) eingesetzt, um dem Papier eine höhere Weiße oder allgemein verbesserte Oberflächeneigenschaf- ten für eine bestimmte Anwendung zu verleihen [15, 16, 17].

Verarbeitung von Papier und Karton

Obwohl die Lasertechnologie bereits teilweise in der Papierverarbeitung einge- setzt wird, dominieren hier seit langem etablierte, klassische Bearbeitungsme- thoden (z. B. Stanzen). Neben dem Zuschneiden von Papierbahnen auf be- stimmte Normformate, hat auch die Herstellung von Verpackungen (insb.

Faltschachteln), die meist aus Karton oder Wellpappe bestehen, große industri- elle Bedeutung. Hier wird die Faltschachtelform zunächst ausgestanzt, bevor die Biegestellen durch Rillen, Ritzen oder Perforieren vorbereitet werden. Das Papiermaterial erfährt allerdings bei allen konventionellen Methoden stets eine mechanische Beanspruchung. Beim Falzen macht sich dies durch Risse oder Aufplatzen der Strichschicht (Strichbruch) bemerkbar, da das Fasergefüge im Papier durch die Verarbeitung überdehnt bzw. gestaucht wird. Ebenso müssen enge Toleranzen hinsichtlich der Maßgenauigkeit der Zuschnitte eingehalten werden. Außerdem gilt hier die Vorgabe von präzisen und glatten Schnittkanten, um den Materialverschleiß des Papiers möglichst gering zu halten.

Die Flexibilität ist bei den meisten klassischen Verarbeitungsverfahren zudem relativ gering. Durch die Nutzung definierter und speziell angefertigter Werkzeuge können daher nur große Produktchargen an den Papierverarbeitungsanlagen kosteneffizient bearbeitet werden. Eine Anpassung oder Veränderung der Pro- duktreihe während der Verarbeitung ist nur mit erheblichem Aufwand möglich.

Folglich besteht großer Bedarf im Bereich der Verfahrensentwicklung, um den Flexibilitäts- und Beanspruchungsanforderungen gerecht zu werden. Hier zeigt die Lasertechnologie großes Potential.

Verpackungslö- sungen aus Karton und

Papier, Pappe und Karton weisen mit 43 % den größten Wertstoffanteil auf dem Verpackungsmarkt auf. Gleichzeitig hat Papier als Verpackungsmaterial einen niedrigeren Wertschöpfungsanteil als Kunststoffe, deren Wertstoffanteil im

Wellpappe Vergleich zu Papier nur ca. halb so hoch ist [18]. Im Allgemeinen dient die Verpackung einerseits dem Schutz des Packungsinhaltes vor äußeren Umwelt- einflüssen und andererseits als Transportmedium. Die Produktpräsentation wird jedoch ein zunehmend wichtiger Faktor. Hierbei dienen Verpackungen als wichtiges Kommunikationsmittel zwischen Produkt und Käufer am „Point of Sale“. Durch aufwändige Designkonzepte und Funktionalitäten können Pro- dukthersteller so Alleinstellungsmerkmale für ein Produkt auf dem gesättigten Markt bewirken (siehe Abbildung 4). Auch Nachhaltigkeit und Umweltfreundlich- keit spielen eine immer wichtigere Rolle in der Verpackungsindustrie, was die Notwendigkeit des Einsatzes von Papier, Pappe und Karton mit ihren hohen Wertschöpfungspotentialen unterstreicht.

Die Anforderungen an Verpackungslösungen werden zukünftig deutlich über einen Schutz des Inhaltes hinausgehen. Design- und Kommunikationsaspekte, besonders auch im Hinblick auf eine Individualisierung, müssen vermehrt bedient werden. Dies hat für die papierverarbeitende Industrie zur Folge, dass ein höheres Maß an Flexibilität und Innovationskraft gefordert ist, um den steigenden Ansprüchen und Trends der Verbraucher zu begegnen. Die Not- wendigkeit der Qualifizierung neuer Fertigungskonzepte wird somit unabding- bar.

Abbildung 4: Faltschachtel mit einem durch Lasergravur hergestellten individu- ellen holographischen Muster (rote Markierung) [19].

Haptik als Kommunikations tool am „Point of Sale“

Neben der Informationsanzeige (Inhaltsstoffe, Nährwerte, etc.) stellen Design und eine anwenderfreundliche Funktionalität (z. B. einfaches Öffnen / Dosieren) wichtige Parameter für eine Produktverpackung dar. Ein neuerdings sehr wichtiges Kriterium ist zudem die Vermittlung von Markenbotschaften durch hochwertige Verpackungen mit bestimmten Funktionalitäten und attraktiven Zugaben („Gimmick“) [20]. Dahingehend streben viele Unternehmen nach Alleinstellungsmerkmalen durch multisensorische Marketingstrategien gemäß der Devise „Wo die Augen keinen Halt finden, bleiben auch die Füße nicht stehen.“. Die Verpackung als wesentliches Schlüsselelement und Verkaufsar- gument muss demnach ein Auffälligkeitsmerkmal aufweisen, um dem Käufer eine bestimmte Aussage oder ein Gefühl für den Verpackungsinhalt zu vermit- teln. Hier können neben auditiven, gustativen, olfaktorischen und visuellen Elementen insbesondere auch haptische Elemente zum Einsatz kommen. Die Oberflächenbeschaffenheit einer Verpackung muss entsprechend so angepasst werden, dass Sinnesempfindungen bei Berührung einen Wiedererkennungswert für das Produkt schaffen. Verarbeitungstechnisch können haptische Elemente bei Papierwerkstoffen aktuell nur über Präge- und Gravurwalzen sowie durch kalandrieren aufgebracht werden. Hierbei sind die Gestaltungsmöglichkeiten begrenzt und die mechanische Beanspruchung nicht zu vernachlässigen, was sich beispielsweise bei Wellpappen durch Volumenverlust äußert.

Um Verpackungen mit einer derartigen Funktionalität auszustatten, ist eine Verarbeitungstechnik nötig, mit der präzise 2- und 3-dimensionale Muster auf Papier, Pappe oder Karton aufgebraucht werden können, was durch den Einsatz von Lasertechnik zukünftig realisiert werden soll.

3.3 Stand der Forschung

3.3.1 Aktuelle Forschungsthemen auf den Gebieten der Papierherstellung und - verarbeitung

Erschließung von Non-Impact Technologien in der Papier- und Kartonverarbeitu ng

Individualisierung und Personalisierung von Produkten spielen in der Verpa- ckungsindustrie eine immer wichtigere Rolle. Um der damit einhergehenden Forderung nach einer hohen Flexibilität des Fertigungsprozesses bei gleichzei- tig möglichst kurzen Prozesszeiten gerecht zu werden, sind die Entwicklung und die Anwendung von Non-Impact-Verfahren der aktuell eingeschlagene Lö- sungsweg. Ein weiterer Vorteil dieser Verfahren ist, dass das Produkt nicht mechanisch belastet und dadurch ungewollt verändert oder gar geschädigt wird.

Im Bereich des Druckwesens wurde bereits das Non-Impact-Printing etabliert.

Bei diesem berührungslosen Druckverfahren, das ohne feste Druckform aus- kommt, findet die Übertragung der Druckstoffe kontaktlos, ohne mechanische Einwirkung auf das Druckgut, statt. Dadurch sind eine höhere Flexibilität und kürzere Prozesszeiten im Vergleich zu den konventionellen Druckverfahren möglich. Zusätzlich wurde auch eine Beschichtungsmethode, das sogenannte Curtain Coating, entwickelt, bei der die mechanische Einwirkung auf das Papier während des Streichens sehr gering ist [21].

Für die Verarbeitung von Papiermaterialien (Papiere, Kartonagen, Wellpappen) sind Non-Impact-Verfahren noch vergleichsweise wenig präsent und erforscht.

Die Lasermaterialbearbeitung als kontaktloses Fertigungsverfahren ist u.a. in den Bereichen der Metall-, Kunststoff- und Keramikbe- und verarbeitung etab- liert und stellt auch für die Be- und Verarbeitung von Papiermaterialien eine weitere vielversprechende Methode dar.

3.3.2 Aktuelle Forschungsthemen auf den Gebieten Laser-Papierbearbeitung und Laser- Papierreinigung

Laserschneiden Aktuelle Forschungsergebnisse im Bereich Laserstrahlschneiden von Papier wurden von H. Piili in ihrer Dissertation [22] im März 2013 zusammengefasst.

Hauptthema der Dissertation ist das Laserschneiden von Papier mit einem CO2- Laser (TRUMPF TLF 2700, Pulsdauer τ = 10 µs bis cw; Leistung P = 2.700 W, Wellenlänge λ = 10,6 µm). Laut [23] weist mikrokristalline Cellulose Absorpti- onsmaxima im Bereich um 3 μm und 8 - 10 μm auf. Die CO2-Wellenlänge ist demnach optimal für die Bearbeitung von Papier und Karton geeignet. Aller- dings treten bei der Laserbearbeitung mit den aktuellen CO2-Lasern mit Puls- dauern im µs-Bereich und länger Verfärbungen an den Schnittkanten auf, was sich negativ auf die Bearbeitungsqualität auswirkt (vgl. Kapitel 2.2.1). Untersu- chungen hinsichtlich der Entstehung dieser Verfärbungen zeigten eine nahezu lineare Abhängigkeit von der Laserleistung [24]. Eine Verringerung der Laser- leistung bewirkt dementsprechend eine Verringerung der Verfärbung bis zu einem bestimmten Grad. Gänzlich vermeiden lassen sich die Verfärbungen

jedoch nicht, da unterhalb einer Schwellintensität nicht mehr das gesamte Material abgetragen wird und die verbleibenden Rückstände karbonisieren.

Eine Verringerung der Laserleistung zur Vermeidung von Verfärbungen ist daher nicht zielführend. Des Weiteren konnte gezeigt werden, dass der Haupt- einflussfaktor auf die Verfärbung die Zusammensetzung des Papiermaterials selbst ist, wobei sehr starke Verfärbungen bei Papieren entstehen, die einen hohen Anteil an Lignin aufweisen [25]. Untersuchungen zum Laserstrahlschnei- den mit einem Diodenlaser (Wellenlänge λ = 810 nm) führten Pages et al. durch [25]. Die Bearbeitung von Papier wurde dabei durch das Auftragen von Tinte (schwarz bzw. NIR-Tinte) ermöglicht, da diese die Absorption der Laserwellen- länge erhöht. Anzumerken ist außerdem, dass Material, das augenscheinlich die gewählte Wellenlänge nicht absorbiert, dennoch zu chemischen Reaktionen angeregt werden kann, indem chemische Bindungen aufgebrochen werden [26].

Laserreinigen Beim Laserstrahlreinigen von papierbasierten Erzeugnissen ist zu unterscheiden zwischen dem Reinigen von alten Manuskripten bzw. Schriften [1] und das Entfernen von Tinte auf bedrucktem Papier, das „Unprinting“ [27]. Ziel beider Verfahren ist es, Verunreinigungen oder Tintenrückstände von der Papieroberflä- che zu entfernen, ohne das Material selbst dabei zu schädigen.

Vor diesem Hintergrund sind folgende Themen Gegenstand aktueller Forschung:

• Einfluss der Wellenlänge auf das Substrat und die Schicht sowie deren Abtrag

• Einfluss der Pulsdauer auf den Abtrag

• Einfluss der Laserbearbeitung auf das Alterungsverhalten des papierba- sierte Erzeugnisses

Die Ergebnisse lassen sich wie folgt zusammenfassen:

• Zur Erreichung einer hohen Abtragsqualität der Schichten werden ultra- kurze Pulsdauern empfohlen [28].

• Um das Papiersubstrat möglichst nicht zu schädigen, ist die Bearbeitung mit einem ps-Laser mit einer Wellenlänge von 532 nm von Vorteil [29, 26, 30, 31].

• Die Laserbearbeitung hat bei der Reinigung von Papier keinen Einfluss auf die Alterung [32, 33].

Lasergravieren mit gepulsten Stahlquellen

Die Recherche zum Thema Lasergravieren papierbasierter Erzeugnisse mit gepulsten Festkörperlasersystemen ergab zum jetzigen Zeitpunkt keine veröffent- lichten wissenschaftlichen Ergebnisse. Eigene Voruntersuchungen zeigen, dass durch eine Verkürzung der Pulsdauer von 40 ns auf 12 ps eine signifikante Verringerung des Karbonisierungsgrades von Kartonmustern einherging. Des Weiteren konnte gezeigt werden, dass sich je nach Parameterwahl einzelne Papierfasern am Strukturgrund durch Laserbearbeitung gezielt aufstellen lassen (siehe Abbildung 5). Dieser Effekt konnte mit mechanischer Bearbeitung bisher nicht erreicht werden. Eine Anwendung in Hinblick auf Isolationseigenschaften ist denkbar, wurde jedoch noch nicht betrachtet.

Abbildung 5: Aufgestellte Fasern nach der Lasergravur mit einem ns- Lasersys- tem: REM-Aufnahme (a) und Auflichtbild (b) [blz]

Laseradditive bei der Bearbei- tung von Papier

Additive, die speziell bei der Laserbearbeitung von Papier eingesetzt werden, wurden bisher noch nicht detailliert hinsichtlich ihrer Verarbeitbarkeit in das Substratmaterial oder den Strich, ihrer Auswirkungen auf das Laserbearbei- tungsergebnis und ihren Einfluss auf die Weiterverarbeitung der Papiere untersucht. Auf der anderen Seite gibt es z. B. für die Laserbeschriftung von Kunststoffen eine Reihe von kommerziell verfügbaren Laseradditiven, deren Wirkungsweise darin besteht, die Energie des Laserstrahls verstärkt zu absor- bieren. Durch den Energieeintrag wird bei vielen Kunststoffen eine farbintensive Reaktion induziert, wobei teilweise eine Reaktion auf dem Polymer und/oder am lasersensitiven Pigment in Kombination mit dem eingesetzten Farbmittel

ausgelöst wird. Typische Polymere in derartigen Laseradditiven sind Polystyrol (PS), Styrol Acrylnitril (SAN) oder Polyamid (PA) [14]. Auf Seiten der Pigmente, die meist in Kombination mit den genannten Polymeren als Laseradditiv einge- setzt werden, findet man je nach Anwendungsgebiet und Lasertyp typischer- weise TiO2, ZnS oder Eisenoxid [14].

Für die laserbasierte Papierbearbeitung gibt es derzeit noch keine systemati- schen Untersuchungen für methodenspezifische Additive. Allerdings gibt es erste Erkenntnisse, welche Mineralien die Laserenergie am besten absorbieren.

In einer Untersuchung bzgl. der Laserkodierung von Verpackungen, bei der individuelle Codes durch Laserablation aufgebracht wurden, zeigte sich, dass Kaolin ein geeignetes Spektrum aufweist, um die durch den CO2-Laser (Wellen- längenbereich 9,3 und 10,6 µm) eingebrachte Energie zu absorbieren. Hierzu gibt es jedoch nur erste Erkenntnisse und noch keine systematische Untersu- chung. Zudem existiert in diesem Zusammenhang noch kein Wissen über die optimale Verteilung der energieabsorbierenden Pigmente zwischen Papierstrich und Masse, um eine selektive Ablation von Druckfarbe erreichen zu können [34].

Im Rahmen von Vorversuchen wurden zwei kommerziell verfügbare Laseraddi- tive in eine Streichfarbenformulierung eingearbeitet. Abbildung 6 zeigt verschie- dene laserbearbeitete Papiermuster, wobei Abbildung 6b und Abbildung 6c mit Additiven versehene Substrate zeigen. Wie in Abbildung 6c ersichtlich, ist eine

a) b)

Aufgestellte Fasern

homogene Verteilung des Additivs gewährleistet. Dafür wurde gezielt ein dunkles Additiv ausgewählt, um durch den höheren Kontrast auf dem weißen Substrat die Verteilung des Laserpigments zu veranschaulichen (siehe Markie- rung). Abbildung 6a zeigt das additiv-freie Referenzmuster. Der dunkle Bereich wurde laserbearbeitet. Ein wichtiges Qualitätskriterium ist dabei die Schärfe der Strukturkanten. Ein Vergleich zwischen Abbildung 6a und Abbildung 6b zeigt diesbezüglich nur einen geringfügigen Unterschied, was darauf rückschließen lässt, dass bei gewählter Konzentration der zugegebenen Additive noch kein sichtbarer Effekt auftritt. Die dunkleren Strukturkanten in Abbildung 6b sind aufgrund größerer Energieabsorption und damit verbunden einem höheren Materialabtrag möglicherweise auf Schatteneffekte zurückzuführen. Im Detail konnte der Einfluss von Laseradditiven auf das Bearbeitungsergebnis mit gepulsten Lasern bei der Papierbearbeitung noch nicht dargestellt werden.

Abbildung 6: Vergleich der Bearbeitungsergebnisse: a) nicht-modifizierter Strich;

b) Strich mit Additiv 1 und c) Strich mit Additiv 2 [blz].

4 Material und Methoden

4.1 Papieranalytik

4.1.1 Messverfahren für Flüssigkeiten und Dispersionen Messverfahren Die folgenden Messverfahren wurden angewandt:

Tabelle 1: Eingesetzte Messverfahren zur Dispersionsprüfung

Parameter Messmethode

Feststoffgehalt DIN ISO 787 Teil 2 (FG-Gehalt) Niedrigscherviskosität Brookfield bei 20, 50 und 100 U/min

nach DIN ISO 2555

pH-Wert DIN 38404 T.5 und DIN ISO 787 Teil 9

(für wässrige Dispersionen)

Temperatur DIN 38404 T.4

4.1.2 Messverfahren zur Papierprüfung Messverfahren-

Papierprüfung Tabelle 2: Eingesetzte Messverfahren zur Papierprüfung.

Parameter Messmethode

Papierprüfung

Dicke, Dichte DIN EN ISO 534

Flächenbezogene Masse Gravimetrisch (Hausmethode) Alterung / Lichtechtheit DIN EN ISO 105-B02

Künstliches Bestrahlen & Bewittern in

Geräten–Teil2: Xenonbogenlampen DIN EN ISO 4892-1, -2 Rauigkeit nach Bendtsen DIN 53120-1

Bedruckbarkeit / Optische Eigenschaften

Opazität DIN 53146

Farbraum DIN EN ISO 11664-4

CIE-Weiße ISO 11475

Spektraldaten UV-3600 (Fa. Shimadzu)

Mechanische Papiereigenschaften

Stanzkraft Zwick Z010 (PTS-Hausmethode)

Rezyklierbarkeit

Rezyklierbarkeit gestrichener Muster PTS-RH: 021/97 Mikroskopische Verfahren

Lichtmikroskop Wild M 10 (Fa. Leica)

Rasterelektronenmikroskop JSM-6510 (Fa. JEOL)

Laserscanningmikroskop LEXT OLS4100 (Fa. Olympus)

4.2 Laserprozess

4.2.1 Verwendete Lasersysteme Einordnung der

verwendeten Lasersysteme

In diesem Projekt wurden drei Lasersysteme, siehe Tabelle 3, für die Untersu- chungen zur laserbasierten Papierbearbeitung genutzt. Das Microstrom 300- System im Dauerstrichbetrieb (=cw-Betrieb) dient als Referenzsystem, da CO2- Laser aufgrund ihrer Wellenlänge von 10600 nm im cw-Betrieb in der Papierin- dustrie bereits erfolgreich eingesetzt werden. Neben diesem cw-Modus kann das Microstorm 300-System auch in einem sogenannten Pulsmodus betrieben werden, hier können Laserpulse mit Pulsdauern bis zu einer minimalen Puls- dauer von ca. 350 ns genutzt werden. Durch die Reduktion der Pulsdauer wird eine Reduzierung der thermischen Beeinflussung des Materials während der

Bearbeitung angestrebt. Um diesen Effekt der Pulsdauer näher zu untersuchen wurden zwei weitere Lasersysteme mit noch kürzeren Pulsdauern im Nanose- kunden- und Pikosekundenbereich innerhalb des Projektes herangezogen.

Diese Lasersysteme haben eine Wellenlänge im NIR-Bereich von 1064 nm.

Eine detaillierte Auflistung der wichtigsten Systemparameter findet sich in Tabelle 3.

Lasersystem-

parameter Tabelle 3: Systemparameter der verwendeten Strahlquellen

Lasersystem CO2 Nd:YAG-ps Nd:YAG-ns

Typ Microstorm 300 Fuego EasyMark IV E10

Hersteller FEHA Lasertec Time-Bandwidth Rofin

Wellenlänge [nm] 10600 1064 1064

Max. mittlere

Leistung [W] 300 50 10

Pulsbreite [ns] cw – ca. 350 12 x 10^-3 20

Repetitionsrate [kHz] Bis 150 Bis 8000 Bis 200 Fokusdurchmesser

[µm] 160 30 40

Max. Scanfeld [mm²] 80 x 80 100 x 100 120 x 120

4.2.2 Messung der während des Laserprozesses entstehenden Partikel

Messprinzip Zur Messung der während des Laserprozess entstehenden Partikel wird in der Absaugstrecke eine isokinetische Probenentnahme durchgeführt, siehe Abbil- dung 7 um die entnommenen Partikel anschließend mit einem Spektrometer zu vermessen. Die Charakterisierung erfolgt hinsichtlich Anzahl und Größe bis zu einem minimalen Durchmesser der Partikel von 350 nm.

Abbildung 7: Schematischer Messaufbau zur Messung der bei der Bearbeitung von Papierwerkstoffen entstehenden Partikel

Verfärbung In Abbildung ist eine schematische Darstellung zur Messung der Verfärbung der Schnitten dargestellt. Hierzu wird ein durchschnittlicher Farbeindruck aufgenommen.

Abbildung 2: Schematische Darstellung der Messung der Verfärbung der Schnitte

4.3 Bewertung der Bearbeitungsergebnisse

Verfärbung Die Verfärbungsmessung und Beurteilung erfolgte auf Basis des CIE- Normfarbsystems. Die Messung wurde mit Hilfe des Spektraldensitometer Spectro-Dense der Firma Techkon durchgeführt, womit ein normierter Farbein- druck im dreidimensionalen CIE-L*a*b-Farbraum bestimmt wurde. Durch Verknüpfung dieser Farbkoordinate mit einer Referenzmessung des unbearbei- teten Papiers, ergibt sich der ΔE-Wert als Maß für die relative Verfärbung als Länge des dreidimensionalen Vektors im CIE-L*a*b*-Farbraum. Der Bereich ΔE ≤ 4 ist laut EN ISO 11664-4 für das menschliche Auge als nicht unter- scheidbarer Farbabstand definiert.

Daher wurden für die Verfärbungsmessungen bei den Abtragsuntersuchungen Gravuren mit einer Feldgröße von 7 mm x 7 mm erzeugt. Als Referenz für die Messungen wurde jeweils die unbearbeitete Papieroberfläche herangezogen.

Da hier über den gesamten Messfleck hinweg das Ergebnis der gleichen Bearbeitung gemessen wird, wird davon ausgegangen, dass nur die Inhomo- genität des Papieres das Ergebnis beeinflusst.

Bei den Schnitten wurde ein durchschnittlicher Farbeindruck gemessen, siehe Anhang 1. Der gemessene Wert bei den Schnitten stellt dabei einen relativen und keinen absoluten Wert dar und wurde nur für vergleichende Zwecke herangezogen. Somit sind auch nur Schnittergebnisse auf identisch hergestell- ten Basispapieren vergleichbar, da die Färbung des Papieres einen deutlichen Einfluss auf das gemittelte Ergebnis hat.

Gravurgeometrie Die Geometrien der unterschiedlichen erzeugten Felder wurden an einem Laserscanningmicroscop (LSM) der Fa. Olympus konfokal vermessen. Das LEXT OLS4100 weist eine Genauigkeit bei der Flächenmessung von ±2% des Messwertes und eine Genauigkeit bei der Höhenmessung von 0,2 + L/200 µm oder weniger (L= Messlänge) auf.

Schnittkanten Durch die Anwendung der Messungen mit Hilfe der Zeilenkamera ist eine quantitative Bewertung des Schnittkantenprofils möglich, um damit unterschied- liche Bearbeitungsverfahren vergleichen zu können. Dabei lässt sich aus den Ergebnissen vor allem die durch die Verarbeitung bedingte Veränderung der Topografie der Kante abschätzen. Über den optischen Eindruck der Schnittkan- ten, z. B. im Hinblick auf Verfärbungen oder ausgerissene Fasern ist damit jedoch keine detaillierte Aussage möglich. Zur Vervollständigung der Bewertung der Schnittkanten wurden lichtmikroskopische Aufnahmen, als Draufsicht in zwei verschiedenen Ausrichtungen erstellt. Die Kombination der Untersu- chungsmethoden erlaubte schließlich eine Bewertung und Einordnung der Qualität der Schnittkanten, ebenso wie einen Vergleich der Bearbeitungsme- thoden untereinander (vgl. Abschnitt 10).

5 Anforderungsdefinition und Materialauswahl (vgl. AP 1)

Anforderungskat alog

Zusammen mit dem projektbegleitenden Ausschuss wurden die Geometrien (Form und Abmaße), die geforderte Bearbeitungsqualität (Schnittkantentole- ranz, Verfärbungsgrad) und die Anzahl der unterschiedlichen Versuchsmuster je nach Verfahren (Schneiden, Gravieren, Oberflächenmodifikation) definiert.

Materialauswahl Für die Untersuchungen im Projekt wurden die zu untersuchenden Papier-, Karton- und Wellpappematerialien anhand des aufgestellten Anforderungskata- logs für die Papiermaterialien ausgewählt. Des Weiteren wurden ihr Aufbau, Strich (Dicke, Material, Anzahl), Grammatur und Abmaße dokumentiert. Für die weiterführenden Untersuchungen wurde die benötigte Probenanzahl festgelegt.

Spektralanalyse Um die ausgewählten unterschiedlichen Papiermaterialien gruppieren bzw.

deren Anzahl weiter eingrenzen zu können, wurden Spektraluntersuchungen zur Ermittlung des Reflexions- und Transmissionsspektrums durchgeführt.

Hierzu wurde mit einem Fotospektrometer UV-3600 der Firma Shimadzu der Wellenlängenbereich von 200 nm bis 1200 nm vermessen, um ein möglichst breites Materialverständnis zu erlangen. Für die Wellenlänge von 10600 nm, also der Emissionswellenlänge des CO2-Systems, wurde ein gesonderter Aufbau mit zwei Ulbrichtkugeln, für die Messung der Transmission und Reflexi- on direkt am Lasersystem verwendet. Aus den vorliegenden Reflexions- und Transmissionsdaten wurde anschließend die Absorption errechnet.

5.2 Ergebnisse der Anforderungsdefinition und Materialauswahl sowie Diskussion Anforderungskat

alog In Zusammenarbeit mit dem projektbegleitenden Ausschuss wurden die Anfor- derungskriterien an die Papiermaterialien festgelegt. Diese sind in Tabelle 4 zusammengefasst. Außerdem wurden die näher zu untersuchenden Zusatzstof- fe, wie die Binderarten und bspw. die Zugabe von Kaolin im Strich, diskutiert

und abgesprochen.

Tabelle 4: Anforderungskriterien der zu untersuchenden Materialien Materialanforderungen

Dimension flächiges Material (z. B. DIN A4)

Proben-

anzahl ca. 20 Stück (DIN A4) je Material

Grammatur 100 – 300 g/m²

Strich Strichdicke 5-50 µm

Strich-Zusammensetzung/Zusätze Pigmente, Binder, Additive Basis-

material

Faserart Primär- + Sekundär-fasern

Faseranteil 25-90 %

holzhaltig (Lignin) ja + nein

Aufbau Anzahl an Lagen 1 - 3

je nach Material auch mehr Für die detaillierten Untersuchungen der zwei angedachten Hauptanwendun- gen Gravieren und Laserschneiden in den nachfolgenden APs wurden folgende Vorgaben im Anforderungskatalog definiert:

• Geometrie beim Gravieren: Rechtecke mit einer Kantenlänge von mind.

7 mm (Fläche notwendig für die Farbraummessung)

• Geometrie beim Schneiden: minimale Schnittlänge von 7 mm

• Bearbeitungsqualitäten bei der Gravur: Fokussierung auf geringe Ver- färbung auf Bestreben des projektbegleitenden Ausschusses

• Anzahl der Muster: mind. 3 pro Parametersatz und Untersuchungsver- fahren aufgrund der Statistik

Materialauswahl Im Anforderungskatalog wurden die in Anhang 2 aufgelisteten Anforderungskri- terien an die Papiermaterialien festgelegt. Bei der Materialauswahl wurden sowohl Industriemuster, als auch an der FS1 hergestellte Labormuster berück- sichtigt.

Eine Auswahl der Industriemuster, die die wichtigsten, industrierelevanten Materialien wiederspiegelt, die sich durch ihre Faserzusammensetzung, Grammaturen und gegebenenfalls Strich unterscheiden, befindet sich in Tabelle 5.

Tabelle 5: Auswahl der Industriemuster

Kürzel Verwendung Gramma-

tur [g/m²] Faserart Strich

Ha300 300 Zellstoff (primär) pig-

men-tiert

Ha220 220 Zellstoff (primär)

Ha130 130 Zellstoff (primär)

MS-T Versandpapier,

Briefumschläge 92 Zellstoff (primär) nein

MS-B Offsetdruckpapier 80 Zellstoff k.A.

MS-R Büropapier 100 Zellstoff (primär) nein

L-FZ Liner 180 Zellstoff (sekundär) nein

Lin Liner (Testliner) 150 Zellstoff (sekundär) nein F330 Faltschachtelkarton 300 Zellstoff (sekundär) 1 fach F550 Faltschachtelkarton 550 Zellstoff (sekundär) 1 fach K-S1-F F-Welle Sorte 1 345 Zellstoff (sekundär) nein K-S2-F F-Welle Sorte 2 345 Zellstoff (sekundär) nein G-Col 100 Büttenpapier 100 Zellstoff (primär) nein G-Col 200 Büttenpapier 200 Zellstoff (primär) nein G-Col 300 Büttenpapier 300 Zellstoff (primär) nein

G-Cot 110 Büttenpapier 110 Baumwolle nein

G-Cot 330 Büttenpapier 300 Baumwolle nein

FP512 Filterpapier 84 Zellulose (hochrein) nein

FP22 Filterkarton 180 Zellulose (hochrein) nein

FP597L Filterkarton (diag-

nostisch) 81 Baumwolle nein

Neben den Industriemustern wurden Papiermuster mit unterschiedlichen Zusatzstoffen und Zusatzstoffkonzentrationen sowie mit Laseradditiven versetz- te Muster von der FS1 im hauseigenen Labor hergestellt. Die Herstellung der einzelnen Muster wird in Abschnitt 6 ausführlicher erläutert. Hier eine Auflistung der im Bericht erwähnten gestrichenen und ungestrichenen Papiere mit Kürzel und näheren Informationen zu den Zusatzstoffen (der Anteil der Zusatzstoffe wird auf 100 Teile Pigment in der Streichfarbe bezogen = pph), sofern bekannt:

Tabelle 6: Auflistung der im Bericht erwähnten gestrichenen Papiere

Kürzel Zusatzstoffe Anteil Zusatzstof-

fe [pph]

AB 0-5 ABS (Arcylnitril-Butadien-Styrol) Binder 0/11/16/30/50/100 KA 1-6 Grobes / feines / ultrafeines Kaolin je 10 & 15

BV 0 -4 SB- o. Styrol-Acrylat Binder je 10 & 15 BV 5 -9 feines Kaolin & SB-Binder 20 / 40 / 60 / 80 BV 10&11 feines Kaolin & SB-Binder 40 / 60

KB 0 Referenz (CaCO3, GCC); 1 & 2fach Strich /

KB 1-3 Kaolin 5 / 7 / 12

KB 4-6 Vorstrich: Kaolin; Deckstrich: CaCO3 (GCC) 0 MS 1-8 Vorstrich: CaCO3 ,ATH & Laseradditiv 0; 4

Deckstrich: CaCO3 ,ATH & Laseradditiv 0; 4

AH 1-5 ATH in CaCO3 -Strich 0/25/50/75/100

IT 0 Referenz (CaCO3, GCC) /

IT 1 -3 Glimmer mit Eisenoxid beschichtet 1 / 3 / 7 IT 4-6 Glimmer mit Kupferphosphat beschichtet 1 / 3 / 7

Tabelle 7: Auflistung der im Bericht erwähnten ungestrichenen Papiere

Kürzel Zusatzstoffe Anteil Zusatz-

stoffe [Gew.-%]

Ha220 unbekannt 0

Ha300 unbekannt 0

IT40-0 Referenz 0

IT40-0,5 –

2,5 Glimmer mit Kupferphosphat beschichtet 0,5 /1,0 /2,5 IT40-5 - 15 Glimmer mit Kupferphosphat beschichtet 5 /10 /15

VB0 Referenz 0

VB1-2 APi (Aluminiumtrihydroxid) 20 / 80

VB3 CaCO3 20

VB4-5 Kaolin 20 / 80

Spektralanalyse Die folgenden Abbildungen zeigen die berechnete Absorption aus den Reflexi- ons- und Transmissionsdaten der Spektralanalyse. Die vermessenen Proben in Abbildung 8 sind jeweils in Materialgruppen zusammengefasst, in denen bestimmte Zusätze variiert wurden. Es handelt sich dabei um unterschiedliche Konzentrationen des ABS-Binders (Arcylnitril-Butadien-Styrol), die Partikelgrö- ßen und Mengen des Zusatzstoffs Kaolin im Strich. Der ABS-Binder und das Kaolin als Zusatzstoffe wurden ausgewählt, da die Vermutung im Raum steht, dass diese eine stärkere Verfärbung des Materials bei der Bestrahlung mit einer Wellenlänge von 10600 nm verursachen. Die ermittelten Spektraldaten zeigen keinen signifikanten Einfluss der untersuchten ABS-Binderkonzentrationen und der untersuchten Kaolinkonzentrationen sowie der verwendeten Kaolinkorngrö- ßen auf die Absorption bei der Wellenlänge von 10600 nm.

Abbildung 8: Berechnete Absorptionswerte für 1064 nm und 10600 nm von Papieren mit modifizierten Strich aus Tabelle 6

Generell sind die Absorptionswerte bei der Wellenlänge von 10600 nm deutlich höher als bei 1064 nm, da alle Hauptbestandteile der Papiere (Lignin, Zellulose, Hemizellulose) die Wellenlänge 10600 nm gut absorbieren [35]. Das bedeutet, dass durch eine Veränderung der Zusammensetzung oder den Zusatz der Additive die Absorption bei 10600 nm von Papieren aus zellulosebasierten Faserstoffen nicht signifikant beeinflusst wird.

In Abbildung 9 sind die berechneten Absorptionswerte von Materialprobenbei- spielen der Industriemuster dargestellt. Hier wird deutlich ersichtlich, dass die berechnete Absorption bei der Wellenlänge von 1064 nm von der Materialart und –zusammensetzung sowie der Materialdicke abhängt.

Abbildung 9: Berechnete Absorptionswerte für 1064 nm von ausgewählten Industriemustern

Der Einfluss verschiedener Konzentrationen des laseraktiven Additivs IT40 auf den berechneten Absorptionswert bei 1064 nm ist in Abbildung 10 dargestellt.

Ab einen Additivanteil von 10% im Substrat steigt die Absorptionskurve nicht mehr an, es ist somit eine Sättigung erreicht.

Abbildung 10: Berechnete Absorptionswerte für 1064 nm von Papieren mit unterschiedlicher Laseradditivkonzentration aus Tabelle 6 und Tabelle 7

5.3 Fazit Anforderungskat alog

Die Anforderungen bzgl. der zu bearbeitenden Geometrien und der möglichen Qualitäten wurden in Absprache mit dem projektbegleitenden Ausschuss in einem Anforderungskatalog festgelegt. Außerdem wurden die Anforderungen an das Untersuchungsmaterial festgelegt.

Materialauswahl Für die Untersuchungen wurden einige kommerziell verfügbare Papiermateria- lien und insbesondere Karton- und Wellpappematerialien (bspw.: F-Welle) ausgewählt. Mit diesen Papieren kann ein großer Bereich verschiedener Zusammensetzungen, z.B. hinsichtlich der Faserart (primär oder sekundär) oder auch der Oberflächenveredelung, abgedeckt werden. Des Weiteren wurden die Inhaltsstoffe und der Aufbau der im PTS-Labor herzustellenden Materialien (AP2) besonders hinsichtlich der Verwendung der laseraktiven Additive besprochen.

Spektralanalyse Durch das Erstellen von Reflexions- und Transmissionsspektren der verschie- denen Papiermaterialien konnte ein grundlegendes Materialverständnis erlangt und die zugrundeliegende Absorption berechnet werden. Hieraus ließ sich eine Einordnung der verschiedenen Werkstoffe hinsichtlich der stofflich und ober- flächlich bedingten Einkopplung der Laserstrahlung vornehmen. Anhand der Spektralanalyse konnte gezeigt werden, dass aufgrund der hohen Absorption der Wellenlänge 10600 nm vom hohen zellulosebasierten Faserstoffanteil (>

80%) innerhalb der Papiere die Absorption der anderen Papierbestandteile keinen erkennbaren Einfluss auf die Absorption des Materials haben. Ganz im Gegensatz dazu hängt die Absorption im nahen Infrarot bei 1064 nm deutlich von der Materialzusammensetzung ab.

6 Substratentwicklung und Mehrlagenaufbau (vgl. AP 2)

6.1 Vorgehen Gestrichene

Papiere Das Ziel dieses AP war es zunächst laseraktive Additive in Strichschichten bzw.

-systeme einzubringen. Dabei sollten Streichfarben entwickelt werden, in die diese Laseradditive oder auch Spezialpigmente eingearbeitet werden können.

Als Basisrezeptur der Streichfarben wurde eine CaCO3 Rezeptur mit Styrolbu- tadien (= SB) als Binder ausgewählt. Daraufhin wurden die Additive in ver- schiedenen Konzentrationen und in unterschiedlichen Schichten des Strichsys- tems eingebracht (Tabelle 6). Abhängig von den Ergebnissen der nachfolgenden Arbeitspakete war die Konzentration der Additive anzupassen.

Die Funktionsweise der Additive beruht auf einem Absorptionspeak bei 1064 nm. Durch die verstärkte Absorption wird das umgebende Material lokal stärker karbonisiert. Bei diesen Additiven dienen Glimmerplättchen als inertes Trägermaterial für die aktiven chemischen Bestandteile, mit denen sie be- schichtet sind.

Neben diesen speziellen Additiven wurden ausgewählte Pigmente und Binde- mittel untersucht, die aufgrund ihrer Eigenschaften einen starken Einfluss auf die Bearbeitung mit Lasern verschiedener Wellenlängen aufweisen können.

Dabei handelte es sich unter anderem um Arcylnitril-Butadien-Styrol (= ABS) Binder. Kunststoffe auf Basis dieser Polymerverbindung werden in der Kunst- stoffindustrie bereits mit Laser markiert. Um den Einfluss des Binders auf die Lasermarkierbarkeit von Strichschichten zu analysieren, wurde dieser in ver- schiedenen Anteilen zur Streichfarbe hinzugefügt, siehe Tabelle 6. Weiterhin wurden zu Vergleichszwecken Bindemittel mit unterschiedlichen Co-Polymer Kombinationen (Styrol-Butadien und Styrol-Acrylat) in der Streichfarbe in verschiedenen Anteilen eingesetzt.

Zuletzt wurden Pigmente ausgewählt, die aufgrund ihrer Kristallstruktur dafür geeignet waren, die Wechselwirkung zwischen Laserstrahlung und Strich- schicht zu beeinflussen. Dabei kamen u.a. Kaoline verschiedener Partikelgrö-

ßen zum Einsatz, welche im Bereich der Wellenlänge von CO2-Lasern (λ = 10600 nm) eine erhöhte Absorption im Vergleich zu anderen Pigmenten aufweisen. Je nach Partikelgröße der plättchenförmigen Kaoline richten sich diese beim Streichvorgang parallel zur Papieroberfläche aus. Dadurch kann es vermutlich zu einer stärker gerichteten Reflexion der Strahlung im Vergleich zu nodularen Pigmenten kommen. Die verminderte diffuse Streuung auch inner- halb der Strichschicht, sollte zu einer geringeren thermischen Belastung des Basispapieres führen, da ein Teil der Energie durch Reflexion verloren geht und sich nicht durch Mehrfachreflexion innerhalb der Strichschicht im System verteilt und somit dort verbleibt.

Weiterhin kamen Aluminiumtrihydroxid (= ATH) Pigmente als Streichpigmente zum Einsatz. Diese sollten im Vergleich zu den oben genannten Pigmenten den Eintrag thermischer Energie durch die Laserstrahlung durch ihre physikalischen Eigenschaften verringern. Der angenommene Wirkmechanismus dieser Pig- mente basiert zum einen auf der relativ niedrigen Absorption von Licht im NIR- Bereich, zum anderen eventuell auf einer induzierten Abgabe von eingelager- tem Kristallwasser. Dieses Kristallwasser könnte einerseits die Oberfläche

„kühlen“, andererseits das entstehende Rauchgas verdünnen.

Die Streichfarbendispersionen wurden zunächst auf deren Eigenschaften, wie pH-Wert und Viskosität, hin vermessen. Von den resultierenden Strichen bzw.

Strichsystemen wurden die optischen Eigenschaften und Dicken bestimmt.

Ungestrichene

Laborpapiere Auf Grundlage der Erfahrungen bei der Herstellung additivierter gestrichener Papiere wurden die Additive ausgewählt, die dann auch in der Papiermasse eingesetzt wurden, siehe Tabelle 8. Dabei wurde zunächst ein Fasergemisch von Lang- und Kurzfasern im Verhältnis 40% zu 60% (wi -% bezogen auf die Trockenmasse) zugrunde gelegt. In diese Fasermischung wurden dann die Laseradditive, Füllstoffe und übrige notwendige Bestandteile eingebracht und schließlich zu einem Laborpapier verarbeitet. Als Referenz wurden jeweils Papiere ohne Additive hergestellt.

Tabelle 8: Hergestellte Laborpapiersorten

Kürzel Additiv Anteil Additiv [wi-%]

IT40-0,5-15 Glimmer mit Kupferphosphat beschichtet 0,5/ 1 / 2,5/ 5 / 10 / 15 IT35-5 Glimmer mit Eisenoxid beschichtet 5

APi Aluminiumtrihydroxid Pigment (Masse) 20 / 50 / 80

KA Kaolin 20 / 80

CA Calciumkarbonat 20

Alle Papiere sollten mit ihrer Dicke und Grammatur im Bereich von Faltschach- telkartons (wirtschaftliche Relevanz) angesiedelt sein. Das in der Masse einge- setzte Aluminiumtrihydroxid-Pigment ist zwar chemisch mit dem Pigment für die Streichfarbe identisch, hat jedoch bzgl. Partikelgröße unterschiedliche Eigen- schaften. Aus diesem Grund werden beide Pigmentsorten mit unterschiedlichen Bezeichnungen geführt (ATH / APi).

6.2 Ergebnisse Gestrichene

Papiere - Additive

Während der Projektlaufzeit waren keine speziell für den Einsatz im Papier vorgesehenen laseraktiven Additive verfügbar. Daher wurde auf Additive zurückgegriffen, die zunächst speziell nur für Kunststoffe entwickelt wurden.

Diese wurden dann für die Streichfarbenherstellung adaptiert. Da Ansätze auf Basis von Kunststoffgranulat ungeeignet für das Einarbeiten in den Strich oder auch die Papiermasse sind, wurden die Additive in gemahlener Form vom Hersteller zur Verfügung gestellt. In dieser Form konnten die Additive problem- los, unter Folgen der Laborvorgaben, in die Streichfarbe oder auch Fasersus- pension, d.h. die Papiermasse, eingearbeitet werden.

Das Einarbeiten der Additive in die Streichfarbe erfolgte in relativ geringen Anteilen. Insgesamt konnten keine negativen Auswirkungen auf die Eigenschaf- ten der Streichfarbe durch die Additive erkannt werden.

Tabelle 9 zeigt die durch das dunkle Additiv (IT 1-3) verursachte Dunkelfärbung des gesamten Striches (L*-Wert sinkt). Im Gegensatz dazu führt der Einsatz des hellen Additivs (IT4-6) zu keiner Verdunkelung des Papiers im Vergleich zur Referenz (IT0). Jedoch verschiebt sich der Farbort in Richtung des grün-gelb Quadranten, was auf die leicht kupfergrüne Färbung des Additivs zurückzufüh- ren ist. Dieser Effekt hängt von der zugefügten Additivmenge (IT6 > IT5 > IT4) ab. Da für einen sichtbaren „Karbonisierungseffekt“ nur sehr geringe Anteile an Additiv gebraucht werden, dürfte der leichte Farbortshift nur unwesentlich ins Gewicht fallen.

Hinsichtlich der Verarbeitbarkeit der Streichfarben sind durch die Additivzugabe keine außergewöhnlichen Auffälligkeiten aufgetreten. Durch die pulverförmige Beimischung der Additive verteilen diese sich homogen in der Streichfarbe und verändern, auch aufgrund der Abwesenheit von Dispergiermitteln, die Viskosität der Streichfarbe (ca. 500-600 mPas bei 100 upm) nicht.

Tabelle 9: CIE-L*a*b* Farbraumwerte der mit laseraktiven Additiven versehenen Strichschichten aus Tabelle 6

IT0 IT1 IT2 IT3 IT4 IT5 IT6

L* 94,93 85,86 74,74 62,26 95,05 94,91 94,62

a* 0,82 0,48 0,28 -0,12 0,34 -0,02 -0,45

b* -4,72 -3,49 -3,53 -4,29 -3,42 -2,87 -2,37

Gestrichene Papiere – Pigmente

Auch der Einfluss spezieller Streichpigmente wurde hinsichtlich ihrer Auswir- kungen auf die Lasermarkierbarkeit untersucht. Die ATH-Pigmente wurden wegen ihrer zuvor beschriebenen speziellen Eigenschaften bzgl. des Schutzes vor Verbrennung (Karbonisierung) besonders eingehend untersucht. Hierbei konnte man feststellen, dass eine Zugabe von bis zu 50 Teilen Aluminiumtrihyd- roxid in eine Calciumcarbonat Streichfarbe problemlos möglich ist. Bei einer Zugabe darüber hinaus (75-100 Teile) muss jedoch der Feststoffgehalt der Streichfarbe verringert und gleichzeitig die Bindermenge erhöht werden, um streichfähig zu bleiben. Eine Streichfarbe auf ATH Basis kann meist nur mit einem maximalen Feststoffgehalt von ca. 55% hergestellt werden.

Bei der Einarbeitung von Kaolinen gab es keinerlei Auffälligkeiten. Das etab- lierte Streichpigment ließ sich problemlos in verschiedenen Partikelgrößen und

Anteilen an der Streichfarbe in diese einarbeiten.

Zuletzt konnten auch Mehrschichtaufbauten mit Laseradditiven und speziellen Streichpigmenten hergestellt werden. Dabei wurden die zuvor ermittelten Pigmente, die sich am vielversprechendsten erwiesen eingesetzt. Der Aufbau, bei dem die Laseradditive im Vorstrich oder im Deckstrich, kombiniert mit entweder Calciumcarbonat oder ATH als Streichpigment konnte ohne Probleme realisiert werden. Durch die Kombinationsmöglichkeiten ergaben sich acht unterschiedliche Strichsysteme, siehe Tabelle 10. Auch die optischen Eigen- schaften des Striches zeigten nur geringe Veränderungen auf Grund des Additiveinsatzes.

Tabelle 10: CIE-L*a*b* Farbraumwerte der mit laseraktiven Additiven und ATH in einem Mehrschichtsystem erstellten Striche. Die Messwerte stammen von der oberen Deckstrichschicht.

MS1 MS2 MS3 MS4 MS5 MS6 MS7 MS8

L* 94,94 95,31 95,07 95,39 95,7 95,42 95,52 95,7 a* -0,26 -0,33 0,08 -0,28 -0,38 -0,35 0,02 -0,23 b* -2,7 -2,35 -2,77 -2,3 -1,97 -2,18 -2,28 -2,04

Um die Auswirkungen bestimmter Bindemittel zu ermitteln, wurden Styrol- Acrylat- und SB-Binder in Streichfarben auf CaCO3-Basis und in Streichfarben aus einer Kombination von Kaolin und CaCO3 eingearbeitet. Der Einsatz von Wasserglas als anorganisches Bindemittel wurde untersucht, jedoch konnten keine stabilen Striche hergestellt werden. Überdies blockierte das Rakel beim Streichen, wodurch ein Aufbringen des Strichs nicht möglich war. Die Zugabe- menge wurde dabei variiert. Weiterhin wurde der Binder auf Basis von ABS in verschiedenen Verhältnissen in eine CaCO3-Streichfarbe eingebracht. Zuletzt wurde auch eine reine Binderschicht gestrichen. Bei all diesen genannten Untersuchungen konnten keine Unverträglichkeiten oder Streichprobleme festgestellt werden, bis auf die auf Wasserglas basierenden Striche. Auch der pure Binder ohne Pigmentzugabe ließ sich gut applizieren. Die optischen Eigenschaften der Oberflächen wiesen keine außergewöhnlichen Eigenschaf- ten auf.

Ungestrichene Laborpapiere Additive

Die Additive wurden zur Untersuchung ihrer Interaktion mit Papierbestandteilen auch in die Masse eingebracht. Die Einarbeitung der Pigmente bzw. Additive in die Fasersuspension und die anschließende Blattbildung zeigte keinerlei Auffälligkeiten, da nur sehr geringe Anteile (≤ 15 wi-%) an laseraktivem Additiv zum Einsatz kamen. Im Laufe des Projektes konnte durch iterative Verbesse- rung sogar die Menge, die sichtbare Auswirkungen auf das Bearbeitungs- bzw.

Markierergebnis hat, auf unter ein Prozent Gewichtsanteil verringert werden.

Durch das Kupferphosphat Pigment „IT40“ nimmt das fertige Papier jedoch auch bei diesen Zugabemengen einen sehr geringen grünlichen Farbstich an.

Die Laborpapiere liegen mit Grammaturen um 250-270 g/m² in einem Bereich für Faltschachtelpapiere, wodurch ihre Eignung als Modellsubstrate für industri- ell relevante Papiersorten wie Faltschachtelkarton unterstrichen wurde.

Tabelle 11: Rezeptur für Labor hergestellte Modellsubstrate, mit dem Additiv

„IT40“, inkl. Grammatur Refe- renz

IT40

0,5 % 1 % 2,5 % 5 % 10 % 15 % Verhältnis Langfasern zu Kurzfasern: je 40%:60%

Anteil Fasern am

Gesamtgewicht [%] 100 99,5 99 97,5 95 90 85 Füllstoff [wi-%]

IT40 0 0,5 1 2,5 5 10 15

Grammatur [g/m²] 230-240 240-250

Neben den laseraktiven Additiven wurden auch Spezialpigmente in die Papier- masse eingebracht. Die Zugabe von Calciumcarbonaten (CA), Aluminiumtrihyd- roxid Pigmenten (APi) und Kaolinen (KA) war bis zu einem bestimmten Füllgrad ebenso problemlos möglich. Bei den verwendeten CaCO3 Pigmenten wurde keine ausreichende Retention erreicht, da deren Teilchengröße zu gering war, um vom Fasergemisch oder Filtersieb ausreichend in der Fasersuspension zurückgehalten zu werden. Dadurch konnte nur eine Variante des Modellsub- strats hergestellt werden, siehe Tabelle 12. Bei Kaolin und APi-Pigmenten konnten allerdings Teilchen in ausreichender Menge eingebracht werden, um auch Modellsubstrate mit hohen Füllstoffwerten (~ 80 wi-%) herzustellen.

Tabelle 12: Rezeptur für im Labor hergestellte Modellsubstrate, inkl. Grammatur und Rauigkeit nach Bendtsen

VB0 VB1 VB2 VB3 VB4 VB5 Verhältnis Langfasern zu Kurzfasern: je 40%:60%

Anteil Fasern am Gesamtge-

wicht [%] 100 80 20 80 80 20

Füllstoff [%]

APi (Aluminiumtrihydroxid) 0 20 80 0 0 0

CA (Calciumkarbonat) 0 0 0 20 0 0

KA (Kaolin) 0 0 0 0 20 80

Grammatur [g/m²] 260 265 259 262 263 260 Rauigkeit Bendtsen [ml/min] 1767 1510 771 1709 1510 417 Die obige Tabelle 12 zeigt nur geringe Schwankungen der Weiße beim Einsatz der Pigmente als Füllstoffe. Einzig die Referenz und die Papiere mit Kaolin fallen hinsichtlich der Weiße etwas ab. Durch die Zugabe großer Mengen Aluminiumhydroxid kann es unter Umständen zu einer schlechten Retention der Pigmente kommen, da diese dann nicht genügend in der Fasermasse anhaften.