PTS-FORSCHUNGSBERICHT IGF 16928PAPIEROBERFLÄCHEN MIT HOHER GERICHTETER REFLEXION FÜR VERPACKUNGSANWENDUNGEN (REFLEXPACK)

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PTS-FORSCHUNGSBERICHT IGF 16928

PAPIEROBERFLÄCHEN MIT HOHER GERICHTETER REFLEXION FÜR VERPACKUNGSANWENDUNGEN (REFLEXPACK)

» VERPACKUNG UND

KONFORMITÄT »DRUCK UND

FUNKTIONALE OBERFLÄCHEN » MATERIALPRÜFUNG

UND ANALYTIK

» FASERN UND

COMPOSITE » ^PAPIER-

WIRTSCHAFT 4.0

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A. Davydov:

Papieroberflächen mit hoher gerichteter Reflexion für Verpackungsanwendungen (REFLEXPACK)

PTS-Forschungsbericht 31/14 Mai, 2015

Papiertechnische Stiftung (PTS) Heßstraße 134

D - 80797 München www.ptspaper.de

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

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Ansprechpartner:

M.Sc. Anatoli Davydov Tel. (089) 12146-493

anatoli.davydov@ptspaper.de Papiertechnische Stiftung PTS Papiertechnisches Institut PTI Heßstraße 134

80797 München

Das Forschungsvorhaben IGF 16928 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.

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PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de PTS-FB 31/14

Papieroberflächen mit hoher gerichteten Reflexion für Verpackungsanwendun- gen

A. Davydov

Inhalt

1 Zusammenfassung 3

2 Abstract 5

3 Wissenschaftlich- technische und wirtschaftliche Problemstellung 7

3.1 Anforderungen und Trends der Faltschachtentwicklung 7

3.2 Oberflächenveredelung von Faltschachtelkartons 9

3.3 Stand der Technik 11

3.3.1 Glanz ... 11 3.3.2 Rauigkeit ... 12

3.4 “Two-Scale roughness model” nach Elton 14

4 Streichfarbenentwicklung zur Glanzerhöhung 16

5 Forschungsziel 17

6 Gesamtvorgehen 17

7 Material und Methoden 18

7.1 Substrate 18

7.2 Herstellung gestrichener Faltschachtelkartons 18

7.3 Satinageversuche im Labor 20

7.4 Methoden und Messverfahren 21

7.5 Messung der Mikrorauigkeit 23

7.6 Glanzmessung 24

8 Vorbereitung und Komponentenauswahl (vgl. Arbeitspaket 1) 25

8.1 Überblick über die Substrate für die Streichversuche 25

8.2 Überblick über die Bindemittel für die Streichversuche 25

8.3 Überblick über die Pigmente für die Streichversuche 26

9 Streichkonzepte zur Erhöhung des Brechungsindex und zur Minimierung von Mikro-

und Makrorauigkeit (vgl. Arbeitspaket 2) 28

9.1 Streichversuche auf Foliensubstraten 28

9.2 Streichversuche auf vorgestrichenen Faltschachtelkartons 32

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PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de PTS-FB 31/14 10 Herstellung von Mustern im Labormaßstab (vgl. Arbeitspaket 3) 35

10.1 Streichfarbenformulierungen Vorstrich 35

10.2 Streichfarbenformulierungen Mittelstrich 38

10.3 Streichfarbenformulierungen Deckstrich 41

10.4 Optimierung mit Curtain-Coating 45

11 Übertragung der Laborergebnisse auf kontinuierliche Herstellung (vgl. Arbeitspaket

4) 47

12 Prüfung Bedruckbarkeit, Veredelung und Verarbeitbarkeit (vgl. Arbeitspaket 5a), der Rezyklierbarkeit (vgl. Arbeitspaket 5b) und des Glanz- und Glättepotentials (vgl.

Arbeitspaket 5c) 51

12.1 Anwendungstechnische Eigenschaften der praxisnahen Muster (AP 5a) 51

12.2 Prüfung der Rezyklierbarkeit (vgl. Arbeitspaket 5b) 59

12.3 Prüfung des Glanz- und Glättepotentials (vgl. Arbeitspaket 5c) 61 13 Wissenschaftliche Analyse von Handlungsoptionen (vgl. Arbeitspaket AP 6) 63 14 Wirtschaftlichkeitsbetrachtung (vgl. Arbeitspaket AP 7) 66 15 Zusammenfassung und Schlussfolgerungen (vgl. Arbeitspaket AP8) 68

Literaturverzeichnis 70

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1 Zusammenfassung

Thema Entwicklung eines Streichkonzeptes zur Erzeugung von hohem Glanz und Glätte bei Verzicht auf die Satinage, wodurch die Biegesteifigkeit des Rohkartons weitgehend zu erhalten ist.

Zielstellung Neben seiner Schutzfunktion hat der Faltschachtelkarton vor allem die Aufgabe, das verpackte Produkt am Point of Sale (POS) werbewirksam zu präsentieren.

Glänzende Verpackungsprodukte erscheinen dem Verbraucher elegant und teuer, sie vermitteln den visuellen Eindruck einer hohen Wertigkeit und stellen ein Entscheidungskriterium für den Kauf der Ware dar. Um diese Anforderungen zu erfüllen, werden verschiedene Verfahren zur Oberflächenfunktionalisierung im Hinblick auf Glanz und Glätte eingesetzt. Die Satinage ist ein effizientes Verfah- ren zur Glanzerhöhung, hat aber negative Einflüsse auf Festigkeitseigenschaften wie die Biegesteifigkeit und kann auch optische Eigenschaften wie den Weißgrad beeinträchtigen. Das Gussstrichverfahren vermeidet derartige Beeinträchtigun- gen, ist aber wegen der Limitierungen in den Arbeitsgeschwindigkeiten und der teuren Rezepturen weniger effizient. Ziel des Projektes war folglich die Entwick- lung eines Streichkonzeptes zur Erzeugung von hohem Glanz und Glätte bei Verzicht auf die Satinage, wodurch die Biegesteifigkeit des Rohkartons weitgehend erhalten werden sollte.

Durch geeignete Streichfarbenformulierungen sollte der Brechungsindex erhöht und die Mikro- und Makrorauigkeit minimiert werden. Die auf Referenzsubstraten erarbeiteten Glanzkonzepte sollten zunächst auf einen Rohkarton im Labormaß- stab, und anschließend im Technikumsmaßstab übertragen werden. Darüber hinaus sollten Druck-, Veredelungs- und Verarbeitungsversuche durchgeführt werden.

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PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de PTS-FB 31/14 Ergebnisse Im Rahmen der Untersuchungen konnten Streichfarbenrezepturen entwickelt

werden, die zu einem hohen Brechungsindex sowie einer geringen Mikro- bzw.

Makrorauheit der Oberfläche des Faltschachtelkartons führen. Glanz und Glätte konnten auf wissenschaftlicher Basis („two-scale-roughness“-Modell nach Elton und Preston) ohne Einsatz eines Kalanders erzeugt werden, wobei die direkte Korrelation dieser oberflächenphysikalischen Parameter bestätigt wurde. Analog zum Modell nach Elton wurde die Bedeutung der Porosität, des Brechungsindex und der Rauigkeit für eine wissenschaftlich fundierte Vorgehensweise zur Glanzmaximierung von Papiersubstraten verifiziert.

Die hergestellten Technikumsmuster zeichnen sich durch eine gute Bedruckbar- keit und Verarbeitbarkeit bei hoher Biegesteifigkeit aus. Der messtechnisch erfasste Glanz eines gussgestrichenen Faltschachtelkartons wird zwar noch nicht erreicht, jedoch ist der optische Eindruck der Technikumsmuster von Verpackungsexperten hinsichtlich Glanz als sehr positiv und wertig beurteilt worden. Das größte Potential wird den entwickelten Streichkonzepten aufgrund des hochwertigen Eindrucks und der angenehmen Haptik vor allem in der Verwendung für Kosmetik- und Pharmaverpackungen gesehen. Es konnten kostengünstige Wege aufgezeigt werden, wie man sich den Eigenschaften von gussgestrichenem Karton noch weiter annähern kann. Labor- und Technikums- versuche zeigten die Eignung des Curtain-Coatings zur Erzeugung hochglän- zender Oberflächen auf. Es wird erwartet, dass sich die Glanzrezepturen bei typischen Maschinengeschwindigkeiten der Kartonherstellung (ca. 150 m/min) applizieren lassen werden.

Der Einsatz neuwertiger Messverfahren zur Prüfung von Bedruckbarkeit und Kratzbeständigkeit wurde in enger Kooperation mit einem begleitenden Unter- nehmen erfolgreich getestet, und soll in der Papierindustrie weiter eingesetzt werden. Weitere Konzepte für in-situ Messverfahren (u.a. Verarbeitbarkeitsprü- fung) werden vorgestellt.

Schluss-

folgerung Die durchgeführten Arbeiten liefern die Basis für eine neue Generation von Verpackungsmaterialien, die die Anforderungen an höchste optische Eigenschaf- ten wie Glanz, Glätte und Weißgrad erfüllen, ohne dabei Einschränkungen an mechanische Eigenschaften wie Biegesteifigkeit in Kauf nehmen zu müssen.

Dabei werden erhebliche Kostenvorteile gegenüber vorhandenen Konzepten wie dem Gussstrich ermöglicht.

Erforderliche Optimierungsarbeiten beinhalten die Untersuchung des Einflusses verschiedener Strichschichten (Vorstrich, Mittelstrich, Deckstrich) und ihrer physikalischen Parameter (Glätte, Porosität, Brechungsindex) auf Glanz mit der statistischen Versuchsplanung.

Nutzen und wirtschaftliche Bedeutung des Forschungsthem as für kleine und mittlere

Unternehmen (kmU)

Durch die Einführung der neuen Streichkonzepte, können Kartonhersteller glänzende Faltschachtelkartons mit maximaler Biegesteifigkeit ohne Satinage zur Verfügung stellen, ohne auf extrem kostenintensive Verfahren und Formulierun- gen zurückzugreifen. Weiterverarbeiter und kmU-Faltschachtelhersteller profitie- ren von der Erweiterung des Produktportfolios und der damit verbundenen reduzierten Materialkosten für die Neuentwicklung. Hersteller von Messgeräten können durch die generierten Konzepte neue Absatzmärkte in der Papierindust- rie gewinnen. Der erfolgreiche Einsatz von in-situ Messtechniken für gestrichene Papiersubstrate wurde erfolgreich überprüft und bietet vielfältige Handlungsmög- lichkeiten für weitere Entwicklungen.

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2 Abstract

Theme The project objective was to develop a coating concept for producing high gloss and smoothness whilst forgoing calendering, thereby substantially retaining the bending stiffness of the base board.

Project objective In addition to a protective function, folding boxboard has a primary function as well, i.e. to present the packaged product in such a way that it is promotionally effective at the point of sale (POS). Glossy packaging products appear to the consumer to be elegant and expensive, they convey a visual impression of perceived high quality and they are a decisive criterion for the purchase of the article. In order to meet these requirements, a variety of methods are used to functionalise the surface of the product with regard to gloss and smoothness.

Calendering is an efficient process designed to enhance gloss, although it negatively affect strength properties such as bending stiffness and can also impair optical properties such as brightness. Cast coating avoids such impair- ments, although it is less efficient as a result of its limitations in operating speed and expensive formulations.

Suitable coating colour formulations are intended to enhance the refractive index and minimise micro- and macro-roughness. The gloss concepts developed on reference substrates are to be initially scaled up on a base board on the laboratory scale and subsequently on a pilot scale. Furthermore, compression, upgrading and converting trials are to be conducted as well.

Results Within the scope of testing, coating colour formulations were able to be developed which resulted in a high refractive index and low micro- and macro- roughness of the folding boxboard surface. Gloss and smoothness were able to be produced on a scientific basis (“two-scale roughness” model according to Elton and Preston) without using a calender, thus verifying a direct correlation of these surface science parameters. As with the model according to Elton, the significance of porosity, refractive index and roughness were verified for a scientifically sound procedure for maximising the gloss of paper substrates.

The pilot-scale samples that were made have as their distinctive feature good printability and convertibility whilst maintaining high bending stiffness. Although the metrologically recorded gloss of a cast coated folding boxboard has not as yet been achieved, the optical appearance of the pilot-scale samples has been assessed as being very positive and valuable with respect to their gloss. The greatest potential for the developed coating concepts is seen if they are used for cosmetic and pharmaceutical packaging owing to the high-quality appearance and the pleasant haptics. Cost-effective ways for more closely approximating the properties of cast coated board were presented. Laboratory-scale and pilot-scale trials demonstrated the suitability of curtain coating for producing high-gloss surfaces.

The use of novel measurement methods for testing printability and scratch resistance was successfully tested in close co-operation with an accompanying firm. These methods are to be used in the paper industry in future. Additional concepts for in situ measurement methods were presented (convertibility testing, among other things).

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PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de PTS-FB 31/14 Conclusion The work undertaken provides the basis for a new generation of packaging

materials that meet the requirements on maximum optical properties such as gloss, smoothness and brightness without having to put up with limitations on mechanical properties such as bending stiffness. In so doing, considerable cost advantages are achieved when compared with existing concepts such as cast coating.

Necessary optimisation work includes an examination of the impact of various coating layers (precoat, middle coat, top coat) and their physical parameters (smoothness, porosity, refractive index) on gloss together with the design of experiments (DoE).

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

The introduction of the new coating concepts can enable board manufacturers to produce glossy folding boxboard with maximum bending stiffness without super- calendering and without having to rely on extremely cost-intensive processes and formulations. Converters and small- and medium-sized folding box manufacturers profit from the expansion of their product portfolio and the associated reduc- tion in material costs for the new products. Measuring equipment manufacturers can open up new sales markets in the paper industry as a result of the generated concepts and measurement methods. The successful use of in situ measurement techniques for coated paper substrates has been successfully tested and offers a wide variety of possible actions for future developments.

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3 Wissenschaftlich- technische und wirtschaftliche Problemstellung

3.1 Anforderungen und Trends der Faltschachtentwicklung Deutsche

Faltschachtel- industrie

58 % aller Verpackungen in der deutschen Papier-, Karton- und Wellpappenver- arbeitung sind aus Papier und Karton aufgebaut [1]. Betrachtet man den europä- ischen Faltschachtelsektor als Ganzes, so nimmt der deutsche Markt mit ca.

25% aller hergestellten Faltschachteln Platz 1 im europäischen Ranking ein. Als eines der wenigen Länder verzeichnete der deutsche Markt in den letzten Jahren stabile Zahlen und konnte im Jahr 2013 einen Produktionswert von 1,88 Milliar- den Euro vorzeigen [2]. Wichtige Märkte im Food-Bereich sind Tiefkühlwaren, Süßwaren und Getränke. Im Non-Food-Bereich spielen unter anderem Verpa- ckungen für Kosmetik, Pharma und Spielwaren eine große Rolle [3] [4].

Multitalent

Faltschachtel Die Faltschachtel aus Karton ist ein unverzichtbares Packmittel [5], dessen wesentliche Vorteile für den Verbraucher die Formstabilität, Stapelbarkeit und die Kombination von gutem Packgutschutz mit aufdruckbarer Information sind. Der Packstoff Karton wird aus dem nachwachsenden Rohstoff Holz bzw. aus Altpa- pier hergestellt, ist nahezu vollständig rezyklierbar und erfüllt damit höchste ökologische Anforderungen. Moderne Faltschachteln weisen eine beträchtliche Konstruktionsvielfalt auf und werden in sehr unterschiedlichen Formaten hergestellt [6].

Strichaufbau von Faltschachtel- kartons

Faltschachteln werden grundsätzlich aus einem Faltschachtelkarton hergestellt.

Als Basismaterial dienen Zellstoff, Holzschliff oder Recyclingfasern. Die Oberfläche ist gestrichen oder ungestrichen. Die Rückseite ist zumeist ungestrichen und bei Bedarf mit einer Barriere ausgestattet. Nachfolgend ist in der Abbildung 1 ein typischer Faltschachtelkarton schematisch dargestellt:

Abbildung 1: Aufbau eines Faltschachtelkartons [7]

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PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de PTS-FB 31/14 Strichaufbau von

Faltschachtel- kartons

Die Zusammensetzung des Striches hängt von der erforderlichen Druckqualität ab. Die Strichqualität kann matt bis glänzend erscheinen. In der Tabelle 1 ist der charakteristische Aufbau eines dreifach gestrichenen Faltschachtelkartons dargestellt:

Tabelle 1: Typischer schichtweiser Aufbau von Faltschachtelkartons [8]

Strichaufbau Komponente Funktion und Zielsetzung Vorstrich Grobes

Calciumcarbonat (GCC), oft ohne Kaolinanteil

Mit dem Vorstrich soll die bestmögliche Abdeckung des rauen Rohsubstrates erreicht werden. Oft werden hohe Bindemittelmengen aufgrund starker Migrationsvorgänge in den rauen Karton und der hohen Belastung bei der Verarbeitung (Rillen, Stanzen) eingesetzt (bis zu 15 Teile).

Mittelstrich Feineres GCC, mit Kaolinanteil, bei Bedarf Zusatz von Titandioxid und/oder Aluminiumtrihy- droxid (ATH)

Mit dem Mittelstrich soll die Abdeckung der noch ungleichmäßigen Kartonoberfläche optimiert werden.

Mit feinen Pigmenten soll zusätzlich eine höhere Glätte des Kartons erreicht werden.

Deckstrich Feinteilige Pigmente mit Kaolinanteil, Zugabe von Spezialpigmenten

Der Deckstrich bringt die gewünschte Funktionalisierung der Oberfläche, vor allem Glanz und Glätte. Er muss so aufgebaut werden, dass eine gute Bedruckbarkeit gewärleistet wird.

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3.2 Oberflächenveredelung von Faltschachtelkartons Warum

glänzende Faltschachteln?

Die Abnehmer von Verpackungen (z.B. Discounter) stellen klare Anforderungen an die Produkthersteller: die Faltschachtel muss hochwertig, edel und impuls- stark sein [9]. Laut der Studie „Shopper 2011“ machen die mit Sinnen erfassba- ren Eigenschaften der Verpackung (z.B. eine auffällige Produktgestaltung mit glänzender Oberfläche) 2/3 der Kaufimpulses aus: [10]

Abbildung 2: Einfluss auf Kaufimpulse des Konsumenten [10]

Folglich muss das Interesse des Kunden durch eine hohe Werbewirksamkeit am Point of Sale (POS) geweckt werden – die Verpackung muss ein „Eyecatcher“

sein. Neben der Haptik, ist der Glanz ein wichtiges optisches Qualitätsmerkmal, um die für die Kaufentscheidung notwendige Produktwertigkeit zu unterstrei- chen. Glänzende Verpackungsprodukte erscheinen dem Verbraucher elegant und teuer, sie überzeugen ihn mit der visuellen Gestaltung und stellen somit ein Entscheidungskriterium für den Kauf der Ware dar [10] [11]. Dies hängt eng mit den heutigen Markttrends zusammen, die eine attraktive Darstellung des Verpa- ckungsgutes verfolgen. Dazu gehört die Herstellung von hochwertigen Verpa- ckungen (für Kosmetikanwendungen) oder die Darstellung emotionaler Pro- dukteigenschaften für Tabak- und Süßwaren [3].

Um den geforderten Mehrwert zu erreichen, werden verschiedene Verfahren zur Oberflächenfunktionalisierung im Hinblick auf Glanz und Glätte eingesetzt.

Satinage Neben der Möglichkeit Oberflächen durch eine zusätzliche Beschichtung zu veredeln (UV-Lackierung, Folienkaschierung), können glatte und hochglänzende Oberflächen mit der Satinage hergestellt werden. Dabei handelt es sich um einen Umformungsprozess, bei dem das Papiersubstrat zwischen mindestens zwei Stahlwalzen unter Temperatur- und Druckeinwirkung geglättet wird. Den positiven Effekten, stehen negative Auswirkungen z.B. auf die Porosität, den Weißgrad und Volumen gegenüber [12].

Satinage ist bei Faltschachtelkartons weit verbreitet, wobei in der Praxis zu- nächst das Rohsubstrat zum Ausgleich der unebenen Oberfläche geglättet wird.

Um die mechanischen Eigenschaften wenigstens zum Teil zu erhalten, werden die Kartons nach dem Streichprozess oft bei milden Bedingungen (1-2 Nips) satiniert.

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PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de PTS-FB 31/14 Gussgestrichene

Papiere Das Gussstrichverfahren hat ebenfalls die Herstellung hochglänzender Papiere und Kartons mit sehr glatter Oberfläche zum Ziel. Beim Gussstreichprozess wird die Papierbahn von einer Gummiwalze gegen einen dampfbeheizten, hoch- glanzverchromten Zylinder gepresst. Die gussgestrichenen Papiere zeigen einen höheren Glanz und eine höhere Glätte als satinierte Papiere auf [13]. Eingesetzt werden sie unter anderem in hochwertigen Luxusverpackungen. Nachfolgend sind wesentliche Eigenschaften (Glanz, Glätte, Biegesteifigkeit) gussgestrichener Papiere der Satinage gegenübergestellt.

Tabelle 2: Vergleich Prüfwerte satinierter und gussgestrichener Papiere [13]

Verfahren Satinage Gussstrich

Rauigkeit [μm] 1,00 0,25

Glanz 45 °[%] 12 63

Spez. Biegesteifigkeit längs [Nmm] 0,14 0,33

Problematisch bei diesem Prozess ist jedoch unter anderem die ineffiziente Verfahrenstechnik, die aus den schmalen Maschinenbreiten (< 2,5 m) und den langsamen Produktionsgeschwindigkeiten (< 150 m/min) resultiert. Neben teuren Rohstoffkosten, weisen gussgestrichene Faltschachtelkartons Verarbeitungs- probleme hinsichtlich Kratzfestigkeit und Druck auf, sowie ein niedriges Volumen und niedrige Steifigkeit.

Zusammen- fassung

Die Produktpräsentation am Point of Sale (POS) und die visuelle Gestaltung der Verpackung beeinflussen die Kaufentscheidung des Verbrauchers im hohen Maße. Da Faltschachtelkartons Anforderungen hinsichtlich qualitativer Optik oft nicht erfüllen können, kommen verschiedene Verfahren zur Oberflächenfunktio- nalisierung zum Einsatz. Die Satinage ist ein effektives Verfahren zur Glanzer- höhung, hat aber negative Einflüsse auf Festigkeitseigenschaften wie die Biege- steifigkeit und kann auch optische Eigenschaften wie den Weißgrad beeinträchtigen. Das Gussstrichverfahren ist wegen der Limitierungen in den Arbeitsgeschwindigkeiten und der teuren Rezepturen ineffizient.

Das Ziel dieses Forschungsvorhabens ist die Ausarbeitung eines Streichkonzep- tes zur Erzeugung von hohem Glanz und Glätte bei Verzicht auf einen Glät- tungsprozess bei gleichzeitigem Erhalt der Biegesteifigkeit des Kartons.

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3.3 Stand der Technik 3.3.1 Glanz

Definition und

Einteilung Glanz wird als der Anteil des Lichtes eines auftreffenden Lichtstrahls definiert, der im gleichen Winkel wie der Einfallswinkel reflektiert wird. Dabei werden in der Fachliteratur drei verschiedene Glanztypen beschrieben: [14]

• An einer sehr rauen Oberfläche wird das eintreffende Licht in alle Rich- tungen diffus gestreut. Man spricht von diffuser Reflexion. Dieses Phä- nomen ist typisch für matte Oberflächen.

• Ist die Oberflächenbeschaffenheit etwas glatter, so wird nur ein bestimm- ter Anteil des Lichtes diffus reflektiert. Man spricht hierbei von Mittel- glanz.

• Auf glatten, polierten Oberflächen wird das einfallende Licht gerichtet reflektiert. Dabei entspricht der Einstrahlwinkel dem Reflexionswinkel. Für derartige Oberflächen wird der Ausdruck Hochglanz verwendet.

Die drei beschriebenen Glanztypen sind nachfolgend schematisch aufgezeigt:

Abbildung 3: Die drei Glanztypen von links nach rechts: Mattglanz, Mittelglanz und Hochglanz [14]

Glanz hängt in erster Linie von der Oberflächentopographie und dem Brechungs- index der Oberfläche ab.

Einflussfaktoren

auf Glanz Glanz von Papieroberflächen wird durch folgende Faktoren beeinflusst: [15]

• Partikelgröße- und form

• Partikelgrößenverteilung

• Binderlevel

• Binderzusammensetzung

• Trocknungsbedingungen

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PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de PTS-FB 31/14 Methoden zur

Glanzerhöhung Um den Glanz von Papieren und Kartons ohne Nachbehandlung (Satinage, Glätten) zu erhöhen, stehen folgende Möglichkeiten zur Verfügung: [12]

• Gezielte Auswahl von egalisierenden Auftragsverfahren: Mit Hilfe eines Blade-Coaters wird ein nivellierender Strich auf die Oberfläche aufgetragen, welcher zur glänzenden und glatten Oberfläche führt. Seine Vorteile im Vergleich zu anderen Auftragsverfahren sind nachfolgend dargestellt:

Abbildung 4: Schematischer Vergleich Auftragssysteme für Streichfarben [16]

• Erhöhung des Feststoffgehalts der Streichfarben

• Erhöhung des Strichgewichts bzw. Mehrfachstrich

• Einsatz von glanzgebenden Spezialpigmenten (z.B. Satinweiß, Hohlku- gelpigmente,…)

• Verzicht auf Glanz mindernde Additive (z.B. Carboxymethylcellulosen)

• Einsatz von Bindemitteln mit hohen filmbildenden Eigenschaften (z.B.

Latex)

• Einsatz von nadelförmigen und plättchenförmigen Pigmenten

3.3.2 Rauigkeit

Definition Glanz von gestrichenen Papiersubstraten wird in erster Linie von der Oberflä- chentopographie bestimmt [17]. Dabei wird die Oberflächenbeschaffenheit von Papier mit den Begriffen Glätte und Rauigkeit umschrieben. Die Rauigkeit ist ein wesentlicher Faktor bei der Beurteilung der Druckqualität von graphischen Papieren und Faltschachteln.

Makro-und

Mikrorauigkeit Die Makrorauigkeit wird durch Strukturen in der Papieroberfläche größer als 10 μm beschrieben. Sie wird auf eine schlechte Faseranordnung, die Rauigkeit des Rohpapiers und auf die unzureichende Beschichtung oder Satinage zurückge- führt [18]. Unebenheiten über dem Wellenlängenbereich des sichtbaren Lichtes (λ > 700 nm) werden der Makrorauigkeit zugeordnet.

Die Mikrorauigkeit wird durch Strukturen kleiner als 10 μm beschrieben und wird durch die Pigmentpartikelgrößenverteilung, Partikelform, Bindertyp, Trocknungs- bedingungen und Strichgewicht bestimmt [18]. Sie wird dem Wellenlängenbe-

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PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de PTS-FB 31/14 reich 400nm ≤ λ ≤ 700 nm zugeordnet. Es sei darauf hingewiesen, dass es in der Fachliteratur keine eindeutig definierten Grenzen zwischen der Mikro- und Makrorauigkeit gibt.

Die komplexe Wechselwirkung der beiden Rauigkeitstypen kann nachfolgend schematisch am Beispiel einer gestrichenen Papieroberfläche eingesehen werden.

Abbildung 5: Querschnitt durch ein kaolingestrichenes Magazinpapier. Die Fasern des Rohpapiers und das Wegschlagverhalten des Striches beeinflussen die Makrorauigkeit. Die Größe, Struktur und Anord- nung der mineralischen Pigmente im Strich bestimmen die Mikrorau- igkeit [19].

Rauigkeits-

analytik Für die messtechnische Erfassung der Rauigkeit greift man in der Praxis auf verschiedene Messverfahren zurück. Dabei unterscheidet man zwischen

• indirekten Luftstromverfahren (PPS, Bekk und Bendsen)

• direkten Verfahren (mechanische und optische Abtastmethoden)

Bei Luftstromverfahren wird die Glätte der Papieroberfläche indirekt durch die Vermessung des Luftstromes angegeben, der zwischen Substrat und einer Blende eingeleitet wird. In diesem Forschungsvorhaben erfolgt die Vermessung der Makrorauheit mit der Parker-Print-Surf Methode (PPS), da diese in der Fachliteratur direkt mit der Makrorauigkeit in Verbindung gebracht wird [18].

Direkte Verfahren sind durch eine mechanische Abtastung charakterisiert, bei der z.B. mittels einer Tastspitze oder einer Laserabtastung das Oberflächenprofil des Substrates erfasst wird. In diesem Forschungsprojekt wird die Mikrorauheit mit der Fokusvariation (Auswertung von Schärfeinformationen der Oberfläche) und mit der optischen Lichtprofilometrie charakterisiert [20].

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3.4 “Two-Scale roughness model” nach Elton

“Two-Scale roughness model”

Der effektive Brechungsindex einer porösen Papieroberfläche kann als Kombina- tion der individuellen Brechungsindizes der Strichkomponenten (Pigmente, Bindemittel, Additive) und der eingeschlossenen Luft beschrieben werden. Dabei hängt der Brechungsindex vom Anteil der Luft und der Strichkomponenten in der Strichschicht ab [14]. Glatte Oberflächen haben aufgrund ihres geschlossenen und wenig porösen Aufbaus einen höheren Brechungsindex, als rauere Substra- te mit poröser Struktur. Dies ist auf die eingeschlossene Luft zurückzuführen, die den Brechungsindex mindert [19].

Da der Brechungsindex eine Eigenschaft homogener Phasen ist, erscheint eine Messung der einzelnen Komponenten physikalisch nicht sinnvoll. Um dennoch eine Aussage zu gestrichenen Papieroberflächen zu machen, werden die Strichkomponenten und die eingeschlossene Luft in einem Modell als eine glatte Oberfläche mit einem effektiven Brechungsindex angenommen (siehe Abbildung 6). Dabei hängt der Brechungsindex vom Verhältnis der beiden Komponenten ab [21].

Abbildung 6: Modellannahme: Eine poröse Oberfläche (links) wird als eine glatte Oberfläche mit einem effektiven Brechungsindex (rechts. Mi- schung aus Luft und Strichkompontenten) angenommen [21].

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PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de PTS-FB 31/14 Effektiver

Brechungsindex und die Porosität

Um den Glanz von Papieroberflächen zu beschreiben, wurde von Elton (2008) das sogenannte „two-scale roughness model“ entwickelt. Dieses gibt eine gute Beschreibung eines beschichteten Substrates in Bezug auf die Reflexionseigen- schaften seiner Oberfläche wieder. In Abhängigkeit vom Brechungsindex, der Mikrorauigkeit und der Makrorauigkeit, kann eine Korrelation mit Glanz hergestellt werden.

Der damit errechnete effektive Brechungsindex wird durch die Zusammenset- zung und Struktur des Striches bestimmt. Auf der Grundlage des „two-scale roughness“ Modells, wird eine Korrelation mit der Porengröße und dem Porenvo- lumen gezogen. Durch Messungen mit der Quecksilberporosimetrie konnte ein ausgeprägter Zusammenhang zwischen effektivem Brechungsindex und den Porenparametern für definierte Pigmenttypen erarbeitet werden: [21]

Abbildung 7: Brechungsindex in Abhängigkeit vom Porenvolumen und Poren- durchmesser. Links: Innerhalb einer Pigmentklasse korreliert der Brechungsindex sehr gut mit dem mittleren Porendurchmesser.

Rechts: Die Daten für das Porenvolumen streuen mehr, dennoch kann für die einzelnen Pigmentklassen ein genereller Trend (Bre- chungsindex nimmt bei steigendem Porenvolumen ab) erkannt werden [21].

Darüber hinaus konnte bewiesen werden, dass die Mikrorauigkeit mit dem Porendurchmesser korreliert (siehe Abbildung 8).

Abbildung 8: Zusammenhang zwischen Mikrorauigkeit und Porendurchmesser Eine inhomogene Papieroberfläche weist eine höhere Oberflächenporosität und somit eine höhere Mikrorauigkeit und einen geringeren Brechungsindex im Vergleich zu einer homogenen Oberfläche auf.

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4 Streichfarbenentwicklung zur Glanzerhöhung

Streichfarben und die Aufgaben ihrer Bestandteile

Streichfarben werden zur Oberflächenveredelung von Papieroberflächen eingesetzt. Hierbei handelt es sich um wässrige Dispersionen, die aus Pigmenten, Binde- und Co-Bindemitteln, sowie weiteren Additiven bestehen. Pigmente (z.B.

Calciumcarbonat und Kaolin) als Hauptbestandteile der Streichfarben, sind in der Regel mineralische Partikel und besitzen im Strich einen Massenanteil von 80- 95%. Synthetische oder natürliche Bindemittel (z.B. Latex, Stärke) sind für die Laufeigenschaften der Streichfarben auf Maschinen unentbehrlich. Durch ihre vernetzenden Eigenschaften stellen sie die Haftung der Pigmente untereinander und auf dem Papier sicher. Co-Binder (z.B. Polyvinylalkohol, Carboxymethylcel- lulosen) werden zur Regulierung des rheologischen Verhaltens und des Wasser- rückhaltevermögens zugesetzt. Zusätzlich kommen in Streichfarben noch weitere Additive wie z. B. Farbstoffe, Härter und Vernetzer zum Einsatz. Sie werden zur Einstellung von optischen Eigenschaften, der Satinierbarkeit und zur Verbesserung der Wirkung von Pigment und Binder eingesetzt.

Pigmente für den

Glanzzuwachs Nach [22] werden glatte und glänzende Oberflächen vor allem durch feine Pigmente mit Partikelgrößen im Bereich 0,1-1 μm erreicht. Neben der mittleren Partikelgröße, sind der Brechungsindex und die Kristallstruktur zu berücksichti- gen. Nachfolgend ist eine Übersicht über verschiedene Pigmente dargestellt, wobei besonders hohe Brechungsindizes und feine Pigmente hervorgehoben sind:

Abbildung 9: Aufstellung von Pigmenten und ihren physikalisch-chemischen Eigenschaften [23] [24]

Besonders hohe Brechungsindizes weisen Titandioxidpigmente (n=2,7) und Lithopone (n=2), ein künstliches Weißpigment aus Bariumsulfat und Zinksulfid, auf. Diese beiden Pigmente zeichnen sich ebenfalls durch geringe Partikelgrößen aus.

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5 Forschungsziel

Ziel Ziel des Projektes war die Entwicklung eines Streichkonzeptes zur Erzeugung von hohem Glanz und Glätte bei Verzicht auf die Satinage, wodurch die Biege- steifigkeit des Rohkartons weitgehend erhalten werden kann.

6 Gesamtvorgehen

Übersicht Das folgende Schema (Abbildung 10) zeigt eine Übersicht der abgearbeiteten Arbeitspakete.

Abbildung 10: Ablaufplan des Projekts mit zugehörigen Kapiteln

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7 Material und Methoden

7.1 Substrate

Substrate für

Vorversuche Rezepturen, die sich durch Streichversuche auf Referenzsubstraten (Polyester- folien) durch hohes Glanz- und Glättepotential hervorgehoben haben, wurden anschließend durch Streichen auf einem vorgestrichenen Karton der flächenbe- zogenen Masse 300 g/m² auf ihre Verarbeitbarkeit überprüft. Hierbei handelte es sich um einen gestrichenen Sekundärfaserkarton mit einer holzfreien weißen Decke.

Substrate für den Bogenoffset- druck

Für die Herstellung der Muster im Labor- und Technikumsmaßstab kam ein ungestrichener Sekundärfaserkarton (GD2) mit einer flächenbezogenen Masse von 320 g/m²zum Einsatz. Die gestrichenen Technikumsmuster wurden im Offsetverfahren bedruckt.

Vergleichsmuster Als Referenz zu den entwickelten Streichfarbenrezepturen wurde ein handelsüb- licher zweifachgestrichener Faltschachtelkarton der flächenbezogenen Massen 300 g/m2 verwendet. Ebenfalls wurde ein gussgestrichener Faltschachtelkarton auf Frischfaserbasis (350 g/m²) eingesetzt.

7.2 Herstellung gestrichener Faltschachtelkartons Auftrag im

Labormaßstab Für Beschichtungsversuche auf Referenzsubstraten wurde im Labor das Film- zieh- und Trocknungsprüfgerät Coatmaster 510 der Firma Erichsen eingesetzt.

Ebenfalls wurde ein halb-automatisches Rakel der Firma Erichsen verwendet.

(21)

PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de PTS-FB 31/14 Jagenberg

Coater Zur Herstellung von gestrichenen Kartons im kleintechnischen Maßstab, wurde eine Coater-Anlage der Firma Jagenberg verwendet. Als Egalisierungselement wurde ein Edelstahlrakel eingesetzt, mit dessen Hilfe durch den Abstand zur gegenüberliegenden Walze die Auftragsmenge der Streichfarbe eingestellt werden kann. Die Auftragsgeschwindigkeit betrug ca. 3 m/min. Eine Übersicht technischer Daten gibt die Tabelle 3 wieder.

Tabelle 3: Technische Daten des eingesetzten Jagenberg-Coaters

Parameter Bereich/Spezifikation

Arbeitsbreite 300 mm

Betriebsgeschwindigkeit 0-60 m/min

Rollendurchmesser max. 400 mm

Hülseninnendurchmesser 76 mm

Auftragswerk Auftragswalze mit Stahlblade

Trocknung Infrarot-Trockner

Abbildung 11: Bild der kleintechnischen Beschichtungsanlage

(22)

PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de PTS-FB 31/14 Curtain-Coater Im Vergleich zum Rakel- bzw. Bladeauftrag, ist das Curtain-Coating ein kontakt-

loses Auftragsverfahren. Die Streichfarbe fällt in Form eines Vorhangs auf die laufende Papierbahn. Da hierbei die Oberflächengeometrie nachgebildet wird, sind Glanz und Glätte nicht so hoch ausgeprägt wie bei egalisierenden Verfah- ren. Dennoch werden Rakelstreifen und Rillen vermieden, die typisch für einen Rollrakel-Auftrag sind.

Nachfolgend ist in Abbildung 12 das Prinzip des Cutain-Coatings dargestellt:

Abbildung 12: Schema des Streichfarbenauftrages mittels Curtain-Coating [25]

Für Untersuchungen stand ein Laborcoater zur Verfügung, der aus einem Curtain-Gießkopf und einem Linearantrieb mit Streichplatte - mit dessen Hilfe man Faltschachtelkartons durch den Streichvorhang ziehen kann - besteht.

7.3 Satinageversuche im Labor

Laborkalander Die unter Technikumsbedingungen gestrichenen Kartons wurden am einem 2 Walzen-Laborkalander der Firma Kleinewefers (siehe Abbildung 13) geglättet.

Abbildung 13: Laborkalander der Firma Kleinewefers zur Satinage der Technikumsmuster

Die obere Walze des Kalanders (Stahlwalze) ist elektrisch beheizt, sodass eine Temperierung zwischen 30°C und 130°C möglich ist. Muster werden zwischen der oberen und unteren Walze eingespannt, wobei das Substrat durch die untere Walze hydraulisch gegen die Stahlwalze gepresst wird. Die nutzbare Arbeitsbrei- te beträgt 320 mm. Der Laborkalander erlaubt mehrfache Durchläufe von Bögen.

(23)

7.4 Methoden und Messverfahren Methoden und

Geräte Die mehrfach eingesetzten Methoden und Geräte werden in den folgenden Abschnitten beschrieben. Spezielle Methoden sind im Ergebnisteil näher aufge- zählt.

Streichfarben-

prüfung Die folgenden Messverfahren wurden angewandt:

Tabelle 4: Eingesetzte Messverfahren zur Streichfarbenprüfung

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 ISO 787 Teil 9 (pH-Wert)

Verarbeitung Tabelle 5: Eingesetzte Messverfahren zur Verarbeitbarkeitsprüfung

Biegesteifigkeit Mittels Resonanzlängenmethode nach DIN 53123 mittels Gerät Typ RM 01 (Lhomargy).

Rillbarkeit DIN 55437-2

Stanzbarkeit PTS-Methode

Prägen Blindprägen (PTS-Methode)

Klebenahtfestigkeit PTS-Methode PTS-PR 301/2008 (Looptest nach Edelmann)

Kratzfestigkeit Spezielle Methode der Innowep GmbH Folienkaschieren Spezielle Methode der Kroha GmbH

Porosität Hg-Porosimeter

(24)

PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de PTS-FB 31/14 Papierprüfung Tabelle 6: Eingesetzte Messverfahren zur Papierprüfung

Glanz 75° DIN EN ISO 8254-2 (Lehmann)

Glanz 85° DIN EN ISO 2813 (Micro-Tri-Gloss-

Gerät der Fa. Byk Gardner) Makrorauigkeit Parker-Print-Surf

(PPS) DIN ISO 8791-4

Mikrorauigkeit (Fokusvariation) PTS-Methode (Alicona IFM G3) Rupftest (Offset) PTS-Methode, prüfbau Probedruck-

gerät, siehe [26]

Wegschlagtest (Offset) Gestrichene Muster Kontermethode, siehe [27]

Reflexionsfaktor R (457) DIN 53145-1 und -2

CIE-Weiße ISO 11475

Farbraum, Farbmaßzahlen (CIE-

Lab) DIN EN ISO 11664-4

Brechungsindex

Spezielle Methode der Imerys Mine- rals GmbH (Messung mittels polari- sierter Lichtreflektrometrie der Fa.

Surfoptic)

Bedruckbarkeit Spezielle Methode der Innowep GmbH

Rezyklierbarkeit Die Rezyklierbarkeit der gestrichenen Muster wurde nach der Methode PTS-RH:

021/97 untersucht [27] [28].

(25)

7.5 Messung der Mikrorauigkeit

Fokusvariation Die Mikrorauigkeit der Labor- und Technikumsmuster wird nach der Metho- de der Fokusvariation untersucht. Bei der Vermessung der gestrichenen Substrate werden die Proben von einem Farbsensor vertikal gescannt.

Hierbei wird ein 3D Datensatz generiert, indem die Variation der Schärfe während des vertikalen Scanvorgangs für jeden einzelnen Messpunkt analysiert und daraus die zugehörige z-Koordinate bestimmt wird [29]. Als Kennwert für die Mikrorauigkeit kommt der arithmetische Mittelwert der Profilordinaten Sa zum Einsatz [20]. In der Abbildung 14 ist das Grundprin- zip des Messverfahrens aufgezeigt.

Abbildung 14: Grundprinzip der Fokusvariation [29]

Polarisierte Lichtreflekto- metrie

Zur Messung der Brechungsindizes und des Glanzes 75° nach Tappi wurde die polarisierte Lichtreflektometrie eingesetzt. Kollimiertes Laserlicht der Wellenlän- gen 635 und 670 nm wird direkt auf die Papieroberfläche in einem Winkel von 75° gerichtet. Auf dem Substrat wird das Licht gestreut und seine winkelabhän- gige Intensitätsverteilung von einem bildgebenden Photodetektor vermessen.

Folgende Informationen erhält man durch eine typische Messung:

• Die Winkelverteilung des gestreuten Lichtes lässt auf die Makrorauigkeit schließen

• Die Änderung der Intensität mit der Wellenlänge steht in Beziehung mit der Mikrorauigkeit

• Die relative Intensität des polarisierten Lichtes wird durch den effektiven Brechungsindex der Oberfläche bestimmt [30]

Abbildung 15: Grundprinzip der polarisierten Lichtreflektometrie [30]

(26)

7.6 Glanzmessung

Glanzmessung Glanz von Papieroberflächen wird in der Praxis mit einem Reflektometer gemes- sen. Dabei wird die Intensität des reflektierten Lichtes von einem Detektor erfasst. Das Verfahren misst drei unterschiedliche Reflexionswinkel: 20°; 60° und 85°. In der Papierindustrie hat sich zusätzlich der sogenannte 75° Glanz nach Tappi durchgesetzt.

Abbildung 16: Prinzip einer Glanzmessung [31]

In diesem Forschungsvorhaben werden für die Glanzmessungen die Messwinkel 75° und 85° betrachtet, da Messungen mit kleineren Winkeln aufgrund der geringen Unterschiede keine eindeutigen Aussagen zur Glanzmaximierung von Faltschachtelkartons zulassen. Die Faltschachtelkartons im Labormaßstab konnten aufgrund ihrer Wellung nur mit dem 85° Winkel vermessen werden.

Aus der Praxis ist bekannt, dass der visuelle Eindruck der gestrichenen Oberflä- chen oft nicht in Korrelation zu den gemessenen Werten steht. Aus diesem Grund wird der optische Glanzeindruck der Faltschachtelkartons besonders berücksichtigt, weil dieser am Point of Sale ausschlaggebend ist.

(27)

8 Vorbereitung und Komponentenauswahl (vgl. Arbeitspaket 1)

8.1 Überblick über die Substrate für die Streichversuche

Übersicht Zur Ausarbeitung von Strichrezepturen mit hohem Glanz und hoher Glätte wurden zwei Substrate ausgewählt: ein maschinell vorgestrichener Karton und ein glattes Referenzsubstrat (Polyesterfolie). Die grundlegenden Daten der Substrate sind in Tabelle 7 aufgelistet.

Tabelle 7: Überblick über eine Auswahl der Substrate für Streichversuche

Typ Flächen-

masse Dicke gesamt Rauigkeit PPS

g/m² µm µm

Polyesterfolie 240 g/m² 169 ± 1 0,63 ± 0,07

Rohkarton 320 g/m² 399 ± 1 7,26 ± 0,12

Vorgestrichener

Karton 300 g/m² 414 ± 5 6,95 ± 0,17

Die Polyesterfolien und der vorgestrichene Karton wurden im Arbeitspaket 2 eingesetzt, um gezielt Streichkonzepte zur Erhöhung des Brechungsindex und zur Minimierung der Mikro- und Makrorauigkeit zu erarbeiten. Der Rohkarton wurde in den Arbeitspaketen 3 und 4 angewandt.

8.2 Überblick über die Bindemittel für die Streichversuche

Übersicht Es wurden verschiedene in der Papierindustrie eingesetzte Bindemittel verwendet.

Tabelle 8: Überblick über die Bindemittel für die Streichversuche Typ Viskosität [mPas] pH-Wert Styrol-Butadien-Latex

(SB-Latex) 50-400 5-8

Styrol-Acrylat-Latex

(SA-Latex) 100-400 6,5-7,5

Mischpolymerisat 80-300 6-7

Polyvinylalkohol Pulver -

Stärke (Dextrin) Pulver -

(28)

8.3 Überblick über die Pigmente für die Streichversuche

Übersicht Es wurden sowohl Pigmente eingesetzt, die breite Anwendung in der Papier- streichei finden (GCC, Kaoline), als auch Spezialpigmente. Von den Projektbe- gleitern wurden verschiedene Pigmentslurries zur Verfügung gestellt. Die Auf- stellung aller eingesetzten Pigmente ist in Tabelle 9 dargestellt. Grün unterlegt sind Spezialpigmente.

Tabelle 9: Überblick über die Pigmente für die Streichversuche Bez. Pigment FG [%] Teilchengröße

GCC1 Feines GCC - 75 % <1 μm

GCC2 GCC mittlerer

Körnung - 60 < 2 μm

GCC3 Grobes GCC - 90 < 2 μm

KIE Kieselsäure - max. 1 μm

PCC1 PCC (Aragonit) - 0,6 μm

PCC2 PCC (Calcit) - 0,9 μm

AS Amorphes Silicat - 80 % < 2 μm

K1 Grobes Kaolin - 80 % < 2 μm

K2 Feines Kaolin - 92 % < 2 μm

K3 Ultrafeines

Kaolin 72,5 47 % < 0,2 μm K4 Kalziniertes Kaolin - 61 % < 2 μm

LI Lithopone - 1 μm

BA Bariumsulfat - 0,7 μm

T1 Titandioxid (Rutil) 70 0,2-0,5 μm T2 Titandioxid

(Anatas) 70 0,2-0,5 μm

CAS CalciumAluminat

Sulfat/Satinweiß 62 0,8 – 1 μm ATH Aluminiumtrihydro-

xid - 1,6 – 1,9 μm

H1 Hohlkugelpigment 30 0,4 μm

H2 Hohlkugelpigment 26,5 1 μm

(29)

PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de PTS-FB 31/14 Eigenschaftsprofi

le der Pigmente Entsprechend dem Rauigkeitsmodell nach Elton und Preston, müssen zur Glanzmaximierung von Faltschachtelkartons der Brechungsindex der gestrichenen Oberfläche und die Mikro- und Makrorauheit reduziert werden. Aus diesem Grund wurden wissenschaftlich basierte Überlegungen zu den Pigmenten angestellt. Eine Auswahl kann in der nachfolgenden Tabelle eingesehen werden:

Tabelle 10: Eigenschaftsprofile von Pigmenten

Pigment Grund für die Auswahl

Kaolin Feines Kaolin wird für die bestmögliche Abdeckung und Glättung der Oberfläche eingesetzt. Dabei reflektieren die plättchenförmigen Kaolinpigmente das einfallende Licht im Vergleich zu GCC-Pigmenten gerichtet:

Calciumcarbonat

(PCC, GCC) Feine Calciumcarbonatpigmente werden oft zur Einstel- lung von Glanz und Glätte eingesetzt. Präzipitiertes Calciumcarbonat (Aragonit und Calcit) werden aufgrund ihrer plättchenförmiger bzw. nadeliger Struktur zur Glanzmaximierung eingesetzt.

Titandioxid (Rutil,

Anatas) Titandioxid weist aufgrund des hohen Brechungsindex eine effektive Lichtstreuung auf. Rutil hat wegen der kompakteren tetragonalen Kristallstruktur mit n=2,7 einen höheren Brechungsindex als Anatas (n=2,5).

Hohlkugelpigment Hohlkugelpigmente erzeugen bei der Satinage einen sehr hohen Glanz. Bei der Trocknung entsteht ein luftleerer Raum, der zur mehrfachen Brechung der Lichtstrahlen führt. Darüber hinaus zeichnet sich dieses Pigment durch eine sehr feine Struktur aus [32].

Bariumsulfat Bariumsulfat weist eine sehr feine Struktur auf.

Lithopone Ein hoher Brechungsindex (n = 2) zeichnet dieses Pigment aus.

Satinweiß Nadelige Kristallstruktur und die Feinheit machen das Satinweiß zu einem glanzgebenden Pigment.

Aluminiumtrihyd-

roxid (ATH) Plättchenförmige Struktur ist für eine gerichtete Lichtre- flexion zielführend. Hohes Streuvermögen stellt eine gute Abdeckung sicher.

(30)

9 Streichkonzepte zur Erhöhung des Brechungsindex und zur Minimierung von Mikro- und Makrorauigkeit (vgl. Arbeitspaket 2)

Zielsetzung In diesem Arbeitspaket wurden verschiedene Streichkonzepte ausgearbeitet, um den Einfluss des Brechungsindex, der Mikro- und Makrorauigkeit auf den Glanz zu untersuchen. Durch Variation der Stoffklassen und Einsatzmengen wurden auf Referenzfolien und vorgestrichene Kartons Modellstreichfarben aufgetragen und hinsichtlich Oberflächentopografie und Glanzentwicklung überprüft.

Topografiedaten der Folienmuster wurden mit denen der gestrichenen bzw.

ungestrichenen Rohkartons verglichen. Die ermittelten Werte und Zusammen- hänge dienten als Grundlage für die Korrelation mit Werten aus Labor- bzw.

Technikumsversuchen.

9.1 Streichversuche auf Foliensubstraten

Vorgehensweise Definierte Streichfarben wurden zunächst auf ein glattes Foliensubstrat auf Polyesterbasis gestrichen und auf Glanz (micro-tri-gloss 85° und Lehmann DIN 75°) und Glätte (PPS, Fokusvariation) untersucht. Um gezielt das Glanzpotential der Deckstrichrezepturen zu analysieren, wurden glatte Folien und kein Rohkar- ton ausgesucht, da durch unerwünschte Migrationsvorgänge in den rauen Karton keine ausgeprägte Glanzentwicklung möglich ist.

Das Strichgewicht betrug jeweils 10 g/m². Die Vorgabe für den Feststoffgehalt war mindestens 67% und es wurde eine Viskosität (BV 100) von 800-1000 mPas angestrebt. Als Bindemittel kam ein SB-Latex mit hohen filmbildenden Eigen- schaften zum Einsatz. Als Co-Binder wurden 0,5 T Polyvinylalkohol zur Einstel- lung des Wasserrückhaltevermögens und Laufverhaltens zugesetzt. Verdicker und Entschäumer wurden nach Bedarf zugesetzt. Alle Rezepturen können dem Anhang entnommen werden (Fehler! Verweisquelle konnte nicht gefunden werden. bis Fehler! Verweisquelle konnte nicht gefunden werden.)

Versuche mit

Filmziehgerät Die ersten Streichversuche auf Referenzfolien erfolgten mit dem Filmziehgerät Coatmaster 510 der Firma Erichsen. Dieses wurde eingesetzt, um die im Labor- maßstab bekannte Problematik der Rakelstreifen und Rillen zu lösen. Die gestrichenen Substrate wiesen dabei jedoch keinen gleichmäßigen Auftrag auf, der für eine exakte Messung von Rauigkeit und Glanz unbedingt notwendig ist.

Aus diesem Grund wurden die Versuche mit einem Laborrakel wiederholt, die einen gleichmäßigen Strich zur Folge hatte. Folglich wurde dieses für alle Laborversuche eingesetzt.

(31)

PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de PTS-FB 31/14 Zusammenhang

zwischen Makrorauigkeit und Glanz

Abbildung 17 zeigt den DIN 75° Glanz aller gestrichenen Folien in Abhängigkeit von der Makrorauigkeit.

Abbildung 17: Zusammenhang zwischen Makrorauigkeit und Glanz

Die erfolgten Untersuchungen zeigen, dass Streichfarben mit feinen Kaolinpig- menten (grüne Rauten) im Gegensatz zu Streichfarben auf GCC-Basis (blaue Rauten) zu hochglänzenden und glatten Oberflächen führen. Während Calci- umcarbonate aufgrund ihrer nodularer Form das einfallende Licht diffus streuen, reflektieren plättchenförmige Kaolinpigmente dieses gerichtet.

Der erzielte Glanz hängt im hohen Maße von der Makrorauigkeit der Oberfläche ab: Je geringer die Makrorauigkeit der Oberfläche, umso höher der Glanz.

Dieser Zusammenhang konnte ebenfalls durch Stephan (1986), Xu (2005) und Ström (2007) bestätigt werden [33] [34] [35].

Die hohen Glanzwerte der Folienversuche sind zusätzlich in der Zugabe von Hohlkugelpigmenten, Bariumsulfat, Titandioxid und Lithoponen begründet.

Während BaSO4 und Hohlkugelpigmente vor allem aufgrund der hochfeinen Struktur hervorstechen, führt die Zugabe von Lithoponen (n=2) und Titandioxid (n=2,7) zur Erhöhung des Brechungsindex und einer effektiveren Lichtstreuung im Deckstrich.

(32)

PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de PTS-FB 31/14 Streichfarben-

rezepturen mit höchstem Glanzpotential

Nachfolgend sind sechs Rezepturen aufgeführt, die die höchsten DIN 75°

Glanzwerte in den Versuchsreihen gezeigt haben.

Tabelle 11: Rezepturen für hohen Glanz

Versuch Rezeptur

V19 80 T Feines Kaolin, 10 T Lithopone, 10 T Titandioxid V22 100 T Ultrafeines Kaolin

*

V23 60 T Ultrafeines Kaolin, 20 T Bariumsulfat, 20 T Titandioxid V26 50 T Ultrafeines Kaolin, 25 T Bariumsulfat, 25 T Titandioxid V30 60 T Ultrafeines Kaolin, 20 T Hohlkugelpigment, 20 T Titandioxid V31 60 T Ultrafeines Kaolin, 20 T Lithopone, 20 T Titandioxid

*

^{20 g/m}² Strichauftrag notwendig, da die Folie sonst durchscheint; alle anderen Substrate haben 10 g/m² Strichauftrag

Die Glanz- und Glättewerte der sechs Rezepturen sind nachfolgend dargestellt:

Abbildung 18: Ergebnisse Glanz und Glätte auf Folien

Erwartungsgemäß eignen sich Kaoline hervorragend zur Einstellung von Glanz und Glätte. Der höchste Glanz mit 57,1% wird mit der Rezeptur V 23 erzielt, in der ultrafeines Kaolin, Bariumsulfat und Titandioxid eingesetzt werden. Auch die Zugabe von Hohlkugelpigmenten (V30) und Lithoponen (V31) ist vorteilhaft für die Glanzentwicklung.

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PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de PTS-FB 31/14 Untersuchung

der Mikrorauigkeit

Mit der Methode der Fokusvariation wurden die Folien auf ihre Mikrorauigkeit untersucht. Nachfolgend kann der Zusammenhang zwischen der Mikrorauigkeit und dem Glanz des Deckstriches eingesehen werden.

Abbildung 19: Zusammenhang zwischen Mikrorauigkeit und Glätte

Die lineare Korrelation der beiden Faktoren wird in zahlreichen Literaturquellen bestätigt, so auch in [35]. Zusammengefasst kann gefolgert werden, dass feinste Pigmente zu hochglatten Oberflächen führen.

Zusammenhang Brechungsindex und Glanz

Ausgehend von einer Deckstrichrezeptur mit 90 Teilen feinem Kaolin und 10 Teilen verschiedener Spezialpigmente, wurde ein Zusammenhang zwischen dem Brechungsindex und dem erzielten Glanz der Folienversuche erarbeitet.

Abbildung 20: Zusammenhang zwischen Brechungsindex und Glanz

Dabei wird ersichtlich, dass Titandioxid trotz eines Brechungsindex von 2,7 nicht den höchsten Glanz mit sich bringt. Dies kann darauf zurückgeführt werden, dass Titandioxid vor allem zur effektiven Lichtstreuung im Deckstrich eingesetzt wird.

(34)

9.2 Streichversuche auf vorgestrichenen Faltschachtelkartons Streichversuche

auf vorgestrichenen Kartons

Die Verarbeitbarkeit der Rezepturen auf faserbasierten Substraten, wurde durch Streichversuche auf einem vorgestrichenen Karton überprüft. Hierbei kam ein maschinell gestrichener Karton mit einer Grammatur von 300 g/m² zum Einsatz.

Der Vorstrich bestand aus einem Pigmentmischung aus GCC und Kaolin mit einem SA-Latex als Bindemittel.

Die Deckstrichrezepturen – darunter V23, V30 und V31 - konnten problemlos mit einem Strichgewicht von 10 g/m²auf das Substrat aufgetragen und hinsichtlich Glanz und Glätte vermessen werden. Nachfolgend können die Ergebnisse im Vergleich zu einem handelsüblichen zweifachgestrichenen Karton der Grammatur 300 g/m² (in der Abbildung 21 „Industriekarton“ genannt) und einem Gussstrichkarton auf Frischfaserbasis eingesehen werden.

Abbildung 21: Streichversuche auf vorgestrichenem Karton

Verglichen mit dem vorgestrichenen Substrat (in der Abbildung „Rohsubstrat“

genannt), konnte die Rauigkeit – je nach Rezeptur – um bis zu 2 μm herabge- setzt werden. Auch der Glanz (hier: 85° MD) konnte bis auf 43,2 % gesteigert werden.

Mit den Glanzstrichen (V23, V30 und V31) erzielt man mit einem handelsübli- chen Faltschachtelkarton vergleichbaren Glanz, bei einer höheren Rauigkeit der Laborstriche. Im Rahmen einer optischen Gegenüberstellung mit dem „Industrie- karton“, wurde der visuelle Glanzeindruck der erarbeiteten Deckstrichrezepturen besser eingeschätzt.

Zwar werden die Glanz- und Glättewerte eines gussgestrichenen Frischfaserkar- tons noch nicht erreicht, jedoch können die vielversprechenden Ergebnisse durch weitere Optimierungsarbeiten verbessert werden.

(35)

PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de PTS-FB 31/14 Optischer

Glanzeindruck Messtechnisch erfasste Glanzwerte stehen oft nicht im Einklang mit dem tat- sächlichen optischen Eindruck. Dieser ist insbesondere bei der Präsentation eines Produktes am Point of Sale ausschlaggebend. Aus diesem Grund wurden die hergestellten Muster von einigen Testpersonen auf ihr visuelles Glanzpoten- tial hin untersucht. Nachfolgend sind die gestrichenen Kartonmuster V23 und V31 aufgezeigt.

Abbildung 22: Links: Optischer Glanzeindruck des Musters V23;

Rechts: Optischer Glanzeindruck des Musters V31

Der optische Eindruck der Rezepturen V23, V30 und V31 wurde positiv beurteilt.

Mikrorauigkeit der Glanzmuster

Abbildung 23: Mikrorauigkeit der Glanzmuster

Wie der obigen Abbildung 23 zu entnehmen ist, weisen die Glanzstriche V23, V30 und V31 ähnlich hohe Mikrorauigkeitswerte auf. Auch die Korrelation zwischen Glanz und Rauigkeit ist deutlich sichtbar: Gussstrichkarton hat im Vergleich den niedrigsten Sa-Wert.

Einfluss von Bindemitteln auf Glanz und Glätte

Nach der Definition der für einen hochglänzenden Deckstrich zielführenden Pigmente, wurden ausgehend von der Rezeptur V23, verschiedene Bindemittel auf ihre filmbildenden Eigenschaften untersucht. Hierbei wurden drei verschiedene Latexsorten (SA-Latex, SB-Latex und Mischpolymerisat), ein Dextrin mit hohen filmbildenden Eigenschaften und Polyvinylalkohol als Bindemittel eingesetzt. Vor allem Polyvinylakohol ist interessant, da dieses von

(36)

PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de PTS-FB 31/14 allen synthetischen und natürlichen Bindemitteln die stärksten Filmbildungseigenschaften aufweist [15]. Das Bindemittel Latex führt ebenfalls zu einem hohen Papierglanglanz, wobei der Einfluss der Copolymere oft ausschlaggeben ist [36].

In der nachfolgenden Tabelle 12 sind die Bindemittelrezepturen aufgezeigt.

Tabelle 12: Bindemittel für den Deckstrich BV1 11 T SA-Latex BV 2 11 T PVA

BV 3 11 T Mischpolymerisat BV 4 7T SB-Latex und 4 T Dextrin BV 5 11 T SB-Latex

Abbildung 24: Einfluss von Bindemitteln auf Glanz und Glätte

Die verschiedenen Bindemittel erzeugen unterschiedlich glatte Striche (siehe Abbildung 24). Dies resultiert sowohl aus deren rheologischen Eigenschaften, die zum Teil für die Nivellierung des Striches verantwortlich sind, sowie aus deren unterschiedlichem Schrumpfungsverhalten während der Trocknung. Die Latexbinder (BV1, BV3 und BV5) zeigen untereinander hinsichtlich Rauigkeit nur geringe Unterschiede, wobei der SB-Latex einen etwas höheren Glanzwert aufweist. Eine schlechtere Nivellierung lieferte die Zugabe von Dextrin (BV 4) und das Polyvinylalkohol (BV2). Folglich wird der SB-Latex in den weiteren Versuchsreihen eingesetzt.

Zusammen-

fassung Nachfolgend sind die erreichten Meilensteine zusammengefasst:

• Optimierung des Brechungsindex durch Zugabe von Titandioxid.

• Durch eine zielgerichtete Variation von Stoffklassen und Pigmenten ist es gelungen die Mikro- und Makrorauigkeiten so weit zu reduzieren, dass hoher Glanz und hohe Glätte möglich sind.

• Ein als positiv beurteilter optischer Eindruck der gestrichenen Faltschachtelkartons ist erreicht worden.

(37)

10 Herstellung von Mustern im Labormaßstab (vgl. Arbeitspaket 3)

Ziel Im Arbeitspaket 2 wurden Streichkonzepte zur Erhöhung des Brechungsindex und zur Minimierung der Mikro- und Makrorauigkeit erarbeitet. Im Arbeitspaket 3 wurden diese Streichfarben auf einen ungestrichenen Rohkarton (Grammatur 320 g/m²) übertragen.

Vorgehen Zusammen mit dem Projektbegleitenden Ausschuss wurde ein Konzept zur Herstellung von Glanzmustern im Labor ausgearbeitet.

Abbildung 25: Konzept zur Übertragung von Glanzstrichen auf einen Rohkar- ton.

10.1 Streichfarbenformulierungen Vorstrich Streichfarbenfor

mulierungen Vorstrich

Die Streichfarben für den Vorstrich sollen zum bestmöglichen Ausgleich und Abdeckung der Rohpapierstrukturen betragen. Generell werden in der Praxis (auch aus Kostengründen) grobe Calciumcarbonat-Pigmente eingesetzt, die zwar eine ausreichende Abdeckung sicherstellen, jedoch oft keine zusätzliche Glätte mit sich bringen. In diesem Schritt soll eine Rezeptur ausgearbeitet werden, um die Makrorauigkeit des Vorstriches zu reduzieren. Dies soll unter anderem durch feine PCC-Pigmente erzielt werden. Da die Runability der Streichfarben durch hohe Glätte negativ beeinflusst werden kann, wird beim schichtweisen Strichaufbau auf die Kompatibilität der einzelnen Schichten zueinander geachtet.

Im ersten Schritt wurden unterschiedliche Streichfarben mit einem Laborrakel auf einen Rohkarton gestrichen, um die nivellierenden Eigenschaften der Pigmente beurteilen zu können. Das Strichgewicht betrug dabei zwischen 10 und 11 g/m².

(38)

PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de PTS-FB 31/14 Rezepturen

Vorstrich Nachfolgend können die Rezepturen für den Vorstrich eingesehen werden:

Tabelle 13: Rezepturen Vorstrich

V1 V2 V3 V4 V5 V6 V7

Pigmente Grobes Carbonat

(GCC3) 100 50 70

Carbonat mittlerer

Körnung (GCC2) 100

Feines Carbonat

(GCC1) 100

PCC/Calcit (PCC2) 100

PCC/Aragonit (PCC1) 100 50

Grobes Kaolin (K1) 30

Bindemittel

SB-Latex 11 11 11 11 11 11 11

PVA 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5

Streichfarbenprüfung

pH-Wert 9 9 9 9 9 9 9

FG [%] 66,9 67,7 67,1 53,1 68,2 67,3 67,2

BV 100 1040 1340 920 838 992 916 980

Strichgewicht [g/m²] 10 11 10 10 11 11 11

Glätte Vorstrich Die Rauigkeit der gestrichenen Kartons wurde mit der Methode nach Parker- Print-Surf (PPS) beurteilt. Hierbei wurden Stellen mit einer guten Abdeckung vermessen.

Abbildung 26: Makrorauigkeiten vorgestrichener Kartons im Vergleich zum Rohkarton

(39)

PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de PTS-FB 31/14 Es ist eindeutig zu erkennen, dass gefällte Calciumcarbonate, allen voran das Calcit (V4), die Rauigkeit des Substrates am stärksten reduzieren können. Das Ergebnis deckt sich mit den Erfahrungen aus der Praxis [37]. Zwar verringert der Einsatz von feineren Carbonattypen (V2, V3) ebenfalls die Rauigkeit, jedoch wird das Substrat nicht so gut abgedeckt beim Einsatz von präzipitierten Calciumcar- bonaten. Der Einsatz eines groben Calciumcarbonats scheint die Rauigkeit des Rohkartons sogar heraufzusetzen. Grobes Kaolin (V7) führt nur zu einer gering- fügigen Verbesserung der Glätte.

Beim Aufbau des Strichsystems muss berücksichtigt werden, dass zu viel Glätte im Vorstrich sich negativ auf das Laufverhalten des Faltschachtelkartons an der Maschine auswirken kann. Aus diesem Grund wird überprüft, ob 100 T Calcit sich als Vorstrich für mehrschichtigen Kartonaufbau eignet.

Einfluss des Strichgewichtes auf die Glätte

Zusätzlich wurde untersucht, inwieweit sich die Glätte des Vorstriches durch ein erhöhtes Strichgewicht verbessern lässt. Dabei wurde die Calcit-Streichfarbe V4 zu 15, 20 und 25 g/m² auf den Rohkarton aufgetragen. Aus Abbildung 27 wird ersichtlich, dass mit 15 g/m² die höchstmögliche Glätte erzielt wird.

Abbildung 27: Glätte Vorstrich in Abhängigkeit vom Auftragsgewicht

(40)

PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de PTS-FB 31/14 Verbesserte

Abdeckung durch höheres Strichgewicht

Die nachfolgende Abbildung 28 zeigt, dass ein Strichauftrag von 10 g/m²nur eine unzureichende Abdeckung der Oberfläche herbeiführt. Neben höchster Glätte, wird die bestmögliche Abdeckung mit 15 g/m² Vorstrich erreicht.

Abbildung 28: Verbesserte Abdeckung mit höherem Strichgewicht:

Links: 10 g/m² Vorstrich, Rechts: 15 g/m² Vorstrich

Folglich werden in den weiteren Laborreihen im Labormaßstab15 g/m² Calcit (V4) als Vorstrich eingesetzt. In der Praxis ist dieses Strichgewicht oft notwendig, um eine gute Abdeckung des Rohsubstrates sicherzustellen und ein zu starkes Wegschlages des Mittelstriches zu vermeiden.

10.2 Streichfarbenformulierungen Mittelstrich

Streichfarbenfor mulierungen Mittelstrich

Durch einen Mittelstrich soll die gleichmäßige Abdeckung der trotz Vorstrich noch unebenen Kartonoberfläche weiter optimiert werden. Mit feinen Pigmenten soll zusätzlich eine höhere Glätte des Kartons erreicht werden. Unterschiedliche Pigmente wurden mit jeweils 11 Teilen SB-Latex mit einem Laborrakel auf den vorgestrichenen Karton aufgetragen. Als Vorstrich kam die Rezeptur V4 (Calcit 15 g/m²) zum Einsatz.

10 g/m2 15 g/m²