PTS-FORSCHUNGSBERICHT IGF 412
METHODENENTWICKLUNG ZUR OBJEKTIVEN PRÜFUNG DER KLEBNAHTFESTIGKEIT VON WELLPAPPENVERPACKUNGEN
FASERN & COMPOSITE
VERPACKUNGEN & KONFORMITÄT DRUCK & FUNKTIONALE OBERFLÄCHEN PAPIERWIRTSCHAFT 4.0 PRÜFUNG & ANALYTIK
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UND KONFORMITÄT »DRUCK UND
FUNKTIONALE OBERFLÄCHEN » MATERIALPRÜFUNG
UND ANALYTIK
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COMPOSITE » PAPIER-
WIRTSCHAFT 4.0
Faserbasierte Lösungen
für die Produkte von Morgen
PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de PTS-FB 01/16 Juni 2016
Papiertechnische Stiftung (PTS) Heßstraße 134
D - 80797 München www.ptspaper.de
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Ansprechpartner:
Dipl.-Ing. (FH) Christian Bienert Tel. 089/12146-469
christian.bienert@ptspaper.de Papiertechnische Stiftung PTS Papiertechnisches Institut PTI Heßstraße 134
80797 München
Gefördert durch Das Forschungsvorhaben IGF-1412-0003 wurde mit finanziellen Mitteln des Bayerischen Staatsministeriums für Wirtschaft und Me- dien, Energie und Technologie gefördert. Für diese Förderung sei an dieser Stelle herzlich gedankt.
Ein besonderer Dank ergeht auch an die beteiligten Projektpartner für deren Unterstützung und aktive Teilnahme.
PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de PTS-FB 01/16 Methodenentwicklung zur objektiven Prüfung der Klebnahtfestigkeit von Wellpappenver- packungen
Christian Bienert, Robert Metz
Inhalt Seite
1 Zusammenfassung ... 3
2 Abstract ... 4
3 Einleitung und Zielstellung ... 6
4 Konstruktion und Aufbau der Messvorrichtung ... 15
5 Einfluss der Konstruktionsgeometrie auf das Prüfergebnis ... 17
6 Evaluierung der Prüfvorrichtung ... 21
7 Praxisversuch ... 25
8 Literaturverzeichnis ... 32
PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de PTS-FB 01/16 1 Zusammenfassung
Ausgangs-
situation Verpackungen aus Wellpappe sind ein beliebtes und vor allem zukunftswei- sendes Produkt, beispielsweise bei Transportverpackungen, da es sowohl leicht aber zugleich sehr stabil ist, als auch ökologischen Ansprüchen an eine Verpackung gerecht wird. Darüber hinaus ist die Wellpappe mit mehr als zwei Drittel Marktanteilen das wichtigste Material bei Transportverpackungen. Einer der Hauptabnehmer für Verpackungen aus Wellpappe ist die Nahrungs- und Genussmittel-Industrie mit 35,5 % am gesamten Wellpappenumsatz, gefolgt von der chemischen Industrie mit 9,9 %.
Bei der Herstellung von Transportverpackungen spielt neben der Wellpap- penproduktion selbst, auch die Verarbeitung zur Verpackung eine wichtige Rolle. Hier wird das Material gestanzt, gefalzt und zu Wellpappenkisten ver- klebt. Die Verklebung ist dabei von immenser Bedeutung, da sie zur Stabilität der Verpackung beiträgt. Allerdings ist die Verklebung der Verpackung oft- mals auch Ursache für Bruch oder Beschädigung des Packguts im Handel oder in der Konsumgüterindustrie. Zur Sicherung und Verbesserung des Qua- litätsstandards muss die Verklebung deswegen überprüft und evaluiert wer- den, um mögliche Reklamationen vorzeitig zu verhindern.
Stand der Tech- nik und Projekt- idee
Die bisherige Bestimmung der Festigkeit der Längsklebung (Fabrikkante) von Wellpappenschachteln erfolgt in Anlehnung an die Messmethode FINAT FTM 2. Dabei zeigen allerdings zahlreiche Messungen an verschiedenen Wellpap- penmaterialen, dass die Wellpappenart einen großen Einfluss auf den ermit- telten Messwert hat. Der Einfluss der Klebenahtfestigkeit auf das Messergeb- nis kann dabei nicht eindeutig zugeordnet werden.
Ein für Faltschachteln optimiertes Verfahren ermöglicht die objektive Bewer- tung der Klebenahtfestigkeit von kleinformatigen Faltschachteln aus Karton (PTS-Methode PTS-PR 301/08) und ist prinzipiell auf Faltschachteln mit der Summe von A- und B-Maß von mehr als 50 mm aber nicht für Wellpappen- verpackungen anwendbar.
Deshalb sollte auf der Basis dieser beiden Methoden eine Messvorrichtung aufgebaut werden, bei der durch Ausübung sowohl scherender als auch schä- lender Kräfte die Klebnahtfestigkeit an Wellpappenprüfmuster bewertet wer- den kann.
Projektziel Ziel des Projekts war die Entwicklung eines neuen objektiven und physikalisch korrekten Prüfverfahrens zur Bewertung und Qualitätsprüfung der Klebenaht- festigkeit von Wellpappenverpackungen.
Methoden und Vorgehens- weise
In Anlehnung an die PTS-Methode wurde eine entsprechende Messvorrich- tung aufgebaut und anhand erster Tests optimiert. Anschließend erfolgte eine umfangreiche Evaluierung des entwickelten Messaufbaus durch gezielte Vari- ation der Proben und der Messparameter.
PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de PTS-FB 01/16 Ergebnisse Im Rahmen des Projekts wurde eine Prüfvorrichtung entwickelt und getestet,
die eine Differenzierung der Klebenahtfestigkeiten durch objektive Messgrö- ßen bei unterschiedlichen Wellpappen erlaubt. Schälende und scherende Krafteinwirkung auf die Klebenaht werden berücksichtigt.
Die Validierung der Prüfvorrichtung zeigt grundsätzlich keine signifikanten Einflüsse des Messverfahrens auf das Ergebnis. Um dennoch eine optimale Vergleichbarkeit zu gewährleisten, wird ein standardisiertes Vorgehen bei der Bestimmung der Klebnahtfestigkeit empfohlen.
Mit der Messvorrichtung lässt sich die Klebnahtfestigkeit einfach, schnell und objektiv bestimmen. Für die Qualitätsbeurteilung ist neben der gemessenen Klebnahtfestigkeit die Dokumentation des Schadbildes bzw. des Bruchverhal- tens von entscheidender Bedeutung.
Nur wenn der Bruch in der Klebung selbst stattfindet, können die gemessenen Klebnahtfestigkeiten eine Aussage über die Klebung bzw. über den Klebstoff machen. In allen anderen Fällen wird mit der Klebnahtfestigkeit das Gesamt- system Klebelasche (verklebte Wellpappe + Klebstoff) bewertet.
2 Abstract Background si-
tuation Packaging of corrugated board is a very popular and especially future- oriented product, for example in transport packaging, since it is both light- weight and at the same time very stable and also complies with the ecological requirements placed on packaging material. Moreover, corrugated board is the most important material for transport packaging, since it has something over two-thirds of the market volume. One of the main customers of corrugat- ed board packaging is the food, beverages and tobacco industry accounting for 35.8 % of the total corrugated board sales, following by the chemical in- dustry with 9.8 %.
In order to manufacture corresponding transport packaging, an essential pro- cess step is not only the production of the corrugated board itself, but also how it is processed. During this process step, the material is die-cut, folded and glued to form corrugated boxes. The gluing step plays an important part here, since it contributes to the stability of the packaging. It has also been dis- covered, however, that the adhesive seam of the packaging often causes breakage or damage to the packaged merchandise in trade or in the consum- er goods industry. As a result, the adhesive seam must be examined and evaluated in order to ensure quality standards. Until now, however, there has never been an independent and physically correct evaluation procedure, thus giving rise to an urgent need to develop one.
State of the art
and project idea The former determination of the strength of a longitudinal adhesive seam (longitudinal edge) of corrugated boxes was conducted in line with the FINAT FTM 2 measuring procedure. However, numerous measurement carried out on many different corrugated materials demonstrated that the type of corru-
PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de PTS-FB 01/16 gated board has a major impact on the measured values that result. The im- pact of the bond strength on the results of measurement cannot be clearly correlated.
A procedure optimised for folding boxes makes the objective evaluation of the bond strength of compact folding boxes of paperboard (loop test according to Edelmann) possible and is applicable in principle to folding boxes with the sum of A and B measurements in excess of 50 mm, although not for corrugat- ed board packaging.
For this reason, a new test unit should be designed and constructed on the basis of both of these procedures. The test unit should perform both shearing and peeling loadings to evaluate the bond strength of corrugated board test samples.
Project objective The objective of the project was the development of a new objective and physically correct test procedure for evaluating and testing the quality of the bond strength of corrugated board packaging.
Method and ap-
proach In line with the procedures of the loop test according to Edelmann, a corre- sponding test unit was constructed and optimised on the basis of initial tests.
This was followed by a comprehensive evaluation of the measurement setup by selectively varying the samples and measuring parameters.
Results Within the scope of the project, a testing device was developed and tested which allows a differentiation of the bond strength values by objective meas- urands based on different types of corrugated board. The impact of shearing and peeling forces on the corrugated board test specimens were taken into account.
Validation of the testing device actually had no significantly impact on the re- sults of measurement. However, in order to ensure optimum comparability, a standardised approach is recommended when determining bond strength.
The test unit is capable of determining bond strength in a simple, rapid and reliable manner. For quality evaluation, documentation of the pattern of dam- age and the fracture behaviour in addition to the bond strength measured is of vital importance.
Only when the fracture occurs in the bond itself can the measured bond strength values establish findings concerning the bond and/or the adhesive. In all other cases, bond strength evaluates the entire system comprising the bonded corrugated board + the adhesive.
Acknowledgeme
nts Research project IGF-1412-0003 was funded by the Bavarian State Ministry for Economic Affairs and Media, Energy and Technology. We would like to express our gratitude for this support. Our special thanks go to the project partners for their support and active participation.
PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de PTS-FB 01/16 3 Einleitung und Zielstellung
Die Wellpappen-
industrie Verpackungsprodukte aus Wellpappe sind ein beliebtes und vor allem zu- kunftsweisendes Material, beispielsweise bei Transportverpackungen, da es leicht aber zugleich sehr stabil ist und ökologischen Ansprüchen an ein Ver- packungsmaterial gerecht wird. Betrachtet man die Marktstruktur bei Trans- portverpackungen, ist Wellpappe mit mehr als zwei Drittel Marktanteilen das wichtigste Material auf diesem Sektor [1].
Neben Transport übernimmt das Material Wellpappe vor allem im Lebensmit- teleinzelhandel eine wichtige Marketingfunktion und wird in Warenhäusern oder Supermärkten beispielsweise als Display eingesetzt, um den Kunden am
„point of sale“ gezielt auf ein Produkt aufmerksam zu machen.
Im Jahr 2014 blieb der Umsatz der deutschen Wellpappenindustrie stabil bei ca. 4,7 Mrd. €/Jahr. Gleichzeitig konnte man ein Wachstum von etwa 20 % im Vergleich zu 2009 beobachten [1]. Innerhalb Europas ist Deutschland der füh- rende Wirtschaftsstandort auf dem Wellpappensektor. Im weltweiten Vergleich wird Deutschland lediglich von China, USA, und Japan übertroffen [1].
Wichtigster Abnehmer für Wellpappenprodukte ist mit Abstand die Nahrungs- und Genussmittelindustrie mit 35,5 % am gesamten Wellpappenumsatz, ge- folgt von der chemischen Industrie mit 9,9 % [1].
Für die deutsche Wellpappenindustrie ist der Freistaat Bayern ein wichtiger Wirtschaftsstandort. Rund 20 % der deutschen Wellpappenproduktion werden in Bayern in über 20 Werken mit insgesamt 3600 Mitarbeitern hergestellt. Dies entspricht ungefähr ein Fünftel des deutschlandweiten Branchenumsatzes [2].
Um entsprechende Transportverpackungen herzustellen, ist neben der Well- pappenherstellung die Verarbeitung ein wesentlicher Prozessschritt. Dabei wird das Material gestanzt, gefalzt und zu Wellpappenkisten verklebt. Die Verklebung spielt hier eine wichtige Rolle, da sie zur Stabilität der Verpackung beiträgt. Allerdings stellt man fest, dass die Verklebung der Verpackung oft- mals Ursache für Bruch oder Beschädigung des Packguts im Handel oder in der Konsumgüterindustrie ist [3]. Zur Sicherung des Qualitätsstandards muss die Verklebung folglich überprüft und evaluiert werden, wobei bis zum Beginn des Forschungsprojekts noch kein unabhängiges und physikalisch korrektes Prüf- und Bewertungsverfahren zur Verfügung stand.
Verschiedene Arten von Well- pappenproduk- ten
Die Hauptursache für die Stabilität des Wellpappenmaterials basiert auf ihrer wellförmigen Zwischenschicht, die mit einer Außen- und Innenschicht beklebt ist. Durch gezielten strukturellen Aufbau kann die mechanische Stabilität we- sentlich beeinflusst werden, beispielsweise wenn mehrere Wellenlagen, ge- trennt durch Zwischenlagen, miteinander verklebt werden. Bei der Verwen- dung von Wellpappe als Verpackungsmaterial zum Schutz des Packguts vor hohen mechanischen Belastungen ist dies ein wichtiges Kriterium. Dabei wer- den oft verschiedene Wellenformen miteinander kombiniert, die sich in ihrer Wellenteilung (1,80 – 8,80 mm) und Wellenhöhe (0,55 – 4,75 mm) unter- scheiden. Dadurch ergibt sich eine Vielzahl von Wellpappenarten.
PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de PTS-FB 01/16 Verschlussar-
ten von Well- pappenverpa- ckungen
Um den Verpackungskarton mit einer ausreichend hohen Festigkeit und Stabi- lität auszurüsten, spielt neben den Wellenparametern auch die Wellpappen- verarbeitungstechnik eine große Rolle. Im Speziellen sind die unterschiedli- chen Verschlussarten für die Herstellung von Wellpappenschachteln und -Kisten wichtige Verfahren, um eine ausreichende Stabilität zu gewährleisten.
Je nach späterer Anwendung, unterscheidet man zwischen drei prinzipiellen Verschlussarten für Wellpappenkisten.
Abbildung 1: Wellkiste mit Laschenklebung [4]
Die am häufigsten eingesetzte Verschlussart ist die sogenannte Laschenkle- bung (Abbildung 1), die meist auch als „Gluen“ bezeichnet wird. Hier wird Dispersions- oder Hotmeltklebstoff mit einem Leimrad oder mit Düsen auf die Verschlusslasche aufgetragen. Nach dem Verdunsten des wasserbasierten Lösemittels ist eine gewisse Wasserfestigkeit gewährleistet. Durch Anpassung der Klebstoffrezeptur können Abbindezeit des Dispersionsklebstoffes reduziert und Maschinengeschwindigkeiten bis zu 300 m/min gefahren werden. Unge- fähr 26.000 Faltkisten können pro Stunde aus Wellpappe verklebt werden [4].
Abbildung 2: Wellpappenkiste mit Streifenklebung [4]
Die zweithäufigste Verschlussart für Wellpappenkisten ist die Band- oder Streifenverklebung („Tapen“), wie in Abbildung 2 illustriert. Hier wird die Wellpappe nach dem Zuschnitt im gefalteten Zustand der Verschlussstation zugeführt. Die Verklebung erfolgt durch einen Klebestreifen, der von einer
PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de PTS-FB 01/16 Rolle läuft und, im Falle von Nassklebestreifen, befeuchtet oder bei Einsatz eines Hotmelt-Klebebands erhitzt wird. In beiden Fällen erfolgt die Verklebung unter Pressdruck außen über beide Kanten. Bei dieser Verschlussart wird der Zuschnitt ohne Lasche hergestellt, da beide Schnittkanten stumpf aneinander stoßen müssen. Abhängig von Einsatzgebiet und Beanspruchung der Verpa- ckung können verschiedene Klebestreifen verwendet werden, die sich in Brei- te, Festigkeit der Papierbasis, Verstärkung durch Glas- oder Kunststofffasern und Farbe unterscheiden.
Abbildung 3: Wellpappenverpackung mit Heftverschluss [4]
Eine weitere Verschlussart für Verpackungen aus Wellpappe ist die Draht- klammer-Heftung (Abbildung 3). Hier wird die Lasche der Wellkiste mit dem äußersten Rand des Zuschnitts durch Klammern verbunden. Hinsichtlich Fes- tigkeit und Belastung auf die Fabrikkante besteht zwischen Heftklammerung und Bandklebung nur ein sehr geringer Unterschied. Allerdings kann bei der Klammerungsprozedur der Verpackungsinhalt beschädigt werden. Eine Be- schädigung ist bei einer Streifenklebung hingegen sehr unwahrscheinlich, weil die Innenfläche der Verpackung vollkommen glatt ist.
Aufgrund der hohen Verarbeitungsgeschwindigkeit und der im Vergleich ge- ringeren Materialkosten wird die Längsnahtverklebung am häufigsten verwen- det. Lediglich für Transportverpackungen mit hohen Materialfestigkeitsanfor- derungen wird als Fügetechnik der Heftverschluss oder die Streifenklebung eingesetzt [4].
Klebenahtfestigk eiten von Well- pappe
Laut Definition nach DIN 16930 bedeutet Kleben ein Fügen mit der Hilfe eines Klebstoffes. Ein Klebstoff ist dabei ein nichtmetallischer Werkstoff, der Füge- teile (beispielsweise zwei Wellpappen) durch Flächenhaftung (Adhäsion) und innerer Festigkeit (Kohäsion) miteinander verbinden kann. Das Kleben ist also ein stoffschlüssiges verbindendes Verfahren [5]. Durch die oben genannte Definition kann man den Klebevorgang stark von anderen, fügenden Verfah- ren wie Schweißen oder Löten abgrenzen. Die Klebenahtfestigkeit ist im All- gemeinen der unter definierten Prüfbedingungen bestimmte Widerstand ge- gen Zugbelastungen, die senkrecht zur Längsrichtung der Klebenaht wirken.
Generell ist der Klebevorgang durch Adhäsions- und Kohäsionskräfte ge- kennzeichnet. Kohäsion findet in der bulk-Phase des Klebstofffilms statt. Hier
PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de PTS-FB 01/16 liegt ein homogenes Gemisch von gleichartigen Klebstoffmolekülen vor, die stets für anziehende Wechselwirkungen untereinander sorgen. Die Kohäsi- onskraft selbst ist allerdings von verschiedenen Größen abhängig, hauptsäch- lich aber von der mittleren Molmasse und der Molmassenverteilung der poly- meren Klebstoffmoleküle.
Adhäsion beschreibt die Wechselwirkungskräfte der polymeren Klebstoffmo- leküle an der Grenzfläche zwischen Fügeteil und Klebeschicht. Adhäsion ent- steht durch intermolekulare Wechselwirkung zwischen Klebstoff und Klebeflä- che (in diesem Fall Wellpappe). Die Bindung erfolgt nicht wie im Falle der Ko- häsion durch chemische Bindungen, sondern vielmehr durch sog. Nebenva- lenzkräfte, wie Wasserstoffbrückenbindungen oder Van-der-Waals-Wechsel- wirkungen. Derartige Kräfte sind allerdings stark vom Abstand der beteiligten Partner abhängig (vgl. DLVO-Theorie [6]) und weisen sehr geringe Reichwei- ten auf. Konkret bedeutet dies, dass eine ausreichende Haftung des Klebers gegeben ist, wenn sich Klebstoff und Klebefläche ausreichend annähern kön- nen.
Dadurch ergeben sich aber prinzipielle Randbedingungen für den Klebstoff.
Erstens muss er flüssig sein, damit sich der Kleber an die Fügeteiloberfläche ausreichend annähern kann, und zweitens muss der Klebstoff die Oberfläche ausreichend benetzen. Eine Kenngröße, um die Benetzbarkeit zu quantifizie- ren, ist die Oberflächenspannung. Ein Klebstoff kann nur benetzen, wenn sei- ne Oberflächenspannung kleiner ist als die der Fügeteiloberfläche (Dupré- Young-Gleichung [7]). Papier- und Kartonmaterialien sind in der Regel sehr polar wirkende Werkstoffe mit vergleichsweise hoher Oberflächenspannung.
Um eine ausreichende Adhäsion des Klebstoffes an der Papieroberfläche zu gewährleisten, muss die Klebstoffformulierung so angepasst werden, dass die Klebstoffpolymere funktionelle Gruppen mit einem hohen Dipolmoment auf- weisen [8].
In Abbildung 4 sind die Begriffe Adhäsion und Kohäsion nochmals schema- tisch dargestellt. Kohäsion entsteht als Konsequenz von anziehenden Kräften zwischen gleichnamigen Klebstoffmolekülen. Adhäsion hingegen entsteht durch kurzreichweitige Kräfte wie Wasserstoffbrückenbindungen, Van-der- Waals-Wechselwirkungen und Dipol-Dipol-Wechselwirkungen zwischen Pa- pieroberfläche und Klebstoff. In Abbildung 4 ist dies schematisch durch rote Punkte gekennzeichnet. Die Gesamtadhäsionskraft ergibt sich aus der Anzahl der Punkte auf einer Einheitsfläche.
Abbildung 4: Schematische Darstellung von Adhäsion und Kohäsion bei der Verklebung von zwei Fügeteilen [5]
PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de PTS-FB 01/16 Zugbeanspruchu
ng der Klebever- bindungen
Verklebte Fügeteile sind dafür ausgerichtet Zug- und Scherkräften Stand zu halten. Zum Bruch bzw. Versagen der Verklebung kommt es meist, wenn ab- weichende Belastungsformen, vor allem schälende Beanspruchungen auf Klebeverbindungen einwirken. Dieser Vorgang ist in Abbildung 5 schema- tisch abgebildet und wird allgemein als Adhäsionsbruch bezeichnet. Ausge- hend von Situation A, bei der sich eine Klebeschicht bestehend aus einem elastisch verformbaren polymeren Klebewerkstoff (orange) zwischen zwei Fügeteilen befindet. Eine Dehnungmit einer gewissen Zugspannung entlang der Wirkrichtung (gekennzeichnet durch die beiden Pfeile) ruft eine elastische Verformung der Klebeschicht hervor (Situation B), wobei die Adhäsionskräfte der wirkenden Zugbeanspruchung noch standhalten. Bei weiterer Erhöhung der Zugbeanspruchung beobachtet man zunächst makroskopische Kavitäten, da lokal die Adhäsionskräfte der Zugbeanspruchung nicht mehr standhalten können. An einzelnen Fußpunkten bilden sich die elastischen Verformungen zurück (Situation C). Die initial gebildeten Kavitäten vergrößern sich bei weite- rer Erhöhung der Zugbeanspruchung. Die Klebeschicht löst sich in einzelne stark gedehnte Polymerfilamente auf. Letztlich reißen die noch verbliebenen Adhäsionspunkte ab und die Klebeschicht formt sich vollständig elastisch zu- rück (Situation E). Es kommt zu einem Adhäsionsbruch der Klebenaht.
Abbildung 5: Adhäsionsbruch einer Klebeverbindung bei Zugbeanspruchung [5]
Ist die Adhäsionskraft der Klebeschicht stärker als die Kohäsionskräfte der Klebeverbindung, tritt die oben genannte Kavitationsbildung nicht an der Grenzfläche Kleber/Fügeteil auf, sondern in der bulk-Phase des Klebers. Der Bruch der Klebenaht tritt somit in der Klebeschicht selbst auf und es kommt zum Kohäsionsbruch.
Die beiden beschriebenen Fälle weisen darauf hin, dass eine Analyse der Bruchform eine wichtige Voraussetzung für die Interpretation von Ursachen für den Bruch der Klebenaht liefert und entsprechende Maßnahmen zur Ver- meidung solcher Schadensfälle getroffen werden können.
PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de PTS-FB 01/16 Bisherige Be-
wertungsver- fahren für Well- pappenverkle- bungen
Die bisherige Bestimmung der Festigkeit von Längsklebung (Fabrikkante) von Wellpappenschachteln erfolgt in Anlehnung an die Messmethode FINAT FTM 2 [9]. Dabei wird ein Prüfstreifen mit 30 mm Breite und 240 mm Länge aus der flachliegenden Wellpappenschachtel senkrecht zur Fabrikkante herausge- schnitten, so dass die Festigkeit der Längsklebenaht senkrecht zur Klebung geprüft werden kann (Abbildung 6). Der Prüfstreifen wird mittels eines dop- pelseitigen Klebebandes auf eine ebene Prüfplatte aus PETF aufgeklebt. Die Prüfplatte mitsamt Prüfstreifen wird in eine Zugprüfmaschine eingelegt. Das freie Ende des Prüfstreifens, inklusive Klebelasche, wird eingespannt. Die Prüfplatte wird mit konstanter Geschwindigkeit bei einem Schälwinkel von 90°
abgezogen (Abbildung 6). Die zum Auftrennen der Klebung notwendige Kraft wird über den Schälweg (Klebenahtbreite) aufgezeichnet (Abbildung 7) und das Kraftmaximum aus der Messkurve (Schälkraft in N/cm) ermittelt.
F
v = 100mm/min
Prüfplatte
doppelseitiges Klebeband Wellpappe mit
Klebelasche Wellpappe
Klebelasche
F
v = 100mm/min
Prüfplatte
doppelseitiges Klebeband Wellpappe mit
Klebelasche Wellpappe
Klebelasche
Abbildung 6: Schematische Skizze der Versuchsanordnung 90°
(Schälversuch in Anlehnung an FINAT FTM 2)
Abbildung 7: Versuchsanordnung: 90°-Schälversuch; Detailaufnahmen vor Prüfung (links) und während der Prüfung (rechts) Messungen an verschiedenen Wellpappenmaterialen zeigen allerdings, dass die Wellpappenart einen großen Einfluss auf den ermittelten Messwert hat. Im Detail konnte festgestellt werden, dass die Wellenanzahl, die Wellenhöhe, die Teilung sowie die Dicken der Liner einen signifikanten Einfluss auf das Ergeb- nis haben, da diese Größen direkt proportional zur Biegesteifigkeit der Well- pappe sind. Die direkte Abhängigkeit der Biegesteifigkeit auf das Prüfergebnis lässt somit nur eine sehr geringe Auflösung zu, wodurch der Einfluss Kleben- ahtfestigkeit auf das Messergebnis nicht mehr eindeutig zugeordnet werden kann.
PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de PTS-FB 01/16 Objektive Bewer-
tung der Festig- keit der Klebe- nahtverbindun- gen bei Falt- schachteln
Generell kann die Prüfung der Klebenahtfestigkeit über manuelles Aufreißen der Klebung erfolgen. Dabei wird bewertet, ob die Klebung oder das Papier gerissen ist (Adhäsions- oder Kohäsionsbruch). Faserausriss weist hier auf eine gute Kohäsionskraft der Verklebung hin und wird deswegen als positiv bewertet. Für eine ausreichende Quantifizierung der Verklebung zur Siche- rung des Qualitätsstandards reicht die bloße visuelle Bewertung des Trennflä- chenaussehens allerdings nicht aus. Dies kann nur mit messtechnischen Mit- teln erreicht werden, nämlich mit Zug- oder Schälversuchen. Eine bereits von der Forschungsstelle entwickelte Methode [10] ermöglicht die objektive Be- wertung der Klebenahtfestigkeit von kleinformatigen Faltschachteln aus Kar- ton (Looptest nach Edelmann) und ist prinzipiell auf Faltschachteln mit der Summe von A- und B-Maß von mehr als 50 mm anwendbar.
In dem für Faltschachteln optimierten Verfahren wird ein aus der Schachtel- zarge herausgeschnittener Probenkörper als Schlaufe über eine Zugrolle ge- legt. Die Positionierung der Probe erfolgt so, dass die Klebenaht genau an der Zugrolle positioniert ist. Eine V-förmige Probenaufnahme erzwingt weiterhin eine stets gleiche Position der Probe, wodurch die Streuung der Messwerte auf ein Minimum gehalten werden kann. Die Faltschachtelprobe wird an- schließend bei konstanter Geschwindigkeit (50 mm/min) bis zum Bruch ausei- nandergezogen. Die Zugrichtung erfolgt dabei senkrecht zur Längsnahtver- klebung [11]. Eine entsprechende Skizze der Prüfvorrichtung kann der Abbil- dung 8 entnommen werden
Abbildung 8: Skizze der Prüfvorrichtung, zur objektiven Qualitätsbe- urteilung der Klebenahtfestigkeit von Faltschachteln [10]
Neben der Evaluierung der Trennfläche können die maximal auftretenden Zugkräfte quantifiziert werden, wodurch eine objektive Bewertung der Kleben- ahtfestigkeit gewährleistet ist.
PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de PTS-FB 01/16 Zielstellung Ziel des Projekts war die Entwicklung eines neuen objektiven und physikalisch
korrekten Prüfverfahrens zur Bewertung und Qualitätsprüfung der Klebenaht- festigkeit von Wellpappenverpackungen.
Ablauf der
Arbeiten Der Looptest nach Edelmann diente als Ausgangspunkt des Forschungspro- jektes. In Anlehnung an diese Methode wurde eine entsprechende Messvor- richtung aufgebaut und anhand erster Tests optimiert. Anschließend erfolgte eine umfangreiche Evaluierung des entwickelten Messaufbaus durch gezielte Variation der Proben und der Messparameter.
Prüfkörper Für die Versuche wurden Wellpappenschachteln von Hamburger Rieger GmbH, Dunapack Mosburger GmbH, Dunapack Spremberg GmbH & Co. KG und Drei V GmbH zur Verfügung gestellt. Daraus wurden senkrecht zu einer Klebenaht Probestreifen mit ca. 320 – 340 mm Länge und 30 mm Breite ge- schnitten, an denen die Klebenahtfestigkeit mit der neuen Messvorrichtung bestimmt wurde.
PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de PTS-FB 01/16 Prüfkörper
(Forts.) Folgende Wellpappenmuster kamen zum Einsatz:
Nr. Codierung Außendecke Welle Innendecke Einsatz in AP Lieferant/Bemerkung
1 PF 35 Testliner B Testliner 2 Drei V
2 SW 40 Kraftliner E (LW) Kraftliner 2 / 5 Drei V
3 MW352 Testliner E Testliner 2 Drei V
4 TP210 UD2 -- -- 2 / 3 / 5 Drei V E
5 SW 3(a) Kraftliner E (LW) Testliner 3 / 4 / 5 / 6 Drei V/2 Klebstoffraupen Hotmelt + Dispersion;
normaler Auftrag 6 SW 3(b) Kraftliner E (LW) Testliner 3 / 4 / 6 Drei V / 1 Klebstoff Hot-
melt; normaler Auftrag 7 SW 3(c) Kraftliner E (LW) Testliner 3 / 4 / 6 Drei V / 1 Klebstoff Hot- melt; geringer Auftrag 8 HR 1 RiegerLiner
weiß BC Testliner 3 2 Hamburger Rieger /
Klebelasche außen 9 HR 2 RiegerLiner
weiß B Testliner 3 2 Hamburger Rieger /
unterschiedliche Sorten 10 DS 1 RiegerTop F (LW) Testliner weiß 3 / 4 Dunapack Spremberg 11 DS 2 RiegerTop F Testliner weiß 3 / 4 Dunapack Spremberg 12 DS 3 RiegerTop F Kraftliner
weiß 3 / 4 Dunapack Spremberg
13 DS 4 Kraftliner
weiß BE Testliner 3 / 4 Dunapack Spremberg
14 KT 211 Kraftliner E Testliner 3 3 / 4 / 5 Dunapack Mosburger 15 T 211 Testliner 3 C Testliner 3 3 / 4 Dunapack Mosburger 16 334 EB 2 RiegerTop EB Testliner 3 3 / 4 Dunapack Mosburger 17 37 BC Kraftliner BC Kraftliner 3 / 4 / 5 Dunapack Mosburger 18 773 BR RiegerLiner
weiß B RiegerTop 3 / 4 /5 Dunapack Mosburger 19 243 EE WW RiegerTop EE RiegerTop 3 / 4 Dunapack Mosburger 16 T24/7 Testliner 3 C (LW) Testliner 3 5 Dunapack Mosburger 17 24F17 Testliner 1 C Testliner 1 5 Dunapack Mosburger 18 24F16 Testliner 1 C Testliner 3 5 Dunapack Mosburger 19 24F13 Testliner 1 C (LW) Testliner 1 5 Dunapack Mosburger
20 24B Kraftliner B Kraftliner 5 Dunapack Mosburger
21 T21B Testliner 3 B Testliner 3 5 Dunapack Mosburger 22 3211B Testliner
weiß B Testliner 3 5 Dunapack Mosburger
23 T34/2BC Testliner 1 BC Testliner 3 5 Dunapack Mosburger 24 434BC Kraftliner
weiß BC Testliner 3 5 Dunapack Mosburger
25 32BC Testliner 3 BC Schrenz 5 Dunapack Mosburger
26 T34 Testliner 3 BC Testliner 2 5 Dunapack Mosburger 27 TP 320 Graukarton
GK1 --- --- 5 Drei V
28 SW 40011 Testliner E Testliner 5 Drei V 29 MW 54 Kraftliner
weiß B Testliner 5 Drei V
30 MW 168 Kraftliner B Testliner 5 Drei V
31 SW 995 Kraftliner B Testliner 5 Drei V
32 MW 358 Testliner B Testliner 5 Drei V
Anmerkungen:
LW = liegende Welle (Klebenaht ist senkrecht zur Welle der Wellpappe) Buchstabe bei Welle = Wellengröße (z.B. E = E-Welle);
2 Buchstaben bedeuten zweiwellige Wellpappe (z.B. BC = B- und C-Welle)
PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de PTS-FB 01/16 4 Konstruktion und Aufbau der Messvorrichtung
Konstruktion der
Messvorrichtung Nach der Festlegung des Anforderungsprofils durch den projektbegleitenden Ausschuss des Projekts wurden mit dem Messgerätehersteller prüfbau Dr.- Ing. H. Dürner GmbH die konstruktiven Möglichkeiten einer Erweiterung bzw.
eines Umbaus der PTS-Methodenvorrichtung unter Berücksichtigung der vor- handenen maschinentechnischen Parameter sowie einer einfachen und feh- lerfreien Handhabung durch das Prüfpersonal abgeklärt. Dabei zeigte sich, dass für das beschlossene Anforderungsprofil ein Neubau der Messvorrich- tung notwendig war. Dafür wurde vom Messgerätehersteller eine entspre- chende Konstruktionsskizze erstellt.
Aufbau der
Messvorrichtung Vom Messgerätehersteller wurde eine entsprechende Messvorrichtung als Prototyp aufgebaut (Abbildung 9). Dabei wurden bereits in der Konstruktions- und Aufbauphase mehrere Optimierungen bezüglich des Durchmessers der Umlenkrolle, der Einspannung des Messstreifens sowie der Position der Kle- benaht durchgeführt.
In Abbildung 10 ist die Situation an der Umlenkrolle unmittelbar vor dem Bruch maßstabsgerecht dargestellt. Die Abbildung verdeutlicht, dass bei einer Zugbeanspruchung sowohl eine scherende als auch eine schälende Kraft auf die Klebenaht einwirkt. Insbesondere die Umlenkung des Prüfstreifens um die Umlenkrolle bewirkt eine überlagernde schälende Kraft auf die Klebung, wäh- rend die Zugbelastung für die scherende Kraft verantwortlich ist.
Außerdem sind in dieser Abbildung die im Projekt untersuchten Klebenahtpo- sitionen bei der Probeneinspannung dargestellt. Dabei wird jeweils die Mitte der Klebenaht berücksichtigt.
Die Kraftübertragung von der Zargenfläche zur Klebelasche ist insbesondere anhängig von:
• Probenbreite des Prüfstreifens,
• Durchmesser (Radius) der Umlenkrolle,
• Positionierung der Klebenaht (Winkel) und
• Prüfgeschwindigkeit (viskoelastische Eigenschaften von Klebstoff und Wellenpapier).
PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de PTS-FB 01/16 Abbildung 9: Messvorrichtung (Prototyp)
Abbildung 10: Prüfling auf der Umlenkrolle (Schema)
PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de PTS-FB 01/16 5 Einfluss der Konstruktionsgeometrie auf das Prüfergebnis
Einführung Im nächsten Schritt wurden folgende Einflüsse der Konstruktionsgeometrie auf das Prüfergebnis untersucht:
• Variation des Umlenkrollendurchmessers
• Variation der Klebenahtposition bei der Probeneinspannung
• Variation der Streifenbreite der Wellpappe und der Klebelaschenbreite Als Prüfergebnis wird die mit der Prüfvorrichtung gemessene Kraft in N beim Bruch der Klebenaht ausgegeben. Da die Messungen in der Regel bei einer Probenstreifenbreite von 30 mm durchgeführt werden, bezieht sich das Er- gebnis meist auf diese Streifenbreite.
Erprobung
Messgerät Bei der Konstruktion der Messvorrichtung wurde diskutiert, ob der Durchmes- ser der Umlenkrolle auch einen Einfluss auf die in dem zu prüfenden Well- pappenmuster auftretenden schälenden und scherenden Kräfte ausüben kann. Aus diesem Grunde wurden Umlenkrollen mit unterschiedlichem Durchmesser in der Messvorrichtung erprobt. Die Messungen mit den Um- lenkrollen zeigten keine signifikanten Unterschiede bei verschiedenen Durch- messern (Abbildung 11).
Abbildung 11: Variation des Umlenkrollendurchmessers
Außerdem wurde beim Aufbau der Messvorrichtung diskutiert, ob die Position der Klebenaht auf der Umlenkrolle (siehe Abbildung 10) ebenfalls einen Ein- fluss auf die in dem zu prüfenden Wellpappenmuster auftretenden schälenden und scherenden Kräfte ausüben kann. Hier zeigten sich ebenfalls bei den un- terschiedlichen Positionen keine signifikanten Unterschiede. Lediglich wenn sich die Klebenaht nicht in einer umgelenkten Position befindet, also der Win-
PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de PTS-FB 01/16 kel 0° beträgt, werden auf Grund der rein scherenden Belastung höhere Kleb- nahtfestigkeiten gemessen (siehe auch Abbildung 12).
Abbildung 12: Variation der Klebenahtposition an der Umlenkrolle bei der Probeneinspannung (Material SW 3a)
Abbildung 13: Variation der Streifenbreite der Wellpappe und der Kle- belaschenbreite (Material SW 3a, SW 3b, SW 3c) Darüber hinaus wurden in dieser Phase des Projekts auch die Einflüsse der Probenstreifenbreite und des Klebstoffs näher untersucht. Dabei wurde in Abbildung 13 im Gegensatz zu den anderen Abbildungen die Klebnahtfestig- keit bezogen auf die in der x-Achse angegebene Streifenbreite dargestellt.
Wie zu erwarten, steigt die Klebnahtfestigkeit mit der Streifenbreite. Außer-
PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de PTS-FB 01/16 dem ist der Abbildung zu entnehmen, dass ein Two-Shot-Auftrag (Dispersion + Hotmelt) keine deutlich höhere Festigkeit bringt als ein One-Shot-Hotmelt Auftrag. Allerdings hat eine geringere Klebstoffmenge auch eine geringere Klebnahtfestigkeit zur Folge.
Abbildung 14: Variation der Streifenbreite der Wellpappe und der Kle- belaschenbreite (Darstellung der breitenbezogenen Klebnahtfestigkeit; Material SW 3a, SW 3b, SW 3c) Normiert man die Klebnahfestigkeit auf die Streifenbreite, so erhält man eine nahezu konstante breitenbezogene Klebkraftfestigkeit (Abbildung 14). Aller- dings zeigt sich bei normaler Klebstoffmenge und bei zwei Klebstoffraupen tendenziell ein geringer Rückgang der Klebnahtfestigkeit mit steigender Pro- benstreifenbreite. Ursache für diesen Effekt kann sein, dass mit steigender Klebenahtbreite der Einfluss der schälenden Beanspruchungskomponente größer wird und dadurch die Klebenahtfestigkeit tendenziell zurückgeht. Zu berücksichtigen ist stets auch das Bruchbild der Klebenaht. Im vorliegenden Fall war stets ein Kohäsionsbruch im Deckenpapier (Spalten im Papier) fest- zustellen.
Abbildung 15 zeigt Ergebnisse unterschiedlicher Wellenarten. Dabei trat der Bruch bei einer E-Welle in der Wellpappe, bei einer weißen B-Welle in der Deckschicht auf. Diese Ergebnisse führten vor allem auch dazu, dass ent- schieden wurde, neben der gemessenen Klebnahtfestigkeit zwingend auch das Bruchbild zu dokumentieren.
PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de PTS-FB 01/16 Abbildung 15: Variation der Wellenart (teilweise mit Dokumentation
des Bruchbilds)
PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de PTS-FB 01/16 6 Evaluierung der Prüfvorrichtung
Einführung Zur Evaluierung der Prüfvorrichtung wurden die Prüfvorrichtung selbst in Ab- hängigkeit verschiedener Prüfparameter erprobt, Wellpappenparameter vari- iert und der Einfluss unterschiedlicher Klebstoffe- bzw. Klebstoffsysteme un- tersucht.
Erprobung der
Prüfvorrichtung Zunächst wurde der Einfluss der Probenahme untersucht. Dazu wurden mit unterschiedlichen Werkzeugen Probestreifen aus Wellkisten geschnitten. Die Messungen zeigten keine signifikanten Unterschiede, auch wenn die Proben- nahme mit Planschneider optimale Schnittkanten liefert und hohe Druckbelas- tungen auf die Wellpappe ausübt (Abbildung 16). Bei der Probennahme mit einer Schlagschere werden die Schnittkanten am meisten geschädigt, weil das Messer am meisten rupft und am ehesten die Wellenstruktur zerstört. Bei der Probennahme mit einem ziehenden Messerschnitt wird eine saubere Schnittkante erreicht und die Wellenstruktur am wenigsten geschädigt. Hier wird jedoch vom Prüfpersonal eine hohe Kompetenz in der Probennahme ge- fordert.
Neben der Probenahme und –breite können Abzugsgeschwindigkeit sowie Auslenkung des Schwenkarms während der Messung das Ergebnis beein- flussen. So bewirkt ein steigender Auslenkwinkel auch eine größere schälen- de Krafteinwirkung auf die Klebenaht.
Abbildung 16: Einfluss der Probenahme aus Wellkisten
Die Ergebnisse zeigen mit steigendem Auslenkwinkel eine nahezu gleichblei- bende Klebnahtfestigkeit. Lediglich bei einer Auslenkung um 45° wird eine höhere Klebnahtfestigkeit ermittelt (Abbildung 17). Auch Abbildung 18 zeigt bei unterschiedlichen Wellpappensorten vergleichbare Ergebnisse bei 60° und 90° Auslenkwinkel.
PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de PTS-FB 01/16 Abbildung 17: Einfluss der Prüfgeschwindigkeit (Abzugsdynamik) und
der Auslenkung des Schwenkarms (Material SW 3b) Die Abzugsgeschwindigkeit beeinflusst das Messergebnis nicht signifikant (siehe auch Abbildung 17). Dabei ist zu berücksichtigen, dass auch mit der höchsten einzustellenden Geschwindigkeit noch keine Belastungen eines kurzzeitigen Stoßes auf die Klebenaht simuliert werden können.
Abbildung 18: Einfluss der Auslenkung des Schwenkarms
PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de PTS-FB 01/16 Einfluss der
Wellpappenpa- rameter
Wellpappengeometrie und eingesetzte Wellpappensorten haben einen größe- ren Einfluss auf die Klebnahtfestigkeit und das Bruchbild als Probenahme und Messvorrichtung (Abbildung 19). Die Ergebnisse der Praxisversuche werden hierzu noch weitere Einflüsse der eingesetzten Wellpappen zeigen.
Abbildung 13 und Abbildung 14 zeigen die Einflüsse der Konstruktion der Klebelasche sowie unterschiedlicher Klebestoffe bzw. Klebstoffsysteme auf die Klebnahfestigkeit. Dabei steigt die Klebnahtfestigkeit mit der Streifenbreite, so dass die breitenbezogene Klebnahtfestigkeit bei unterschiedlichen Probe- streifenbreiten nahezu konstant ist. Ein zusätzlicher Dispersionsklebstoff er- höht nicht die Klebekraft des Hotmelt-Klebstoffs. Eine geringere Menge an Hotmelt-Klebstoff hat auch eine geringere Klebnahtfestigkeit zur Folge.
Abbildung 19: Einfluss des Wellenprofils sowie ein- und mehrwelliger Wellpappen
Fazit Grundsätzlich zeigt die Validierung der Messvorrichtung keine signifikanten Einflüsse der Vorrichtung selbst auf das Messergebnis. Um dennoch eine op- timale Vergleichbarkeit zu gewährleisten, wird ein standardisiertes Vorgehen bei der Bestimmung der Klebnahtfestigkeit empfohlen.
Mit der Messvorrichtung lässt sich die Klebnahtfestigkeit einfach, schnell und objektiv bestimmen. Neben der gemessenen Klebnahtfestigkeit ist die Doku- mentation des Schadbildes von entscheidender Bedeutung.
Nur wenn der Bruch in der Klebung stattfindet, können die gemessenen Kleb- nahtfestigkeiten eine Aussage über die Klebung bzw. über den Klebstoff ma- chen. In allen anderen Fällen wird mit der Klebnahtfestigkeit das Gesamtsys- tem Klebelasche (verklebte Wellpappe + Klebstoff) bewertet. Zur Beurteilung der Gebrauchseigenschaften der Wellpappenverpackung ist aber genau diese Bewertung ausschlaggebend, denn das Gesamtsystem definiert die Belast- barkeit bzw. Festigkeit der Verpackung.
PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de PTS-FB 01/16 Kenndaten der
standardisierten Prüfmethode
Mit der Festlegung der Probenparameter, der Definition der Prüfparameter und der Beurteilung des Bruchbildes konnte eine standardisierte Prüfmethode mit folgenden Kenndaten erarbeitet werden.
• Probenbreite b = 30 mm
• Probenlänge l = 33 - 34 cm (soll noch verkürzt werden)
• Prüfgeschwindigkeit v = 100 mm/min
• Radius der Umlenkrolle r = 30 mm (R 30)
• Position (Winkel) der Klebnaht a = 30°
• Auslenkung Schwenkarm W = 90° oder 60° (bevorzugt)
• Einteilung des Bruchbildes in
Spalten in Innendecke (ID) bzw. Außendecke (AD), Bruch in der Welle (WP),
Bruch in Innendecke (ID) bzw. Außendecke (AD) Bruch Klebstoff (KL)
PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de PTS-FB 01/16 7 Praxisversuch
Einführung Bei Praxisversuchen in zwei Betrieben wurden das Handling, die Reprodu- zierbarkeit und die Wiederholbarkeit der Prüfmethode ermittelt.
Betrieb 1 Das erste Unternehmen untersuchte mit der neuen Prüfvorrichtung die Ver- klebungen unterschiedlicher Testliner (TL, TL1, TB3), gestrichenem bzw. weiß gedecktem Testliner (TLW), Kraftliner (KL, KLB) und gestrichenem bzw. weiß gedecktem Kraftliner (KLW). Die folgende Abbildung zeigt eine Übersicht der Ergebnisse mit dem ermittelten Bruchbild.
Abbildung 20: Klebnahtfestigkeiten untersuchter Verklebungen (oberer Wert: Materialcodierung,
mittlerer Wert: Papiersorte + Flächengewicht Außendecke, unterer Wert: Werte der damit verklebten Innendecke) Verklebungen mit Papieren aus Kraftliner ergeben meistens höhere Klebnaht- festigkeiten (vgl. z.B. 24B, 37BC). Die Spannweite zwischen den einzelnen gemessenen Werten ist mit 100 – 700 N/30 mm sehr hoch, größer als bei den Untersuchungen im zweiten teilnehmenden Betrieb.
PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de PTS-FB 01/16 Betrieb 2 Betrieb 2 untersuchte mit der neuen Prüfvorrichtung Verklebungen aus zwei
Vollkartons und unterschiedlich verklebten Wellpappen. Dabei hatten diese eine Außendecke aus Kraftliner und eine Innendecke aus Testliner.
Tabelle 1: Untersuchte Karton/Wellpappen-Verklebungen Verklebt mit: Welle TP 210 Ungestrichener Karton Vorder- mit Rückseite TP 320 Graukarton Vorder- mit Rückseite
TL E + KL E Testliner Kraftliner E
TL B + KL B Testliner Kraftliner B
KL E + KL E Kraftliner Kraftliner E
TL E + TL E Testliner Testliner E
Die Probestreifen wurden einmal aus der Bodenlasche entnommen. Dadurch war die Maschinenrichtung bei der Messung parallel zur Krafteinwirkung. Mit den Proben aus der Mittelnaht konnte eine Krafteinwirkung senkrecht zur Ma- schinenrichtung erreicht werden. Bei einigen Proben wurde der sogenannte
„Schutzrand“ dieser Verpackungsart beprobt.
Standardmäßig werden bei dieser Verpackungsart die Wellpappen mit einer Kombination aus Hotmelt- (HM) und Dispersionsklebstoff (D) im Two-Shot- Verfahren verklebt. Um den Einfluss des Klebstoffs näher zu untersuchen, wurden auch Verklebungen nur mit Hotmelt bzw. Dispersionsklebstoff, bei verringertem bzw. erhöhtem Klebstoffauftrag sowie mit PSA-Klebstoffen (Haftklebstoffen) realisiert. Folgende Verklebungen wurden untersucht:
Tabelle 2: Untersuchte Klebstoffvarianten
Hotmeltklebstoff Dispersionsklebstoff
HM + D Standardmenge Standardmenge
HM -- Standardmenge – 20 % HM - Standardmenge – 10 % HM Standardmenge
HM ++ Standardmenge + 20 %
HM + D2 Standardmenge Standardmenge eines alter- nativen Dispersionsklebstoffs
D -- Standardmenge – 30 %
D - Standardmenge – 20 %
D Standardmenge
D ++ Standardmenge + 50 %
GF 65
Verschiedene Verpackungsarten mit PSA-Klebstoff verklebt;
Klebenahtbreiten von 8 mm, 12 mm, 15 mm MW
PP TP
Die Variation der aufgetragenen Klebstoffmenge wurde über den Systemdruck im Auftragsaggregat definiert. Ob dadurch der tatsächliche Klebstoffauftrag der angegebenen Variation entsprach, konnte jedoch nicht überprüft werden.
PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de PTS-FB 01/16 Übersicht der
Ergebnisse Die folgenden Abbildungen zeigen eine Übersicht der untersuchten Kar- ton/Wellpappen-Kombinationen bei unterschiedlichen Klebstoffvariationen.
Abbildung 21: Ungestrichener Karton (TP210); Vorderseite verklebt mit Rückseite
Abbildung 22: Graukarton (TP320);
Vorderseite verklebt mit Rückseite Abbildung 23: Graukarton (TP320);
Vorderseite verklebt mit Rückseite
Abbildung 24: Wellpappe mit E-Welle,
Innendecke TL verklebt mit Außendecke KL Abbildung 25: Wellpappe mit B-Welle, Innendecke TL verklebt mit Außendecke KL
Abbildung 26: Wellpappe mit E-Welle, Innendecke KL verklebt mit Außendecke KL
PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de PTS-FB 01/16 Abbildung 27: Wellpappe mit E-Welle,
Innendecke TL verklebt mit Außendecke TL
Abbildung 28: Wellpappe mit B-Welle, Innendecke TL verklebt mit Außendecke KL bzw. TL
Abbildung 29: Verklebung von Wellpap-
pen mit PSA-Klebstoff (15 mm Breite) Abbildung 30: Verklebung von Vollkarton mit PSA-Klebstoff (8 -15 mm Breite)
Abbildung 31: Unterschiedlich lang ge-
lagerte Hotmelt-Verklebungen Abbildung 32: Einsatz unterschiedlicher Dispersionsklebstoffe
Anhand der Untersuchungen lassen sich folgende Einflüsse bewerten:
• Art des Faserstoffs
• Faserlaufrichtung / Maschinenrichtung
PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de PTS-FB 01/16
• Hotmelt versus Hotmelt/Dispersions-Verklebung
• Klebstoffmenge
• Alterung der Verklebung
• Unterschiedliche Dispersionsklebstoffe
• Einsatz von PSA-Klebstoff auf unterschiedlichen Materialien
Faserstoffart Der ungestrichene Karton (UD2) liefert deutlich höhere Klebnahtfestigkeiten, da er eine höhere Spaltfestigkeit aufweist und dadurch eine höhere Festigkeit als Träger- bzw. Haftgrundmaterial bietet (Abbildung 21, Abbildung 22).
Testliner-Kraftliner-Kombinationen mit E-Welle zeigen die höchsten Werte (Abbildung 24), reine Kraftliner-Kombinationen etwas geringere Werte (Abbildung 26). Reine Testliner-Kombinationen lieferten die niedrigsten Klebnahtfestigkeiten (Abbildung 27). Man sieht hierbei eindeutig die Material- festigkeit des Deckenpapiers als bestimmende Größe für die Klebenahtfestig- keit. Bei allen Kombinationen schneidet die E-Welle besser als die B-Welle ab (siehe Abbildung 28).
Faserlaufrichtun g / Maschinen- richtung
Messungen an Bodenlaschen, bei denen die Kraft während der Messung pa- rallel zur Maschinenrichtung wirkt, ergaben aufgrund der kovalenten Bindun- gen in allen Fällen höhere Klebnahtfestigkeiten. Die Messungen an Mittelnäh- ten, bei denen die Krafteinwirkung senkrecht zur Maschinenrichtung ist und dadurch nur die Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den Papierfasern aufzubrechen sind (Abbildung 33, siehe auch Abbildung 21, Abbildung 22, Abbildung 24, Abbildung 26 und Abbildung 27) zeigen geringere Klebnaht- festigkeiten.
Abbildung 33: Einfluss der Maschinenrichtung der Wellpappe bzw. des Deckenpapiers (Mittelnaht: senkrecht, Bodenlasche: pa- rallel zur Krafteinwirkung)
PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de PTS-FB 01/16 Hotmelt und Hot-
Hot-melt/Dispersions- Verklebung
Bei den unterschiedlichen Vollkarton- bzw. Wellpappen-Kombinationen erhöht die zweite Klebstoffspur D (Dispersion) die Klebnahfestigkeit um maximal 12,4 % gegenüber einer reinen Hotmelt-Verklebung HM (Abbildung 34).
Abbildung 34: Hotmelt- und Hotmelt/Dispersions-Verklebungen
Klebstoffmenge Hotmelt + Dis- persion
Die Untersuchungen konnten nicht zeigen, dass ein vermehrter Dispersions- klebstoffauftrag zu einer besseren Klebnahtfestigkeit führt (Abbildung 35, siehe auch Abbildung 21 bis Abbildung 27). Die leichten Anstiege bei dem Karton UD2 und den TL-KL-Wellpappen-Klebungen liegen im Schwankungs- bereich der Messergebnisse.
Abbildung 35: Einfluss der unterschiedlichen Klebstoffmengen (Kleb- nahtfestigkeit bei Standard-Klebstoffmenge = 100 %)
PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de PTS-FB 01/16 In Abbildung 35 ist kein direkter Zusammenhang zwischen der Klebnahtfes- tigkeit und der Auftragsmenge des Klebstoffs zu erkennen, wie er eigentlich zu erwarten wäre. Das könnte möglicherweise auf mehrere Fehlerquellen hinweisen:
• Die tatsächlich aufgetragene Klebstoffmenge korrespondiert nicht direkt mit dem Systemdruck des Auftragsaggregates, über den die Klebstoffauf- tragsmenge gesteuert wird.
• Die Klebstoffraupe des Hotmeltklebstoffs kühlt unterschiedlich schnell ab, was letztendlich eine undefinierte Klebenahtbreite sowie -festigkeit ergibt.
• Eine zu hohe Schwankungsbreite der Einzelmesswerte verringert die Aus- sage hinsichtlich der Einflussgröße.
Klebstoffmenge Dispersion
Geringe und konventionelle Auftragsmengen an Dispersionsklebstoff ergaben keine signifikanten Unterschiede. Erst bei einem sehr hohen Leimdruck (+ 50 %) wird die Klebnahtfestigkeit deutlich erhöht (Abbildung 36, siehe auch Abbildung 23).
Abbildung 36: Variation der Dispersionsklebstoffmenge
Alterung Hot-
melt-Verklebung Das Alter der Hotmelt-Verklebung zeigte im untersuchten Rahmen von fünf Jahren Lagerung keinen erkennbaren Einfluss auf die Klebnahtfestigkeit (sie- he Abbildung 31).
Unterschiedliche Dispersionskleb- stoffe
In Abbildung 32 sind die Ergebnisse zweier unterschiedlicher Dispersions- klebstoffe dargestellt. Die gemessenen Unterschiede liegen im Schwan- kungsbereich der Messmethode.
PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de PTS-FB 01/16 PSA-Klebstoff
(Haftklebstoff) Bei dem PSA-Klebstoff ist eine Erhöhung der Klebnahtfestigkeit mit zuneh- mender Klebenahtbreite zu beobachten. Dabei steigt die Klebkraft nach länge- rer Kontaktzeit (24 h) geringfügig, da der Klebstoff mehr Adhäsionskräfte (Ein- fließen in die Mikrorauheit) aufbauen kann (Abbildung 30).
Bei dieser Klebstoffart lieferten die Vollpappen die höchsten Werte, dicht ge- folgt von den TL/KL-Kombinationen aus E-Welle. Die B-Wellen lieferten aber- mals die geringsten Werte (Abbildung 29). Bei Verwendung von Haftklebstof- fen ist die Oberflächenrauheit des Haftgrundmaterials mit eine entscheidende Einflussgröße für die Klebefestigkeit.
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Verband der Wellpappen-Industrie e. V. (Hrsg.)
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Branchenenergiekonzept Wellpappe, Maßnahmen zur Energieeffizienzsteigerung bei der Herstellung von Wellpappe, München: Papiertechnische Stiftung 2012
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Anforderungen des Handels an Wellpappe Verpackungen, Wellpappensymposium am 06.11.2012 in München
4 N.N.
http://www.wellpappe-
wissen.de/wissen/wellpappenverpackung/verpackungsherstellung/verschlussarten.html 5 BLECHSCHMITT J.
Papierverarbeitungstechnik, Carl Hanser Verlag München, 2013 6 RUSSEL W. B., SAVILLE D. A., SCHOWALTER W. R.
Colloidal Dispersions. Cambridge University Press, New York 1989 7 HOLMBERG K.
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8 WILKEN R.
Kleben in der Papierverarbeitung, Vortrag auf der Veranstaltung „Sicheres Kleben bei der Verarbeitung von Papier und Karton“, 03.07.2012 an der PTS in München
9 N.N.
http://www.finat.com/Knowledge/FINAT-publications/Technical-Handbook.aspx 10 N.N.
PTS-Methode PTS-PR 301/2008 Bestimmung der Klebenahtfestigkeit von Faltschachteln 11 WILKEN R.
Der Faserriß, oder wie bewertet man die Güte von Klebeverbindungen richtig,
Vortrag auf der Veranstaltung „Sicheres Kleben bei der Verarbeitung von Papier und Karton“ am 11.06.2014 an der PTS in München
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