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Titel
Reduzierung der Streifigkeit beim Wellpappen-Flexo-Direktdruck durch Optimie- rung der Strichschichteigenschaften in der Weise, dass die Abhängigkeit der Druckfarbenaufnahme vom Plattendruck verringert wird
R. Gericke, R. Metz
Inhalt
1 Zusammenfassung 2
2 Abstract 4
3 Einleitung 6
4 Versuchsdurchführung 13
5 Selektion der Materialien und deren Charakteristika 15 6 Absorption bei gestrichenen Papieren und kapillarer Transport 18
7 Streichen im Labormaßstab 22
7.1 Einstellen unterschiedlicher Strichporosität 22
7.2 Streichen an den Labor Coatern 30
7.3 Anfertigung von Wellpappen-Mustern und Charakterisierung im Labor 35 8 Herstellung und Charakterisierung gestrichener Liner auf der VESTRA 41 8.1 Überprüfung der besten Strich-Rezepturen im industriellen Maßstab 45 8.2 Korrelation von Strichparametern mit Wellpappen-Bedruckbarkeit 47 9 Wirtschaftlichkeitsbetrachtung & Resümee 49
1 Zusammenfassung
Thema Reduzierung der Streifigkeit beim Wellpappen-Flexo-Direktdruck durch Optimie- rung der Strichschichteigenschaften in der Weise, dass die Abhängigkeit der Druckfarbenaufnahme vom Plattendruck verringert wird
Ziel des Projektes
Wellpappendirektdruck ist ein Verfahren das aufgrund seiner Wirtschaftlichkeit enorme Bedeutung gewonnen hat. Verfahrensbedingt treten jedoch während des Druckens zwischen Wellenberg und Wellental Ungleichmäßigkeiten auf, die sich in einer gewissen Streifigkeit des Druckbildes äußern.
Das Projekt zielt auf eine Reduzierung der Streifigkeit beim direkten Bedrucken von Wellpappe im Flexodruck-Verfahren durch eine Optimierung der Liner- Strichschicht ab. Die Strichschicht wurde dabei so zu optimiert, dass die Far- bübertragung in einem möglichst weiten Bereich druckunabhängiger wird.
Ergebnisse Neben den mechanischen Eigenschaften der Wellpappe, ist die Pigmentauswahl der entscheidende Strichparameter zur Verringerung der Streifigkeit beim Flexo- Direktdruck. Auf den kapillaren Transport der Druckfarbenbestandteile und deren gleichmäßige Verteilung ist über die Pigmentauswahl für den Strich Einfluss zu nehmen.
Sowohl die Teilchengrößenverteilung wie auch die Feinheit der verwendeten Pigmente zeigen über die Porositätsentwicklung und Oberflächentopografie deutliche Effekte auf die zu beobachtende Reduzierung der Streifigkeit der Labor und Technikumsmuster. Dabei bewirken die feinteiligen Pigmente eine Vergröße- rung der effektiven Oberfläche die zur Bedruckung zur Verfügung steht.
Die Untersuchungen im Zusammenhang mit einer Barriereschicht wie auch der Variation der Strichgewichte bei mehrfach gestrichenen Mustern verdeutlichten den herausragenden Einfluss des Deckstrichs auf die Verringerung der Streifig- keit des Ausdrucks.
Zudem konnte aufgezeigt werden, dass eine Variation der Klebstoffdicke bei der Herstellung der Wellpappe bei sonst unveränderten Bedingungen keinen Ein- fluss auf die Streifigkeit im Ausdruck hat.
Schluss- folgerung
Der Einsatz spezieller Pigmente im Deckstrich des Liners führt zu einer gleich- mäßigeren und dadurch druckunabhängigeren Druckfarbenannahme im Well- pappendirektdruck. Dadurch ist eine visuell sichtbare Verringerung der Streifig- keit erreicht worden. Ein Verzicht auf die zunächst angedachte Barriereschicht zur Minderung der kapillaren Sogwirkung des Strichs, ermöglicht eine kosten- günstigere industrielle Umsetzung der Ergebnisse des Forschungsthemas. Die verbesserte und gleichbleibende Qualität der Liner Oberfläche trägt zur Verringe- rung der Qualitätsnachteile gegenüber dem Flexo- Preprint-Verfahren bei.
Nutzen und wirtschaftliche Bedeutung des Forschungsthem as für kleine und mittlere
Unternehmen (kmU)
Die Verringerung der Streifigkeit beim Wellpappen-Flexo-Direktdruck birgt ein hohes Potential zur Qualitätsverbesserung von Verpackungen, Träger oder Displays aus bedruckter Wellpappe. Hochwertige Wellpappen werden häufig im Preprint-Verfahren bedruckt, was zusätzlichen Aufwand und somit zusätzliche Kosten darstellt. Neben Pigment- und Druckfarbenherstellern und Druckereien profitieren insbesondere Wellpappen-Weiterverarbeiter von einer industriellen Umsetzung der Forschungsergebnisse durch:
Vermeidung / Verringerung der druckbildstörenden Streifigkeit
Dadurch auch Einsatz günstigerer Wellpappenmaterialien
Zeiteinsparung durch Reduzierung der Reklamationen
Erhöhte Kundenzufriedenheit
Danksagung Das Forschungsvorhaben IGF 16666N der AiF-Forschungsvereinigung PTS wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.
Dafür sei an dieser Stelle herzlich gedankt.
Unser Dank gilt außerdem den beteiligten deutschen und südafrikanischen Firmen für die Probenbereitstellung und für die freundliche Unterstützung bei der Projektdurchführung.
2 Abstract
Theme Streakiness reduction during direct flexographic printing of corrugated board by optimizing the coat layer properties in such a way that the ink absorption de- pends less on plate pressure
Project aim The direct printing of corrugated board is a highly economical process which has gained enormous importance. However, process-induced non-uniformities between crest and trough of the flutes manifest themselves as streakiness of the print image.
The project aimed to reduce the streakiness during direct flexographic printing of corrugated board by optimising the liner coating. Aim of the coat layer optimisa- tion was to ensure a less pressure-dependent ink transfer over large areas.
Results Besides the mechanical properties of corrugated board, the pigments selected are the main coating parameter in terms of streakiness reduction in direct flexo- graphic printing. The selection of coating pigments influences the capillary transport and even distribution of ink components.
Via porosity development and surface topography, the particle size distribution and fineness of the pigments used were found to have significant effects on the streakiness reduction of laboratory and pilot-scale samples. Fine pigments were found to enlarge the surface area effectively available for printing.
Studies into the use of barrier layers and the coat weight variation of multiply coated samples illustrated the outstanding influence of the top coat on streaki- ness reduction.
Moreover, it could be demonstrated that varying the thickness of the adhesive layer used in corrugated board production (whilst leaving all other parameters constant) has no effect on print streakiness.
Conclusion The use of special pigments in the top coat of the liner results in a more uniform and, thus, pressure-independent ink acceptance in direct corrugated board printing. This leads to visibly reduced streakiness. The initially planned use of a barrier layer to decrease the capillary suction effect of the coating was finally dismissed, thus paving the way for the more cost-effective implementation of research results in industry. An improved and highly consistent quality of the liner surface helps reduce quality deficiencies compared with flexographic pre- printing.
Economic relevance of this research subject for small and medium enter- prises (SME)
A reduced streakiness during direct flexographic printing of corrugated board offers great potential for improving the quality of packages, carriers or displays made of printed corrugated board. High-quality corrugated board is frequently printed in a pre-printing process, which means extra effort and costs. Besides pigment and printing ink manufacturers as well as printers, especially corrugated board converters will benefit from the industrial implementation of research results by:
avoiding / reducing streakiness that disturbs the print image
using more cost-effective corrugated board materials
time savings due to fewer complaints
increased customer satisfaction
Acknowledge- ment
The IGF 16666N research project of the AiF research association PTS was funded within the program of promoting “pre-competitive joint research (IGF)” by the German Federal Ministry of Economics and Technology BMWi based on a decision of the German Bundestag and carried out under the umbrella of the German Federation of Industrial Co-operative Research Associations (AiF) in Cologne. We would like to express our warm gratitude for this support.
We would also like to express our thanks to the involved German and South African companies for providing proper samples as well as for supporting project performance.
3 Einleitung
Bedeutung des Bedruckens von Wellpappe – POS (Point of Sale)
Ein Großteil der Wellpappen-Produktion entfällt auf Verpackungen, Displays und Kartonagen für den Einzelhandel. Werden die Anteile wichtiger Abnehmerindust- rien am Wellpappenumsatz betrachtet, betrug dieser beispielsweise für die Nahrungs- und Genussmittel-Industrie 32,7% (2008). Solche Dis- plays/Verpackungen sollen den Kunden direkt am Verkaufsplatz (Point of Sale) zum Kauf anregen – eine optisch und drucktechnisch ansprechende Verpackung erhöht die Kaufbereitschaft. Die Verpackung wird dabei zum Differenzierungs- merkmal im Preiskampf.
In der heutigen Zeit müssen discountfähige Regalverpackungen oder Displays mindestens vierfarbig bedruckbar sein um den optisch steigenden Ansprüchen gerecht zu werden. Daneben muss auch ein einfaches Handling der Regalver- packungen durch Markt- und Distributionspersonal sichergestellt werden. Dabei ist immer zu beachten, dass eine Verpackung durch den Mehrwert („added value“) durchaus auch etwas mehr kosten darf. Nichtsdestotrotz geht der Trend neben den Kartonverpackungen auch bei Wellpappverpackungen zu Verede- lungsverfahren die sich direkt in der Druckmaschine in einem Durchlauf umset- zen lassen [1]. Das prominenteste Beispiel hierfür ist das Flexo-Direktdruck (Postprint) –Verfahren. Nachfolgend ist ein typischer Aufbau skizziert.
Druckform-Zylinder
Farb- Kammerrakel
mit Rasterwalze Gegendruck-
zylinder Wellpappe Druckform-Zylinder
Farb- Kammerrakel
mit Rasterwalze Gegendruck-
zylinder Wellpappe
Vorteile und Nachteile verschiedener Wellpappen- Druckverfahren
Die hauptsächlichen Druckverfahren für Wellpappe lassen sich wie folgt einteilen [2]:
Flexo-Direktdruck (Postprint)
Flexo-Preprint
Offset-Preprint
Beim Flexo-Direktdruck wird direkt auf die fertige Wellpappe gedruckt. Dadurch lässt sich im Vergleich zum Vordruck (Preprint) – Verfahren der Arbeitsgang des Kaschierens flexo- oder offsetbedruckter Deckenpapiere einsparen. Die beste Druckqualität lässt sich derzeit noch mit Offset-Preprint erreichen, wobei durch
empfindlicher gegenüber Substrat-Unebenheiten ist [3]. In 2008 waren laut vdw bei vierfarbigem Druck die Anteile der drei wichtigsten Druckverfahren in Deutschland wie folgt [4]:
69% Flexo-Direktdruck
26% Flexo-Preprint
5% Offset-Preprint
Problemstellung:
Streifigkeit und Waschbretteffekt
Bei der Wellpappe kommen eben genannte Substrat-Unebenheiten hauptsäch- lich durch die Welle zustande. Der Wellpappenliner besitzt auf dem Wellenberg einen größeren Widerstand gegenüber der Druck-Walze als im Wellental. Die Verklebung auf dem Wellenberg kann diesen Effekt noch verstärken. Dadurch kommt es beim Bedrucken häufig zu sichtbarer Streifenbildung.
Die Streifenbildung korreliert meist mit dem bereits auf der unbedruckten Well- pappe sichtbaren und fühlbaren „Waschbretteffekt“. Dieser entsteht oft ebenfalls durch das Verkleben des Liners mit der Welle bei der Wellpappenherstellung.
Dabei spielen der Kleber, die Dicke des Deckenliners, die Wellenweite sowie die Papierfestigkeit eine Rolle [5].
Oftmals wird in der Literatur die Streifigkeit mit dem Waschbretteffekt gleichge- setzt. Wir wollen jedoch bei der eindeutigen und oben bereits genannten Definiti- on bleiben. Streifigkeit ist die rein optische Beeinträchtigung – Waschbretteffekt ist die sichtbare und fühlbare Bildung von Wellen.
Meistens tritt zumindest ein minimaler Waschbretteffekt auf, da sich der Decken- liner von dem Rückseiten-Liner unterscheidet. Daher lässt sich anhand eines möglichen mechanischen Zusammenhangs ein Aspekt der Widerstandsunter- schiede mittels folgender Zeichnung vereinfacht darstellen.
Die Abbildung oben zeigt eine unverformte Wellpappe mit leichtem Waschbrett-
beim Wellenberg annähernd gleich. Daraus folgt, dass der Anpressdruck der Druckwalze auf den Wellenbergen nahezu gleich bleibt – im Gegensatz zu dem Anpressdruck zwischen den Wellenbergen, der allein aufgrund des möglichen Verformungswegs sich deutlich ändern kann.
In der Praxis sind die Verhältnisse sehr viel komplexer, da auch die Verformbar- und Dehnbarkeit der Welle sowie der Decken und Rückseiten-Liner eine Rolle spielen. Selbst bei einer Wellpappe ohne jeden ersichtlichen Wellpappeneffekt gibt es Unterschiede im Anpressdruck, da eine minimale Dehnung, welche beim Liner nahezu immer vorhanden ist, ausreicht, so dass im Wellental ein höherer Anpressdruck erforderlich wird.
Regelmäßige streifige Störungen
Wie bereits erwähnt, kann eine Streifigkeit bereits vor dem Bedrucken entstehen – der sogenannte Waschbrett-Effekt. Dieser kann sich in Verbindung mit den durch den Druckprozess hervorgerufenen Streifen zu einer optisch noch extre- meren Streifigkeit verstärken. Betrachtet man nur das Druckbild ohne Berück- sichtigung eines eventuell vorhandenen Waschbrett-Effekts lassen sich ver- schiedene Arten von Streifigkeit unterscheiden. Diese werden in den folgenden Abschnitten dargestellt [6].
Eine weitere Quelle von Streifigkeit ist die Bildung von sogenannten schwarzen Streifen durch die hohen Temperaturen und Drücke beim Verkleben des Liners mit der Kartonwelle auf dem Liner im Bereich des Wellenbergs der Welle. Diese Thematik soll hier jedoch wegen der heutzutage nur noch geringeren Relevanz nicht ausführlich behandelt werden.
Gewöhnliche Streifigkeit
Die gewöhnliche Streifigkeit stellt die häufigste Art der Streifigkeit dar. Sie tritt insbesondere beim Halbton-Druck, aber auch gelegentlich beim Volltondruck auf.
Bei Halbtonflächen erkennt man die unterschiedlichen Größen der Halbton- Punkte. Meist sind diese in den Bereichen auf den Wellenbergen größer als in den Tälern. Wie dies auch in dem folgenden Beispiel einer im Halbton bedruck- ten Wellpappe mit einem weiß gedeckten, ungestrichenen Liner zu sehen ist (rechts vergrößerter Ausschnitt).
Bisher sind typische Druckdichteschwankungen als Ursache angeführt. Möglich sind auch Druckglanzschwankungen, die entweder für sich alleine oder in Kombination mit Druckdichteschwankungen auftreten können. Der hauptsächli- che Grund für Streifigkeit ist jedoch der Unterschied in der Druckdichte bzw. der Größe der Punkte beim Halbtondruck [7], wobei letztere auch von der Oberfläche des Substrats (Liners) abhängen können.
Invertierte Streifigkeit
Von invertierter Streifigkeit wird gesprochen, wenn insbesondere im Volltondruck die Farbdichte entlang der Wellenberge niedriger ist als im Wellental. Folgende Abbildung zeigt ein Beispiel einer solchen invertierten Streifigkeit auf einer Wellpappe mit gestrichenem Liner.
Für diesen Effekt ist eine ungünstige und nicht allzu oft auftretende Kombination verschiedener und nicht immer gleicher Parameter verantwortlich, die zu einer unzureichenden Farbaufnahme entlang der Wellenberge führt. Die Druckfarbe kann dort nicht schnell genug absorbiert werden und wird an die Ränder ge- drückt. Hier kann meist ein besser absorbierender Deckenliner Abhilfe schaffen [6].
Genauere Betrachtung der Ursachen für die Streifigkeit
Die Ursachen der Streifigkeit können neben drucktechnischen Problemen auf drei Hauptursachen zurückgeführt werden:
Druckunterschiede aufgrund der Welle
Einfluss des Substrats
Einfluss des Waschbretteffekts
Regelmäßige streifige Muster können auch entstehen, wenn das Druckwerk nicht „rund“ läuft. Lagerschäden, exzentrische Rollen oder schlecht gereinigte Druckplatten können meist in entsprechend höheren Perioden bezüglich der Wellpappen-Welle die Streifigkeit verstärken.
Druckunterschie de aufgrund der Welle
Wie bereits erwähnt kommt es aufgrund der Welle zu Druckunterschieden im Anpressdruck der Druckwalzen – am Wellenberg sind diese höher und im Wellental niedriger. Beim Druckergebnis werden zwischen Halbton- und Vollton- flächen grundsätzlich gegenläufige Trends beobachtet. Ist der Druck im Druck- spalt auf die zu bedruckende Oberfläche höher, so werden im Halbton-Druck grundsätzlich verbreiterte Druckpunkte erhalten, da der hohe Druck die Druck- farbe auch lateral auf der obersten Papier- oder Strichschicht verteilt. Anders verhält es sich beim Volltondruck. Der hohe Druck sorgt aus demselben Grund dafür, dass die gesamte Fläche bedeckt wird und somit die Streifigkeit in dem Bereich des Wellenbergs eher vermieden wird.
Der Anpressdruck kann auch durch die Steifigkeit des Wellenmaterials sowie der Härte der Druckplatte gesteuert werden. Folgende Tabelle fasst die gegensätz- lich wirkenden Maßnahmen zur Minimierung der Streifigkeit zusammen [6].
Drucktyp Druckspalt Wellen-Steifigkeit Härte der Druckplatte
Halbton erweitern erniedrigen erhöhen
Vollton verkleinern erhöhen erniedrigen
Eine Quantifizierung der Zusammenhänge um somit eine potentielle Vorhersage zur Streifigkeit treffen zu können wurde von Hofstrand durchgeführt [8].
Einfluss des Substrats
Die Grammatur des Liners hat ebenfalls einen entscheidenden Einfluss auf die Druckqualität. Für beide Drucktypen erzielt man mit einem steiferen Liner eine bessere Druckqualität, da das ganze System starrer und somit die Unterschiede zwischen Wellenberg und -tal verringert werden.
Liner die mehr Anpressdruck für die Farbaufnahme benötigen zeigen verstärkt die Problematik der Streifigkeit beim Bedrucken [9]. Hier spielt eine gute Druck- farbenaufnahme die entscheidende Rolle.
Nicht zuletzt tritt immer wieder das Problem einer nicht gleichbleibenden Qualität der Liner auf. Die Ursachen liegen einerseits bei ungleichmäßiger Papierqualität und andererseits, dass meist mittels Blade-Streichverfahren zwar ein sehr glatter, aber ungleichmäßig dicker und nicht der Papieroberfläche folgender Strich erhalten wird.
In der Praxis wird die Morphologie der Strichschicht weniger über die Streichfar- beneigenschaften sondern in erster Linie über das Auftragssystem eingestellt. In der folgenden Übersicht sind die mit den verschiedenen Auftragsaggregaten erreichbaren Strichqualitäten sowie die entsprechenden Vor- und Nachteile dargestellt:
• geringe Glätte
• geringer Glanz
• ideale Abdeckung
• sehr gleichmäßige Strichverteilung
• Mehrschichtauftrag
• geringe Papierbelastung
• geringe Glätte
• geringer Glanz
• Mistinggefahr
• Orange Peel (Filmpresse)
• gute Abdeckung
• gleichmäßige Strichverteilung
• geringe Papierbelastung
• ungleichmäßige Strichverteilung Mottlinggefahr
• Abdeckung gering
• Anfällig für Abrisse
• hohe Glätte
• hoher Glanz
Nachteile Vorteile
• geringe Glätte
• geringer Glanz
• ideale Abdeckung
• sehr gleichmäßige Strichverteilung
• Mehrschichtauftrag
• geringe Papierbelastung
• geringe Glätte
• geringer Glanz
• Mistinggefahr
• Orange Peel (Filmpresse)
• gute Abdeckung
• gleichmäßige Strichverteilung
• geringe Papierbelastung
• ungleichmäßige Strichverteilung Mottlinggefahr
• Abdeckung gering
• Anfällig für Abrisse
• hohe Glätte
• hoher Glanz
Nachteile Vorteile
Bladecoater: Nivellierender Strich Bladecoater: Nivellierender Strich
Curtain Coater: Idealer Konturstrich Curtain Coater: Idealer Konturstrich Rakel / Filmpresse: Konturstrich Rakel / Filmpresse: Konturstrich
Vor allem hinsichtlich Mottling und Abdeckung zeigt der ideale Konturstrich des Curtain Coating Vorteile. Die einzigen entscheidenden Nachteile beim Curtain Coating sind niedriger Glanz und niedrige Glätte sowie die schlechte Bedruck- barkeit im Tiefdruckverfahren (missing dots). Für eine optimale Tiefdruckbe- druckbarkeit ist ein Zweifach-Blade-Strichkonzept ein bewährtes und vorrangig benutztes Verfahren [10].
Mittels eines optimierten Systems, das eventuell auch aus einer Kombination aus z.B. Blade und Curtain – Streichverfahren besteht, ist es vorstellbar eine opti- mierte Oberfläche für die Reduzierung der Streifigkeit im Wellpappen-Flexo- Direktdruck zu erhalten.
Einfluss des Waschbrett- effekts
Auf den ersten Blick sieht es so aus, als ob der sichtbare Waschbretteffekt einen großen Einfluss auf die Druckverhältnisse und somit die Streifigkeit haben sollte.
Da jedoch der Druck und die Kompression (bis zu 400 µm) im Druckspalt viel höher sind als die Erhebungen der „Waschbrett-Berge“ (ca. 50 µm) hat der Waschbrett-Effekt in der Regel keinen zusätzlichen Einfluss. Lediglich bei niedrigeren Drücken kann ein Effekt beobachtet werden. Allerdings kann der Waschbretteffekt neben der Haptik auch per se die Optik des Produkts beein- trächtigen. Des Weiteren können an solchen Erhebungen in der Wellpappenma- schine Poliereffekte auftreten wodurch der oben bereits erwähnte generell eher zu vernachlässigende Effekt der Glanz-Streifigkeit wieder mehr ins Gewicht fallen kann.
Bei Untersuchungen zum Unterschied in der Rauigkeit der Lineroberfläche einer Wellpappe zwischen Wellenberg und Wellental wurde festgestellt, dass dieser Unterschied durch den Poliereffekt der Heizschuhe beim Kleben verursacht wird.
Die Oberfläche auf den Wellenbergen ist glatter als zwischen den Wellenbergen [11,12].
Strategien um Streifigkeit zu vermeiden
Eine der einfachsten und gebräuchlichsten Maßnahmen die Streifigkeit zu verringern ist Liner mit einer höheren Grammatur zu verwenden. Dies hat jedoch eine deutliche Kostensteigerung zur Folge.
In der Praxis wird häufig probiert den Anpressdruck im Druckspalt so weit zu erhöhen, bis ein ausreichend hoher Farbübertrag gegeben ist und somit keine Streifigkeit mehr auftritt. Diese Vorgehensweise hat jedoch den großen Nachteil, dass dadurch die Struktur der Wellpappe in Mitleidenschaft gezogen wird. Lu und Chen haben für Wellpappen mit einer B-Welle gezeigt, dass diese bereits bei Drücken von 0,23 MPa zerstört werden, wobei ein solcher Druck sich noch durchaus im normalen Anpressdruck-Bereich für den Flexodruck bewegt [13].
Eine weitere Maßnahme ist die Anpassung der Härte (E-Modul) der Flexo- Druckplatten. Ein Druckzylinder mit Foto-Polymer-Platte mit einem niedrigeren E- Modul verträgt sich in der Regel besser mit der welligen Struktur der Wellpap- pen-Oberfläche. Dies hat vor allem mit der ungleichmäßigeren Spannungsvertei- lung in der Druckplatte zu tun [8]. Auch dies führt zu Kostennachteilen, wenn man in Betracht zieht, dass durch häufigen Wechsel verschiedener Druckplatten Kosten anfallen und auch zeitlich die Flexibilität bezüglich der jeweiligen Druck- anwendung eingeschränkt wird.
Ähnlich verhält es sich mit der Steifigkeit und der Wellenweite. Die ausschließli- che Verwendung von kleineren und steiferen Wellen stellt eine Einschränkung gegenüber mechanischer Anforderungen und Wirtschaftlichkeit bei gewissen Einsatzgebieten dar.
Des Weiteren wird der Druckspalt-Abstand entsprechend angepasst um die Streifigkeit zu minimieren. Dies stellt keine große Umstellung dar und sollte auch zukünftig immer in Betracht gezogen werden.
Insbesondere um auch den Waschbretteffekt zu vermeiden versucht man optimierte Klebstoffe und so wenig wie möglich davon zu verwenden. Hier gibt es zukünftig noch Optimierungs-Potential.
Einfluß Porosität und Strichsystem
Holmvall und Uesaka geben für die Vermeidung der Streifigkeit beim Wellpap- pen-Flexo-Direktdruck von Volltonflächen als Empfehlung, das Drucksystem weniger empfindlich für die lokalen Druckunterschiede in der Wellpappe zu machen. Neben der Optimierung der Druckplatten empfehlen sie die Druckfar- ben-Übertragungs-Charakteristik der Liner der Wellpappe so anzupassen, dass bereits bei niederem Drücken beim Druck bzgl. der Druckdichte ein Plateau erreicht wird [9].
Im Projekt wird über die Einstellung der physikalischen Eigenschaften des Strichs bzw. des mehrlagigen Strichsystems die Druckfarbenaufnahme druckun- abhängiger gemacht werden. Vor allem die Porosität und damit in Zusammen- hang die Kapillarität und deren Abstimmung in unterschiedlichen übereinander liegenden Strichschichten hat zum Erreichen des Projektziels beigetragen.
Forschungsziel Ziel des Forschungsvorhabens war die Reduzierung der Streifigkeit beim direk- ten Bedrucken von Wellpappe im Flexodruck-Verfahren durch eine Optimierung der Liner-Strichschicht. Die Strichschicht(en) wurden so optimiert, dass die Farbübertragung in einem möglichst weiten Bereich druckunabhängiger wird.
Dies soll dabei vor allem im Bereich der niederen Anpressdrücke der Fall sein, da bei zu hohen Beistellungen die Wellpappen-Struktur in Mitleidenschaft gezo- gen werden kann.
4 Versuchsdurchführung
Einflussgrößen Porengröße und kapillarer Flüssigkeitstransport
Oberflächenporosität und Pigmenteigenschaften
Bedeutung für Druckfarbenabsorption an CaCO3
Überblick Lösungsweg
Zunächst wurden im Labor ausgehend von einer Modellstreichfarbe Liner gestri- chen und diese eingehend bezüglich Porosität, Kapillarität und andere Bedruck- barkeitseigenschaften untersucht. Im Anschluss daran wurden ausgewählte Muster am Labor Coater (Blade Coater und Curtain Coater) gefertigt. Mit den so gestrichenen Linern wurden Labor-Wellpappenmuster gefertigt und diese an- schließend im Flexo-Direktdruck im Labormaßstab am DFTA-TZ bedruckt und ausgewertet.
Um realitätsnahe Aussagen zu bekommen, wurden ausgewählte Streichfarben Liner auf der Versuchs-Streichanlage (VESTRA) der PTS gestrichen, Wellpap- penmuster gefertigt und wiederum bedruckt und geprüft. Anschließend erfolgten mit den besten Rezepturen die Herstellung und das Bedrucken von Wellpappe bei den Industriepartnern.
Ein zentrales Ziel des Projektes war es, Korrelationen zwischen den physikali- schen Eigenschaften des Strichs und der Wellpappen-Bedruckbarkeit zu ermit- teln.
Herstellung gestrichener Deckenpapiere
Die hergestellten Streichmassen wurden mit Hilfe eines Drahtrakelgerätes (Control Coater der Firma Erichsen GmbH & Co. KG) auf daser BasispapierKar- ton aufgetragen. Je nach gewünschtem Strichgewicht wurde ein entsprechendes Rakel (Rakel 1 bis 8 mit abgestufter Drahtstärke bzw. Tiefe der gefrästen Rille) ausgewählt und die dafür passende Geschwindigkeit (Geschwindigkeit 1 bis 10) ermittelt. Wenn nicht anders erwähnt, wurden nach dem Streichen die Papier- muster in einen auf 150°C vorgeheizten Ofen 3 min lang getrocknet.
Für die Kalandrierversuche an den im Labor hergestellten gestrichenen Papier- mustern wurde ein Laborkalander mit Stahlrolle (Bauart Kleinewerfers) einge- setzt. Hier können Temperaturen bis zu 100°C und ein Liniendruck bis zu 10000 DaN (entsprechend 160 bar) eingestellt werden.
Absorptions- tester nach Bristow
(Bristow Wheel)
Der Absorptionstester nach Bristow (Bristow Wheel) wurde zur Ermittlung des Farbaufnahmevermögens von Papieren eingesetzt. Es wird ein Papierstreifen mit 24mm Breite auf die Oberfläche des Prüfrades, welches sich mit definierter Geschwindigkeit bewegt, aufgespannt. Für die Prüfung wird eine Spendevorrich- tung, die eine festgelegte Menge der Prüftinte enthält, mit dem Papierstreifen in Kontakt gebracht. Das Prüfrad bewegt sich mit dem Papierstreifen mit definierter Geschwindigkeit unter der Spendevorrichtung hinweg dabei wird die Prüftinte auf das Papier übertragen. Mit der zur Verfügung stehenden Tintenmenge wird je nach Absorptionsvermögen des Papiers ein längerer oder kürzerer Farbstreifen auf die Probe übertragen. Je kürzer die Farbstreifenlänge ist umso höher ist das Absorptionsvermögen der Probenoberfläche. Um tatsächlich in der Praxis auftretende Bedingungen nachstellen zu können, sind unterschiedliche Prüftinten einsetzbar.
Die für die Untersuchungen ausgewählte Inkjet-Tinte ist hinsichtlich Oberflächen- spannung und Viskosität mit einer Flexodruckfarbe vergleichbar und sehr gut auf das Prüfgerät abgestimmt.
Porosität mittels Wischtest
Die Messung der Porosität mittel Wischtest ist eine relativ schnelle und einfache Methodik das Absorptionsvermögen von Papier und Karton zu bestimmen. Es ist zwar keine standardisierte Prüfmethode, ist jedoch in der Praxis bei Papierher- stellern eingeführt und sehr weit verbreitet. Als Prüfmittel werden eine Glasplatte, ein Prüfstempel aus Kunststoff, eine Stoppuhr und ein weiches, fusselfreises Tissuepapier benötigt. Die Prüffarbe ist eine ölbasierende Offset-Druckfarbe eines Farbenherstellers mit der Bezeichnung „Testfarbe Nr. 1520“.
Oberflächen- spannung nach Kontaktwinkel- methode
Für die Messung der Oerflächenspannung wurde ein Kontaktwinkelmessgerät FIBRO DAT (“Dynamic Angle Tester” der FIBRO Systems AB) verwendet. Es kann dazu eingesetzt werden die oberflächenenergetischen Eigenschaften (Oberflächenspannung und Polarität) von Papier, Karton und Folie zu ermitteln.
Nach experimenteller Bestimmung der sich auf der Probe einstellenden Kontakt- winkel von zwei unterschiedlichen Prüfflüssigkeiten mit bekannten Oberflächen- spannungen kann daraus die Oberflächenspannung der Probe berechnet werden. Als Prüfflüssigkeiten wurden Wasser und Formamid mit bekannten Oberflächenspannungen verwendet.
5 Selektion der Materialien und deren Charakteristika
Auswahl des Liners
Es wurden zwei unterschiedliche ungestrichene Linerpapiere für den Flexo- Direktdruck auf Wellpappe ausgewählt (Tabelle 1). Dabei wurden Liner verwen- det, die gestrichen bekanntermaßen zur Ausbildung von Streifigkeit beim Flexo- Direktdruck neigen.
Tabelle 1: Spezifikationen der Versuchspapiere Versuchspapiere flächenbez. Masse
(g/m2)
Dicke (µm)
Liner A 180 221
Liner B 143 175
Rahmenbedingu ngen der Streichfarben- Eigenschaften
Geeignete Streichfarben-Materialien wurden ausgewählt. Dabei spielt einerseits die praxisgerechte Handhabung und Auftragung und andererseits die Streichfä- higkeit einerseits auf einem Blade-Auftragssystem sowie andererseits auch auf dem Curtain Coater eine Rolle.
Bezüglich der Material-Auswahl spielen die Pigmente eine entscheidende Rolle – hauptsächlich über diese sollen unterschiedliche Porositäten und Kapillaritäten eingestellt werden.
Bezüglich der Bindersysteme ist vor allem in Richtung einer eher barrierebilden- den Schicht eine geeignete Auswahl zu treffen – auch in Abstimmung mit den Anforderungen der zu verwendenden Pigmente.
Pigmentauswahl Für die Streichfarbe wurden insgesamt 14 Pigmente ausgewählt:
GCC mit breiter Partikelgrößenverteilung (BPSD): G60, G90, G95 und GF
GCC mit enger Partikelgrößenverteilung (NPSD): GS60, GS75 und GS85
PCC : P60, P40 und P3000
Nano-PCC: P16, P17 und P18 sowie
Kieselsäure (SiO2): S50
Die Pigment lagen alle in Form einer Slurry mit unterschiedlichen Feststoffgehal- ten vor
Tabelle 2: Spezifikationen der Streichfarbenpigmente Bezeichnung Pigmentart mittlere Partikel-
größe, µm
spez.
Oberfläche, m²/g
Partikelform Feststoffgehalt, % (Slurry)
G60 GCC (BPSD) 129 8 Kugel 76,8
G90 GCC (BPSD) 0,77 10 Kugel 78
G95 GCC (BPSD) 0,33 23 Kugel 77,4
GS60 GCC (NPSD) 1,2 5,5 Kugel 71,1
GS75 GCC (NPSD) 1,13 6 Kugel 70,1
GS85 GCC (NPSD) 0,51 13 Kugel 71,8
P40 PCC 0,4 9 Aragonit 71
P60 PCC 0,6 12 Aragonit 70,7
P3000 PCC 0,35 13 Aragonit 72,3
P16 Nano PCC 0,32 22 Rhomboeder 41,5
P17 Nano PCC 0,8 10 Skalenoeder 54,4
P18 Nano PCC 0,41 38,6 Rhomboeder 40,8
S50 SiO2 0,16 42 Kugel 50,6
GF GCC 0,83 8,3 Kugel 74,9
Zusammen- setzung der Streichfarben- rezeptur
Die Streichfarben setzen sich aus folgenden Komponenten zusammen (vgl.
Tabelle 3):
Pigmente: Calciumcarbonat (GCC oder PCC), Nano-PCC und SiO2
Binder: wässrige Dispersion eines carboxylierten Styrol-Butadien Copo- lymerisats
Cobinder: Polyvinylalkohol (PVA)
Additive: Verdicker (wässrige Dispersion auf Basis Acrylsäureester und ungesättigte Carbonsäuren
Tabelle 3: Streichfarbenformulierung und Varianten
Bestandteil (in Teilen) Variante 1 Variante 2 Pigment (CaCO3, Nano-
PCC,SiO2)
100 100
Binder (SB) 12 ----
Cobinder (PVA) 0,3 16
Verdicker nach Bedarf nach Bedarf
Feststoffgehalt, % ca. 68 ca. 22
pH-Wert 9 9
Brookfield-Viskosität
(SP 5, 100min-1), mPas 1500 1700
Die Rezeptur-Variante 1 wurde für die Calciumcarbonat-Pigmente eingesetzt, wobei jedoch die Feststoffgehalte der Nano-PCC-Slurry zu niedrig sind, um den angestrebten Feststoffgehalt von 68% der Streichfarbe erreichen zu können. Bei diesen Pigmenten wurde der maximal erreichbare FG verwendet.
Das Kieselsäure-Pigment erforderte eine abweichende Streichfarbenrezeptur, hierfür wurde die Variante 2 entwickelt.
Für die Barriereschichten wurden Polymere auf Basis kationischer Stärke, Polyurethan und hydrolysiertem PVA verwendet. Diese Schichten unterscheiden sich hinsichtlich ihres Molekulargewichts und oberflächenenergetischen Niveaus, sowie deren Oberflächenchemie.
6 Absorption bei gestrichenen Papieren und kapillarer Transport
Druckfarbenab- sorption
Die Druckfarbenabsorption wird durch den Strich vermindert, wobei aber eine gleichmäßigere Druckfarben annehmende Struktur gebildet wird, im Vergleich zur ungleichmäßigen Absorption beim Rohpapier. Auf Grund der ansteigenden Druckgeschwindigkeiten und Qualitätsansprüche bevorzugen mehr und mehr Drucker eine schnellere Druckfarbentrocknung. Als Folge wird eine höhere Druckfarbenabsorption des Strichs gefordert. Dies kann durch eine Veränderung in der Strichstruktur erreicht werden. Dazu wurden bereits eine Reihe von Arbeiten durchgeführt.
Porengröße und kapillarer
Flüssigkeitstrans port
Verschiedene Ansätze wurden unternommen, um die Beziehung zwischen der Porengröße und dem kapillaren Flüssigkeitstransport zu beschreiben um letztlich die Bedruckbarkeit von Papier vorhersagen zu können [14].
Die Lucas-Washburn-Gleichung wird immer wieder bemüht um Vorgänge bei der Druckfarbenbindemittelaufnahme im Papier zu beschreiben. Gleichung 1 zeigt, dass die Eindringtiefe einer Flüssigkeit in eine Pore eine Funktion der Zeit, der Viskosität, der Grenzflächenspannung, des Kontaktwinkels und des Porenradius ist. Die Gleichung 2 zeigt auf, dass größere Poren ein höheres Eindringvolumen fördern und folge dessen eine schnellere Druckfarbenbindemittelaufnahme begünstigen.
Gleichung 1
2
cos
2
R t
x
Gleichung .2
2
2
R cos t
R n V
p pBei der Lucas-Washburn-Gleichung ist jedoch die größte Einschränkung, dass die Masse der eindringenden Flüssigkeit vernachlässigt wird. Ebenso sollte der Verzögerungseffekt einer beschleunigten Flüssigkeit betrachtet werden. Gemäß der Bosanquet-Gleichung zieht J. Schölkopf in Betracht, dass kleinere Porengrö- ßen zu höheren Kapillarkräften führen [15]. Weiter zeigen J. Schölkopf et al. dass eine weitere Porenstruktur eine höhere Druckfarbenpenetration ergibt, aber eine kleinere Porengröße eine höhere Druckfarbenpenetration hat, sofern die Ober- flächenporosität konstant ist [16].
Gleichung 3 2
2 cos
2 1 , 0
t p
eR x t
Gleichung 4 2
2 cos
2 1 , 0
p ep
t p
R R t
n
V
Poren eine höhere Druckfarbenabsorption bewirken.
Gleichung 5
2
3
cos t
n R V
p pGleichung 6
R
R t n V
p p2
2
cos
Druckfarben sind keine reinen Flüssigkeiten, sondern eine Mischung mit Farb- pigmenten bzw. Farbstoffen. Somit bildet sich während der Farbaufnahme mutmaßlich ein Filterkuchen auf der Oberfläche und die Druckfarbenpenetration wird auf Grund verstopfter feinerer Poren verringert. Xiang et al. schätzten in [18]
das absorbierte Druckfarbenbindemittel unter Berücksichtigung des Filterku- cheneffekts ab.
Gleichung 7
s f
s p
K
R t
V R
1 1 8
2
cos
2 2
Geht die Durchlässigkeit des Filterkuchens gegen
, kann die Gleichung 7 gekürzt werden zu:Gleichung 8
2
cos t V
pR
Ist jedoch die Durchlässigkeit des Filterkuchens klein, kann Gleichung 7 gekürzt werden zu:
Gleichung 9
s s f
p
R
t V K
4 1 cos
Cathy et al. [19] lieferte eine weitere Theorie zur Absorption und Druckfarbenauf- nahme. Dabei wurden die Kapillarität und die Permeabilität in unterschiedliche Bereiche hinsichtlich der Porengrößen aufgeteilt (vgl. Abbildung 1). Im Bereich der kleineren Poren ergibt die Kapillarität eine hohe Absorptionsrate und im Bereich der größeren Poren steuert die Permeabilität die Absorption in Abhän- gigkeit von den Zwickelhohlräumen und dem Vernetzungsgrad der Poren. Das
0 1 2 3 4 5
0,001 0,01 0,1 1 10
Durchmesser (µm) log (Volumen / cm³g-1 )
Teilchengrößenbereich für Kapillarität
Teilchengrößenbereich für Pemeabilität
Trennung der beiden Bereichen
Abbildung 1: Bereiche der Absorption in Funktion der Teilchengröße [19]
Oberflächenporo sität und
Pigmenteigensch aften
Vorausgesetzt, die Pigmentpartikel sind alle gleich groß und kugelförmig (sphä- risch), so kann die Strichoberfläche wie folgt prinzipiell skizziert werden:
Längeneinheit
Lä nge ne inhe it
R Pigment
Längeneinheit
Lä nge ne inhe it
R Pigment R Pigment R Pigment
Abbildung 2: Prinzipielle Darstellung einer Strichoberfläche bei gleichgroßen und kugelförmigen Pigmentpartikeln [20]
Gleichung 10: Oberflächenporosität
ε n R π
p
2Das Verhältnis zwischen der Porengröße und der Oberflächenporosität kann wie folgt dargestellt werden.
Gleichung 11
constant 215
. ) 0
4 (
4 ) 4
(
2 2 2
2
pigment
pigment pigment
R
R π R
R n ε
p
In der Modellbetrachtung ergibt sich für die Oberflächenporosität eine Konstante, da sie unabhängig von der Partikelgröße des Pigments ist, sofern die Porosität als offene Fläche zur mit Kugelprojektionen bedeckten Gesamtfläche verstanden wird. Die Oberflächenporosität als Verhältnis der offenen nicht abgedeckten Fläche der quadratischen, die Kugel enthaltende Fläche der Kantenlänge des 2fachen Kugelradius zur Gesamtfläche des Quadrats ist für die Modellbetrach- tung gleichgroßer, runder Pigmentteilchen maximal. Je breiter die Teilchengrö- ßenverteilung wird, desto geringer fällt die Oberflächenporosität aus, da jeweils kleinere Pigmentteilchen die Zwischenräume teilweise ausfüllen können.
Bedeutung für Druckfarbenabso rption an CaCO3
Unter Berücksichtigung der Betrachtungen der oben genannten Autoren sowie empirischer Erfahrungen kann die Absorptionsfähigkeit unterschiedlicher Calci- umcarbonat-Pigmente wie folgt zusammengefasst werden [20]:
feine Pigmente bewirken ein schnelleres Abbinden der Druckfarbe als grobkörnige Pigmente
eine enge Partikelgrößenverteilung ergibt ein größeres Porenvolumen als eine breite, bei gleicher mittlerer Partikelgröße
rhomboedrisches PCC hat größere Poren, was ein langsames Abbinden der Druckfarbe bewirkt, im Gegensatz zu Aragonit PCC, das feinere Poren hat und schnelleres Abbinden der Druckfarbe ermöglicht
Nach diesen Ergebnissen könnten die Anforderungen für ein ideales Pigment mit hohem Absorptionsvermögen wie folgt sein:
1. gleichmäßige Partikelgröße (außerordentlich eng verteilt) für eine offenporige Oberfläche,
2. sehr feine Partikelgröße für eine möglichst hohe Kapillarität, 3. eine gute Permeabilität, um den Filterkucheneffekt zu reduzieren,
4. und besondere Teilchenformen des Pigments mit einem hohen inneren Porenvolumen, was eine hohe Saugfähigkeit ergibt.
Allerdings werden diese Anforderungen von einem Industrieprodukt aus techni- schen und ökonomischen Gründen wohl kaum alle gleichzeitig erfüllt werden
7 Streichen im Labormaßstab
7.1 Einstellen unterschiedlicher Strichporosität
Streichversuche am Handrakel – Unterschiedliche Porosität
Für die Labor-Handrakel Versuche wurden mit den aus AP 1 festgelegten Materialien ein Laborprogramm aufgestellt und die ebenfalls aus AP 1 ermittelten beiden Basis-Liner zunächst einfach gestrichen.
Penetrations- vorgänge
Penetrationsvorgänge in und an Papieren lassen sich mittels Ultraschallmessung mit sehr hoher Zeitauflösung verfolgen [21]. Bei der Beurteilung des Ein- und Durchdringens von Flüssigkeiten im Papier spielen folgende Einzelvorgänge eine Rolle:
Flüssigkeitspenetration in das Kapillarsystem des Papiers,
durch Oberflächendiffusion auf die Fasern,
durch Diffusion durch die Fasern,
durch Dampfphasentransport.
Messprinzip Da Ultraschall durch ein trockenes Papier über das Fasergerüst übertragen wird (Luft absorbiert und reflektiert die Schallwellen), wirkt sich jede physikalische Änderung des Fasergerüstes auf die Transmission aus. Damit ist der Prozess der Wechselwirkung Faser/Flüssigkeit erfasst. Bei der Verwendung von Wasser findet bei der Aufnahme durch die Papierfasern eine Destabilisierung der Fasern statt. Die Transmission nimmt infolge dieser Zustandsänderung der Fasern dramatisch ab, d. h. die Dämpfung nimmt zu.
Messkurve Durch die oben beschriebenen Vorgänge kommt es im Lauf der Messung zu einer Änderung der Ultraschall-Absorption. Eine typische Ultraschall- Penetrationskurve ist in der folgenden Abbildung dargestellt (Abbildung 3):
60 70 80 90 100
Imax
W - Wert
A60 - Wert
Kriterium für Masseleimung Kriterium für
Hydrophobierung Oberflächenleimung Oberflächeneigenschaften
60 70 80 90 100
Imax
W - Wert
A60 - Wert
Kriterium für Masseleimung Kriterium für
Hydrophobierung Oberflächenleimung Oberflächeneigenschaften
Interpretation der Messwerte
Aus den Penetrationskurven I(t) lassen sich drei Parameter entnehmen:
1. A60: beschreibt den Volumen-Penetrationswiderstand (für 60s Messzeit)
60
0
) ( 60
100
60 W I t dt
A
2. W: beschreibt die Barriereeigenschaften der Papieroberfläche
max
0
max ( )
100
t
dt t I t
W
3. tmax :beschreibt die Oberflächenpenetrationszeit Penetrations-
verhalten
Nachdem die Masseleimung des Papiers nicht für das Penetrationsverhalten des Strichs relevant ist, wurde diese Messgröße nicht weiter ausgewertet.
Tabelle 4: Kennwerte zum Penetrationsverhalten
Pigment W-Wert t max, s
G60 0,064 0,398
G90 0,089 0,350
G95 0,100 0,610
GF 0,056 0,326
GS60 0,038 0,206 GS75 0,081 0,474
GS 85 0,024 0,142
P3000 0,021 0,162
P40 0,016 0,126
P60 0,001 0,055
P16 0,027 0,222
P17 0,000 0,042
P18 0,061 0,142
S50 0,000 0,042
Einfachstriche Es wurden Streichversuche mit 14 verschiedenen Pigmenten auf einem Streich- rohpapier durchgeführt. Wegen unterschiedlicher Feststoffgehalte der Pigments- lurrys und wegen Einschränkungen beim Streichen mit den Laborcoatern wurden drei Stufen an Auftragsgewicht appliziert (ca. 16 g/m², ca. 9 g/m² und ca. 6 g/m²).
In nachfolgender Abbildung sind die Ergebnisse des Wischtests für ein Strichge- wicht von ca. 16 g/m² (Kontakzeit 7 s) dargestellt.
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2
G 60 G 90 G 95 G F G S 60 G S 75 G S 85 P 40 P 60 P 3000
optische Dichte
(B P S D ) G C C
P C C (N P S D ) G C C
Abbildung 4: Porosität mit Wischtest für Einfachstriche mit ca. 16 g/m² Strichge- wicht nach 7s Kontaktzeit
Abbildung 4 zeigt, dass die Streichfarben mit PCC Pigmenten die größten optischen Farbdichten aufweisen, was auf ein gutes Absorptionsvermögen hindeutet. Die Streichfarbe mit GCC-Pigmenten (NPSD) haben ebenfalls ein gutes Absorptionsvermögen. Im Gegensatz dazu weisen Streichfarben mit GCC (BPSD) die niedrigste Farbdichte, d.h. ein geringes Absorptionsvermögen auf.
Dieses Verhalten kann mit einer größeren offenen Oberfläche bei PCC- und (NPSD) GCC-Pigmenten als bei (BPSD) GCC-Pigmenten erklärt werden. Eine bessere Durchlässigkeit des Strichs führt zu einer schnelleren Druckfarbenpenet- ration, was ein höheres Absorptionsvermögen bedeutet.
Innerhalb der Streichfarbengruppe mit PCC-Pigment nimmt die optische Farbdichte mit Abnahme der Partikelgröße ab (PP3000 < P40 <P60). Dies scheint im Widerspruch mit der Bosanquet-Gleichung, die besagt, je kleiner die Partikelgröße (Porengröße) umso größer ist die Absorptionsrate. Im vorliegenden Fall liegen aber ungleiche Bereiche der Partikelgrößenverteilungen vor. Obgleich das Pigment P3000 die kleinste Partikelgröße mit wiederum dem kleinsten Porenvolumen hat, weisen die Pigmente P40 und P60 mit gröberen Partikeln und einer offeneren Oberflächenstruktur eine größere Absorptionsrate pro spezifische Oberfläche auf. Die gleiche Tendenz bei den Strichen mit GCC- Pigment - abnehmende Farbdichte bei abnehmender Partikelgröße (G60 < GF <
G90 < G95) - kann somit ebenfalls erklärt werden. Bei den Strichen mit (NPSD) GCC-Pigmenten hat das feinste Pigment GS85 jedoch die höchste Farbdichte.
Dies dürfte auf eine besonders enge Partikelgrößenverteilung hindeuten mit einer hohen Anzahl an Partikeln nahezu gleicher Teilchengröße.
Strichgewichtsva riation
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4
G60 G90
G95 GF
GS60 GS75
GS85 P40
P60 P30
00 PC17
PC16 PC18
S50
optische Dichte
16 g /m ² 6 g /m ²
9 g /m ²
Abbildung 5: Porosität mit Wischtest für alle Einfachstriche (16 g/m², 9 g/m², 6 g/m² Strichgewicht) nach 7s Kontaktzeit
Das SiO2-Pigment S50 weist ein schlechteres Ergebnis im Wischtest als feines BPSD-GCC auf. Dafür können möglicherweise drei Faktoren verantwortlich sein:
1. das geringe Strichgewicht ermöglicht es nicht viel Druckfarbe aufzuneh- men,
2. sehr fein Partikelgröße erweitert den Kapillarbereich, was zu geringer Absorptionsrate und Permeabilität führt,
3. das unterschiedliche Bindersystem (16 Teile PVA im Vergleich zu SB- Latex) macht das Ergebnis nicht vergleichbar (höherer PVA-Anteil be- wirkt höhere Wasserresistenz und limitierte Porenstruktur). Dennoch sind die 16 Teile PVA für die Stabilität des SiO2-Strichs unbedingt notwendig.
Ebenso wurde der Wischtest nach einer Kontaktzeit von 2 Minuten durchgeführt, der die gesättigte Farbdichte des gestrichenen Papiers abbildet.
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0
G60 G90
G95 GF
GS60 GS75
GS85 P40
P60 P30
00 PC17
PC16 PC18
S50
optische Dichte
7s 120 s
16 g /m ² 9 g /m ² 6 g /m ²
Abbildung 6: Porosität mit Wischtest für alle Einfachstriche (16 g/m², 9 g/m², 6 g/m² Strichgewicht) nach 7s und 2 min Kontaktzeit
In Abbildung 6 ist festzustellen, dass die Ergebnisse des Wischtests nach 7 s und nach 2 min weitgehend den gleichen Trend zeigen. Lediglich das Niveau der optischen farbdicht ist nach 2 Minuten Kontaktzeit höher als nach 7s. Jedoch sind aber auch leichte Unterschiede zu erkennen, wie z.B. eine leichte Zunahme der Farbdichte bei den feinen (BPSD) GCC-Pigmenten (G90, G95, GF) sowie dem Rückgang bei PCC-Pigment P40. Wie bereits erwähnt wird der Wischtest bei 7s beeinflusst von der Absortionsgeschwindigkeit und -vermögen, wohinge- gen der Wischtest 2 min lediglich einen Hinweis auf das Absorptionsvermögen (Porosität) liefert. Die Ergebnisse zeigen einen Einfluss der verschiedenen Absorptionsraten. Vereinfacht kann gesagt werden, dass möglicherweise die Absorptionsrate teilweise unabhängig von dem Absorptionsvermögen (Porosität) ist.
Einfluss des Strichgewichts auf das
Absorptions- vermögen
Zunächst wurde auf einen konstanten Vorstrich mit dem Pigment G60 ein Deckstrich mit Pigment P16 in 1, 2 bzw. 3 Schichten aufgetragen. Dadurch wurde ein ansteigendes Strichgewicht erzielt. das Absorptionsvermögen wurde mit dem Wischtest charakterisiert (vgl. Abbildung 7).
Wie erwartet erhöht sich die Kapazität des Strichs mit zunehmendem Strichge- wicht des Deckstrichs. Die Abweichung in der Messkurve von 7 s Kontaktzeit im unteren Bereich könnte auf unterschiedliche Absorptionsraten zwischen Vor- und Deckschicht zurückgeführt werden.
Bei geringen Strichgewichten des Deckstrichs ist möglicherweise die Wechsel- wirkung im Absorptionsverhalten der Strichschichten deutlicher erkennbar, als
Abbildung 7: Porosität mit Wischtest: Zweifachstriche mit variiertem Strichge- wicht des Deckstrichs (Pigment P16; 7s und 2 min Kontaktzeit)
Als weiteres Ergebnis wird das hohe Absorptionsverhalten des Pigmentes P16 verdeutlicht. Die Ergebnisse bei 2 min Kontaktzeit zeigen hauptsächlich die Porosität. Selbst bei einer verzögerten Wechselwirkung zwischen den Schichten, kann die Druckfarbe bei ausreichender Wartezeit tiefer in den Strich ein penetrie- ren. Demzufolge nimmt die Saugfähigkeit bei Erhöhung der Pigmentmenge im Deckstrich zu.
In einer zweiten Versuchsreihe (Abbildung 8) wurde ein weniger saugfähiges Pigment (G95) auf das Rohpapier in 1 bis 4 Schichten aufgestrichen.
Bei der Verwendung eines wenig saugfähigen Pigmentes (G95), ist im Gegen- satz zu der deutlichen Steigerung bei einem saugfähigen Pigment, keine signifi- kante Zunahme des Absorptionsvermögens bei Erhöhung des Strichgewichts erkennbar (vgl. Abbildung 8). Die Abnahme von einschichtigem zu zweischichti- gem Strichauftrag bei 7s Kontaktzeit kann möglicherweise mit einer nicht ausrei- chende Abdeckung des Rohpapiers durch die eine Schicht - ca. 13 g/m² - erklärt werden. Deshalb kann die Saugfähigkeit des Rohpapiers hierbei durchschlagen.
Sobald die Schtrichschicht den Rohkarton komplett abdeckt, kann dieser Einfluss vernachlässigt werden. Die Abweichungen in der Messkurve bei Kontakzeit 2 min sind nicht eindeutig zu erklären und müssen auf messverfahrensbedingte Ursachen zurückgeführt werden.
Kalandrierte Einfachstriche
Um die Anforderung einer für den Flexodruck ausreichende Glätte zu erzielen, wurde ein Laborkalander eingesetzt und damit die Rauheit (gemessen nach PPS) auf ein gewisses Niveau eingestellt. Es darf sicher davon ausgegangen werden, dass die Saugfähigkeit durch die Kalandrierung auf Grund der veränder- ten Porenstruktur beeinflusst wird. Mit Hilfe des Wischtests (Kontaktzeit 7s) wurde ein Vergleich zwischen kalandrierten und nicht kalandrierten Einfachstri- chen vorgenommen (vgl. Abbildung 9).
Abbildung 9: Porosität mit Wischtest für kalandrierte und nicht kalandrierte Einfachstriche (7s Kontaktzeit)
Der Vergleich im Wischtest (nach 7s) zeigt einen signifikanten Rückgang in der Saugfähigkeit durch das Kalandrieren. Die verschiedenen Pigmente zeigen auch nach der Satinage noch die gleichen Tendenzen in der Porosität, obwohl die Ergebnisse durch das Verdichten auf einem reduzierten Niveau sich einpendeln.
Der Vergleich über den Wischtest nach 2 min Kontaktzeit (vgl. Abbildung 10) bestätigt diese Niveauverschiebung.
Abbildung 10: Porosität mit Wischtest für kalandrierte und nicht kalandrierte Einfachstriche (2 min Kontaktzeit)
Die Ergebnisse der Farbaufnahme mit dem Bristow Wheel (vgl. Abbildung 11) bestätigen die Ergebnisse des Wischtests. Auch hier ist ein ähnlicher Rückgang der Farbaufnahmefähigkeit durch das Kalandrieren festzustellen.
Abbildung 11: Farbaufnahme mit dem Bristow Wheel für kalandrierte und nicht kalandrierte Einfachstriche
Das Kalandrieren verlängert die Farbstreifenlänge, was eine zu erwartende Verringerung der Kapazität aufgrund der Komprimierung der Papiere aufzeigt.
Aber, wie bereits ausgeführt, ist die Wiederholbarkeit mit einer hohen Streuung
7.2 Streichen an den Labor Coatern
Labor-Blade- Coater
Mit einer ersten Auswahl von Mustern aus den Vorversuchen auf der Labor- handrakel wurden gleichmäßigere Muster zunächst mit dem Labor-Blade-Coater gestrichen. Hier können nacheinander auch ein Vorstrich und ein Deckstrich bei geringer Schwankung des Strichgewichts aufgebracht werden.
Multi-Layer Curtain Coater
Ebenfalls im Halb-Technikums-Maßstab lassen sich A4 Einzelblätter mit dem an der PTS vorhandenen Labor-Curtain Coater streichen. Auch hier gelangt man zu realistischeren und gleichmäßigeren Mustern als mit einem Handrakel.
Des Weiteren ist es möglich Muster, die mit dem Labor-Blade-Coater vorgestri- chen wurden mittels Curtain Coater mit einem weiteren Strich (oder Strichsys- tem) zu versehen.
Versuche Labor Curtain Coater
Durch die unterschiedliche Dosierung (Zugaben von 0,3 Teilen, 0,5 Teilen und 0,7 Teilen zur Streichfarbe) wurde zunächst der Einfluss der eingesetzten PVA Typen auf die Viskosität und die Verarbeitbarkeit mittels Curtain Coater heraus- gestellt.
Mit einem Brookfieldviskosimeter (Spindel 4) wurde die Streichfarbenrheologie erfasst. Ein Auslaufbecher (Ford-Becher) wurde verwendet um eine Vorhersage über die Verarbeitbarkeit mit dem CurtainCoater zu treffen. Danach kann eine Streichfarbe mit einem kontinuierlich auslaufenden Flüssigkeitsstrang länger 1m als gut „Curtain“-geeignet bezeichnet werden.
Für den Vorstrich wurde ein Strichauftrag mit ca. 20 g/m² mit Pigment G60 hergestellt. Der Topstrich wurde mit 10 g/m² mit den Pigmenten G60, G95, P60 sowie P17 aufgetragen, Zudem wurden noch zwei weitere Topcoat- Strichgewichte mit G60 (15 g/m² und 20 g/m²) und mit P17 (5g/m² und 7g/m²) erprobt.
Bei einem Feststoffgehalt von 60 % und einem PVA-Anteil von 0,3 Teilen waren die rheologische Eigenschaften der Strichfarben nicht für das Curtaincoating ausreichend. Deshalb wurden der Feststoffgehalt auf 62 % und der PVA-Anteil auf 0,4 Teile erhöht. Die gestrichenen Musterpapiere wurden anschließend kalandriert (80°C, 16 bar Druck und 1 Durchgang).
Mehrschichtkonz ept – Nass in Nass - Auftrag
Bereits an der Labor-Handrakel kann ein Nass in Nass – Auftrag (wie beim Curtain Coating) simuliert und mit Nass auf Trocken (analog Blade Coating) verglichen werden. Für Nass auf Trocken wird nach dem ersten Strich getrocknet und für Nass auf Nass wird direkt im Anschluss an den ersten Strich der zweite Strich darüber aufgetragen. Somit können auch hier erste Hinweise zur Anwend- barkeit des Multilayer Curtain Coatings gewonnen werden.
Zweifachstriche Das Pigment G60 wurde für den Vorstrich (Srichauftrag ca. 19 g/m²) verwendet
Abbildung 12: Porosität mit Wischtest für kalandrierte zweifachgestrichene Papiere mit unterschiedlichen Deckstrichen (7s und 2min Kontaktzeit)
Aus dem Diagramm ist zu erkennen, dass das (NPSD) GCC-Pigment GS60 und das PCC-Pigment P60 etwa gleich gute Absorptionseigenschaften zeigen wie bei den Versuchen mit Einfachstrichen. Die Pigmente P16 und P18 zeigen ebenfalls vergleichbare Trends wie bei den einfach gestrichenen Papieren.
Außerdem sind auch hier das PCC-Pigment G95 und das Kieselsäurepigment S50 diejenigen mit der geringsten Saugfähigkeit. Pigment P17 zeigt wiederum die höchste Absorption, wobei jedoch ein deutlicher Rückgang im Abstand zu den anderen Pigmenten erkennbar ist. Ob der Rückgang auf das geringere Deckstrichgewicht (4 g/m²) oder auf einen Einfluss des Vorstrichs zurückgeführt werden kann, ist nicht eindeutig zu beantworten. Zwischen den Ergebnissen der 7s Kontaktzeit und der 2 min Kontaktzeit sind keine signifikanten Abweichungen im Trend zu sehen.
Ein Vergleich zwischen zweifach gestrichenen Papieren mit einfach gestrichenen Mustern zeigt einen Rückgang des Absorptionsvermögens (vgl. Abbildung 13).
Eine mögliche Erklärung hierfür könnte das geringere Strichgewicht des Deckstrichs im Vergleich zum Einfachstrich sein, wodurch die Wirkung der absorbierenden Pigmente geringer wird. Das recht gering saugfähige Pigment G95 zeigt deshalb keinen Effekt. Das Pigment G60 im Vorstricht hat gegenüber dem Pigment G95 im Deckstrich ein besseres Absorptionsvermögen. Allerdings kann damit nicht die Abnahme beim Pigment S50 in der Saugfähigkeit erklärt werden. Eventuell kann auch ein Einfluss des Basispapiers - Einfachstrich Liner A und Zweifachstrich Liner B - bestehen, was die statistische Vergleichbarkeit der Ergebnisse in Abbildung 13 begrenzen würde.
Abbildung 13: Porosität mit Wischtest für einfach- und zweifachgestrichene Papiere mit unterschiedlichen Pigmenten (7s Kontaktzeit)
Zweifachstriche mit
Barriereschicht
In dieser Versuchsreihe wurde mit Hilfe von drei unterschiedlichen Substanzen eine Barriereschicht vor dem Deckstrich aufgebracht. Der Vorstrich wurde analog zu oben appliziert, die Kalandrierung nach dem Deckstrich erfolgte ebenfalls wie bei den bisherigen Versuchen.
Ziel dieser Versuchsreihe war, eine optimierte Zwischenschicht einzubringen, die eine übermäßige Penetration verhindert und die möglicherweise auftretende Wechselwirkung zwischen Vor- und Deckstrich vermeidet. In nachfolgender Tabelle sind die Basisdaten der Zwischenschichten aufgeführt.
Tabelle 5: Basisdaten für Barrierezwischenschichten Barrieremittel Polyurethan Stärke
(kationisch)
Polyvinyl- alkohol
Abkürzung PU EMC PVA
Strichgewicht (g/m²) 3,3 1,5 0,4
Oberflächenspannung (mN/m)
27 51 41
Die Strichgewicht des Deckstrichs (TCW) und die Rauheit (PPS) der fertigen Papiermuster sind wie folgt:
Tabelle 6: Deckstrichgewicht und Rauheit von Zweifachstrichen mit Barriere- schicht
Pigment TCW(g/m2) PPS (µm)
PU
G95 6,3 2,9 GS60 6,2 2,0
P17 4,3 2,7
EMC
G95 7,3 6,3 GS60 7,9 5,6
P17 6,8 4,1
PVA
G95 10,2 4,5 GS60 10,3 4,9
P17 5,30 3,6
In dieser Versuchsreihe wurden für die Deckstriche ein feines GCC-Pigment (G95), ein (BPSD) GCC-Pigment (GS60) und ein Nano-Pigment (P17) einge- setzt. Die Absorptionseigenschaften Papiere mit Barriereschicht zwischen Vor- und Deckstrich ist in Abbildung 14 dargestellt. Ein erhöhtes Absorptionsvermö- gen ist bei den Pigmenten G95 und P17 zu erkennen, sofern PU oder EMC die Zwischenschicht bilden.
Wird PVA als Zwischenschicht verwendet, ist ein deutlicher Rückgang des Absorptionsvermögens bei Pigment P17 zu beobachten. Möglicherweise kann dies auch auf das deutlich geringere Strichgewicht des Deckstrichs mit P17 zurückzuführen sein (von ca. 10 g/m² auf ca. 5 g/m²). Auch bei den Barriere- schichten aus PU oder EMC sind geringere Strichschichten bei Pigment P17 vorhanden, die aber nicht erkennbar das Ergebnis des Wischtests beeinflussen.
