Pts-Forschungsbericht aiF 15437 identiFikation des PigmenteinFlusses auF die vorgänge im auFtreFFPunkt des streichFarben- vorhangs (curtain) auF die PaPierbahn

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Pts-Forschungsbericht aiF 15437

identiFikation des PigmenteinFlusses auF die

vorgänge im auFtreFFPunkt des streichFarben-

vorhangs (curtain) auF die PaPierbahn

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Titel

Identifikation des Pigmenteinflusses auf die Vorgänge im Auftreffpunkt des Streichfarbenvorhangs (Curtain) auf die Papierbahn

M. Stäubner

Inhalt

1 Zusammenfassung 3

2 Abstract 5

3 Einleitung 6

3.1.1 Vorgänge im Auftreffpunkt des Streichfarbenvorhangs auf die Papierbahn... 7

3.1.2 Eigenschaften des Curtain Coaters... 7

3.1.3 Erfahrungen mit dem Curtain Coater ... 8

4 Versuchsdurchführung 10 5 Material und Methoden 12 5.1 Rohstoffe 12 5.2 Analytik 14 5.2.1 Pigmentuntersuchung... 14

5.2.2 Streichfarbenuntersuchung ... 14

5.2.3 Kartonprüfung ... 16

5.2.4 Satinage... 17

5.2.5 Druckprüfung ... 17

5.2.6 Weiterverarbeitung ... 18

6 Ausgewählte Laborergebnisse 18 6.1 Erweiterung des Labor Curtain Coaters 18 6.2 Entwicklung, Installation und Anwendung eines Sensors zur Messung der Fersengeometrie20 6.3 Herstellung von Streichfarben und Laborauftrag 21 6.3.1 Laborstreichversuche mit verschiedenen Auftragsaggregaten... 22

6.3.2 Auswertung der Laborversuche... 23

6.3.3 Korrelation der Streichfarbeneigenschaften mit den Vorgängen in der Auftreffzone ... 25

6.3.4 Einfluss von Feststoffgehalt und low-shear Viskosität auf die Vorgänge im Auftreffpunkt... 29

6.3.5 Einfluss verschiedener Pigmente auf die Vorgänge in der Auftreffzone... 30

6.3.6 Einfluss von Pigmentmischungen auf die Vorgänge im Auftreffpunkt ... 32

6.4 Festlegung der Charakterisierungsmethodik 34 6.5 Strategien zur Erweiterung des Arbeitsfensters des Curtain Coaters 35 7 Untersuchungen an einem Technikumsanlage 36 7.1 Technikumsversuch I 36 7.2 Technikumsversuch II 38 7.2.1 Abstecken der Eckpunkte des Arbeitsfensters... 39

7.2.2 Auftragen optimaler Streichfarben zur Qualitätsbewertung ... 42

7.2.3 Druck- und Weiterverarbeitbarkeitsversuche ... 44

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PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de

8 Schlussfolgerung 45

9 Wirtschaftlichkeitsbetrachtung 47

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1 Zusammenfassung

Zielstellung Die heute üblichen Auftragssysteme wie Blade und Filmpresse finden bereits einen weitverbreiteten Einsatz zur Oberflächenveredelung von Papier und Karton.

Das Curtain Coating ist ein bislang fast nur im Spezialpapierbereich eingesetz- tes, kontaktloses Streichverfahren, das ohne Überschuss an Streichfarbe auskommt. Um das Curtain Coating sowohl im Spezialpapierbereich optimal einsetzen zu können als auch im Bereich von Karton zu nutzen, war es wichtig, die Zusammenhänge in der Auftreffzone genauer zu betrachten. Des Weiteren ist es von großem Interesse zu evaluieren, welchen Einfluss die Fersenzone beim Auftrag mittels Curtain Coater auf das Streichen von herkömmlichen Kartonstreichfarben besitzt.

Hauptziel des Projektes war die Ermittlung und Erweiterung des Arbeitsfensters im Bereich der Fersenzone des Curtain Coaters. Durch einen einwandfreien Strichauftrag ohne Lufteinschlüsse oder Verwirbelungen in der Fersenzone ist es möglich, die Kartonoberfläche in idealer Weise abzudecken. Durch diese gute Abdeckung im Vor- und/oder Mittelstrich kann ein Teil- oder Vollersatz von Titandioxid im Kartonstrich erreicht werden, was zu deutlichen Kosteneinspa- rungen führt.

Curtain Coating Das Curtain Coating ist eine äußert innovative Beschichtungstechnik, die bereits in der Spezialpapierherstellung verbreiteten Einsatz findet (z.B. Selbst- durchschreibepapiere und hochwertige Ink-Jet Papiere). Für das Streichen von Karton, das insbesondere an die Abdeckung hohe Anforderungen stellt, sind im Rahmen des Projekts Lösungswege aufgezeigt worden, das Arbeitsfenster des Curtain Coaters zu erweitern.

Ergebnisse Zur Untersuchung der Fersenzone des Curtain Coaters wurden sowohl Labor- untersuchungen (Handrakel, Labor-Curtain Coater und Blade) als auch Versu- che im Technikumsmaßstab durchgeführt.

Dabei wurden Variationen hinsichtlich der Streichfarbenzusammensetzung und der Streichbedingungen (Bahngeschwindigkeit, Durchfluss, Viskosität) untersucht.

Die Versuche im Labor und auch die Versuche im Technikum haben gezeigt, dass neben der Reynoldszahl, die aus der Streichfarbendichte, dem Durchfluss, der dynamischen Viskosität (bestimmt bei 1000s^-1) und der Breite des Curtain Coater Kopfes bestimmt wurde, die Parameter

• Bahngeschwindigkeit und

• Streichfarbenzusammensetzung (z.B. Pigmenttyp) für die Ausbildung einer Ferse von zentraler Bedeutung sind.

Schluss-

folgerung Zur Fersenbildung bei Streichfarben für das Kartonstreichen kommt es nur dann, sofern mindestens einer der nachfolgenden Punkte erfüllt ist:

• Die Bahngeschwindigkeit liegt unter 300m/min,

• die dynamische Viskosität liegt deutlich unter 50mPas und / oder der Feststoffanteil (<< 60 %) ist sehr niedrig,

• die Durchflussmenge ist sehr hoch, d.h. es werden Auftragsgewichte

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>>60g/m² erreicht.

• Die Fersenbildung wird unterstützt durch die Änderung des Auftreffpunktes des Streichfarbenvorhangs (gegen die Laufrichtung d.h. Gießposition von 12 Uhr auf 11 Uhr).

Streichfarben mit reinen rhomboedrischen Calciumcarbonaten führen deutlich früher zur Fersenbildung als Mischungen aus Calciumcarbonat und calzinierten Kaolin.

Anhand der erzielten Ergebnisse ist es möglich, Titandioxid teilweise oder auch ganz zu ersetzen.

Nutzen und wirtschaftliche Bedeutung des Forschungs- themas für kleine und mittlere Unternehmen (kmU)

Neben den direkten Ergebnissen des Forschungsvorhabens steht den Unter- nehmen der Zuliefer- und Papierindustrie der Labor- und Technikums-Curtain Coater für die Durchführung von eigenen Versuchen zur Verfügung. Durch Bekanntmachen des entwickelten Labor-Curtain Coaters auch in anderen Industriezweigen, z.B. der Farben- und Lack- oder Kunststoffindustrie, können kleine und mittlere branchenfremde Unternehmen vom Forschungsvorhaben profitieren, sofern sie Untersuchungen daran durchführen.

Anhand der Forschungsergebnisse konnte auch nachgewiesen werden, dass ein teilweiser bzw. vollständiger Ersatz von Titandioxid in einer Streichfarbe möglich ist. Die Realisierung dessen ist mittels der Curtain Coating Technologie möglich unter der Verwendung von Mischungen aus Calciumcarbonat und calziniertem Kaolin. Dieses Ergebnis kommt vor allem kleinen und mittelständi- schen Unternehmen zu Gute, die bereits einen Curtain Coater besitzen oder in naher Zukunft in ein neues Streichaggregat investieren werden, da diese durch die Ressourceneinsparung auch mit den großen Unternehmen im direkten Wettbewerb stehen.

Danksagung Das Forschungsvorhaben IGF 15437N Curtain Coater / Fersenzoneder For- schungsvereinigung PTS wurde im Programm zur Förderung der „Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF)“ vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie über die AiF finanziert. Dafür sei an dieser Stelle herzlich gedankt.

Unser Dank gilt außerdem den beteiligten Firmen der Papier- und Zulieferin- dustrie für die Unterstützung der Arbeiten.

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2 Abstract

Theme Identifying the influence of pigments on the process at the heel of curtain impingement in a curtain coater.

Project objective The today common application systems, e.g. blade and film press are already widespread used for surface finishing of paper and board.

Curtain Coating is so far an almost applied and non-contacting coating process in the area of speciality paper, which gets by without an overspill of coating colour. To use the Curtain Coating technology in the area of speciality paper and in the area of board it was essential to examine the correlations in the striking area of the heel. Furthermore it is of great interest to evaluate the influence of the heeling zone by the application using the Curtain Coater at the coating of conventional board coating colours.

Therefore the main project objective was the evaluation and the enhancement of the working range in the field of the heel zone of the curtain coater.

By the use of a proper coat application without any trapped air or velocities in the heel zone it is possible to get an ideal coverage of the board surface.

Through this fine coverage in the pre- and/or middle coat a partly or fully replacement of titanium dioxide can be achieved in the area of board coating.

This also leads to considerable cost savings.

Curtain Coating Curtain Coating is an extremely innovative coating technology, which already has its application in the speciality paper production (non-carbon paper and high-quality ink-jet paper). For the coating of board which particularly provides high specifications at the coverage approaches are identified to enhance the working range of the Curtain Coater.

Project results To analyse the heel zone of the Curtain Coater, laboratory trails (hand rod, lab- Curtain Coater and blade) and pilot trials were made.

Thereby variations of the coating colour composition and coating conditions (track speed, flow rate, viscosity) were analysed.

The laboratory trials as well as the pilot trials have shown that next to the Reynolds’ number which is described from the coating colour density, the flow rate, the dynamic viscosity (at 1000s^-1) and the width of the Curtain Coating head, also parameters, e.g.

• track speed and

• colour composition (e.g. pigment type) are significant for the formation of a heel.

Conclusion There is only a formation of a heel if the following points are achieved:

• the track speed must be under 300m/min

• the dynamic viscosity is considerable under 50mPas and/or the solid content very low (<<60%)

• the flow rate is very high, i.e. coat weights >>60g/m²

• a formation of a heel will be supported through a changed curtain position (against the machine direction, i.e. cast position from 12 o’clock to 11 o’clock)

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Coating colours with pure rhombohedral calcium carbonates maintain to a considerable faster formation of a heel as mixtures of calcium carbonate and calcinated clay.

By the means of the received results it is possible to replace titan dioxide partly or even fully.

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

In addition to the direct results of the research project the laboratory curtain coater provides for the development of own trials for the companies of the supplier- and paper industry. Through the implementation of the developed laboratory curtain coater in other sectors of the industry, e.g. painting- and varnish- or synthetic industry small and medium sized enterprises outside the industry can profit by the research project if they make studies with it.

On the basis of the project results it is verified that a partly or rather a fully replacement of titan dioxide in a coating colour is possible. The realization whose is feasible by using the curtain Coating technology under the using of mixtures of calcium carbonate and calcinated clay.

This result inure to the benefit of small and medium sized enterprises which can compete with other large companies through the savings of resources.

Acknowledge-

ment The IGF 15437N Curtain Coater - heel zone research project of the research association PTS was funded within the program of promoting “pre-competitive joint research (IGF)” by the German Federal Ministry of Economics and Tech- nology BMWi 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 European companies for providing proper samples as well as for supporting project performance.

3 Einleitung

Abdeckung als

Qualitätsmerkmal Beim Streichen von Karton wird zur Verbesserung der Abdeckung des oft dunklen Basiskartons Titandioxid im Strich eingesetzt. Titandioxid besitzt einen sehr hohen Brechungsindex und trägt somit zu einer verstärkten Lichtbrechung bei, was sich in einer verbesserten Abdeckung widerspiegelt. Aufgrund des hohen Pigmentpreises sind die Kartonhersteller jedoch bestrebt, den Anteil von Titandioxid so weit wie möglich zu reduzieren. Meist werden zur Verbesserung der Kostenstruktur so genannte Titandioxidextender wie z.B. calziniertes Kaolin oder auch PCCs eingesetzt.

Je gleichmäßiger die Dicke einer Strichschicht ist, um so besser ist die Abde- ckung der Rohpapieroberfläche. Diesbezüglich ist also ein so genannter Konturstrich, wie er z.B. mit der erst in jüngster Zeit in der Papierindustrie eingeführten Curtain Coating Technologie realisierbar ist, sehr vorteilhaft. Bei einem idealen Konturstrich sollte sogar der teilweise oder vollständige Ersatz von Titandioxid durch preisgünstigere Pigmente möglich sein.

Aus internen Quellen der Forschungsstelle geht hervor, dass gegenwärtig ca.

31 Curtain Coater zur Herstellung von Spezialpapieren im industriellen Betrieb (Stand Mitte 2010) sind. Hauptsächlich wird kohlefreies Durchschlagpapier und Thermopapier produziert /1,2 /.

Grafische Papiere wurden bisher nur im Versuchsbetrieb mittels Curtain Coater

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gestrichen /3/. Die grundsätzlichen Vorteile des Curtain Coaters für diese Papiere sind jedoch so deutlich, dass bereits Untersuchungen zur kommerziel- len Nutzung des neuen Auftragsverfahrens für Massenpapiere durchgeführt wurden. Voraussetzung dafür ist, die bessere Beherrschung der Vorgänge beim Auftreffen der Streichfarbe auf das Papier sowie die Erweiterung und Optimie- rung des Arbeitsfensters der Curtain Coating Technologie.

3.1.1 Vorgänge im Auftreffpunkt des Streichfarbenvorhangs auf die Papierbahn Vorgänge beim

Auftreffen des Vorhangs

In der Auftreffzone des Vorhangs auf die Kartonbahn bestimmen Trägheits-, Kapillar- und Viskositätskräfte die Strömungsverhältnisse. Diese werden in starkem Maße von der Reynoldszahl bestimmt, also dem Verhältnis aus Trägheits- zu Zähigkeitskräften.

Bestimmung der

Reynoldszahl Die Reynoldszahl ist eine dimensionslose Kenngröße, die das Verhältnis von Trägheits- zu Zähigkeitskräften, multipliziert mit einer charakteristischen Länge, wiedergibt.

Für die Strömungsvorgänge beim Curtain Coating berechnet sich die Rey- noldszahl wie folgt:

η ρ η

ρ

×Q = ×h_C×v_C

=

Re Re Reynoldszahl [-]

ρ Dichte [kg/m³]

Q Volumetrische Flussrate [m³/s]

hC Dicke des Vorhangs [m]

vc Geschwindigkeit des Vorhangs

η Dynamische Viskosität [kg*m/s²]

Fersenbildung Die Höhe der Reynoldszahl bestimmt die Ausbildung einer „Ferse“ im Auftreff- punkt. Eine solche Fersenbildung verschiebt die Benetzungslinie gegen die Produktionsrichtung der Kartonbahn.

Die Fersenbildung in der Auftreffzone ist nach /4/ umso ausgeprägter,

• je höher die Reynoldszahl,

• je höher die Flussrate und

• je geringer die Geschwindigkeitsunterschiede zwischen Papierbahn und Vorhang sind.

Sich immer weiter ausbildende Fersen führen zur Bildung von Verwirbelungen, die Luft einschließen und somit Strichfehler wie z.B. Streifen oder das so genannte skip coating (ungedeckte Stellen) erzeugen können /4/.

3.1.2 Eigenschaften des Curtain Coaters Betriebsfenster

des Curtain Coaters

Das Betriebsfenster des Curtain Coaters kann entsprechend verschiedener Betrachtungsweisen dargestellt werden. Zum einen wird die Reynoldszahl sowie das Verhältnis aus Vorhang- und Bahngeschwindigkeit als limitierende Größen aufgetragen, zum anderen wird auch häufig die Abhängigkeit des Auftragsgewichtes von der Maschinengeschwindigkeit gezeigt.

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PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de Fe rs enbildung

Luf teins chlu ss V orhan gkontrak tion

V orhangb ru ch B etrie bsfen ster

Fe rs enbildung

V orhangb ru ch

Verwirbelungen -Musterbildung

Re

u/v_C Fe rs enbildung

V orhangb ru ch B etrie bsfen ster

Fe rs enbildung

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Verwirbelungen -Musterbildung

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u/v_C

Abbildung 1: Betriebsfenster des Curtain Coaters in Abhängigkeit der Maschinengeschwindigkeit und der nass aufgetragenen Strichmenge [5]

Geschwindig- keitsdifferenz u/vC

Bei sehr geringen Reynoldszahlen und Geschwindigkeitsdifferenzen u/vC wird der Vorhang stark gedehnt und beginnt, sich an den Rändern zu verengen (Kontraktion). Mit steigender Geschwindigkeitsdifferenz bricht er schließlich ab.

Eine Kontraktion des Films kann auch durch eine zu hohe Elastizität der Flüs- sigkeit hervorgerufen werden.

Lufteinschlüsse werden durch geringe Reynoldszahlen und hohe Geschwindig- keitsdifferenzen u/vC hervorgerufen. Auch in diesen Fällen kann es zu einem Abbruch des Vorhangs oder zu Fehlstellen auf dem Substrat kommen.

Sehr hohe Reynoldszahlen, z.B. durch hohe Flussraten, führen zu starker Fersenbildung und damit zu einem schlechten Strichbild.

Ab einer bestimmten Geschwindigkeitsdifferenz u/vC führen die Fersenbildung und der Lufteinschluss zu Verwirbelungen und damit Musterbildungen in Längsrichtungen der aufgetragenen Schicht /4, 6/.

3.1.3 Erfahrungen mit dem Curtain Coater Einfluss des

Rohpapiers In /7/ wurden drei verschiedene Rohpapiere mit einem Curtain Coater gestrichen. Ein vorkalandriertes Papier wies nach dem Streichen eine höhere Glätte sowie einen höhern Glanz auf als die anderen beiden (nicht satinierten) Papie- re. Diese unterschieden sich voneinander im Leimungsgrad. Das Papier mit stärkerer Leimung konnte höhere Glanzwerte erzielen. Auf die Glätte der Papiere hatte der Leimungsgrad dagegen keinen Einfluss.

Untersuchungen zum Einfluss der Rauigkeit des Rohpapiers wurden in /7/

durchgeführt. Erwartungsgemäß nahm mit steigender Glätte des Rohpapiers auch die Glätte des gestrichenen (nicht satinierten) Papiers zu. Nach der Satinage unterschieden sich die verschiedenen Papiere dagegen nicht mehr signifikant. Auch die Glanzwerte der gestrichenen, verschieden glatten Rohpa- piere unterschieden sich nicht signifikant. Nur bei dem Papier mit der gerings- ten Glätte wurden geringere Glanzwerte gemessen.

Die Glätte des Rohpapiers hat auch einen Einfluss auf die Stabilität der Luft- grenzschicht in der Auftreffzone /4/. Glattere Oberflächen reduzieren das Risiko des Lufteinschlusses, wodurch höhere Geschwindigkeiten erreicht werden können als mit raueren Papieren, ohne dass die Oberflächenqualität beeinflusst wird.

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PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de Einfluss der

Pigmente Der Einfluss verschiedener Kaolin- und GCC-Typen sowie ein Vergleich des Düsenauftragsaggregats und des Curtain Coaters werden in /8/ aufgezeigt. Ein Karton wurde im Doppelstrich mit verschiedenen Kombinationen der Auftrags- verfahren mit unterschiedlichen Formulierungen gestrichen. Ein höherer Kaolinanteil im Vorstrich verbesserte die Glätte, den Glanz und die Offsetbe- druckbarkeit (verringerte Mottling Tendenz). Durch Einsatz des Curtain Coaters wurden infolge der gleichmäßigen Abdeckung bessere Druckergebnisse erzielt.

Die auftretenden geringeren Glätte- und Glanzverluste können durch optimierte Streichfarbenrezepturen (mehr Kaolin) kompensiert werden.

Pigmente mit prismatischer Partikelform (z.B. PCC) bzw. geringem shape- Faktor verhalten sich eher vorteilhaft, vor allem aufgrund der fehlenden er- zwungenen Pigmentorientierung, was höhere Opazitätswerte erreichen lässt.

/9, 10/.

Einfluss von Bindemitteln, Cobindemitteln und Verdickern

Die Deckfähigkeit und Verstreckbarkeit der Streichfarben kann über den Typ und die Einsatzmenge des Verdickers gesteuert werden /9/. Die Verstreckbar- keit kann dabei durch drei grundlegende Systeme erzielt werden /11/:

• lange Molekülketten,

• Interaktionen zwischen den Polymeren und den Pigmenten,

• funktionelle Gruppen, die mit dem umgebenden Medium (meist Wasser) interagieren können, z.B. durch Wasserstoffdonatoren und -akzeptoren.

Eine Studie zum Einfluss von verschiedenen Cobindemitteln wurde in /10/

durchgeführt. Zunächst wurden in Laborversuchen spezielle wasserlösliche Cobinder auf Acrylsäure/ Actylamid-Basis mit hohen Molekulargewichten sowie konventionelle Cobinder (Stärke, CMC, Proteine, Polyvinylalkohol, klassische Acrylatverdicker, assoziative Verdicker) in eine Streichfarbenrezeptur eingear- beitet. Von diesen Streichfarben wurde mittels Dehnrheometer die Filamentle- bensdauer gemessen. Die Spezialverdicker zeigten dabei einen deutlichen Einfluss, wobei die Standard-Cobinder nur einen minimalen Einfluss auf die Filamentlebensdauer aufweisen. Bei der Messung der high-shear Viskosität durch Rotationsviskosimeter wurden dagegen keine signifikanten Unterschiede festgestellt.

Bei einem anschließenden Pilotversuch wurden vier Streichfarben mit unterschiedlichen Verdickern mit einem Curtain Coater verstrichen. Die Papiere, die mit den Farben gestrichen wurden, bei denen die Spezialverdicker eingesetzt wurden, zeigten deutlich weniger Oberflächendefekte und somit eine bessere Strichqualität als Papiere, bei denen kein Verdicker oder CMC eingesetzt wurde.

Die Auswahl geeigneter Rheologieadditive, die die Verstreckbarkeit von Streichfarben erhöhen, können dazu beitragen, Fehlstellen auf der Strichober- fläche deutlich zu reduzieren.

Ein Vergleich verschiedener Bindemittel im Blade- und Curtain-Coater-Prozess ist in /12/ beschrieben. Dabei wurde festgestellt, dass durch eine höhere Mikroporosität des Curtain Coater Strichs die Druckfarbe schneller in das Papier wegschlägt, wodurch auch der Druckglanz verringert wird. Durch eine Bindemittelvariation können diese Nachteile eliminiert werden, wodurch neue Möglichkeiten für das Curtain Coating im Bereich der Offsetpapiere eröffnet werden.

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PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de Einfluss des Auf-

tragsgewichtes Auftragsgewichte von 12, 15 und 18 g/m² wurden in /7/ mittels Curtain Coater auf Streichrohpapier aufgetragen. Unsatinierte Papier mit 15 g/m² zeigten gegenüber 12 g/m² geringere Rauigkeiten; eine weitere Erhöhung des Strich- gewichtes auf 18 g/m² brachte dagegen keine weitere Verringerung der Rauig- keit. Auch auf den Glanz der Papiere zeigten die verschiedenen Auftragsge- wichte im untersuchten Bereich keinen Einfluss.

Vorteile des

Curtain Coaters Folgende Vorteile obliegen der Curtain Coater Technologie:

• homogene Abdeckung der Rohpapieroberfläche durch gleichmäßige Strich- dicke möglich, da es sich um einen idealen Konturstrich handelt und nicht wie z.B. beim Bladestreichen um einen Egalisierstrich

• geringe Abrisshäufigkeit durch minimale mechanische Belastung des Papiers – es handelt sich beim Curtain Coating um eine berührloses Strei- chen und nicht wie bei herkömmlichen Auftragaggregaten (z.B. Blade) um ein Streichverfahren, bei dem die Papierbahn durch Kontakt mit dem Streichaggregat beschichtet wird – bei einem im Jahr 2001 installierten Cur- tain Coater zur Beschichtung von Selbstdurchschreibepapieren konnte die Abrisshäufigkeit von durchschnittlich 1,2 auf durchschnittlich 0,7 Abrisse pro 100 t produziertes Papier gesenkt werden /13/

• reduzierte Betriebskosten, da weniger Verschleißteile ausgewechselt werden müssen als bei herkömmlichen Auftragsaggregaten, wie z.B. beim Bladestreichen

Nachteile des

Curtain Coaters Diesen Vorteilen stehen jedoch auch einige im Folgenden aufgelistete Nachtei- le gegenüber, die zum Teil durch Rezepturgestaltungen oder technische Ausstattung eliminiert oder zumindest stark vermindert werden können /14, 15/:

• Der Einsatz von Tensiden ist je nach Strichgewicht notwendig – dies wurde bereits im AiF-Projekt 14764 - Curtain Coater untersucht – bzw. ist eine be- stimmte spezifische Durchflussrate notwendig, um einen stabilen Vorhang zu erreichen

• Lufteinschlüsse in der Streichfarbe, die zu ungedeckten Stellen oder Krater- bildungen führen. In diesem Fall müssen Systeme zur Entfernung von Luft installiert werden,

• geringere Glätte- und Glanzwerte im Vergleich zu egalisierenden Streichver- fahren

Forschungsziel Hauptziel des Projektes war die Ermittlung und Erweiterung des Arbeitsfensters im Bereich der Fersenzone des Curtain Coaters. Durch einen einwandfreien Strichauftrag ohne Lufteinschlüsse oder Verwirbelungen in der Fersenzone ist es möglich, die Kartonoberfläche in idealer Weise abzudecken. Durch diese gute Abdeckung im Vor- und/oder Mittelstrich kann ein Teil- oder Vollersatz von Titandioxid im Kartonstrich erreicht werden, was zu deutlichen Kosteneinspa- rungen führt.

4 Versuchsdurchführung

Material und

Methoden Die mehrfach eingesetzten Materialien und Methoden sind im Kap. 5 beschrieben. Speziell eingesetzte Materialien und Methoden sind im Vorfeld der jeweilig durchgeführten Untersuchung aufgeführt.

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PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de Arbeitspakete 1

bis 3 Im Arbeitspaket 1 wurde ein Curtain Coater in den Jagenberg-Tischcoater der Forschungsstelle integriert, um die Vorgänge im Auftreffpunkt des Streichfar- benvorhangs (Fersenzone) auf eine laufende Kartonbahn zu beobachten.

Hierfür wurde ein Laser- und Kamerasystem in den Tischcoater eingebaut.

Später im Projekt wurde der Curtain Coater auf eine Linearachse umgebaut, da die Bahngeschwindigkeit mittels Linearachse bis zu 300 m/min beträgt, wäh- rend am Jagenberg-Tischcoater die Bahngeschwindigkeit auf 60 m/min be- grenzt ist.

Arbeitspaket 4 In diesem AP wurden orientierende Versuche mit verschiedenen Pigmenten durchgeführt. Die Streichfarben wurden mittels Handrakel, Sumet-Coating-Unit sowie dem Trailing Blade des Jagenberg-Tischcoaters auf einen Streichrohkar- ton aufgetragen.

Arbeitspaket 5 Neben der Streichfarbenprüfung wurden in diesem AP die Vorgänge in der Auftreffzone des Curtains mit unterschiedlichen Pigmenten der Streichfarben untersucht.

Arbeitspaket 6 Die mit den verschiedenen Labor-Streichaggregaten gestrichenen Papiere wurden in diesem AP hinsichtlich der Kartoneigenschaften untersucht.

Arbeitspaket 7 Des Weiteren wurden Untersuchungen hinsichtlich des Einflusses von Fest- stoffgehalt und low-shear Viskosität auf die Vorgänge im Auftreffpunkt untersucht.

Arbeitspaket 8 Um die Laboruntersuchungen zu bestätigen, wurden die Streichfarben zusätz- lich an einer Technikumsanlage verarbeitet.

Arbeitspaket 9 In diesem AP wurden die Charakterisierungsmethodiken für die weiterführen- den Versuche festgelegt.

Arbeitspakete 10

bis 12 Um eine bessere Beurteilung der Vorgänge in der Fersenzone durchführen zu können, wurde der Einfluss von Teilchengröße und Teilchengrößenverteilung von natürlichen Calciumcarbonaten und Kaolinen untersucht (Kap. 14). Dies erfolgte ebenfalls mit Pigmentmischungen.

Arbeitspakete 13

und 14 In Anlehnung an die vorangegangenen Untersuchungen wurden Strategien zur Erweiterung des Arbeitsfensters des Curtain Coaters abgeleitet.

Diese Ergebnisse wurden anschließend in den Technikumsmaßstab übertra- gen.

Arbeitspaket 15 Zur Beurteilung der Bedruckbarkeit der Technikumsmuster aus dem Arbeitspa- ket 14 wurden Druckversuche durchgeführt.

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5 Material und Methoden

5.1 Rohstoffe

Karton Für die Streichversuche wurde ein Faltschachtelkarton aus Recyclingfasern mit grauer Rückseite (GD) mit folgenden Eigenschaften verwendet:

Tabelle 1: Eigenschaften Faltschachtelkarton für Streichversuche Flächenbezogene Masse 180 g/m²

Dicke 222 µm

Weißgrad 66%

Opazität 100%

PPS 5,40 µm

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Pigmente Für die Untersuchungen wurden die folgenden Pigmente entsprechend den Empfehlungen der Hersteller für die Anwendung eingesetzt:

Tabelle 2: Eingesetzte Pigmente

Beschreibung laut Hersteller

TiO2 Titandioxid (Rutil), das besonders für den Einsatz als Streichpigment in der Papierindustrie geeignet ist

GCC 1 grobes Calciumcarbonat mit breiter Teilchengrö- ßenverteilung (60% < 2 µm)

GCC 2 mittleres Calciumcarbonat mit breiter Teilchengrö- ßenverteilung (75% < 2 µm)

GCC 3 feines Calciumcarbonat mit breiter Teilchengrößen- verteilung (90% < 2 µm)

GCC 4 mittleres Calciumcarbonat mit steiler Teilchengrö- ßenverteilung (75% < 1 µm)

GCC 5 feines Calciumcarbonat mit steiler Teilchengrößen- verteilung (85% < 1 µm)

PCC Feines Calciumcarbonat aus aragonitförmigen Teilchen mit steiler Teilchengrößenverteilung mit einer durchschnittlichen Partikelgröße von 0,4 µm Kaolin 1 Streichkaolin mit geringerem Formfaktor und einer

Teilchengrößenverteilung von 70% < 2µm Kaolin 2 Streichkaolin mit hohem Formfaktor und einer

Teilchengrößenverteilung von 75% < 2µm Kaolin 3 Streichkaolin mit hohem Weißgrad und enger

Teilchengrößenverteilung (92% < 2µm), das eine gute Abdeckung, guten Druckglanz und sehr gute optische Eigenschaften ergibt

Kaolin 4 Streichkaolin mit hohem Weißgrad, sehr guten rheologischen Eigenschaften und breiter Teilchen- größenverteilung (53% < 2µm)

Kaolin 5 Streichkaolin mit hohem Formfaktor und steiler Teilchengrößenverteilung (96% < 2µm)

Calziniertes Kaolin 1 Calziniertes Kaolin als Streichpigment und Füllstoff, das u.a. Weißgrad und Opazität erhöht und als Streichpigment im Vorstrich zur Reduktion von Titandioxid eingesetzt werden kann

Calziniertes Kaolin 2 Versuchsprodukt eines calzinierten Kaolins Aluminiumhydroxid Aluminiumhydroxidsuspension für die Papier- und

Kartonindustrie

Harnstoffharz Polymethylharnstoffharz mit sehr geringer Teil- chengröße, das als Lackhilfsmittel mit mattierenden Eigenschaften eingesetzt wird

Binde- und Cobindemittel sowie Tensid

Entsprechend den Ergebnissen des abgeschlossenen Forschungsprojektes IGF 14764 N und in Zusammenarbeit mit dem zum Zeitpunkt der Rezepturaus- wahl laufenden Forschungsprojekt Bay 07-01 wurden die folgenden Produkte als Binde- und Cobindemittel ausgewählt::

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PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de Tabelle 3: Eingesetzte Bindemittel

Beschreibung laut Hersteller

Bindemittel Synthetisches Bindemittel auf Basis Styrol-Butadien mit mittlerer Glasübergangstemperatur (12°C)

Cobindemittel teilhydrolysierter Polyvinylalkohol mit mittlerer Viskosität (26 mPas einer 4%igen wässrigen Lösung bei 20°C)

Tensid Lösungsmittelfreies Netzmittel mit geringer Schaumneigung auf Basis Acetylendiol

Copolymer Stabilisierendes Copolymer zur Viskositätsabsenkung in Streichfarben bei Zugabe direkt zum Pigment

5.2 Analytik

5.2.1 Pigmentuntersuchung

Messverfahren Die folgenden Messmethoden wurden angewandt:

Tabelle 4: Eingesetzte Messverfahren zur Pigmentuntersuchung

Parameter Messmethode

Teilchengröße Mastersizer MicroPlus, Malvern (0,3 µm bis 300 µm) Teilchengrößenverteilung Mastersizer MicroPlus, Malvern (0,3 µm bis 300 µm)

5.2.2 Streichfarbenuntersuchung

Messverfahren Die folgenden Messmethoden wurden angewandt::

Tabelle 5: Eingesetzte Messverfahren zur Streichfarbenuntersuchung

Parameter Messmethode

Feststoffgehalt IR-Waage, Fa. Sartorius, Dreifachbe- stimmung

pH-Wert Hand-pH/mV-Meter, Fa. WTW

Dichte Pyknometer Wasserrückhaltevermögen

System SD-Warren nach PTS-

Standardmethode (Standardpapier 80 g/m², Messtemperatur 35°C), 10 Messwerte

Low-shear Viskosität (Brookfield

Viskosität) DV-I+ Viskosimeter, Fa. Brookfield High-shear Viskosität (bis ca. 45.000 s^-1) MCR 300, Fa. Paar Physica High-shear Viskosität (bis ca.

1.000.000s^-1) Hochdruckkapillarviskosimeter HVA6, Firma Paar Physika

Immobilisierung MCR 300, Fa. Paar Physica Amplituden-Sweep, Viskoelastizität MCR 300, Fa. Paar Physica (Platte-

Platte Viskosimeter)

Dynamische Oberflächenspannung SITA science line t60/2, Fa. SITA- Messtechnik

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PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de Immobilisierungs

-zeit Zur Bestimmung der Immobilisierungszeit der Streichfarben wurde das Anton Paar Physica MCR 300 in Kombination mit der BASF Immobilisierungszelle mittels Platte-Platte-Messeinrichtung verwendet. Mit diesem Gerät war es möglich, die Immobilisierungszeit der Streichfarbe während der Entwässerung dynamisch unter Berücksichtigung des Rohpapiers sowie die Scher- und Druckbelastung der Streichfarbe zu erfassen. Bei den Messungen werden folgende Einstellungen verwendet:

Messsystem: PP50

Einstellungen: Konstanter Spaltabstand: 0,5 mm Schubspannung: 300 Pa

Vakuum: 400 mPas Testpapier: Papier, 80 g/m² Probemenge: 2,5 ml

Die Messung wird unter Anlegen eines Vakuums durchgeführt.

Als Immobilisierungszeit wurde die Messzeit bestimmt, nach der eine Viskosität von 10⁴ Pas erreicht worden ist.

Immobilisierungs

-feststoffgehalt Zur Bestimmung des Immobilisierungsfeststoffes wird der immobilisierte Streichfarbenrest in einer Aluschale bei 105°C bis zur Gewichtskonstanz im Trockenschrank getrocknet. Der Quotient aus immobilisierter, feuchter Streich- farbe und immobilisierter, getrockneter Streichfarbe entspricht dem Immobilisie- rungsfeststoffgehalt.

Viskoelastizität Ein Oszillationsversuch unterscheidet zwischen viskosem (Verlustmodul G’’) und elastischem Verhalten (Speichermodul G’) der Probe. Beim hier durchge- führten Amplituden-Sweep wird die Amplitude variiert und die Frequenz konstant gehalten. Vorgegeben und geregelt wird dabei die Deformation γ. Es wurde nicht die Ruhestruktur untersucht, sondern bei einer konstanten Kreisfre- quenz von ω = 10s^-1 gemessen, was einer Scherbeanspruchung der Probe entspricht. Auch hier wurde das Paar Physica MCR 300 verwendet mit den nachfolgenden Parametern:

Messsystem: PP50

Einstellungen: Oszillationsversuch mit Amplituden-Sweep Kreisfrequenz: 10 s^-1

Messtemperatur: 35°C Messspalt: 0,5 mm Probemenge: 1,5 ml

Ausgewertet wurden dabei:

• Grenze des linear-viskoelastischen Bereich (LVE) : G’ und G’’ verlaufen zunächst auf nahezu konstantem Plateauwert, bis dieses verlassen wird

• Fließgrenze: es wird diejenige Schubspannung ausgewertet, die beim Verlassen des LVE-Bereichs gemessen wird.

• Sol-Gel Übergangspunkt: ist erreicht, sobald G’ = G’’ erreicht bzw. tan δ = 1 ist. Ist G’’ > G’, so dominiert das viskose Verhalten der Probe das elasti- sche.

Dehnviskosität Die Kontraktion und das Abreißen eines Flüssigkeitsfadens, die mit dem Haake- CaBER 1 als Vorhaben bezogene Aufwendung der Wirtschaft (vAW) analysiert wurden, geben wertvolle Informationen über die physikalischen Eigenschaften der Streichfarben, die mit einem Rotationsrheometer nicht zugänglich sind.

Eine Probenmenge von < 0,2 ml wurde zwischen zwei runde Stempel aufge-

(17)

bracht. Der obere Stempel wurde mit sehr hoher Geschwindigkeit aufwärts bewegt, wodurch die Streichfarbe sofort gedehnt wurde. Dabei entstand ein Flüssigkeitsfaden. Nach Ende des Dehnvorgangs unterlag die Mitte des Fadens einer Dehnrate, die durch die Dehneigenschaften der Streichfarbe bestimmt wurde. Die Abnahme des Durchmessers in der Mitte des Fadens als Funktion der Zeit wurde mittels Lasermikrometer gemessen. Die konkurrierenden physikalischen Effekte Oberflächenspannung, Elastizität, Viskosität und Massetrans- fer, welche die Strömung bestimmen, konnten mittels Modellanalyse automa- tisch quantifiziert werden. Ausgewertet wurde dabei die Fadenabrisszeit.

Die Dehnviskosität µD errechnet sich nach d t

d₀

D ⋅

= σ− μ

t: Zeit

d0: Dicke des Filaments zum Zeitpunkt t = 0 d: Dicke des Filaments zum Zeitpunkt t

σ: Oberflächenspannung der Streichfarbe Folgende Einstellungen wurden gewählt:

Spalthöhe: 3 mm Hencky Strain: 0,79 Temperatur: 23°C Dynamische

Oberflächen- spannung

Für die Bestimmung der dynamischen Oberflächenspannung wurde ein Bla- sendrucktensiometer eingesetzt. Folgende Parameter sind eingestellt worden:

• Blasenlebensdauer variabel von 30 ms bis 60 s

• Auflösegrenze des Tensiometers liegt bei 1 ms Oberflächenalter

Das Gerät arbeitet nach dem Prinzip des Blasendrucks, wobei Luftblasen durch eine Kapillare mit dem Radius r in die Flüssigkeitsprobe eingeleitet werden. Der Druck Δp, der für die Blasenbildung benötigt wird, ist nach der Young-Laplace- Gleichung proportional zur Oberflächenspannung σ:

2 r p ⋅

= Δ σ

Sowohl die Blasenfrequenz als auch der Differenzdruck Δp wird vom Gerät gesteuert bzw. erfasst.

5.2.3 Kartonprüfung

Messverfahren Die folgenden Messmethoden wurden angewandt:

Tabelle 6: Eingesetzte Messverfahren zur Kartonprüfung Parameter Messmethode / Messgerät Flächenbezogene Masse DIN EN ISO 2286-2

Dicke DIN EN ISO 534 2005-5

Weißgrad DIN 53146, Elrepho 071, Fa. Lorentzen und Wettre Glanz DIN 67530, micro-tri gloss, Fa. Byk Gardner PPS DIN ISO 8791-4, 1,0 bar / weiche Unterlage Abdeckung Burn-out-Test

(18)

Abdeckung Der Burn-out-Test ist eine chemisch-thermische Methode. Dazu wurde das zu untersuchende Muster in eine Entwicklerlösung (NH4Cl in Alkohol: 1:1 Ethanol:

Wasser) getaucht und nach 10 Minuten vollständig an der Luft getrocknet. Die organischen Bestandteile des Musters verfärben sich durch die Trocknung (15 min bei 170°C) braun, die anorganischen Pigmente der Streichfarbe bleiben erhalten.

5.2.4 Satinage

Bedingungen Die Satinage erfolgte mit einem 2-Walzen-Laborkalander. Die Satinagebedin- gungen wurden wie folgt festgelegt:

Tabelle 7: Satinagebedingungen

Temperatur [°C] Liniendruck [daN] Anzahl Nips

A 80 400 1

B 80 1.000 1 C 80 1.200 2

5.2.5 Druckprüfung

Messverfahren Für die Beurteilung der Bedruckbarkeit hinsichtlich Wegschlagverhalten, Mottling und Druckglanz wurde ein Mehrzweck-Probedruckgerät MZ II der Fa.

Prüfbau verwendet.

Wegschlagen Das Wegschlagen der Druckfarbe ist ein wichtiges Kriterium für die Druckquali- tät. Dies wurde untersucht, indem die optische Dichte eines Konterdruckes bewertet wurde, der nach unterschiedlichen Zeiten in 4 Stufen erfolgte.

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

Die Auswertung erfolgte visuell und mit Densitometer, mit denen die optische Dichte des Konterdrucks nach dem Andruck ermittelt wurde. Üblicherweise erfolgen die Messungen nach 15, 30, 60 und 120 s.

Mottlingtest Die Kartonprobe wurde im ersten Druckwerk der Maschine mittels Gummi- druckform bedruckt. Nach einem definierten Zeitintervall wurde dieser Andruck in Druckwerk 2 auf eine saubere Gummidruckform zurückgespalten. Nach dem Rückspalten erfolgte ein Konterdruck des rückgespalteten Druckes auf ein Standardpapier.

Bewertet werden kann bei diesem Test sowohl der Andruck als auch der Konterdruck.

Die Auswertung erfolgt visuell durch paarweisen Vergleich.

Druckglanz Beim Druckglanz wurde ein gewogener Andruck mit Auftragsgewichten an Druckfarbe von 1,40 - 1,60 g/m² hergestellt. Die Druckgeschwindigkeit betrug dabei 1m/s. Der Druckglanz wurde messtechnisch bei 85° ermittelt (micro-tri- gloss, Byk-Gardener).

(19)

PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de 5.2.6 Weiterverarbeitung

Rillbarkeit Die Herstellung von Proberillungen nach DIN 55437, Teil 1 (01.92) wurde an einer servohydraulischen Druck- und Zugprüfmaschine, bestehend aus dem unteren Rillwerkzeug und dem oberen Gegenwerkzeug mit der Zugrichtung durchgeführt. Das untere Werkzeug war mit dem beweglichen Stempel der Prüfmaschine fixiert, welcher die sinusförmige Bewegung ausführt, die zum Eintauchen des Rillmessers in die Rillnut führt.

Stanzbarkeit Mittels einer Zwick Druck- und Zugprüfmaschine (Typ Z 010) wurde ein Stan- dardbandstahlmesser mit einem Messerwinkel von 60° und 5 cm Länge in das Mustermaterial gefahren. Die Vorschubgeschwindigkeit des Messers be- trug1 mm/min.

Verklebbarkeit Eine vergleichende Einschätzung der klebetechnischen Eigenschaften von Dispersionsklebstoffen wurde mit einem speziell für diese Fragestellung konzi- piertem Prüfgerät – dem PTS-MDK-Prüfgerät – möglich. Das Prüfverfahren ist in der PTS-Methode PTS-PP:102/84 beschrieben.

Dabei wurde die Auftrennung einer Klebung mit Hilfe eines Schälstabes durch- geführt. Gemessen wurde der dabei auftretende Schälwiderstand in Abhängig- keit der Lagerzeit der Klebung. Es wurde eine Klebefläche – in der Regel ein 30 mm breiter und etwa 250 mm langer Kartonstreifen – auf die Gerätegrund- platte aufgelegt. Ein flexibles Referenzpapier wurde in das Gerät eingespannt.

Der Klebstoffauftrag erfolgte mit einem Drahtrakel, das dafür von links nach rechts lief und den zuvor manuell dosierten Klebstoff auf dem Kartonstreifen gleichmäßig verteilte. Gleichzeitig wurde das Referenzpapier zugeführt und mit einer Anpressrolle angepresst. Erreichte das Auftragselement eine vorwählbare Position, wurde es abgeschaltet und nach ebenfalls vorwählbarer Zeit die Abzugsvorrichtung eingeschaltet. Der geklebte Verbund wurde nach links gezogen und die Klebung mit dem Schälstab aufgezogen. Durch die Wahl der Ab- bzw. Einschaltzeiten für das Auftrags- und Abzugselement konnten be- stimmte Abschnitte des Verfestigungsvorgangs untersucht werden. Die Hinter- einanderschaltung mehrerer Prüfstreifen mit unterschiedlich eingestellten Schaltzeiten ermöglichte die Abtastung der gesamten Verfestigungskurve vom anfänglichen Spalten des noch viskosen Klebstoffs bis zum Einreißen des Kartons nach dem vollständigen Verfestigen des Klebstoffs.

6 Ausgewählte Laborergebnisse

6.1 Erweiterung des Labor Curtain Coaters Curtain Coater

Kopf Im Rahmen des Forschungsprojektes IGF 14764 „Curtain Coating -

Kartonstreichen“ war der Forschungsstelle ein Curtain Coater Kopf zur Mes- sung der dynamischen Oberflächenspannung nach der Machwinkelmethode zur Verfügung gestellt worden. Dieser Curtain Coater Kopf wurde auch für dieses Projekt verwendet.

Jagenberg-

Tischcoater Der Curtain Coater Kopf wurde im ersten Schritt in den an der Forschungsein- richtung vorhandenen Jagenberg-Tischcoater integriert. Dieser Laborcoater ist

(20)

mit verschiedenen Streichaggregaten ausgerüstet (Trailing Blade, Filmpresse, Gussstreichzylinder) und erreicht Geschwindigkeiten bis zu 60m/min. Der Karton wurde von Rolle auf Rolle gestrichen und mittels Infrarot-Trockner getrocknet.

Abbildung 2: Jagenberg-Tischcoater nach dem Umbau

Tabelle 8: Wichtige technische Daten des Jagenberg-Tischcoaters

Rollenbreite 300 mm

Rollendurchmesser max. 400 mm Hülsendurchmesser 76 mm

Geschwindigkeit 0 - 60 m/min (stufenlos) Rohpapier 40 - 300 g/m²

Einbau des Curtain Coater Kopfes

Der Curtain Coater Kopf wurde so eingebaut, dass der Vorhang auf die Ge- genwalze des Trailing Blades (Durchmesser 200 mm) auftrifft.

Zunächst wurde an der Stuhlung des Jagenberg-Tischcoaters ein Aufbau entwickelt, der sowohl eine Höhenverstellung des Streichkopfes als auch eine vertikale Bewegung ermöglichte. Somit konnten (abgesehen von einer saube- ren Anfahrtsphase zur Ausbildung des Vorhangs) sowohl die

• Vorhanghöhe als auch die

• der Auftreffpunkte des Curtains auf der Gegenwalze variiert werden (vgl. Abbildung 3)

Abbildung 3: Vertikale und horizontale Einstellungsmöglichkeiten für die Positionierung des Curtain Coater Kopfes

Umbau auf

Linearachse Aufgrund der erzielten Ergebnisse am Jagenberg-Tischcoater wurde der Curtain Coater Kopf an einer Linearachse installiert. Dieser Umbau ermöglichte es, praxisnahe Geschwindigkeiten bis zu 300m/min darzustellen.

Die Installation der Kamera, des Lasers und der Curtain Coater Aufhängung Curtain Coater Kopf

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PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de erfolgten wie beim Jagenberg-Tischcoater.

Linearantrieb mit Streichplatte Gießkopf

Abbildung 4: Curtain Coater Aufbau mit Linearachse (schematisch)

6.2 Entwicklung, Installation und Anwendung eines Sensors zur Messung der Fersengeometrie

Installation des Lasers/Sensors

Abbildung 5: Laser- und Kamerasystem zur Beobachtung der Fersenzone Anwendung der

Fersengeometrie

Abbildung 6: Messaufbau Kamera und Laser

Abbildung 7: Sicht auf Messfläche

Beleuchtung(Laser) Bildebene

Laser

Kamera Bildebene 210 mm (oder

420 mm) 496 mm

30°

Lasergenerator

Kamera

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Versuche Die ersten Versuche, die Fersenzone mittels der installierten Kamera aufzu- nehmen, führten zu einer nicht zufriedenstellenden Abbildung der Fersenzone, da die Laserlinie auf dem Vorhang zu breit und daher zu unscharf abgebildet wurde.

Zur besseren Beobachtung der Ferse wurde die Kamera leicht geneigt eingebaut. Die Laserintensität kann dabei durch das Verstellen direkt am Laser variiert werden. Somit konnten erste aussagekräftige Bilder mit leichtem Versatz der Laserlinie aufgenommen werden.

6.3 Herstellung von Streichfarben und Laborauftrag

Hintergrund Ein Teilziel des Forschungsprojektes war es, die Einsparpotenziale an Titandi- oxid im Kartonstrich durch den Einsatz des Curtain Coaters zu bewerten.

Dafür wurden die Eigenschaften von Karton, die mit Titandioxid und Titandio- xidextendern gestrichen wurden, miteinander verglichen. Durch die Verwen- dung von gleichem Karton und gleichem Auftragsgewicht mit verschiedenen Auftragsaggregaten und unterschiedlichen Oberflächenqualitäten sollte eine Vergleichsgrundlage zur Ermittlung des Einsparpotenzials an Titandioxid geschaffen werden.

Streichfarben-

rezepturen Im ersten Schritt der Untersuchungen wurden Streichfarben mit verschiedenen Pigmentkombinationen im Labor hergestellt, wobei sich die Pigmentmischun- gen an praxisnahen Streichfarben für den Vor- oder Mittelstrich von Karton orientierten.

Es handelte sich dabei um einen preisgünstigen Vorstrich aus:

• 100 Teilen natürlichem Calciumcarbonat (Rezeptur F1),

• einer Rezeptur mit hohem Anteil Titandioxid (F2) sowie

• 4 Rezepturen mit verringertem Titandioxidanteil und Titandioxidexten- dern (F3 bis F6 und F8).

• F7 entsprach einer Deckstrichrezeptur

• mit Rezeptur F9 sollte Titandioxid vollständig durch PCC und GCC ersetzt werden.

Tabelle 9: Streichfarbenzusammensetzung der Laborstreichfarben

F1 F2 F3 F4 F5 F6 F7 F8 F9

GCC 3 100 90 75 75 75 85 75 75 20

TiO2 10 5 5 5 5 5

Kaolin 3 25

Calz.Kaolin 1 20

Calz.Kaolin 2 20

PCC 20 80

Aluminium-

hydroxid 20

Harnstoffharz 10

Alle Farben wurden mit 12 Teilen Bindemittel und 0,75 Teilen Cobindemittel hergestellt und auf einen Feststoffgehalt von 60% sowie einen pH-Wert von 8,8 eingestellt.

(23)

PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de 6.3.1 Laborstreichversuche mit verschiedenen Auftragsaggregaten

Hintergrund Für die Laborversuche wurden drei verschiedene Auftragsaggregate gewählt, die unterschiedliche Oberflächenqualitäten und unterschiedliche Strichvertei- lungen ergeben.

Handrakel-

Prinzip Beim Handrakelverfahren erfolgte die Dosierung der Streichfarbe volumetrisch mittels gerilltem Rakel und geringem Druckimpuls. Die Auftragsgeschwindigkeit war gering, die Trocknung der Kartons erfolgte im Trockenschrank (150°C, 90s). Die Streichfarbe hatte eine relativ lange Penetrationszeit.

Abbildung 8: Halbautomatisches Handrakel Sumet-Coater-

Prinzip Die Coating Unit ist für jedes Beschichtungsverfahren in der Standardbreite 200 mm ausgestattet. Als Auftragssystem wurde eine Auftragswalze (Applica- tor-Roll) genutzt, welche die Streichfarbe zunächst im Überschuss auf das Papier aufträgt.

Die Homogenität des Auftrages wurde durch die pneumatische Rakelanstellung und durch den pneumatisch erzeugten Anpressdruck sichergestellt.

Durch den komplett automatisierten Beschichtungsablauf vom Auftrag bis zur Trocknung weist die Anlage eine hohe Reproduzierbarkeit auf im Gegensatz zum Handrakel.

Abbildung 9: Sumet-Coater Trailing Blade –

Prinzip Das Trailing-Blade am Jagenberg-Tischcoater arbeitet mit einem Streichfar- bensumpf, der per Hand vordosiert wird und mittels Bent- oder Stiffblade nach dem Auftragen sofort abgerakelt wird.

Für die Versuche wurde ein Stiffblade (B780mmxH100xT0,381mm, Anschliff- winkel 45°) eingesetzt, das glatte Oberflächen ermöglicht (Egalisierstrich).

(24)

PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de Abbildung 10: Trailing-Blade

6.3.2 Auswertung der Laborversuche Streichfarben-

prüfung Die low-shear Viskositäten der Laborstreichfarben lagen im Bereich von 245- 760mPas. Durch die Verwendung von Harnstoffharz (F6C) bzw. Aluminium- hydroxid (F5C) wurden deutlich höhere Viskositäten erreicht.

Die Streichfarben zeigten im höheren Scherbereich (bis 45.000s^-1) ein struktur- viskoses Verhalten. F6 zeigte ein etwas höheres Viskositätsniveau als die übrigen Streichfarben.

Um die Viskosität der Streichfarben bei einem Schergefälle von 100.000s^-1 bis 1.000.000s^-1 zu messen, wurde das Hochdruckkapillarviskosimeter verwendet.

Eine zunehmende Viskosität mit steigendem Schergefälle (Dilatanz) kann bei Streichfarben zu erheblichen Produktions- und/oder Qualitätsproblemen führen.

Je nach Zugabe der anderen Streichfarbenbestandteile änderte sich auch das Fließverhalten.

Die Messung des Wasserrückhaltevermögens erfolgte mit einem SD-Warren Water-Retention-Meter bei 35°C. Das Gerät arbeitet nach dem Prinzip der elektrischen Leitfähigkeit. Die Streichfarben wiesen ein relativ niedriges Niveau auf, was auf die zum Teil sehr niedrigen Viskositäten und den relativ geringen Feststoffgehalt von ca. 60% zurückzuführen war.

Aus den Untersuchungen zur Immobilisierung wurde deutlich, dass je länger die Immobilisierung anhielt, desto höher auch der Feststoffgehalt war, d.h. der Anteil an Wasser war geringer. Die Streichfarben mit Zusatz an PCC

(F4C/F9C) wiesen diesen Effekt ebenfalls auf.

Die Rezepturen F6C und F8C wiesen trotz kürzerer Immobilisierungszeit höhere Immobilisierungsfeststoffgehalte auf. Dieser Effekt trat zum einen durch die Verwendung von Harnstoffharz in Streichfarbe F6C und zum anderen durch die Verwendung von calziniertem Kaolin in Streichfarbe F8C auf.

Bezüglich der Filamentlebensdauer zeigte die Formulierung F6 die höchste Filamentslebensdauer und damit die höchste Dehnfestigkeit, gefolgt von F4 und F5. Bei Streichfarbe F6 handelt es sich um eine Mischung aus GCC, Titandioxid und Harnstoffharz. Die Streichfarben F4 und F5 bestehen ebenfalls aus GCC und Titandioxid, wobei hier der Anteil an GCC 10T niedriger ist als bei Formulierung F6. Außerdem bestehen die Streichfarben F4 und F5 zusätzlich aus PCC (F4) bzw. Aluminiumhydroxid (F5). Alle anderen Streichfarben haben eine deutlich niedrigere Filamentlebensdauer. Diese beinhalten keine Zusätze an Harnstoffharz, Aluminiumhydroxid und PCC. Lediglich Formulierung F9 enthält PCC, aber kein Titandioxid so wie Formulierung F6. Dies lässt die Schlussfolgerung zu, dass ein höherer Anteil an GCC und ein Zusatz an Harnstoffharz bzw. Aluminiumhydroxid die Filamentlebensdauer erhöht.

(25)

Kartonprüfung Hinsichtlich des Weißgrades mit UV wird erkennbar, dass sich die Streichfar- ben ohne Titandioxid (F7 und F9) auf gleichem bzw. besserem Niveau bewegen. Das eingesetzte Rohpapier ist bereits mit einer aufgehellten Decke ausgestattet. Bei den Mustern mit niedrigerem Weißgrad kompensiert das Titandioxid zum Teil die Wirkung des optischen Aufhellers. Die Weiße ohne UV zeigt, dass die Muster mit Titandioxidanteil zum Teil deutlich besser abschnei- den.

Die Glanzwerte bewegen sich ebenfalls auf einem ähnlichen Niveau. Lediglich F3 mit einem geringeren Anteil an Titandioxid und zusätzlichem Anteil an calziniertem Kaolin weist einen geringeren Glanz auf. Auch hier sind die Werte als relativ zu betrachten aufgrund der Rakelstreifen.

Die Glättewerte der untersuchten Muster schwanken um ca. 1-1,5µm je nach Streichfarbenzusammensetzung. Eine Mischung aus GCC, TiO2 und calziniertem Kaolin (F3) erweist sich dabei als eher unvorteilhaft bezüglich der Glätte.

Auch hier können Rakelstreifen zu leichten Schwankungen der Werte führen.

Druckprüfung Die Mottlingprüfung konnte bei diesen Untersuchungen nicht durchgeführt werden, da die Kartonmuster zu stark zum Rupfen neigten.

Der Druckglanz zeigte ein ähnliches Niveau wie der Papierglanz.

Die Streichfarben lagen hinsichtlich des Wegschlagens nah beieinander.

Lediglich Rezeptur 7 wies ein schnelleres Wegschlagverhalten auf. Hier wurde der Anteil an Titandioxid durch Kaolin ersetzt.

Weiterverarbeit-

barkeit Die Rillbarkeit war bei allen gestrichenen Kartonmustern gut.

Die Stanzbarkeit war bei allen gestrichenen Papieren gut. Die Fasern, die an den Schnittkanten auftraten, stammen lediglich vom Stanzen, d.h. es sind keine Fehler im Karton oder der Strichschicht. Auch hier gibt es keine signifikanten Unterschiede zwischen den Auftragssystemen.

Um die Verklebbarkeit des gestrichenen Kartons zu testen, wurden Faltschach- teln aus den jeweiligen Mustern hergestellt. Die Verklebbarkeit war gut. Es bildeten sich weder an den Biegekanten Brüche noch traten sonstige Auffällig- keiten in Erscheinung.

Bildanalytische

Auswertung Anhand der bildanalytischen Bewertung der Fersen über die Breite wurde ersichtlich, dass die Streichfarben mit hohem Anteil an Calciumcarbonat eher zur Fersenbildung neigen. Die geringste Neigung zur Fersenbildung zeigten die Streichfarben mit Titandioxid (F2 und F8).

Eine Rolle spielten ebenfalls die Teilchengröße und Teilchengrößenverteilung (F3 und F8).

Es wurden in den beiden Streichfarben zwei unterschiedliche calzinierte Kaoline verwendet. Das gröbere calzinierte Kaolin mit einer mittleren Teilchen- größe neigte eher zur Fersenbildung (F3).

Unter den gewählten Versuchsbedingungen wurde keine Ferse ausgebildet.

Fersen wurden nur unter Einstellung von Extrema erzeugt, d.h. in dem Fall, es wurde langsam gefahren mit einem hohen Durchfluss. Dies führte dementspre- chend zu hohen Auftraggewichten und entspricht nicht den in der Praxis üblichen Einstellungen.

(26)

6.3.3 Korrelation der Streichfarbeneigenschaften mit den Vorgängen in der Auftreffzone Hintergrund Im Zusammenhang mit der Herstellung von Streichfarben war es notwendig, diese hinsichtlich ihrer Eigenschaften zu untersuchen. Dabei wurden folgende Kenngrößen in Betracht gezogen:

• high-shear Viskosität mittels Rotationsviskosimeter im Scherbereich bis 45.000 s^-1,

• high-shear Viskosität mittels Hochdruckkapillarviskosimeter im Scherbe- reich bis 1.000.000 s^-1,

• viskoelastische Eigenschaften mittels Platte-Platte-Rotationsviskosimeter,

• Immobilisierung,

• Wasserrückhaltevermögen.

Es wurden hier die Streichfarben mittels Labor-Curtain Coater auf die Walze und auf Rohpapier aufgetragen und die Vorgänge in der Auftreffzone (Fersen- bildung, Verwirbelungen) verfolgt. Dabei wurden auch die Maschinengeschwin- digkeit und die Vorhanghöhe variiert.

Die gemessenen Streichfarbeneigenschaften sowie die Maschineneinstellun- gen wurden dann mit den Sensorkenngrößen in der Auftreffzone des Labor Curtain Coaters korreliert. Zusätzlich wurde die Reynoldszahl bestimmt, die neben der Dichte und der dynamischen Viskosität auch von der Vorhangge- schwindigkeit und der Vorhangdicke abhängt.

Brookfield

Viskosität Die Brookfield Viskositäten unterschieden sich für das Handrakel, den Sumet- Coater und die Versuchsanlage kaum. Geringe Unterschiede ergaben sich aus der Art und Weise der Zubereitung der Streichfarben. Anhand der Berechnung der Steigung der Regressionsgeraden wurde ersichtlich, dass es sich bei den Abweichungen in den Brookfield Viskositäten um einen systematischen Fehler handelt (Steigung Regressionsgerade für Labor = 0,8 und Steigung Regressi- onsgerade für Technikum = 1,16). Dieser Fehler ist auf die leicht abweichenden Feststoffgehalte zurückzuführen, die um bis zu 0,3 % variieren.

R² = 0,7341 R² = 0,8618

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

0 200 400 600 800

Brookfield Viskosität Lab-CC [mPas]

Brookfield Viskosität Rakel+Sumet Coater+Technikum [mPas] R+S

Pilot

Linear (R+S) Linear (Pilot)

Abbildung 11: Korrelation Brookfield Viskosität Rakel, Sumet Coater und CC High-shear

Viskosität bis 45.000s^-1

Aus den Messungen der high-shear Viskositäten wurde ersichtlich, dass sowohl die Viskositäten mit ansteigendem als auch die mit absteigendem Schergefälle miteinander korrelieren. Auch hier ergaben sich geringe Unterschiede aus der Art und Weise der Zubereitung der Streichfarben.

(27)

R² = 0,8249 R² = 0,8855

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

0 10 20 30 40 50

Viskosität Lab-CC bei 45.000s^-1[mPas]

Viskosität Technikum bei 45.000s-1 [mPas]

Pilot auf Pilot ab

Linear (Pilot auf) Linear (Pilot ab)

Abbildung 12: Korrelation high-shear Viskosität bis 45.000s^-1 aus Rakel, Sumet Coater und Lab-CC

High-shear Viskosität bis 1.000.000 s^-1

Während die low-shear und die high-shear (bis 45.000 s^-1) Viskositäten miteinander korrelierten, traf dies nicht für die high-shear Viskosität bis 1.000.000 s^-1 zu. Hier spielte der Feststoffgehalt eine entscheidende Rolle. Dieser unter- schied sich zum Teil deutlich hinsichtlich der Labor- und der Technikumsversu- che (Schwankungen zwischen 0,1 und 0,3).

R² = 0,4203

0 20 40 60 80 100 120 140

Viskosität Lab-CC bei 1.000.000s^-1 [mPas]

Viskosität Technikum bei 1.000.000s-1 [mPas] Pilot

Linear (Pilot)

Abbildung 13: Korrelation high-shear Viskosität bis 1.000.000s^-1 aus Technikum und Lab-CC

Wasserrückhalte-

vermögen Die Ergebnisse des Wasserrückhaltevermögens korrelierten nicht miteinander.

Hier war zu berücksichtigen, dass der Feststoffgehalt der im Technikum hergestellten Streichfarben (FG~64%) deutlich höher angesetzt wurde als im Labor- maßstab (FG~60%).

(28)

R² = 0,0219 R² = 0,0307

0 2 4 6 8 10 12 14

0 5 10 15 20

WRV Lab-CC [s]

WRV Rakel+Sumet Coater+Technikum [s] R+S

Pilot

Linear (R+S) Linear (Pilot)

Abbildung 14: Korrelation Wasserrückhaltvermögen aus Rakel, Sumet Coater, Technikum und Lab-CC

Immobilisierungs

-zeit Die Immobilisierungszeit und das Wasserrückhaltevermögen korrelierten nicht miteinander. Dies wurde zum einen durch die unterschiedlichen Messsysteme (Immobilisierung = Scherung unter Vakuum; WRV = Durchdringung der Flüs- sigkeit bis zu einem definierten Stromfluss) hervorgerufen. Zum anderen spielte die Farbzusammensetzung, d.h. hier insbesondere der Feststoffgehalt, eine entscheidende Rolle.

Hinsichtlich der Immobilisierungszeiten der Streichfarben aus dem Labor und der Versuchsanlage konnte ein Zusammenhang hergestellt werden.

R² = 0,1766

R² = 0,6573

0 100 200 300 400 500 600 700

Immobilisierungszeit Lab-CC [s]

Immobilisierungszeit Technikum [s]

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18

WRV [s]

Pilot WRV

Linear (WRV) Linear (Pilot)

Abbildung 15: Korrelation Immobilisierungszeit aus Technikum und Lab-CC Immobilisierungs

-feststoff Der Immobilisierungsfeststoff von den Laborstreichfarben korrelierte mit denen von der Versuchstreichanlage unabhängig vom Ansatzfeststoffgehalt der Streichfarben.

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PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de R² = 0,7555

74 75 76 77 78 79 80 81 82 83

78 79 80 81 82 83 84 85

Immobilisierungsfeststoff Lab-CC [%]

Immobilisierungsfeststoff Technikum [%]

Pilot

Linear (Pilot)

Abbildung 16: Korrelation Immobilisierungsfeststoff aus Technikum und Lab-CC Viskoelastische

Eigenschaften Die viskoelastischen Eigenschaften der Streichfarben, die mittels Labor Curtain Coater gestrichen wurden und die der Technikumsanlage korrelierten miteinander, da es sich um die gleichen Streichfarben handelte.

Der viskoelastische Punkt (Cross-over point) und die Filamentlebensdauer (Zeit bis zum Abriss) korrelierten nicht miteinander. Bei der Messung der Filamentle- bensdauer wurde die Streichfarbe in zwei Richtungen gedehnt. Bei der Be- stimmung des viskoelastischen Punktes fand eine oszillierende Bewegung zwischen zwei Platten statt.

R² = 0,0263 R² = 1

0 10 20 30 40 50 60

0 10 20 30 40 50 60 70

Cross-over Point Lab-CC [%]

Cross-over Point Technikum [%]

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3

Zeit bis zum Abriss [s]

Pilot

Dehnrheologie Linear

(Dehnrheologie) Linear (Pilot)

Abbildung 17: Korrelation viskoelastische Eigenschaften aus Technikum und Lab-CC

Fazit Aus den Korrelationen der aufgenommenen Messdaten wurde deutlich, dass es zum Teil große Unterschiede zwischen Labor und Versuchsanlage gab, die im Wesentlichen auf die unterschiedlichen Ansatzfeststoffgehalte zurückzufüh- ren waren. Wichtige Kenngrößen waren dabei die Streichfarbenherstellung und die Entlüftung, die zum Teil zwischen Labor und Technikumsanlage deutlich variieren.

Anhand der gezeigten Korrelationen wurden anschließend die Parameter ausgewählt, die für die weiterführenden Untersuchungen der Fersenzone am aussagekräftigsten waren.

(30)

6.3.4 Einfluss von Feststoffgehalt und low-shear Viskosität auf die Vorgänge im Auftreffpunkt

Hintergrund Um den Einfluss des Feststoffgehaltes und der low-shear Viskosität auf die Vorgänge in der Auftreffzone zu untersuchen, wurden drei verschiedene Streichfarben mit folgenden Pigmentkombinationen hergestellt:

Tabelle 10: Pigmentkombinationen

1 2 3

GCC 3 100 Teile 75 Teile 50 Teile

Kaolin 3 - 25 Teile 50 Teile

bei konstantem Feststoffgehalt Viskosität gering

Viskosität

mittel Viskosität hoch bei konstanter Viskosität FG hoch FG mittel FG gering

Dabei wurde zum einen der Feststoffgehalt konstant gehalten. Durch die Unterschiede in den Teilchenformen war es somit möglich unterschiedliche low- shear Viskositäten einzustellen.

Andererseits wurde die low-shear Viskosität konstant gehalten, wodurch sich Unterschiede im Feststoffgehalt ergaben.

Feststoffgehalt im Vergleich zur Brookfield Viskosität

Die Einstellung der Feststoffgehalte auf 60% sowie die Einstellung der Viskosi- tät auf ca. 800mPas brachte kaum Unterschiede.

62,3 62,1 63,0

60,2

59,6 60,0

500 600 700 800 900 1000

V1-FG V2-FG V3-FG V1-Visk V2-Visk V3-Visk

BV 100 [mPas]

59 60 61 62 63 64

FG [%]

Brookfield Viskosität Feststoffgehalt

Abbildung 18: Feststoffgehalt im Vergleich zur Brookfield Viskosität der Streich- farben

Einfluss auf die

Fersenzone Die ermittelten Reynoldszahlen von 7,2 bis 8,7 der hergestellten Streichfarben ließen auf die Möglichkeit einer Ferse schließen. Jedoch wurden bei der Durchführung der Streichversuche keine Fersen beobachtet. Die Viskosität ist bei diesen Versuchen noch in einem Normbereich für Curtain Coater Streich-