Einfluss der viskoelastischen Eigenschaften der Streichfarbe auf Laufverhalten der Streichfarbe und Qualität des gestrichenen Papiers

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Einfluss der viskoelastischen Eigenschaften der Streichfarbe auf Laufverhalten der Streichfarbe und Qualität des gestrichenen Papiers

R. Gericke, M. Pietsch, J. Eckl und R. Sangl Zusammenfassung

Beim Streichen von Papier wird die Streichfarbe unter dem Blade bzw. im Spalt zwischen den Auftragswalzen der Filmpresse hoch beansprucht. Ähnlich dem Extrusionsprozess, bei dem die Viskoelastizität ein wichtiger Prozessparameter ist, werden dabei Polymerketten gestreckt, ausgerichtet und gedehnt. Dies führt nach dem Ende der Belastung zu einer viskoelastischen Relaxation. Über einen Zusammenhang zwischen der Viskoelastizität von Streichfarben und dem Laufverhalten oder der erzielbaren Papierqualität im Produktionsbe- trieb wird in der Fachliteratur oft widersprüchlich berichtet.

Ziel des Projektes war es daher, den Einfluss der viskoelastischen Eigenschaften der Streichfarbe auf das Laufverhalten der Streichfarbe und die Qualität des gestrichenen Pa- piers für moderne Streichanlagen bis in den Hochgeschwindigkeitsbereich aufzuzeigen. An- hand neuer Meßmethoden sollten zusätzliche Aussagen zum Verhalten von Modellstreich- farben bei Deformation (Viskoelastizität) und Dehnung (Dehnrheologie) ermittelt werden.

Dazu wurde folgende Vorgehensweise gewählt:

Methodenentwicklung zur Untersuchung des Relaxationsverhaltens von Streichfar- ben;

Herstellung von unterschiedlichen Modellstreichfarben für den Filmpressenauftrag und die Blade Egalisierung unter Variation von Bindemitteln, Pigmenten und v.a.

Rheologieadditiven;

Strechfarbencharakterisierung im Labor;

Streichversuche an einer Pilotanlage zur Ermittlung des Laufverhaltens ausgewählter Streichfarben;

Die Gegenüberstellung von Ergebnissen der Streichfarbencharakterisierung und Laufverhal- ten bei praxisnahen Streichversuchen sowie Qualitätsparametern des gestrichenen Papiers ermöglicht folgende Schlussfolgerungen:

Das Laufverhalten beim Streichfarbenauftrag mit einer Filmpresse wird vor allem bestimmt durch:

o das Wasserrückhaltevermögen,

o den Immobilisierungsfeststoffgehalt und den Feststoffgehalt der verarbeiteten Streichfarbe, sowie durch den Abstand dieser beiden Größen voneinander (∆TG),

o die Wechselwirkung der Streichfarbe mit dem Rohpapier (beschrieben durch einen spezifischen Absorptionstest)

Die High-shear-Viskosität dominiert zusammen mit dem Immobilisierungsverhalten der Streichfarbe beim Kontakt mit dem Rohpapier das Laufverhalten bei der Blade- Egalisierung.

Das Speichermodul G’, das aus dem Oszillationsversuch bestimmt wird, lässt Aussa- gen über die Papierqualität zu. Streichfarben mit geringerem Speichermodul führen bei ansonsten gleichen Bedingungen zu einer höheren Glanzentwicklung des gestrichenen Papiers.

Das Dehnverhalten und die Filamentlebensdauer liefern keine eindeutigen Aussagen zum Laufverhalten.

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In den hier vorgestellten Untersuchungen liefern die viskoelastischen Eigenschaften von Streichfarben keine Korrelationen mit dem Laufverhalten.

Danksagung

Das Forschungsvorhaben AiF 13914 wurde aus Haushaltsmitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie (BMWi) über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsver- einigungen „Otto von Guericke“ e.V. (AiF) gefördert. Dafür sei an dieser Stelle herzlich ge- dankt.

Abstract

During paper coating, the coating colour is subjected to heavy loads under the blade or in the nip between the application rolls of the film press, respectively. Similar to the extrusion process, where viscoelasticity is an important process parameter, polymer chains are being stretched, aligned and stretched again. After load application, this leads to viscoelastic relaxation. Reports on the relationships or connections between coating colour viscoelasticity and their runnability or the paper quality attainable in full-scale operations are still rather con- tradictory.

The project was intended to show the influence of the viscoelastic characteristics of coating colours on their runnability and on the quality of coated papers achieved by modern coating plants up to the high-speed range. By means of new measuring methods, additional findings were to be obtained on the behaviour of model coating colours under deformation (viscoelasticity) and elongation (extensional rheology). For this purpose the following procedure was chosen:

method development to investigate the relaxation behaviour of coating colours;

preparation of different model coating colours for film press and the blade levelling with variation of binders, pigments and primarily rheology additives;

coating colour characterisation in the laboratory;

paper coating trials on a pilot coating machine for the determination of coating colour runnability;

The comparison of the results of the coating colour characterisation with the runnability data as well as with the quality parameters of coated papers allows the following conclusions to be drawn:

The runnability of coating colours during film press application is particularly affected by:

o their water retention

o the solids content at immobilization and solids content of coating colour preparation, or alternatively by the difference between these two values (∆ TG), o the interactions between coating colour and base paper (described by a spe-

cific absorption test).

The runnability during blade levelling is mainly determined by the high-shear viscosity of coating colours together with their immobilization behaviour during base paper con- tact.

The storage modulus G', which is determined by oscillation measurements, allows predictions to be made on the final paper quality. Under otherwise identical condi- tions, coating colours with lower storage modulus G’ lead to higher paper gloss.

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The extension behaviour and filament life time of coating colours do not correlate with coater runnabilty.

In the investigations presented here, the viscoelastic properties of coating colours do not correlate with their runnability.

Acknowledgement

The AiF 13914 research project was sponsored by the German Federal Ministry of Economics and Technology BMWi and carried under the umbrella of the German Federation of Industrial Co-operative Research Associations (AiF) in Cologne. We would like to express our warmly gratitude for this support.

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1 Einleitung

Die rheologischen Eigenschaften gehören zu den wichtigsten Charakteristika von Streich- farben, da sie das Laufverhalten der Streichfarbe auf der Streichmaschine sowie die Qualität des fertigen Papiers gleichermaßen bestimmen. So kann man über die Beobachtung der Fließeigenschaften nicht nur auf Wechselwirkungen zwischen den Streichfarbenbestandteilen schließen, sondern auch Gesetzmäßigkeiten der Strukturbildung der Strichschicht ableiten.

Bei Produkten mit hoher Marktreife sind Feinabstimmungen, die auf solchen Erkenntnissen beruhen, oft entscheidend um Kosten- oder Qualitätsvorsprünge gegenüber der Konkurrenz sicher zu stellen

Die Streichfarbe ist während des Verarbeitungsprozesses sehr unterschiedlichen und für die jeweiligen Teilprozesse spezifischen Einflüssen unterworfen Das Spektrum reicht dabei von eher geringer mechanischer Belastung, z.B. bei der Förderung in Rohrleitungen, bis zu sehr hoher Belastung z.B. bei Strichauftrag oder Egalisierung.

Um ein möglichst problemloses rheologisches Verhalten in der Praxis sicher zu stellen, werden im Labor Streichfarbenuntersuchungen über den gesamten Schergefällebereich hinweg vor- genommen. Der untere und mittlere Schergefällebereich, wie er z.B. in Pumpen und Mischern gegeben ist, kann sehr gut mit Rotationsviskosimetern abgedeckt werden. Unter dem Blade der Streichmaschine herrschen dagegen sehr hohe Schergefälle von mehreren Mio. 1/s, die man im Labor mit Hochdruckkapillarviskosimetern simuliert . Bei den hier vorgestellten Arbei- ten wurden insbesondere die Einflüsse der Verdicker bzw. Rheologieadditive untersucht. Bei zunehmender Scherung nimmt die verdickende Wirkung solcher Additive in der Regel ab, was anhand der Wirkungsweise von assoziativen Verdickern erklärt werden kann [1].

Gerade beim Filmpressenauftrag, der in jüngerer Zeit immer mehr an Bedeutung gewonnen hat, wird deutlich, dass eine hohe Scherung nicht die einzige Belastung der Streichfarbe im Prozess darstellt.. Hier wird den viskoelastischen Kenngrößen, wie z.B. dem Speichermodul G’, eine sehr große Bedeutung beigemessen.

Deshalb wird in letzter Zeit immer häufiger die dynamische Belastung von Materialien durch schwingende Deformation erfasst. Diese Messungen bieten auch die Möglichkeit, die Visko- elastizität von Streichfarben zu bestimmen. Die Schergeschwindigkeiten sind hierbei relativ gering. Die Ruhestrukturen der Streichfarbe werden während des Messvorganges im Gegen- satz zu Rotationsversuchen nicht zerstört. Dies liefert wertvolle Hinweise auf Wechselwirkun- gen zwischen Streichfarbenbestandteilen. Auch die Ausbildung der Strichschicht wird besonders von den viskoelastischen Eigenschaften der Streichfarbe beeinflusst.

In diesem Zusammenhang wird auch der Dehnviskosität eine großer Bedeutung beigemessen, die über die Druckverlustbetrachtung bei der Kapillarviskosimetrie bestimmt werden kann [2].

Eine weitere neue Messmethode ist die Bestimmung der Dehnviskosität aus der Filamentle- bensdauer, die später näher beschrieben ist.

2 Forschungsziel

Die Bestimmung einzelner Streichfarbeneigenschaften im Labor, wie Feststoffgehalt, Scher- viskosität etc., reicht bislang nicht aus, um Laufverhalten oder erzielbare Papierqualität im Pro- duktionsbetrieb vorherzusagen.

Ziel des Projektes war es, den Einfluss der viskoelastischen Eigenschaften von Streichfarben auf das Laufverhalten der Streichfarben und die Qualität des gestrichenen Papiers zu ermit- teln. Dazu sollten anhand neuer Meßmethoden zusätzliche Aussagen zum Verhalten von Mo- dellstreichfarben bei Deformation (Viskoelastizität) und auch Dehnung (Dehnrheologie) erar- beitet werden. Diese Ergebnisse sollten dem Laufverhalten in praxisnahen Streichversuchen

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sowie Qualitätsparametern des gestrichenen Papiers gegenübergestellt werden, um die Streichfarbenentwicklung für unterschiedliche Papiersorten und Auftragssysteme zu verbessern.

Von besonderem Interesse für das Laufverhalten sind als Auftragssystem die Filmpresse, das Blade-Egalisierungssystem und die erzielbare Qualität von Papieren für den Offsetdruck und den Tiefdruck. Änderungen im rheologischem Verhalten werden v.a. durch den Einsatz von Rheologieadditiven erzielt, die sich in ihren Wechselwirkungen mit den übrigen Streichfarben- komponenten unterscheiden.

3 Materialien und Methoden 3.1 Materialien

Übliche Streichfarben bestehen aus Pigmenten, Bindemitteln und Additiven. Je nach Anforde- rungsprofil kommen dabei für die jeweiligen Papiersorten unterschiedliche Modifikationen z.B.

hinsichtlich der Steilheit der Korngrößenverteilung zum Einsatz. Im vorliegenden Forschungs- projekt sind die Schwerpunkte auf die folgenden Sorten gelegt worden:

FP (Filmpresse) für Streichfarben, die mit Filmpresse aufgetragen werden und für das Offsetdruckverfahren geeignet sind,

OTB (Offset Top Blade) Papiere, die im Mehrfachstrich hergestellt werden für das Off- setdruckverfahren,

TD (Tiefdruck) ebenfalls Bladestreichfarben, allerdings für das Tiefdruckverfahren.

Die nachfolgende Tabelle 1 gibt einen Überblick zu den verwendeten Materialien, wobei der Schwerpunkt auf den Rheologieadditiven lag.

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Tabelle 1: verwendete Rohstoffe

Akronym Spezifizierung

Pigmente

CaCO₃ 1 GCC fein

CaCO₃ 2 GCC sehr fein

CaCO₃ 3 GCC mit steiler Korngrößenverteilung

Kaolin 1 Kaolin mit sehr hohem Aspect Ratio

Kaolin 2 feines Kaolin mit geringerem Aspect Ratio

Talkum plättchenförmiges Talkum (sehr hoher Aspect Ratio) Bindemittel

Binder A SB-geringe Partikelgröße

Binder B SB-mittlere Partikelgröße

Binder C SB-höhere Partikelgröße

Binder D SA

Binder S SB-geringe Glasübergangstemperatur

Binder SD SAN

Rheologieadditiv

Verdicker A1 Acrylsäurepropfpolymer

Verdicker A2 Vinyllactam-Aminoethylmethacrylatcopolymer

Verdicker A3 Polypeptid-Acrylsäurekondensat

Verdicker A4 Alkali löslicher, Acrylatverdicker Verdicker A5 Acrylsäureethylester-acrylatcopolymer Verdicker A6 Acrylsäureethylester-acrylatcopolymer

Verdicker A7 Polyamidacrylatcopolymer

Verdicker A8 Acrylsäure-Acrylsäureester-Acrylnitrilcopolymer Verdicker A9 Acrylsäureethylester-acrylatcopolymer

Verdicker A10 Acrylsäure-Acrylamidcopolymer

Verdicker R1 Assoziativ Verdicker

Verdicker R2 nichtionischer Assoziativ Verdicker

Verdicker R3 HASE (hydrophobically alkali swellable emulsion) Verdicker T1 HASE (hydrophobically alkali swellable emulsion)

3.2 Methoden

3.2.1 Feststoffgehalt, pH-Wert und Brookfield Viskosität (BV)

Der Feststoffgehalt der (nassen) Streichfarbe wird mit einer Infrarot-Waage der Firma Satorius bestimmt. Der Feststoffgehalt ergibt sich aus der gemessenen Reduzierung der Masse wäh- rend der Trocknung mittels IR-Strahlern. Zur Bestimmung des pH-Wertes wird ein handelsübli- ches pH-Meter als Eintauchsonde verwendet.

Die Brookfield-Viskosität eignet sich gut für vergleichende Messungen mittels Eintauchvisko- simeter. Eine Spindel mit Drehteller rotiert in einer Flüssigkeit. Aus dem gemessenen Dreh- moment und der eingestellten Rotationsgeschwindigkeit in der zu prüfenden Flüssigkeit wird eine Viskosität berechnet. Obwohl bei dieser Messung kein definierter Scherspalt eingestellt wird, ist das Verfahren gut reproduzierbar und wird zur Produktionskontrolle in den meisten Papierfabriken eingesetzt. Im Weiteren ist mit der „Brookfield-Viskosität“ immer die Viskosität gemeint, die mit der Spindel 4 bei einer Drehzahl von 100 1/min gemessen wurde, sofern nichts anderes angegeben ist.

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3.2.2 High-shear Rotations Rheologie

Zur Ermittlung der Fließkurven wird ein Highshear-Viskosimeter der Fa. Haake benutzt. Dieses Gerät besitzt ein koaxiales Zylindersystem, bei dem zwischen der zylindrischen Messkammer- wand und einem Drehkörper ein definierter Scherspalt eingestellt wird. Dieser Messspalt be- trägt bei den Messungen etwa 25 µm. Die Temperatur ist während der Messungen auf 35°C eingestellt. Der Messablauf gliedert sich in drei Schritte:

3 min Temperieren der Messflüssigkeit auf 35°C

kontinuierliche Erhöhung der Scherrate auf 44.000 1/s binnen einer Minute

unmittelbar nach Erreichen der maximalen Scherbeanspruchung:

Herunterfahren auf Schergefälle = 0 innerhalb einer Minute

3.2.3 Oszillationsrheologie / Viskoelastizität

Ein Oszillationsversuch unterscheidet zwischen viskosem (Verlustmodul G’’) und elastischem Verhalten (Speichermodul G’) der Probe. Beim Amplituden-Sweep wird die Amplitude variiert und die Frequenz konstant gehalten. Vorgegeben und geregelt wird dabei die Deformation γ.

Es wird also nicht die Ruhestruktur untersucht, sondern bei einer konstanten Kreisfrequenz von ω = 10 1/s gemessen, so dass die Probe also einer Scherbeanspruchung unterworfen wird. Ist die Ruhestruktur zu untersuchen, so sollte der Frequenz-Sweep bei niedrigen Fre- quenzen ausgewertet werden. Zur Bestimmung der Viskoelastizität wird das Anton Paar MCR 300 eingesetzt (Fehler! Verweisquelle konnte nicht gefunden werden.).

Abstand y bewegliche Platte

unbeweglich Die bewegliche Platte wird um

ihre Ruhelage sinusförmighin und her bewegt.

Speichermodul G‘

Ist das Verhältnis aus Schubspannungs-Amplitude und Deformations- Amplitude multipliziert mit dem Kosinusdes Verschiebungswinkels δ.

Repräsentiert das elastische Verhaltender Probe.

Verlustmodul G‘‘

Ist das Verhältnis aus Schubspannungs-Amplitude und Deformations- Amplitude multipliziert mit dem Sinusdes Verschiebungswinkels δ.

Repräsentiert das viskose (flüssige) Verhaltender Probe.

Verlustfaktor tanδ

Verhältnis aus viskosem zu elastischenAnteil der Probe.

Abbildung 1: Oszillationsversuch im Zweiplattenmodell

Für die Untersuchung der Viskoelastizität werden an den Modellstreichfarben beide Verfahren genutzt – der Amplituden-Sweep und der Frequenz-Sweep.

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3.2.3.1 Der Amplitudensweep

Die viskoelastischen Eigenschaften können mittels einer Messung im Oszillationsmodus mit einem Schwingungsrheometer bestimmet werden. Bei diesen Geräten sind je nach Anwen- dungsfall verschiedene Messprofile möglich. Bei einem Amplitudensweep beispielsweise wird bei einer konstanten Kreisfrequenz die Deformation kontinuierlich erhöht und die resultierende Schubspannung gemessen. Damit kann die Grenze des linearviskoelastischen (LVE) Berei- ches der Probe festgestellt und die Stabilität der Strukturen ermittelt werden. Das Speichermo- dul G´ ist ein Maß für die in der Substanz temporär gespeicherte Deformationsenergie. Diese Energie kann zurückgewonnen werden, wenn die Verformung zurückgenommen wird und cha- rakterisiert somit den elastischen Anteil der Deformation. Der Verlustmodul G´´ stellt den Anteil der Energie dar, die irreversibel von der Probe an die Umgebung abgegeben oder als Wärme innerhalb der Probe dissipiert wird. Sie wird zum Fließen der Probe genutzt, und kennzeichnet das viskose Verhalten der Streichfarbe. Der Verlauf der Module über einen bestimmten De- formationsbereich gibt Auskunft über die Grenzen des linear-viskoelastischen Bereiches. Der Wert von z.B. G´ fällt bei einer bestimmten Grenzamplitude der Deformation steil ab (in Abbildung 2 bei 1 % Deformation), bei noch größeren Deformationen wird die Netzwerkstruktur zerstört, bei kleineren bleibt sie stabil.

10¹ 10² 10³

Pa

G' G''

0,1 1 10

tan(δ)

0,01 0,1 1 10 % 100

Deformation γ

AiF FP5 3 PP 50 d=0,5 mm

G' Speichermodul G'' Verlustmodul

tan(δ) Verlustfaktor

Abbildung 2: Grafik Amplitudensweep

3.2.3.2 Der Frequenzsweep

Im Gegensatz zum Amplitudensweep, bei dem die Frequenz konstant gehalten wird, arbeitet der Frequenzsweep mit einer konstanten Deformation. Aus den Ergebnissen des Frequenz- sweeps können Aussagen sowohl über das Kurzzeit-Verhalten bei hohen Frequenzen als auch über das Langzeitverhalten abgeleitet werden.

Die über die gesamte Versuchszeit konstant gehaltene Deformation muss zunächst aus dem Amplitudensweep bestimmt werden. Die Untersuchungen im Frequensweep müssen innerhalb des linear-viskoelastischen Bereichs liegen, um Aussagen über die Ruhestruktur der Streich-

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farbe zu erhalten. Der untersuchte Frequenzbereich erstreckt sich von ω = 100 1/s über vier Dekaden bis 0,01 1/s.

3.2.4 Immobilisierungszeit und -Feststoffgehalt der Streichfarben

Zur Bestimmung der Immobilisierungszeit und des Feststoffgehalts bei der Immobilisierung wird ein Viskosimeter der Fa. Physica MCR 300 in Kombination mit der BASF Immobilisie- rungszelle mit Platte-Platte-Messeinrichtung genutzt.

Streichfarbe

Vakuum

Rohpapier

unterstützt durch eine Lochplatte Streichfarbe

Vakuum

Rohpapier

unterstützt durch eine Lochplatte

Abbildung 3: Prinzipskizze Immobilisierungszelle [3]

Mit diesem Gerät ist es möglich, die Immobilisierung der Streichfarbe während der Entwässe- rung dynamisch unter Berücksichtigung von Rohpapiereinflüssen sowie von Einflüssen durch Scher- und Druckbelastung der Streichfarbe zu erfassen. Bei den Messungen sind folgende Einstellungen verwendet worden:

Konstanter Spaltabstand: 0,5 mm (Nullpunkt ohne Streichrohpapier)

Rotation mit einer Schubspannung von 300 Pa

Vakuum: 300 mPa

Als Immobilisierungszeit wird diejenige Messzeit bezeichnet, nach der eine Viskosität von 10⁴Pas erreicht worden ist. Nach Beendigung der Messung wird die immobilisierte Streichfar- be vorsichtig von der Platte abgenommen und in ein trockenes und gewogenes Aluschälchen gegeben. Im Trockenschrank wird die Probe bis zur Gewichtskonstanz bei 105 °C getrocknet.

Die im Exsikkator abgekühlten Aluschälchen werden gewogen und aus der Differenz der Imo- bilisierungsfeststoffgehalt [4] bestimmt.

3.2.5 Wasserrückhaltevermögen nach SD-Warren

Die Messung des Wasserrückhaltevermögens erfolgt mit einem SD-Warren Water-Retention- Meter bei 35°C bzw. einem modifizierten SD-Warren-Tester, der für die Messungen verwendet worden ist.

Das Gerät arbeitet nach dem Prinzip der elektrischen Leitfähigkeit. Gemessen wird die Zeit, bei der durch die Penetration von Wasser aus der Streichfarbe in ein darauf liegendes Standard- papier zwischen zwei Elektroden ein bestimmter Strom fließt. Das Prinzip des Messgeräts sowie die Definition der Zeitmessung sind aus der Abbildung 3 ersichtlich.

Als Prüfpapier wird ein Streichrohpapier von 80 g/m² verwendet.

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Papier

Streich- farbe Timer Amperemeter

SD-Warren modifiziert

Zeit bis Stromfluß von 30 bis 1000 Skalenteile

Abbildung 4: Bestimmung des Wasserrückhaltevermögens nach SD Warren (modifiziert)

3.2.6 Relaxationsverhalten

Das Relaxationsverhalten von Streichfarben beschreibt die Erholung nach einer Beanspru- chung der zu untersuchenden Probe. Dies kann sowohl im Rotationsmodus als auch im Oszil- lationsmodus erfolgen. Die Messung enthält immer die drei aufeinander folgenden Phasen:

Ruhephase I: bei geringer Beanspruchung,

Belastungsphase II: bei starkes Beanspruchung,

Entlastungsphase III: bei erneut geringer Beanspruchung.

t3

t2

t1

t0

I II III

η

Abbildung 5: Speichermodul G’ bzw. Viskositäts-/Zeitverlauf während Sprungversuch

3.2.7 Dehnviskosität und Oberflächenspannung

Die Dehnviskosität wird mittels eines neuen Geräts der Firma Thermo Electron das CaBER1 (Capillary Break-up Extensional Rheometer) bestimmt. Zur Bestimmung der Dehnviskosität wird die Streichfarbe, die sich in der Mitte der beiden Stempeln befindet, rasch auseinander gezogen. Die Messung startet, sobald der obere Stempel die höchste Position erreicht hat.

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Abbildung 6: Meßmethode CaBER1

Ausgewertet wird die maximale Filamentlebensdauer. Aus dieser kann über die Oberflächen- spannung der Streichfarben auch die absolute Dehnviskosität berechnet werden. Die exakte Bestimmung der Oberflächenspannung ist jedoch zeitabhängig. Mit Hilfe von üblichen Wilhel- my Platten oder der du Nouy Ring– Methoden kann zwar die stationäre Oberflächenspannung bestimmt werden, nicht jedoch die tatsächliche, während weniger Millisekunden herrschende, die für die exakte Berechnung der Dehnrheologie notwendig wäre.

3.2.8 Bestimmung des Zetapotentials und der Partikelgröße mittels DT1200

Mit dem DT1200 (Firma Quantachrome) können die Partikelgrößenverteilung und das Zetapo- tenzial in konzentrierten Dispersionen und Emulsionen bestimmt werden.

Akustische Spektroskopie

Mit Hilfe der akustischen Methode erfolgt die Bestimmung der Partikelgrößenverteilung (PSD, particle size distribution). Durch die Probe werden Schallimpulse geleitet, deren Geschwindig- keiten und Abschwächungsspektren über einen weiten Frequenzbereich (1-100 MHz) aufge- nommen werden. Der Abstand zwischen Sender und Empfänger ist variabel. Die Schallab- schwächung (attenuation) wird im Verhältnis zum Abstand gemessen. Die Partikelgrößen werden auf der Grundlage der Theorie von A. Dukhin [5] berechnet.

Elektroakustische Spektroskopie

Mit Hilfe der elektroakustischen Methode erfolgt die Bestimmung des Zetapotenzials ζ kon- zentrierter Dispersionen und Emulsionen. Grundlage hierfür ist die Verschiebung der elektrischen Doppelschicht in der Umgebung eines geladenen Partikels durch angelegten Ultra- schall. Die Verschiebung der Ladungswolke gegenüber der Partikeloberfläche verursacht ein Dipolmoment. Die Summe der Dipolmomente kann als elektrisches Feld in Form des elektroakustischen Vibrationsstromes CVI gemessen. Aus dem CVI wird das Zetapotenzial berechnet. Hierfür ist die Kenntnis der mittleren Partikelgröße nötig. Diese kann aus den akusto- spektroskopischen Messungen übernommen werden.

3.2.9 Bewertung der Bedruckbarkeit – der Wegschlagtest

Das Wegschlagen der Druckfarbe beim Offsetdruck ist ein wichtiges Kriterium für die erreichbare Druckqualität. Druckfarbe und Papier sollten so aufeinander abgestimmt sein, dass die Druckfarbe kontinuierlich und gleichmäßig in das Rohpapier eindringt. Das wird häufig untersucht, indem die optische Dichte eines Konterdruckes mit dem Prüfbau-Labordruckgerät be- wertet wird.

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Das Papier wird bedruckt und das noch feuchte Papier nach bestimmten Zeiten gegen unbe- drucktes Papier (APCO II/II 150 g/m², Firma Scheufelen) gepresst (gekontert). Dabei wird die bedruckte Probe mit dem oben aufliegenden Konterstreifen manuell durch das Druckwerk transportiert. Der frische Druck wird so auf dem Konterdruckstreifen abgeschmiert.

Die Auswertung erfolgt visuell und mit Densitometern, mit denen die optische Dichte des Kon- terdrucks nach dem Andruck ermittelt wird. Üblicherweise erfolgen die Messungen nach 15, 30, 60 und 120 s. Je schneller die Farbe wegschlägt, um so weniger färbt sich der Konterstei- fen und um so geringer sind daher die Zahlenwerte für die optische Dichte.

Die visuelle Auswertung des Wegschlagtests erlaubt auch Rückschlüsse auf das Ausdruck- verhalten und die gleichmäßige Wiedergabe von Raster- und Volltonflächen von Bedruckstof- fen.

Tabelle 2: Wegschlagtest Einstellungen

Druckfarbe Wegschlagtestfarbe 520068 Fa. Huber

Geschwindigkeit 1 m/s

Druckkraft 600 N

Druckform 1 Gummi

Farbauftrag 200 mg (=ca. 1,5 g/m²)

Verteilzeit 30 s

Einfärbezeit Druckwalze 30 s Konterdruckpapier APCO II/II Anpressdruck Konterdruck 800 N

Druckform 2 Metall

Testzeiten 15 s - 30 s - 60 s - 120 s

3.2.10 Die Versuchsanlage der VESTRA

Die Streichanlage der VESTRA [6] ist eine schnelllaufende Versuchanlage, die mit drei ver- schiedenen Auftragsaggregaten ausgerüstet ist. Mit Streichgeschwindigkeiten bis zu 2.500m/min sind Versuche auch oberhalb der industriellen Produktionsgeschwindigkeiten möglich. Dies erlaubt es, kritische Bereiche der Verarbeitbarkeit und der Runnability von Streichfarben zu beleuchten.

Von der Abrollung wird das Papier zunächst durch den ersten Messkopf geführt, der Flächen- gewicht und Feuchte des Streichrohpapiers überprüft. Je nach vorgesehenem Auftragsaggre- gat wird die Papierbahn im Anschluss zum jeweiligen Coater geführt. Diese sind in der vorliegenden Forschungsarbeit die Filmpresse bzw. das Combi-Blade. Nachdem die Streichfarbe auf das Papier aufgebracht wurde, erfolgt zunächst eine Trocknung mittels Gas-Infrarot- Strahlung, bevor beidseitige Lufttrockner die gewünschte Endfeuchte einstellen. Kurz vor der Aufrollung befindet sich ein zweiter Messkopf, der erneut Flächengewicht und Feuchte bestimmt. Aus der Differenz der beiden Messköpfe kann das Auftragsgewicht und die Endfeuchte des Papiers online bestimmt und damit auch geregelt werden (Abbildung 7).

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Gas IR Trockner

(Keramik) Lufttrockner

Abrollung

FILMPRESSE

COMBI-BLADE ^Aufrollung

MODULAR COMBI-BLADE

Jetflow F

Gas IR Trockner

Abrollung

FILMPRESSE

Jetflow F

Gas IR Trockner

Abrollung

FILMPRESSE

Jetflow F

Abbildung 7: Anlagenschema der VESTRA Versuchstreichanlage

4 Ergebnisse

4.1 Meßmethoden zur Bestimmung der Kurzzeitrelaxation von Streichfarben Von besonderem Interesse ist die Kurzzeitrelaxation bei Streichfarben. Das Auftragen oder Egalisieren der Streichfarbe mittels Blade führt zu einer kurzzeitigen raschen Scherung, die unmittelbar wieder auf Null zurückfällt, sobald die Strichgewichtseinstellung erfolgt ist. Durch die Relaxation kann auch eine Art Dilatanz innerhalb der Streichfarbe erzeugt werden, die insbesondere bei hohen Streichgeschwindigkeiten Einfluss nehmen kann [7].

Um diese Kurzzeiterholung möglichst praxisnah nachzustellen, muss bei der Messroutine die Einstellung der Quasi-Ruhe möglichst rasch erfolgen. Dies kann sowohl im Rotations- als auch im Oszillationsmodus erfolgen. Die Messungen erfolgen jeweils mit einen Platte-Platte Meß- system. Für die Optimierung der Einregelphase nach erfolgter Belastung sind folgende Para- meter untersucht worden:

Plattendurchmesser

Dauer eines Messpunktes

Reglereinstellungen am Messgerät

Abbildung 8 zeigt exemplarisch das Einregelverhalten der Scherrate bei unterschiedlichen Messpunktabständen. Je geringer der Abstand zwischen zwei Mespunkten ist, desto stärker schwankt die Scherrate um die einzuregelnde Größe.

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0,95 0,96 0,97 0,98 0,99 1 1,01 1,02 1,03 1,04 1,05

1/s

γ^.

52 52,1 52,2 52,3 52,4 52,5 52,6 52,7 52,8 52,9 s 53

Zeit t

HC90Gu68PP25 0,01s PP 25 d=1 mm

γ^. Schergeschwindigkeit

HC90Gu68PP25 0,1s PP 25 d=1 mm

γ.

Schergeschwindigkeit

HC90Gu68PP25 0,05s PP 25 d=1 mm

γ^. Schergeschwindigkeit

Abbildung 8: Einregelverhalten der Scherrate bei 0,01 s, 0,05 s und 0,1 s Messpunktabstand

Um den Oszillationssprungversuch zu optimieren, ist das Messgerät mit DSO (Direct-Strain- Oscillation-Methode) im Laufe des Projektes ausgestattet worden, so dass eine Anpassung der Schwingung bereits innerhalb des ersten Zyklus’ ermöglicht werden konnte. Erfahrungs- gemäß sind für eine optimale Messwerterfassung etwa 30 % für Einregelzeit und 70 % für Rohwertaufnahme zu kalkulieren. Bei einer Kreisfrequenz von 10 1/s (» 1,6 Hz) ist also mit DSO eine Einregelung nach 1,6 s zu erwarten. Für die Messwerterfassung entsprechend ca.

3,2 s. Insgesamt also rund 4,8 s. Somit sind 5 s als minimaler Abstand zwischen zwei Mess- punkten Messpunktdauer für die Oszillationsversuche nicht zu unterschreiten.

Es ergeben sich, je nachdem ob die Kurzzeitrelaxation im Rotations- oder Oszillationsmodus durchgeführt wird, folgende optimale Einstellungen bezüglich des Einregelverhaltens nach erfolgter Belastungsphase:

Kleinere Platte (PP25) aufgrund des geringen Trägheitsmoments günstiger für den Ro- tationssprungversuch im Vergleich zur größeren Platte (PP50), trotz erhöhter Um- fangsgeschwindigkeit in Phase II, was ein stärkeres Abbremsen bedingt.

Die Dynamik des Drehzahlreglers ist für den Rotationssprungversuch auf 150 % zu er- höhen. Im Oszillationssprungversuch ist keine Einstellung der Dynamik notwendig.

4.2 Filmpressenauftrag

Die Hauptprobleme bei der Filmpresse bezüglich der Runnability ist das Überkochen am Stab bei der Farbvordosierung auf die Auftragswalze und das Misting, womit das Nebeln am Ni- pausgang der Filmpresse bezeichnet wird. Die Vorgänge im Nip, dem Berührungspunkt beider Auftragswalzen der Filmpresse, und die Vorgänge beim Farbsplit zeigt Abbildung 9. Es ist zu

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beachten, dass es je nach Nipdruck bei der Entspannung im Nipausgang zu Kavitation kommen kann. Die hierbei entstanden Dampfblasen können Misting begünstigen.

Abbildung 9: Vorgänge im Walzenspalt der Filmpresse [8]

In den TAPPI Metered Size Press Forums der Jahre 1996 bis 2002 wurden die wesentlichen Haupteinflussgrößen und Abhilfemaßnahmen zusammengefasst. Insgesamt sind alle am Streichprozess beteiligten Komponenten – Streichrohpapier, Streichfarbe und Maschinenein- stellungen - mehr oder weniger stark für das Misting [9] verantwortlich. Das Hauptaugenmerk dieser Arbeit gilt den Farbeigenschaften und der Rheologie.

Abbildung 10: Möglichkeiten, um Misting zu reduzieren [8]

In Zusammenarbeit mit den Teilnehmern des Forschungsforums „Streichfarbencharakterisie- rung“ sind an der VESTRA GmbH Pilotversuche zu Misting durchgeführt worden. In insgesamt 18 Versuchen konzentrierte man sich auf die Einflüsse von

Feststoffgehalt, Binder- und Verdickermenge,

Gasgehalt und

Streichgeschwindigkeit zeigen (Abbildung 11).

Konstant gehalten wurde das Auftragsgewicht. Dazu mussten unterschiedlich gerillte Rakel zur Vordosierung des Farbfilms zu verwendet werden Je höher die Nummer des jeweiligen Ra- kels, desto größer ist die Farbmenge und damit auch die nasse Farbfilmdicke auf den Auf- tragswalzen der Filmpresse.

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Binder Verdicker solids Brookfield speed Misting Gasgehalt Rakel C.

Teile Teile % mPas m/min g/sec*dm² %

V1 14 0.8 64.7 1450 800 0 3.5 25

V2a 14 0.8 61.4 650 800 0 8.8 35

V3 14 0.3 62.8 620 2000 593 9 25

V4a 14 0.3 59.6 390 2000 3000 14.2 40

V5a 8 0.5 61.3 520 1400 11 12.8 35

V6 11 0.5 63 670 1400 1 15.6 30

V7 11 0.5 61.6 600 1400 50 11.4 35

V8a 11 0.5 59.9 460 1400 32 6.5 35

V9 14 0.5 62.2 710 1400 33 3.1 35

V10 11 0.3 61.3 350 1400 12 3.2 35

V11 8 0.3 58 200 800 5 2.4 35

V12 8 0.3 55.2 130 800 3 2.6 35

V13 8 0.8 62.3 850 2000 112 3 25

V14 8 0.8 59.4 580 2000 3000 2 30

V15 11 0.8 60.6 670 1400 20 3.2 20

V15S 11 0.8 60.5 660 1400 6 3.4 35

V16 11 0.5 64.6 910 800 0 2.5 25

V17 11 0.5 61.8 580 2000 141 3.3 30

V18 11 0.5 61.8 580 1400 11 2.3 35

103 101 103 101 102 102

Abbildung 11: Rezepturen und Misting

Auf Basis der oben beschriebenen Ergebnisse zum Misting wurden drei Farben ausgewählt (101,102 und 103) und hinsichtlich ihrer Streichfarbeneigenschaften untersucht. Diese Farben unterscheiden sich in Feststoffgehalt sowie Binder- und Additivmengen. Hauptaugenmerk ist dabei stets die Korrelation der Messergebnisse mit der Mistingauswaage an der Pilotstreichan- lage. Abbildung 12 zeigt die Messmethoden und die Korrelation mit der gefundenen Misting- tendenz. Insgesamt haben sich 12 Firmen an diesem Ringversuch beteiligt. Das Ergebnis der Interpretation jeder Firma ist in folgender Darstellung ersichtlich.

(17)

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Feststoffgehalt x x x x x x x x

Dichte x

Immobilisierungsfeststoffgeh. x x

Immobilisierungszeit x x

∆ TG x x

Penetrationszelle PDAC2 x

WRV (GWR) x x x x

WRV SD Warren x x x x

BV100 x x x x x x x x

Haake Viskosität x x

Low shear Viskosität x

High Shear Rheologie 10⁶ s^-1 x x

Sprungversuch x x x

Filmdehnrheometer x

Speichermodul bei geringer Deformation x

Zetapotential über Ultraschall x

x korreliert nicht innerhalb der Ergebnisse x korreliert innerhalb der Ergebnisse Abbildung 12: Korrelation von Messgrößen mit Mistingeigtendenz

Aus der obigen Abbildung ist ersichtlich, dass die Vorhersage der Mistingtendenz nur sehr eingeschränkt möglich ist. Die im Labor angewandte Messtechnik zeigen teilweise gegenläufi- ge Ergebnisse, was in der Regel mit unterschiedlichen Messroutinen erklärt werden kann. Sie- he hierzu die Messungen zur Immobilisierungszeit, Wasserretention, Haake und high-shear Viskosität. Der Feststoffgehalt der Farbe 101, der ca. 3 % unter dem der anderen Muster liegt, legt den Schluss nahe, dass die Farbe 101 stärker zum Misting neigt als die anderen beiden.

Die Unterscheidung zwischen den Farben 102 und 103 ist hingegen deutlich schwieriger.

Von besonderem Interesse sind diejenigen Messmethoden, die eine gute Korrelation zeigen.

Das ∆TG ist die Differenz aus dem Immobilsierungsfeststoffgehalt und demjenigen, den die Farbe auf dem Coater hat. Hier zeigt sich der Einfluss vom Rheologieadditiv und Bindemittel, das neben dem Pigmentsystem den Haupteinfluss auf den Immobilisierungsfeststoffgehalt hat.

Die Viskositätsmessungen alleine sind nicht hinreichend, um auf das Laufverhalten zu schlie- ßen. Diese Methoden erlauben, je nach Scherrate, durchaus eine Vorauswahl zu treffen. Wird eine Scherrate von 10⁶ zur Auswertung herangezogen, so ergibt sich exakt die Reihenfolge der Mistingtendenz (bei Firma 3, nicht bei Firma 6). Ebenfalls wird in der Literatur davon berichtet, dass ein möglichst stark scherverdünnendes Verhalten Misting reduzieren kann [8].

Messmethoden wie die Penetrationszelle, das Dehnrheometer und die Zetapotenzialbestim- mung werden in den nachfolgenden Kapiteln noch näher betrachtet. Die Zetapotenzialbestim- mung reagiert sehr empfindlich auf Feststoffgehaltsänderungen, was die Messergebnisse teilweise erheblich beeinflussen kann.

Die Dehnrheologie der Filmpressenstreichfarben wurde mittels des neuen Messgerätes bestimmt. Dabei ist es möglich, das Abzugsprofil des oberen Messstempels einzustellen. Das exponentielle Profil beginnt mit einer sehr geringen Abzugsgeschwindigkeit und beschleunigt sehr stark, bevor die maximale Dehnung des Streichfarbenfilms erreicht wird. Die maximale Dehnung wird bei beiden Varianten konstant gehalten.

Dieses exponentielle Profil findet sich auch bei der Filmpresse wieder. Hier erfolgt im Nip zu- nächst noch keine Dehnung. Erst wenn sich die beiden Walzen voneinander entfernen und der

(18)

Farbfilm sich aufteilt, tritt die Dehnung insbesondere bei hohen Maschinengeschwindigkeiten in den Vordergrund.

Die in Abbildung 13 gezeigten Filamentlebensdauern beziehen sich auf Streichfarben aus den Labortuntersuchungen in diesem Projekt. Die Streichfarben sind bei konstantem Feststoffge- halt und variablen Rheoligieaddivmengen so eingestellt, dass sich die Brookfieldviskosität bei 100 1/min auf vergleichbarem Niveau bewegt.

Auffallend ist erneut der nichtionische Verdicker R2 in der Streichfarbe FP 9, der die längste Filamentlebensdauer unabhängig vom Dehnungsprofil zeigte. Die CMC Streichfarbe FP 3 wies dagegen die geringste Filamentlebensdauer auf (Abbildung 13).

0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30

Fillamentlebensdauer [s]

FP9 FP7 FP5 FP10 FP6 FP4 FP11 FP8 FP3 linear exponentiell

Abbildung 13: Filamentlebensdauer bei konstanter und exponentiell ansteigender Abzugsgeschwin- digkeit

Die Streichfarbeneigenschaften lassen sich durch Art der eingesetzten Rheologieadditve steu- ern. Folgende Tabelle 3 zeigt die gefunden Tendenzen. Für eine Verallgemeinerung sind allerdings noch weitere Untersuchungen erforderlich.

Tabelle 3: Einfluss der Verdickerart auf Filamentlebensdauer, Speichermodul und Strukturerholung der untersuchten Streichfarben

nichtionischer Verdicker und (H)ASE

CMC Spezialverdicker

Filamentlebensdauer ↑ ↓ ↑↓

Speichermodul G’ ↓ ↑ ↑↓

Strukturerholung ↓ ↑ ↑↓

Im Labormaßstab wurde eine Reihe weiterer Streichfarben hergestellt, die einen möglichst weiten Bereich der viskoelastischen Eigenschaften abdeckt. Ausgehend von diesem Labor- programm, in dem die Rheologieadditive hinsichtlich Einsatzmenge und Streichfarbencharak- teristika untersucht worden sind, sind für die im Rahmen dieses Projektes folgende Versuche mittels Filmpresse an einer Pilotstreichanlage durchgeführt worden:

(19)

Tabelle 4: Rezepturübersicht für Filmpressenversuche

FP 1 FP 2 FP 3 FP 4 FP 5 FP 6 Pigment

CaCO3 3 70 70 70 70 70 70

Kaolin 2 30 30 30 30 30 20

Kaolin 2-1 10

Binder

Binder SD 12 12 12 12 12 12

Verdicker

CMC 0,9

Verdicker A8 0,8 0,7

Verdicker A10 0,1

Verdicker A2 0,25

Verdicker R2 0,6

Verdicker R3 0,2

OBA 0,3 0,3 0,3 0,3 0,3 0,3

BV 100 940 740 860 960 840

Feststoffgehalt [%] 63,6 63,8 verdünnt 64,0 64,5 64,5

Das Pigmentgemisch aus einem feinen Kaolin und einem Kalziumkarbonat mit enger Korngrö- ßenverteilung ist typisch für LWC Papiere. Die enge Korngrößenverteilung wirkt sich positiv auf die erzielbare Opazität des gestrichen Papiers aus. Diese ist insbesondere bei niedrigen flä- chenbezogenen Massen von Bedeutung. Die Pigmente mit enger Korngrößenverteilung (Ca- CO3 3) entwässern besonders schnell, was insbesondere hinsichtlich der Wasserretention besonders hohe Anforderungen stellt [10].

Bei der Filmpresse sind der Farbübertrag mittels glatter oder gerillter Rakelstangen (Vari Bar Typ) auf die Auftragswalze und der Farbübertrag im Nip und das Nipabzugsverhalten kritisch zu betrachten. Die Streichversuche sind mit den ausgewählten FP Farben bei einer Standard- geschwindigkeit von 1.200 m/min durchgeführt worden, bevor die Geschwindigkeit stufenweise erhöht wurde. Der Strichauftrag erfolgte simultan auf beiden Seiten mit einem Strichgewicht von insgesamt rund 20 g/m². Die Versuchsbeobachtungen bei ansteigender Streichgeschwin- digkeit fasst Tabelle 5 zusammen. Bereits ab 1.500 m/min trat bei allen fahrbaren Streichfar- ben sheet-stealing auf. Dies bezeichnet das ständige Wechseln des Papiers zwischen den beiden Auftragswalzen im Nipausgang nach der Farbübertragung. Bei den Farben FP2, FP5 und FP6 kommt es bei 2.000 m/min zu einem geringen Überkochen am Stab.

Tabelle 5: Versuchsbeobachtungen Filmpressenversuche

FP1 FP2 FP3 FP4 FP5 FP6

1200 m/min ô.k. ô.k. ^- ô.k. ^{o.k. o.k.}

1500 m/min sheat stealing sheat stealing - sheat stealing sheat stealing sheat stealing

1700 m/min sheat stealing sheat stealing - sheat stealing sheat stealing sheat stealing

1900 m/min sheat stealing sheat stealing - sheat stealing!! sheat stealing!! sheat stealing!!

2000 m/min ^- Stabspucken^leichtes - sheat stealing!! leichtes Stabspucken

leichtes Stabspucken

Die Streichfarbe FP 3 mit Verdicker A2 war insgesamt bei drei Verdünnungsstufen (64 %, 63 % und 61 %) eingesetzt worden. Bei allen Verdünnungsstufen sind bereits nach wenigen Laufmetern die Auftragswalzen trocken gelaufen und die Farbe hat begonnen auf den Auf- tragswalzen aufzubauen. Der Versuch musste abgebrochen werden. Von daher ist insbeson-

(20)

dere die Farbe FP 3 für die Korrelation von Streichfarbeneigenschaften mit dem Laufverhalten von besonderer Bedeutung (vgl. Kapitel 4.4).

4.3 Bladeegalisierung

Während des Streichens wird die Streichfarbe vergleichsweise hohen Beanspruchungen aus- gesetzt. Aus diesem Grund konzentrierte sich die Forschung in der Vergangenheit auf das Gebiet der High-Shear-Rheologie. Es ist eine Tatsache, dass unter der Belastung mit hohen Scherraten die Strukturen innerhalb der Streichfarbe weitgehend zerstört werden und sowohl die viskoelastische als auch die thixotrope Charakteristik der Streichfarbe verloren gehen. Aber es wurde auch erkannt, dass die Relaxationsfähigkeit der Streichfarbe nach der Belastung und das Fließverhalten bei geringem Schergefälle nach dem Auftragsprozess stark von den ur- sprünglichen viskoelastischen Eigenschaften beeinflusst werden.

Zur Demonstration dieser Überlegung soll die Abbildung 14 dienen, in der der Ablauf beim Bladestreichen dargestellt ist.

Abbildung 14: Vorgänge beim Rakelstreichen, schematisch

Die Streichfarbe wird aus der Farbwanne durch die Auftragwalze an das Streichrohpapier, das sich auf der Gegenwalze befindet, gebracht und der Überschuss durch das Blade abgerakelt und gleichzeitig egalisiert. In diesem Prozess, der in wenigen Millisekunden abläuft, erfährt die Streichfarbe wechselnd hohe Scher- und Dehnbelastungen. Dabei muss sie verschiedene Anforderungen erfüllen, einerseits an der Auftragwalze eine optimale Filmspaltung, unter dem Schaber eine gleichmäßige fehlerfreie Egalisierung und zuletzt nach dem Auftrag ein Verlaufen zum Ausgleich von Unregelmäßigkeiten bis zur Immobilisierung in der Trockenstrecke. Da sich die Streichfarbe in Kontakt zum Papier befindet, müssen hier auch Penetrationseffekte berück- sichtigt werden.

4.3.1 Variation der Binderteilchengröße beim Bladestreichen für das Offset- Druckverfahren

Zunächst wird der Einfluss der Binderteilchengröße auf die erreichbare Papierqualität und das Laufverhalten hin untersucht. Erste Untersuchungen hierzu berichten von geringeren high- shear Viskositäten, die auch den Bladedruck verringern und damit die Lauffähigkeiten am Coa- ter verbessern [11]. Um diesen Zusammenhang näher zu untersuchen sind Bindemittelsyste- me gemäß Tabelle 6 ausgewählt worden. Es sollte möglichst nur die Latexteilchengröße variiert und andere wesentliche Einflussgrößen wie Glasübergangstemperatur konstant gehalten

(21)

werden. Die Variation der Zusammensetzung der Basismonomere zeigt diesen Einfluss exemplarisch mit auf:

Tabelle 6: Latexeigenschaften

Latexmuster Chemische FK Viskosität Teilchengröße Glastemperatur

Basis [%] [mPas] pH [nm] [°C]

Binder A Styrol/Butadien 50 245 6,9 90 20

Binder B Copolymer 49,6 150 6,8 110 20

Binder C 49,8 130 6,9 125 20

Styrol/

Binder D Acrylat-Cop. 50,9 230 6,0 135 14

Mit diesen Bindern wurden jeweils Standardstreichfarben hergestellt und am Helicoater bei 800 m/min verstrichen (Tabelle 7). Bezüglich der Laufeigenschaften am Helicoater konnten keine Unterschiede gefunden werden.

Tabelle 7: Streichfarben mit Latexvariation

Rezepturen A B C D

Pigment

CaCO₃1 100 100 100 100

Binder / Cobinder

Binder A 9,5

Binder B 9,5

Binder C 9,5

Binder D 9,5

CMC 0,30 0,30 0,30 0,30

PVAl 0,40 0,40 0,40 0,40

OBA 0,50 0,50 0,50 0,50

BV 100 1040 972 1000 952

BV 50 1700 1610 1640 1580

BV 20 3320 3280 3260 3220

Feststoffgehalt [%] 68,3 67,9 68,3 67,9

Die Streichfarbencharakterisierung liefert jedoch deutliche Unterschiede.

Die Wasserretention der Streichfarben erhöht sich mit kleiner werdenden Latexteilchen. Ab einer Größe von etwa 120 nm ergeben sich nur noch Unterschiede innerhalb der Messtole- ranz (Abbildung 15).

(22)

20 30 40 50 60

80 90 100 110 120 130 140

Teilchengröße [nm]

Wasserretention SD Warren [s]

SB SA Polynomisch (SB)

Abbildung 15: Einfluss von Binderteilchengröße auf die Wasserretention der Streichfarbe Ebenso verhält sich die Immobilisierungszeit der Streichfarben, Abbildung 16. Auch hier ergeben sich bei kleineren Latexteilchen längere Immobilisierungszeiten.

100 150 200 250 300 350 400

80 90 100 110 120 130 140

Immobilisierungszeit [s]

SB SA Linear (SB)

Abbildung 16: Immobilisierungszeit in Abhängigkeit der Latexteilchengröße

Das Relaxationsverhalten der Streichfarben (Abbildung 17) verbessert sich beim Einsatz klei- nerer Binderteilchen (schnellerer Strukturaufbau).

(23)

20,00 30,00 40,00 50,00 60,00 70,00

80 90 100 110 120 130 140

Relaxationsverhalten [%]

SB SA Linear (SB)

Abbildung 17: Abhängigkeit des Relaxationsverhaltens der Streichfarben von der Teilchengröße des eingesetzten Bindemittels, ausgedrückt als prozentuale Erholung nach der Scherbe- anspruchung

Den geringen Einfluss der Binderteilchengröße auf die Viskoelastzität der Streichfarbe kann folgender Abbildung entnommen werden. Die Unterschiede zwischen den Streichfarben in Bezug auf G’ und G’’ sind als wenig signifikant einzustufen.

10⁰ 10¹ 10² 10³

Pa

G'

G''

0,1 1 10

tan(δ)

0,01 0,1 1 10 % 100

Deformation γ

Aif A1 1 PP 50 d=0,5 mm

G' Speichermodul G'' Verlustmodul tan(δ) Verlustfaktor

Aif B1 1 PP 50 d=0,5 mm

Aif C1 1 PP 50 d=0,5 mm

Aif D1 1 PP 50 d=0,5 mm

Abbildung 18: Amplitudensweep

Die high-shear Viskosität durchläuft ein Minimum bei etwa 110 nm (Abbildung 19). Diese Teil- chengröße scheint optimal für das gewählte Pigment/Cobindersystem zu sein. Eine geringe high-shear Viskosität ist im Allgemeinen wegen der verbesserten Kontrollierbarkeit des Auf- tragsgewichtes gewünscht.

(24)

0,020 0,022 0,024 0,026 0,028 0,030

80 90 100 110 120 130 140

η (Haake bei 44000 1/s) [Pas]

SB SA Polynomisch (SB)

Abbildung 19: high-shear Viskosität der Streichfarben in Abhängigkeit der Binderteilchengröße

Mit Hilfe der Latexteilchengröße können Streichfarbeneigenschaften eingestellt werden. Die Einflüsse auf

Viskoelastizität,

Laufverhalten am Helicoaterversuchen bei 800 m/min,

Relaxationsverhalten,

sind bei den gewählten Streichfarben eher gering.

Die Effekte auf die

high-shear Viskosität,

Immobilisierungszeit und

Wasserretention

sind dagegen signifikant.

Ausgehend von den Laborversuchen, in denen die in Tabelle 1 gezeigten Rheologieadditive näher untersucht wurden, sind in Abstimmung mit den Teilnehmern des projektbegleitenden Ausschusses folgende Streichfarben für die beiden Versuchstage an der Streichmaschine der VESTRA GmbH im Rahmen dieses Projektes ausgewählt worden (Tabelle 8). Auch hier ist wieder eine Aufteilung der Versuche nach LWC Tiefdruck (TD), sowie Topstriche für zweifach- gestrichene Papiere für den Offsetdruck (OTB) gewählt worden.

(25)

Tabelle 8: Rezepturen der Bladeversuche an der Pilotanlage OTB 1 OTB 2 OTB 3

Pigment

CaCO3 2 100 100 100

Binder

Binder C 9,5 9,5 9,5

Verdicker

CMC 0,3

PVAl 0,4 0,4 0,4

Verdicker A 0,3

Verdicker R2 0,3

OBA 0,3 0,3 0,3

BV 100 1320 1420 1300

Feststoffgehalt [%] 68,6 70,4 68,8

TD 1 TD 2 TD 3 Pigment

Kaolin 1 70 70 70

Talkum 30 30 30

Binder

Binder S 5 5 5

Verdicker

Verdicker A6 0,15 0,1 0,1

Verdicker AA 0,3

Verdicker A 0,6

OBA 0,3 0,3 0,3

BV 100 380 590 460

Feststoffgehalt [%] 58,4 58,9 58,9

Als Egalisiereinheit, mit dessen Hilfe in dieser Untersuchung die Streichfarbe auf das ge- wünschte Auftragsgewicht abgerakelt wird, ist das so genannte Stiff-Blade. Charakteristisch hierfür sind der Anschliffwinkel des Blades sowie dessen Dicke. Die Einstellung des Strichge- wichtes erfolgt während des Versuchs durch die Vorspannung des Blades. Sie erlaubt es, Ge- gendruck gegen die Streichfarbe aufzubauen. Es stellt sich ein Druckgleichgewicht ein, was aber aufgrund von Abrasivität oder Eindickung der Streichfarbe, Profilschwankungen des Roh- papiers etc. stets nachgeregelt werden muss. Dies erlaubt es, durch den Vergleich der Vor- spannung zu Beginn und am Ende des jeweiligen Streichversuchs Aussagen über die Pro- zessstabilität zu treffen.

Die Streichversuche für die Tiefdruck-Farben wurden generell bei einer Streichgeschwindigkeit von 1.500 m/min durchgeführt. Erst nachdem der Lauf stabil ist, wurde die Geschwindigkeit stufenweise erhöht, um den Grenzen der Coatereinstellungen näher zu kommen. Analog hierzu war auch die Vorgehensweise bei den OTB Farben. Die Standardstreichgeschwindigkeit von 1.100 m/min wurde ebenfalls stufenweise gesteigert.

Bei den OTB Streichfarben war ab einer Maschinengeschwindigkeit von 1.700 m/min generell und unabhängig von der Streichfarbe ein unruhiger Farbrücklauf zu beobachten, der zu streifi- gem Strichbild führen kann. Die Streichfarbe OTB2 mit erhöhtem Feststoffgehalt zeigte bereits bei der Standardgeschwindigkeit von 1.100 m/min ein leichtes Überkochen am Blade, was sich mit zunehmender Geschwindigkeit auch bei den Farben OTB1 und OTB3 wieder fand.

Tabelle 9: Versuchsbeobachtungen OTB Streichfarben

OTB1 OTB2 OTB3

1100 m/min ^o.k. _Überkochen^geringes ^o.k.

1700 m/min Farbrückluaf unruhig

Überkochen/Fa rbrücklauf

unruhig

Farbrückluaf unruhig

1900 m/min ^Überkochen ^Überkochen ^Überkochen

Die Tiefdruckstreichfarben (TD) wurden bei höheren Streichgeschwindigkeiten verarbeitet. Der Farbrücklauf blieb bei diesen Farben im Gegensatz zu den höherviskosen OTB Farben relativ ruhig. Allerdings kam es auch hier bei Streichgeschwindigkeiten oberhalb von 1.700 m/min generell zum Überkochen am Blade. Die Streichfarbe TD 2 zeigte bereits bei 1500 m/min ein leichtes Überkochen (Tabelle 10).

(26)

Tabelle 10: Versuchsbeobachtungen TD Streichfarben

TD1 TD2 TD3

1500 m/min ^o.k. _Überkochen^leichtes ^o.k.

1700 m/min _Überkochen^leichtes _Überkochen^leichtes _Überkochen^leichtes 1900 m/min ^Überkochen ^Überkochen ^Überkochen

Ebenfalls bei der TD 2 fielen bei den Maschineneinstellungen die Bladewahl und die Vorspan- nung negativ auf. Darin ist auch die Erklärung für das Überkochen zu suchen. Die Streichfarbe war beim ersten Maschinendurchgang für die Oberseite nur mit einem dickeren Blade auf das gewünschte Auftragsgewicht zu regeln. War die Streichfarbe allerdings eine gewisse Zeit im Farbkreislauf des Coaters, so konnte für die Siebseite, der zweite Maschinendurchgang, wieder mit einem üblichen, dünneren Blade gearbeitet werden. Dieses Verhalten kann nicht mit einem Feststoffgehaltsanstieg, Eindicken der Farbe oder auch Nachreifen des Verdickers er- klärt werden.

4.4 Streichfarbenparameter

Von besonderem Interesse sind die erreichbaren Streichfarbeneigenschaften der Farben FP3, die auf der Filmpresse überhaupt nicht verarbeitbar war, sowie die TD2, die bereits bei der Standardgeschwindigkeit zum Überkochen neigte, und die OTB2, die ebenfalls Überkochen am Blade bereits ab 1100 m/min zeigte.

Die Immobilisierungsfeststoffgehalte zeigen erneut deutliche Unterschiede, wie bereits in den Voruntersuchungen im Laborteil ausgeführt. Der Pigmenteinfluss, der sich aus dem Vergleich der OTB, TD und FP Werte ergibt, überwiegt gegenüber dem geringeren Einfluss der Rheolo- gieaddititve.

70,0%

72,0%

74,0%

76,0%

78,0%

80,0%

82,0%

84,0%

86,0%

TD1 TD2

TD3 OTB1

OTB2

OTB3 FP1 FP2

FP3 FP4

FP5 FP6

Immobilisierungsfeststoffgehalt [%]

Abbildung 20: Immobilisierungsfeststoffgehalte der VESTRA Streichfarben

Auch bei den Immobilisierungszeiten fällt die FP3 deutlich aus der Reihe. Die schnelle Ent- wässerung, die auch durch die steile Korngrößenverteilung bedingt ist, kam bei Verwendung des Verdickers A2 besonders stark zum Tragen und äußerte sich im ständigen Trockenlaufen der Streichfarbe auf den Auftragswalzen der Filmpresse. Auch die Immobilisierungsfeststoff- gehalt der FP 3 aus Abbildung 20 zeigten den geringsten Wert an. Der positive Effekt aus den Mistinguntersuchungen aus Kapitel 4.2, der einen möglichst geringen Abstand zwischen An-

(27)

satzfeststoffgehalt und Immobilisierungsfefststoffgehalt in Bezug auf Mistingvermeidung an- deutet, zeigt an, dass ein zu geringes ∆TG ebenfalls zu Runnabilityproblemen führen kann.

0 100 200 300 400 500 600

FP 1 FP 2 FP 3 FP 4 FP 5 FP 6

Immobilisierungszeit [s]

Abbildung 21: Immobilisierungszeit der FP Reihe

Auch bei der Ultraschallmessung mit dem PDA.C-Gerät weicht die FP 3 deutlich von den übri- gen Streichfarben ab (Abbildung 22). Das schnellere Abfallen des Ultraschallsignals zeigt eine rasche Abgabe von Wasser an das Streichrohpapier an, was eine sehr gute Korrelation mit den Messergebnissen aus dem Immobilisierungsverhalten und der Wasserretention wider- spiegelt.