Entwicklung von Streichfarben für das Coldset-Druckverfahren M. Plattl; J. Eckl, J. Oberndorfer, R. Sangl
Zusammenfassung
Herkömmliche Zeitungsdruckpapiere haben eine geringe Weiße und sind ungestrichen. Auf Grund der sehr breiten Porengrößenverteilung dringt beim Drucken das niederviskose Öl nur ungleichmäßig in die Poren wodurch unterschiedliche Farbschichtdicken entstehen, die das Druckbild unruhig wirken lassen. Um die Anforderungen, die höherwertige Druckprodute stel- len, erfüllen zu können, müssen Papiere für das Coldsetverfahren gestrichen sein. Es läge nahe, handelsübliche preisgünstige gestrichene Papiere, wie LWC (Light-Weight-Coated), auch für das Coldsetverfahren zu verwenden. Aufgrund ihrer sehr geschlossenen Oberfläche kann die Coldset-Druckfarbe jedoch nicht hinreichend stark in das Papier eindringen und es kommt zum Schmieren. Für höherwertige Coldsetdrucke muss also ein gestrichenes Papier entwickelt werden, das eine bestimmte, auf diese Drucktechnik abgestimmte Porengrößen- verteilung sowie geeignete Porenvolumina aufweist.
In der vorliegenden Arbeit wurden gezielt zwei industriell hergestellte Zeitungsdruckpapiere mit sehr unterschiedlichen Eigenschaften ausgewählt, von denen eines aus 100 % deinktem Altpapierstoff, das andere aus 100 % Frischfasern hergestellt worden war.
In Versuchen an der Laborstreichmaschine der PTS wurden auf diese Papiere unterschiedli- che Streichfarbenformulierungen appliziert. Dabei kamen verschiedene mineralische Pig- mente sowie ein feinstgemahlener Zellstoff als Pigmentersatz zum Einsatz. Weiter wurden synthetische Binder auf Basis unterschiedlicher Monomere und mit stark unterschiedlichen Glasübergangstemperaturen eingesetzt wie auch Beimischungen von Stärken unterschiedli- cher Modifikationen.
Die Ergebnisse zeigten, dass das Pigmentsystem aus feinem Calciumcarbonat und ultrafei- nem Kaolin mit und ohne einer Beimischung des Feinstzellstoffes zu einem sehr schnellen Wegschlagen der Druckfarbe führte. Bei allen anderen Pigmentvariationen, auch denen mit verschiedenen präzipitierten Calciumcarbonaten erfolgte das Wegschlagen der Druckfarbe langsamer. Auch bei den Versuchspapieren mit speziellen modifizierten, teilweise kationi- schen Stärken ergaben sich Strichstruktur und Strichporositäten, in die die Druckfarbe deutli- cher langsamer wegschlug.
Gute Korrelationen wurden zwischen dem beobachteten Wegschlagverhalten und den Er- gebnissen der PDA-Messungen, sowie der Penetration der Testfarbe Noir Porosimetrique gefunden.
Aufbauend auf den an der Laborstreichmaschine gefundenen Versuchergebnissen wurden die Streichfarbrezepturen für Versuche auf der Pilotstreichmaschine ausgewählt, welche be- züglich ihres Wegschlagverhaltens von Druckfarbe und Wasser ins Papier gute bis sehr gute Bewertungen erhielten. Alle Versuche im Pilotmaßstab wurden an der Pilotstreichanlage der VESTRA durchgeführt.
In das Projekt wurde ein industriell gefertigtes, gestrichenes aufgebessertes Coldset- Zeitungsdruckpapier sowohl in die allgemeine Auswertung als auch in den Praxisdruckver- such einbezogen. Somit kann eine Qualitätseinstufung der im Projekt produzierten gestri- chenen Coldset-Druckpapiere im Vergleich zu der Coldset-Qualität erfolgen, die dem derzei- tigen industriellen Stand der Technik entspricht.
Im Wegschlagverhalten von Original-Coldsetdruckfarbe mit dem Prüfbau-Probedruckgerät nach der Messmethodik des Konterdruckverfahrens sind beide aufgebesserten Versuchspa- piere deutlich schneller als das Referenzpapier. Auffällig ist bei dem Referenzpapier vor al- lem, dass nach dem anfänglichen sofortigen Farbwegschlagen in die großen Poren das wei- tere Wegschlagen sehr langsam erfolgt.
Alle auf der Vestra hergestellten Versuchspapiere und das Referenzpapier wurden in der Schweiz auf einer konventionellen Zeitungsdruckmaschine im Coldsetverfahren verdruckt.
Das füllstoffreiche Papier aus 100 % Altpapierstoff zeigt viel höheren Papierglanz und Druck- glanz als das Referenzpapier.
Die Druckqualität (Volltonflächen, Rasterpartien, Übereinanderdruck) lag allgemein auf ei- nem guten bis sehr guten Niveau. Unterschiede der Versuchspapiere untereinander oder im Vergleich zum Referenzpapier sind praktisch nicht vorhanden.
Im Gegensatz zu früheren Versuchen aus der Projektgruppe des Technischen Ausschusses der VESTRA waren bei diesen Versuchen keinerlei Ablagerungen durch feuchte Druckfarbe zu sehen. Dies deutet darauf hin, dass das Druckfarbwegschlagverhalten schnell genug ein- gestellt worden ist. Nur bei den aus Altpapierstoff hergestellten Papieren wurden solche Ab- lagerungen gefunden.
Durch abschließende Versuche am Laborkalander sollten ermittelt werden, ob der Papier- glanz durch zusätzliche Satinage merklich erhöht werden kann, ohne dass das Wegschlagen gleichzeitig stark verlangsamt wird. Dabei zeigte sich, dass die stärkere Satinage zu einem erheblich langsameren Farbwegschlagen führt.
Summary
Conventional newsprint is uncoated and has low brightness values. Due to its very wide pore size distribution, the low-viscous oil penetrates unevenly into the paper during printing. This results in an uneven thickness of the ink layer and unsteady appearance of the print image.
To achieve higher print qualities, the paper must be specially coated for cold set printing.
The most obvious solution would be the use of inexpensive commercial-grade coated papers such as LWC (light weight coated) also for cold set printing. However, the highly closed sur- face of these papers prevents the adequate penetration of cold set inks, leading to ink smearing. To achieve superior print qualities, a coated paper must be developed whose pore size distribution and pore volume meet the special requirements of the cold-set process.
For the purpose of this project, two very different industrial newsprint grades were selected for testing: a 100 % recycled fibre-based product, and a paper produced from 100 % virgin fibres.
The papers were coated with different coating colour formulations on the PTS laboratory coater, using various different pigments as well as one pigment substitute based on very fine ground chemical pulp fibers. Further, synthetic binders based on different monomers and with different glass transition temperatures points were used, as well as additions of differ- ently modified starches.
Very fast ink setting was achieved by a pigment system comprised of fine calcium carbonate and ultra-fine kaolin, both with and without pigment substitute. All other pigment types, e.g.
pigments comprising differently precipitated calcium carbonates, led to slower ink setting.
Even the test papers produced with specially modified, partly cationic starches exhibited coat structures and porosities that led to slower ink setting.
The ink setting behaviour was found to correlate well with the results of Penetration dynam- ics Analyser (PDA) measurements and the penetration of the Noir Porosimetrique test ink.
The formulations which had produced good or very good results in the laboratory coating tests, i.e. fast penetration of ink and water into the paper, were selected for subsequent coat- ing trials on the VESTRA pilot coater.
A commercial upgraded coated newsprint for cold set printing was used as a reference for both the general evaluations and the industrial printing tests carried out in the framework of this project. This allowed the quality of the cold-set printing papers produced in this project to be compared to the state-of-the-art cold-set quality.
In counter printing tests using a Prüfbau tester, the two upgraded test papers showed a sig- nificantly better penetration of the original cold-set ink than the reference. Strangely enough,
the reference paper exhibited a very slow ink setting behaviour after an initial stage of imme- diate ink penetration into its larger pores.
The reference and all test papers produced on the Vestra pilot coater were printed in a com- mercial newsprint press of the Swiss.
The highly filled 100 % recycled-fibre based paper showed much higher levels of paper and print gloss than the reference.
The print quality (full- and half-tone areas, overprinting) was generally good or very good.
There were virtually no quality differences between the various test papers or in comparison to the reference.
As opposed to earlier tests carried out by the VESTRA Technical Committee project group, no deposit formation caused by moist ink was observed. This suggests an adequately ad- justed speed of ink penetration. Some formation of solid deposits was only detected on the recycled-fibre based papers.
Final tests were conducted on a laboratory calender to study the question whether the paper gloss can be markedly increased by subsequent calendering without excessively slowing down the ink penetration. Unfortunately, increased calendering was found to result in a sig- nificantly slower ink penetration.
1 Einleitung
Die Drucktechnik des Coldset-Offset wird primär für das Bedrucken von Zeitungen verwen- det. Viele Coldsetdruckmaschinen werden deshalb heute nur wenige Stunden am späteren Abend und während der Nacht genutzt, um die Auflage des nächsten Tages zu drucken. Die Produktivität dieser Anlagen könnte signifikant erhöht werden, wenn sie auch tagsüber aus- gelastet würden, z.B. für die Produktion höherwertiger Druckerzeugnisse wie farbige Feuille- ton- oder Werbebeilagen.
In der Regel werden auf Coldsetdruckmaschinen Standard-Zeitungsdruck- oder so genannte aufgebesserte Zeitungsdruckpapiere verarbeitet.
Bei dem zu den Offsetdruckverfahren gehörenden Coldsetdruck wird die Farbe während des Kontaktes zwischen Gummituch und Papier in die Poren der Papieroberfläche gepresst. Die festen Bestandteile der Druckfarbe – also Pigmente und Harze – verbleiben dort, die flüssi- gen Komponenten wie Mineralöle und Pflanzenöle verlassen den Farbfilm durch Diffusion und werden an den Oberflächen der Papierfasern und der Hilfsstoffe im Papier absorbiert.
Dabei verfestigt sich der Druckfarbenfilm soweit, dass keine zusätzliche Trocknung mehr be- nötigt wird.
Offset –Zeitungsdruckfarben trocknen also rein physikalisch. Zusätzliche Trocknungsmecha- nismen wie die oxidative Trocknung – wie im Bogenoffset-Heatset oder im Illustrations- Tiefdruck – werden im Zeitungsdruck nicht benötigt.
Standard-Zeitungsdruck- oder so genannte aufgebesserte Zeitungsdruckpapiere weisen teilweise eine sehr breite Porengrößenverteilung auf. Beim Drucken dringt somit das nieder- viskose Öl nur ungleichmäßig in die Poren und erzeugt unterschiedliche Farbschichtdicken;
das Druckbild wirkt unruhig. Aus diesem Grund sind die herkömmlichen Zeitungsdruckpapie- re für anspruchsvollere Druckprodukte nicht geeignet. Höherwertige Druckpapiere zeichnen sich z.B. durch eine hohe Opazität, eine hohe Weiße, eine hohe Glätte und ein geringes Durchschlagen der Druckfarbe aus. Ferner müssen höherwertige Papiere alle Farbtöne op- timal wiedergeben. Um diese Anforderungen zu erfüllen, müssen die Papiere gestrichen werden.
Auch wenn die Herstellungskosten der für solche Anforderungen häufig eingesetzten LWC (Light-Weight-Coated)-Papiere wesentlich höher als die von Zeitungsdruckpapier sind, han- delt es sich bei dieser Qualität um relativ preisgünstige gestrichene Papiere. Es liegt nahe, diese Papiere auch für das Coldsetverfahren zu verwenden. Aufgrund ihrer sehr geschlos- senen Oberfläche kann die Coldset-Druckfarbe jedoch nicht hinreichend stark in das Papier eindringen und es kommt zum Schmieren.
Für höherwertige Coldsetdrucke muss also ein gestrichenes Papier entwickelt werden, das eine bestimmte, auf diese Drucktechnik abgestimmte Porengrößenverteilung aufweist. Bei zu kleinen Poren besteht möglicherweise die Gefahr der schlechten Druckfarbenveranke- rung, bei zu großen Poren die Gefahr des „Absackens“ der Druckfarbe in das Papierinnere.
Um ein gutes Laufverhalten in der Druckmaschine zu gewährleisten, darf das neu zu entwi- ckelnde Papier nicht zum Stauben neigen.
Matt gestrichene Coldsetpapiere werden heute bereits in geringen Mengen angeboten. Um die optischen Qualitäten der gestrichenen Papiere zu erhöhen, sollte in diesem Projekt ein Produkt mit höherem Papierglanz entwickelt werden.
2 Untersuchungen und Ergebnisse
In diesem Projekt wurden gezielt zwei industriell hergestellte Zeitungsdruckpapiere mit sehr unterschiedlichen Eigenschaften ausgewählt (siehe Kapitel 2.1).
Nach Charakterisierung der verwendeten Rohpapiere mittles ausgewählter Prüfverfahren wurden auf diese Rohpapiere in 2 separaten, aufeinander folgenden Arbeitsschritten Streich-
farben unterschiedlicher Zusammensetzung mittels der Laborstreichanlage der PTS appli- ziert (siehe Kapitel 2.2).
Nach Auswertung der umfangreichen Versuchsreihen des Kapitels 2.2 fand die Umsetzung in den Pilotmaßstab an der Streichanlage VESTRA statt (siehe Kapitel 2.3).
Durch die Weiterverarbeitung dieser im Pilotmaßstab gestrichenen Papierrollen in einer in- dustriellen Druckerei und die Auswertung dieser Druckversuche sollten die Be- und Verdruckbarkeit der verschiedenen Muster ermittelt werden. Mit dem mitverdruckten Refe- renzpapier, ein nach Stand der heutigen Technik industriell hergestelltes aufgebessertes ge- strichenes Zeitungsdruckpapier, kann eine Einstufung der in diesem Projekt produzierten Qualitäten erfolgen (siehe Kapitel 2.4).
Aufbauend auf den Ergebnissen der Auswertung der Druckversuche wurden anschließend weitere Optimierungsarbeiten mit dem Laborkalander durchgeführt (siehe Kapitel 2.5).
2.1 Untersuchung der Rohpapiere
In der Stoffzusammensetzung besteht das Rohpapier 1 aus 100 % Altpapierstoff, während das Rohpapier 2 aus 100 % Frischfasern besteht.
Weitere wichtige Eigenschaften sind in nachfolgender Tabelle zu entnehmen.
Tab. 1: Rohpapiereigenschaften
Rohpapier 1 Rohpapier 2
flächenbezogene Masse g/m² 51.7 55.5
Dicke µm 86.0 100.0
spezif. Volumen cm³/g 1.7 1.8
scheinbare Blattdichte g/cm³ 0.60 0.56
Gesamtfüllstoffanteil % 18.08 4.99
Anteil an CaCO3 % 2.0 0.9
Anteil an Kaolin % 16.1 2.0
R 457 + UV (OS+SS) % 69.9 74.7
R 457 - UV (OS + SS) % 67.0 72.5
L (OS+SS) -- 88.6 90.3
a (OS+SS) -- -0.5 -1.6
b (OS+SS) -- 3.6 3.4
Opazität % 93.0 92.2
PPS 1.0 / S (OS) µm 7.4 5.4
PPS 1.0 / S (SS) µm 8.0 7.0
Ganz Tappi Hunter 75° (OS+SS) % 4.0 6.0 Zeitungsdruckrohpapiere
Bei den Messungen der Penetrationsdynamik mit Wasser (PDA) ergibt sich im Vergleich zum Rohpapier 1 ein schnelleres Penetrieren in das Rohpapier 2. Die Messungen des Rand- winkels und des Wasser-Tropfenvolumens zeigen für das Papier 1 eine wesentlich langsa- mere Verringerung des Kontaktwinkels zwischen Papier und Wassertropfen bzw. eine we- sentlich schnellere Tropfenvolumenabnahme in µl/s als für das Papier 2. Wenn die gefunde- nen Benetzungswinkel in Oberflächenenergien umgerechnet werden, ergeben sich entspre- chend deutlich höhere Oberflächenspannungen für das Rohpapier 2.
Die Versuche zur Bestimmung der sorptiven Eigenschaften gegenüber Druckfarben fanden mit dem so genannten Wegschlagtest der Firma Prüfbau statt, wobei die Versuche im Kon- terdruckverfahren durchgeführt wurden. Eine weitere Messmethode ist der Anfärbetest „Noir Porosimetrique“, wobei eine definierte Testfarbe ohne Druck und mit genügend großem Farbüberschuss aufgetragen und nach einer Einwirkzeit von 1 Minute die vom Papier nicht aufgenommene Farbe sorgfältig abgewischt wird. Die Bewertung der Anfärbung erfolgt mit- tels Weißgradbestimmung mit dem ElrephoMesssystem.
Aus den Ergebnissen von Wegschlagtest und Anfärbetest erkennt man die dem Papier 2 ein deutlich schnelleres initiales Wegschlagen der Druckfarbe, d.h. eine größere Weißgradverin- gerung.
Bei zusammenfassender Betrachtung der sorptiven Eigenschaften der Rohpapiere 1 und 2 gegenüber Wasser und Druckfarbe erkennt man für Wasser und Druckfarbe eine einheitliche
Tendenz bezüglich des Wegschlagens; die Penetration sowohl von Druckfarbe als auch von Wasser erfolgt bei Rohpapier 2 schneller als bei Papier 1.
2.2 Versuchsdurchführung an der Laborstreichanlage
Die Versuche wurden an der Laborstreichanlage der PTS mit einer Filmpresse durchgeführt.
Unter dem Aspekt „Coated Coldset“ fanden bereits einige Forschungsarbeiten statt, deren Ergebnisse auch veröffentlicht wurden [1 - 4].
In diesen früheren Arbeiten hatten Pigmentsysteme mit groben Calciumcarbonat zu stärke- rem Stauben auf dem Gummituch geführt. Probleme mit Abschmieren gab es dagegen nicht, was darauf hindeutet, dass die Bedruckbarkeit bei ausgeprägter Makroporosität besser ist.
Im Vergleich ergeben sich für feinere Pigmente, welches eher eine Mikroporosität erzeugen, bezüglich Stauben keine Probleme, hingegen wurde allerdings starkes Farbabschmieren im Praxisdruck beobachtet. Zur Optimierung des Bindersystems wurden verschiedene Latices und Stärken sowie Kombinationen mit Stärke und Latex untersucht. Optimale Ergebnisse wurden mit einer Mischung von Stärke und Latex ermittelt.
Feine Pigmente sind die Voraussetzung zur Erzielung von Papierglanz, weshalb solche Pig- mente in diesem Projekt besonders berücksichtigt wurden. In den nachfolgenden Abbildun- gen sind die einzelnen Versuche, untergliedert in Versuchsdurchführung Laborstreichma- schine Teil 1 und Teil 2 (Abb. 1) dargestellt. Die beiden Versuchsprogramme wurden in se- paraten Schritten durchgeführt und auch ausgewertet.
Die in der Liste aufgeführten Streichfarbenformulierungen wurden mit der Filmpresse einsei- tig verstrichen. Das Auftragsgewicht betrug 6 g/m². Der Feststoffgehalt aller Streichfarbenfor- mulierungen betrug 60 %, die Viskosität nach Brookfield (100) wurde mit Hilfe eines Verdickers für alle Farben auf 500 mPas eingestellt. Der pH-Wert betrug einheitlich 9,0.
Versuche V1.1 V1.2 V1.3 V2 V3 V4 V5 V6 V7 V8 V9 V10 V11 V12 V13 V14 V15 V16 V17 V18 Pigment
Calciumcarbonat 1
(90% < 2µm) 80,0 80,0 80,0 80,0 73,0 70,0 80,0 80,0 80,0 80,0 80,0 80,0 70,0 70,0 80,0 80,0 73,0 80,0 Calciumcarbonat 2
(60% < 2µm) 80,0 80,0 Kaolin 1 (ultrafein)
20,0 20,0 20,0 20,0 20,0 20,0 20,0 20,0 20,0 20,0 20,0 20,0 20,0 20,0 20,0 20,0 20,0 20,0 20,0
Kaolin 2 (fein)
20,0
PCC 1 (Calcit und
Aragonit) 10,0
PCC 2 (Aragonit, mean
particle size 0,8 µm) 10,0
PCC 3 (Aragonit, mean
particle size 0,6 µm) 10,0
Pigmentersatz 7,0 7,0
Summe
100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0
Additive
Binder 1 6,0 6,0 6,0 10,0 6,0 6,0 6,0 4,0 4,0 4,0 10,0 6,0 6,0 6,0 6,0 10,0 4,0 10,0
Binder 2 7,0 10,0
Stärke 1 4,0 4,0 4,0 4,0 4,0 4,0 4,0 4,0 4,0 4,0 4,0
Stärke 2
12,0 12,0
Stärke 3
12,0 2,5 12,0
Stärke 4 2,0
Verdicker
0,10 0,15 0,20 0,15 0,20 0,20 0,02 0,01 0,08 0,02
Polyvinylalkohol 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4
optischer Aufheller 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5
Härtungsmittel 1,8 1,8 1,8 1,8
Calciumstearat 1,5
Gesamt
110,90 110,90 112,50 111,05 111,10 111,05 110,90 118,70 118,70 118,90 113,00 110,90 110,52 111,90 110,90 110,90 110,91 112,90 118,78 118,70
Versuche an der Laborstreichmaschine
Teil 1 Teil 2
Abb. 1: Darstellung des Versuchsablaufes an der Laborstreichmaschine Teil 1 und 2
In den Versuchen wurden unterschiedliche natürliche Pigmente (CaC03 und Kaoline mit un- terschiedlicher Teilchengröße, präzipitierte Carbonate (PCC) mit unterschiedlicher mittlerer Partikelgröße und Partikelform) sowie ein feinstgemahlener Zellstoff als Pigmentersatz ein- gesetzt.
Weiter wurden synthetische Binder auf der Basis unterschiedlicher Monomere (Acrylester/
Vinylester und Styrol/Butadien) und mit stark unterschiedlichen Glasübergangstemperaturen Tg (so genannte „weiche“ und „harte“ Binder) eingesetzt wie auch Beimischungen von Stär- ken unterschiedlicher Modifikationen.
Der Unterschied zwischen der Streichfarbe V1.1 und V1.2 liegt in der unterschiedlichen Rei- henfolge der Zugabe der verschiedenen Ingrdienzien bei der Streichfarbenherstellung, die Streichfarbenzusammensetzung selbst ist identisch. Während bei V1.1 die verwendete Stär-
ke unmittelbar in die Pigmentslurry eingetragen wurde, wurde sie bei der Farbe V1.2 als letz- te Komponente zugegeben. Man erhoffte sich hier Aufschlüsse und zusätzliche Informatio- nen über ein eventuell unterschiedliches Aufziehen des eingesetzten optischen Aufhellers auf die Stärke und somit Einfluss auf den Weißgrad gemessen ohne UV-Filter.
Die Versuchspaare V1.1 und V10 sowie V2 und V18 sind jeweils identische Versuche und dienten der Überprüfung der Reproduzierbarkeit.
Die Wahl der Streichfarbenformulierungen und Modifikationen zielte auf die Erweiterung des Verständnisses über die Einflüsse auf das sorptive Verhalten des Papiers, als Vorausset- zung für eine gezieltere Beeinflussung und Steuerung der Flüssigkeitsadsorption.
Alle am Laborcoater gestrichenen Papiere wurden anschließend am Laborkalander der PTS bei einer Temperatur von 35°C und einem Lineardruck von ca. 80 kN/m leicht geglättet.
Nach Durchführung der umfangreichen Versuchsreihen (siehe Abb. 1) wurden die gestri- chenen und satinierten Papiere auf ihr Penetrationsverhalten gegenüber Fluiden wie Druck- farbe und Wasser, aber auch auf Papiereigenschaften wie Weißgrad, Opazität, Glätte und Glanz überprüft.
Zunächst soll das Verhalten gegenüber Druckfarben charakterisiert werden. Hierzu wurden Prüfmethoden wie die Anfärbung durch die schwarze Testdruckfarbe „Noir Porosimetrique“
zur Bestimmung der Saugfähigkeit des Druckträgers wie auch der so genannte „Wegschlag- test“ zur Bestimmung der Sauggeschwindigkeit durchgeführt.
Verringerung des Weissgrades mit Testfarbe Noir Porosimetrique
40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90
V1.1 V1.2 V1.3 V2 V3 V4 V5 V6 V7 V8 V9 V10 V11 V12 V13 V14 V15 V16 V17 V18 Rohpapier
[%]
Papier 1 Papier 2
Abb. 2: Verringerung des Weißgrades
Bei Betrachtung der gestrichenen Qualitäten fällt der starke Einfluss des Rohpapiers auf das Wegschlagen der Prüffarbe auf. Bei allen Versuchen erkennt man eine Verringerung des Weißgrades bei den Versuchen mit dem Rohpapier 2. Durch das höhere Saugvermögen er- gibt sich mit dem Papier 2 im Vergleich zu dem Papier 1 eine stärkere Anfärbung.
Weiter zeigen die Balkendiagramme neben dem Rohpapiereinfluss starke Unterschiede zwi- schen den mit unterschiedlichen Streichfarbenformulierungen gestrichenen Papieren.
Bei den gestrichenen Qualitäten von Papier 1 färben sich durch das Aufbringen der schwar- zen Testfarbe die Muster V2 und die Muster V18 des Wiederholungsversuchs sowie die
Muster V5 und V15 am intensivsten. Die geringste Testfarben-Aufnahme zeigen hingegen die Muster V3, V8 und V17.
Die gestrichenen Versuchspapiere V1, V2, V4, V5, V14 und V18 des Papier 2 nehmen die Testfarbe gut auf, im Gegensatz dazu lassen sich die gestrichenen Papiere V3, V8 und V17 nur wenig anfärben, sind demzufolge nicht so saugfähig.
In den Abb. 3 und 4 wird das Wegschlagverhalten der auf der Laborstreichmaschine gestri- chenen Papiere 1 bzw. 2 näher dargestellt.
Wegschlagtest - Versuche Laborstreichmaschine mit Papier 1
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,1 1,2 1,3
V1.1 V1.2
V1.3 V2 V3 V4 V5 V6 V7 V8 V9 V10
V11 V12
V13 V14
V15 V16
V17 V18
optische Dichte [--]
0,2 sec. 15 sec. 30 sec.
Abb. 3: Wegschlagtest – Papier 1 gestrichen auf der Laborstreichmaschine
Das im Versuchsprogramm Teil 2 verglichen mit dem Teil 1 festgestellte ca. 0,2 Sekunden schnellere Wegschlagen der Druckfarbe ins Papier dürfte durch die Separierung in Teilpro- gramme entstanden sein. Aus diesem Grund wurde bei der Bewertung der Messergebnisse darauf geachtet, dass Versuchsergebnisse nur innerhalb eines Versuchsprogramms mitein- ander verglichen werden können.
Die Papiere aus den Versuchen V2, V5 und V15 und V18 zeigen ein schnelles Wegschlagen von Druckfarbe (siehe Abb. 3). Alle anderen Versuchspapiere sind deutlich langsamer. So- mit ergeben sich deutliche Korrelationen zu den Ergebnissen mit der Testfarbe Noir Porosi- metrique: Die Versuchspapiere, bei denen die Farbe anfänglich am schnellsten wegschlägt (ermittelt mit dem Wegschlagtest), färben sich auch nach druckloser Einwirkzeit der Druck- farbe nach 1 Minute am intensivsten ein (ermittelt mit dem Anfärbetest Noir Porosimetrique – siehe Abb. 2).
Mit Ausnahme des Pigmentsystems bestehend aus 73 Teilen Calciumcarbonat (90 % < 2 µm), 20 Teilen von ultrafeinen Kaolin und 7 Teilen Feinstzellstoff ergeben die Versuche mit anderen Pigmentsystemen (u.a. mit PCC sowie mit groben Carbonaten) im Vergleich zum Pigmentsystem bestehend aus 80 Teilen Calciumcarbonat (90 % < 2 µm) und 20 Teilen von ultrafeinen Kaolin am Konterdruckpapier eine höhere Farbdichte.
Anscheinend erzeugt das Pigmentsystem bestehend aus 80 Teilen Calciumcarbonat (90 % <
2µm) und 20 Teilen von ultrafeinen Kaolin eine entsprechende Kapillarität, welche die flüssi- ge Phase der Druckfarbe sehr schnell in die Porenstruktur aufnehmen kann.
Wegschlagtest - Versuche Laborstreichmaschine mit Papier 2
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,1 1,2 1,3
V1.1 V1.2
V1.3 V2 V3 V4 V5 V6 V7 V8 V9 V10
V11 V12
V13 V14
V15 V16
V17 V18
optische Dichte [--]
0,2 sec. 15 sec. 30sec.
Abb. 4: Wegschlagtest – Papier 2 gestrichen auf der Laborstreichmaschine
Der Wegschlagtest mit dem Papier 2 (siehe Abb. 4) zeigt ein schnelles Wegschlagen von Druckfarbe bei den Versuchspapiere V1.1, V1.2, V5 und V14, V18. Auffallend ist das deutlich langsamere Wegschlagen beim Versuchspapier V1.3 nach unmittelbarem Kontakt mit der Streichfarbe. Dieser Effekt ist wahrscheinlich auf den zusätzlichen Einsatz von Ca-Stearat zurück zu führen. Die Porenstruktur hat sich hierdurch - verbunden mit der Satinagearbeit durch den Laborkalander - derart verändert, dass die Sauggeschwindigkeit unmittelbar nach Kontakt mit der Druckfarbe deutlich langsamer geworden ist.
Auch bei dem Papier 2 ergeben sich bei gemeinsamer Betrachtung der Ergebnisse des An- färbetests mit der Testfarbe Noir Porosimetrique und des Wegschlagverhaltens neuerlich eindeutige Korrelationen; die nach 1 Minute stärker eingefärbten Papiere schlagen unmittel- bar nach Kontakt der Druckfarbe am Papier die Druckfarbe schneller weg.
Zusammenfassend können folgende Zusammenhänge aus den Messergebnissen der sorpti- ven Eigenschaften gegenüber Druckfarbe abgeleitet werden:
⇒ Das Pigmentsystem mit 80 Teilen Calciumcarbonat (90 % < 2 µm) und 20 Teile von ultrafeinen Kaolin führten in der durchgeführten Versuchsreihe zum schnellsten Weg- schlagen der Druckfarbe ins Papier.
⇒ Als zweites Pigmentsystem kann das Pigmentsystem mit 73 Teilen Calciumcarbonat (90 % < 2 µm) und 20 Teilen von ultrafeinem Kaolin und 7 Teilen des Feinstzellstoffes auf Basis nachwachsender Rohstoffe angeführt werden, welches in der Versuchsrei- he die Druckfarbe ebenfalls schnell penetrieren ließ.
⇒ Die Versuche mit speziellen modifizierten Stärken ergaben kein sonderlich schnelles Wegschlagen der Druckfarbe. Die in diesen Fällen erzeugten Porenstrukturen bewir- ken keinen schnellen kapillaren Flüssigkeitstransport.
⇒ Bei genereller vergleichender Betrachtung des anfänglichen initialen Wegschlagver- haltens unmittelbar nach Kontakt der Druckfarbe mit der Papieroberfläche aller ge- strichenen Papiere 1 (Rohpapier 1 aus 100 % Altpapierstoff) und Papiere 2 (Rohpa- pier 2 aus 100 % Frischfaser) erkennt man ein leicht schnelleres Wegschlagen von Druckfarbe in die Papiere 2. Hingegen können bei dem Penetriervorgang über einen
Zeitraum von 1 Minute allgemein die gestrichenen Rohpapiere 2 mehr Druckfarbe aufnehmen.
⇒ Die Ergebnisse der Prüfbau-Messungen korrelieren bei separater Betrachtung der Papiere 1 und Papiere 2 sehr gut mit den Ergebnissen der Anfärbemethodik „Noir Po- rosimetrieque“. Die Versuchspapiere V2 und V5 beider Rohpapiere lassen sich mit der schwarzen Druckfarbe am stärksten anfärben, gleichzeitig erzeugen diese Papie- re ein sehr schnelles Wegschlagen von Druckfarbe.
Für das Verhalten gegenüber Wasser wurden neben der PDA-Messung auch Benetzungs- winkel, Oberflächenspannung sowie die Bestimmung des Tropfenvolumens herangezogen.
Das Verhalten gegenüber Wasser kann folgendermaßen zusammengefasst werden:
• Die Ergebnisse beider Rohpapiere mit den Versuchspapieren V2 und V5 zeigen in den durchgeführten Versuchsprogrammen ein schnelles Einpenetrieren von Wasser
• Im Benetzungsverhalten zeigen die Papiere mit schnellem Wegschlagen hohe Benet- zungswinkel und niedrige Oberflächenspannung bei Kontakt mit Wasser.
• Die gestrichenen Papiere 2 können pro Zeiteinheit wesentlich höhere Wassermengen (ermittelt durch Messung der Abnahme des Tropfenvolumens) aufnehmen als die gestri- chenen Papiere 1.
Die Qualitätsbeurteilung bezüglich der Parameter Weißgrad R457, Opazität, Rauhigkeit nach der Parker Print Surf Methode, Glanzwerte nach Tappi Hunter 75 ergab keine signifikanten Unterschiede. An dieser Stelle sollen nur die Glanzwerte genauer betrachtet werden.
Für die gestrichenen Papiere 1 ergeben sich Werte im Bereich von 11 bis 14 % nach Tappi Hunter 75, die gestrichenen Papiere 2 liegen auf annähernd gleichem Niveau. Die Unter- schiede zwischen den einzelnen Versuchspunkten können als marginal klein angesehen werden, wobei keine eindeutige Trends erkennbar sind.
2.3 Versuchsdurchführung am Pilotcoater
Sämtliche Versuche im Pilotmaßstab wurden mit dem Pilotcoater der VESTRA GmbH durchgeführt.
Aus den Laborcoater-Versuchen in Kapitel 2.2 wurden 4 Streichfarbenformulierungen für die Pilotversuche ausgewählt (V1 – V4). Das wesentliche Auswahlkriterium war ein schnelles Druckfarbwegschlagverhalten und ein großes Saugvolumen von Druckfarbe aus.
Tab. 2: Versuchsprogramm am Pilotcoater der VESTRA
V1 V2 V3 V4 V1 V2 V3 V4 Pigmente
Calciumcarbonat 1 (90% < 2 µm) 80 80 80 73 80 80 80 73 Kaolin 1 (ultrafein) 20 20 20 20 20 20 20 20
Pigmentersatz 7 7
Additive
Binder 1 6 10 6 6 10 6
Binder 2 6 6
Stärke 1 4 4 4 4 4 4
Polyvinylalkohol optischer Aufheller
Einstellungen Feststoffgehalt [%]
Viskosität BV (100) [mPas]
pH-Wert
Geschwindigkeit [m/min]
Strichauftrag FS/WS Feuchte
Rohpapier 1 Rohpapier 2 Versuchsprogramm Pilotversuch
0,4 0,4
0,5 0,5
60 60
6,5
500-700 9 1750
6/6 6,5 500-700
9 800
6/6
Diese Streichfarben (V1, V2, V3 und V4) wurden mit der Filmpresse im Simultanbetrieb je- weils auf beide Rohpapiere aufgetragen. Die Vordosierung erfolgte mit profilierten Stäben.
Dabei wurde – in Anlehnung an die Betriebsbedingungen der beiden Zeitungsdruckhersteller -ihre Originalmaschinengeschwindigkeit miteinbezogen, d.h. die Versuche mit dem Papier 1 wurde mit 800 m/min, diejenigen mit dem Papier 2 mit 1750 m/min gefahren.
2.3.1 Laufverhalten
Auf alle Papiere wurden 6 g/m² je Seite aufgetragen, die Endfeuchte wurde auf 6,5 g/m² ein- gestellt.
Beurteilung des Laufverhaltens der Versuche mit dem Papier 1 :
• Keine Probleme mit so genannten „Spucken am Stab“, auch „Rodspitting“ genannt.
• Farben 1 bis 3 waren praktisch frei von Misting, nur bei Farbe 4 wurde leichtes Misting beobachtet.
Beurteilung des Laufverhaltens der Versuche mit dem Papier 2:
• Farbe 2 war bezüglich des Rodsplittings an der Grenze des Tolerierbaren, jedoch noch fahrbar, bei allen anderen Farben gab es keine Probleme.
• Misting war auf Grund der höheren Geschwindigkeiten bei allen Versuchen gegeben; Für die Intensität des Mistings wurde die folgende Reihung (gut Æ schlecht) gefunden: V3 Æ V2 Æ V4 Æ V1.
Die Satinage dieser gestrichenen Rollen erfolgte am Superkalander der VESTRA. Die Ge- schwindigkeit des Kalanders betrug bei allen Versuchen 500 m/min, die Walzentemperaturen waren mit 30 °C konstant eingestellt. Satiniert wurde mit dem Wechselnip ohne zusätzlichen Druck, also nur mit Walzenlast (ca. 60 N/’mm).
Das Laufverhalten beider Papiere am Superkalander war problemlos.
2.3.2 Papiereigenschaften
In das Projekt wurde ein industriell gefertigtes, gestrichenes, aufgebessertes Coldset-Zei- tungsdruckpapier, nachfolgend Referenzpapier genannt, sowohl in die allgemeine Auswer- tung als auch in den Praxisdruckversuch miteinbezogen. Somit kann eine Qualitätseinstu- fung der im Projekt produzierten gestrichenen Coldset-Druckpapiere im Vergleich zu der Coldset-Qualität erfolgen, die dem derzeitigen industriellen Stand der Technik entsprechen, vorgenommen werden.
Die gestrichenen Papiere 1 und 2 besaßen eine flächenbezogene Masse von 62 g/m² bzw.
67 g/m². Das aufgebesserte Zeitungsreferenzpapier besaß eine flächenbezogene Masse von ca. 61 g/m². Die Weißgrade bewegten sich bei den gestrichenen und satinierten Qualitäten mit dem Papier 1 (100 % Altpapierstoff) bei 76 %, mit den Papier 2 (aus 100 % Frischfaser) bei 79 %. Das Referenzpapier wies einen Weißgrad von 80 % auf. Generell lagen die Weiß- gradwerte bei den Versuchspapieren V4 geringfügig niedriger als bei anderen Versuchspa- pieren. Die Opazitätswerte der satinieren Papiere 1 und 2 liegen mit Werten von 95 % um einen Prozentpunkt über den Werten des Referenzpapiers. Bezüglich der Rauhigkeitswerte liegen die Werte der satinierten Papiere 1 und 2 mit geringfügig unter 6,0 µm leicht oberhalb derer des Referenzpapiers. Bei Betrachtung des Papierglanzes nach der Satinage finden sich für das Papier 1 einheitlich Werte um etwa 10, mit dem Papier 2 ergeben sich dagegen nur Werte knapp über 6, sie liegen somit auf dem Niveau des Referenzpapiers.
2.3.3 Wegschlagverhalten von Druckfarbe und Wasser
Die nächste Abbildung zeigt die Resultate des Wegschlagtests der am Pilotcoater der VESTRA gestrichenen und satinierten Papiere. Die Versuche wurden mit einer Original- Coldsetdruckfarbe durchgeführt.
Wegschlagtest
Pilotstreichversuche mit Papier 1
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6
base FS base WS V1 FS V1 WS V2 FS V2 WS V3 FS V3 WS V4 FS V4 WS Ref. FS Ref. WS
[optische Dichte]
0,2 sec. 15 sec. 30 sec.
Abb. 5: Wegschlagtest (Prüfbau) der Zeitungsdruckfarbe Cyan in das Papier 1 sowie in das Referenzpapier
Bei Betrachtung der Versuchspapiere V1 bis V4 liegen diese unmittelbar nach Benetzung des Papiers mit der Coldset-Druckfarbe im Vergleich zum Rohpapier auf nur geringfügig hö- herem Niveau; die offene saugfähige Porenstruktur blieb trotz des Strichauftrags von 6 g/m² je Seite erhalten. Wenn die Entwicklung der Werte über der Zeit betrachtet werden, erkennt man sogar ein schnelleres Wegschlagen der Druckfarbe in die gestrichenen Papiere vergli- chen mit dem Wegschlagen in das Rohpapier. Auch auffallend ist das schlechte Wegschlag- verhalten des Referenzpapiers über die Zeit.
Das Wegschlagverhalten der gestrichenen Papiere 2 im Vergleich zu dem Referenzpapier zeigt nachfolgende Abbildung.
Wegschlagtest
Pilotstreichversuche mit Papier 2
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6
base FS base WS V1 FS V1 WS V2 FS V2 WS V3 FS V3 WS V4 FS V4 WS Ref. FS Ref. WS
[optische Dichte]
0,2 sec. 15 sec. 30 sec.
Abb. 6: Wegschlagtest (Prüfbau) der Zeitungsdruckfarbe Cyan in das Papier 2 sowie in das Referenzpapier
Ein Vergleich der Papiere 1 (Abb. 5) und 2 (Abb. 6) zeigt ein schnelleres Wegschlagen von Druckfarbe in die gestrichenen Papiere 2. Der Trend aus den Tests mit den Rohpapieren, nämlich ein schnelleres Wegschlagen von Druckfarbe in das Rohpapier 2 (siehe Kapitel 2.1) setzt sich in den gestrichenen Qualitäten fort.
Die Schwankungsbreite der Wegschlaggeschwindigkeit bei den Versuchspapieren ist gering.
Weiter zeigen die gestrichenen Papiere 2 wie auch die Papiere 1 ein im Vergleich zu den Rohpapieren und zum Referenzpapier schnelleres Wegschlagen über der Zeit.
Die nächste Abbildungen zeigen die Ergebnisse der Anfärbetests mit der Testdruckfarbe Noir Porosimetrique.
Verringerung des Weissgrades mit Testfarbe Noir Porosimetrique in %
0 10 20 30 40 50 60 70 80
V1 cal V2 cal V3 cal V4 cal V1cal V2 cal V3 cal V4 cal
[%]
FS WS
Papier 1 Papier 2
Abb. 7: Verringerung des Weißgrades durch die Einfärbung mit der Testfarbe Noir Porosimetrique
Auch in diesem Test zeigen sich wie in dem Wegschlagtest mit dem Prüfbaugerät innerhalb der Versuchsreihen mit beiden Papieren keine signifikanten Unterschiede. Die Ergebnisse des Anfärbetests ergeben für das gestrichene Papier 2 ein etwas schnelleres Wegschlagen der Druckfarbe über der Zeit. Diese nehmen innerhalb von 1 Minute die Druckfarbe stärker auf als die gestrichenen Papiere 1 auf Basis von 100 % Altpapierstoff.
Anschließend sei das Penetrationsverhalten von Wasser in die Versuchspapiere 1 und 2 dargestellt.
Die Ergebnisse basierend auf die PDA-Messmethodik zeigen ein anfänglich schnelleres Pe- netrieren der Versuchspapieren V1, V3 und V4 für beide Papiersorten.
Tendenziell penetriert Wasser nach unmittelbarem Kontakt mit den gestrichenen Versuchs- papieren und im Zeitraum von 1 Sekunde in die Papiere 2 etwas schneller ein.
Das mitgemessene Referenzpapier liegt im Initialbereich auf ähnlichem Niveau, im Zeitbe- reich von 1 Sekunde nach dem Wasserkontakt liegt die Penetrationsgeschwindigkeit aller- dings deutlich unter der der Versuchspapiere.
Ergänzend zu den beschreiebenen Untersuchungen wurden auch die dynamischen Kon- taktwinkel mit dem Absorptionstester DAT 1121 der Firma Fibro AB gemessen. Beim Ver- gleich der Papiere 1 und Papiere 2 erkennt man generell höhere Benetzungswinkel bei den Papieren 2 unmittelbar nach einer Kontaktzeit von 0,02 Sekunden. Die Papiere 2 mit gemes- senen Benetzungswinkeln von zum Teil über 110 ° liegen deutlich über den Werten, welche mit den Referenzpapieren erreicht worden sind.
Bei der Messung mit dem Absorptionstester wurde auch die Tropfenvolumenabnahme nach der Kontaktphase gemessen. Bei den Papieren 1 sieht man eine niedrigere Volumenabnah- me im Vergleich zu den Referenzpapieren, das Referenzpapier saugt den Wassertropfen fast doppelt so schnell auf wie die Papiere 1.
Allerdings ist die Tropfenvolumenabnahme pro Sekunde mit den Papieren 2 durchschnittlich 1,5-fach so schnell wie mit den Referenzpapieren und ca. 2,5-fach so schnell wie mit den Papieren 1.
Komplettiert wird die Versuchsreihe mit den Messergebnissen der Oberflächenspannung.
Es ergeben sich allgemein niedrigere Oberflächenspannungen nach 0,02 Sekunden mit den Papieren 2 im Vergleich zu den Papieren 1, die Messwerte lagen dabei um 20 mN/m.
Die Papiere 1 haben in dem gemessenen Zeitbereich von 0,02 bis 5,0 Sekunden ähnliche Oberflächenspannungen wie das Referenzpapier. Hingegen besitzen die Papiere 2 initial, al- so nach 0,02 Sekunden niedrigere Oberflächenspannungen, im Zeitraum von 0,5 bis 5 Se- kunden aber meist höhere Oberflächenspannungen als das Referenzpapier.
Oberflächenspannung - Papiere 1 und Referenzpapier
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55
V1 FS+ WS V2 FS + WS V3 FS + WS V4 FS + WS Ref FS + WS
[mN/m]
0,02 sec. 0,5 sec. 2,0 sec. 5,0 sec.
Abb. 8: Darstellung der Oberflächenspannung – Versuche Pilotstreichmaschine mit den Versuchspapieren 1 sowie des Referenzpapieres
Oberflächenspannung - Papiere 2 und Referenzpapier
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55
V1 FS+ WS V2 FS + WS V3 FS + WS V4 FS + WS Ref FS + WS
[mN/m]
0,02 sec. 0,5 sec. 2,0 sec. 5,0 sec.
Abb. 9: Darstellung der Oberflächenspannung – Versuche Pilotstreichmaschine mit den Versuchspapieren 2 sowie des Referenzpapieres
2.3.4 Qualitätsbeurteilung der erzeugten Papiere
Die erreichten Weißgrade der gestrichenen Versuchspapiere (Papier 2) mit knapp unter 80
% erreichen annähernd den Weißgrad des gestrichenen aufgebesserten Zeitungsdruck- Referenz-Papiers. Die Versuchspapiere aus 100 % Altpapierstoff (Papier 1) erreichen auf- grund der niedrigeren Rohpapier-Grundweiße Weißgrade um die 76 %. Die Weißgrad- Schwankungsbreite bei den Versuchspapieren untereinander ist gering.
Die Opazitätswerte liegen um die 95 % und somit generell leicht über dem des Referenzpa- piers. Auch hier erkennt man bei Betrachtung der Versuchspapiere untereinander kaum Un- terschiede.
Im Papierglanz zeigt von allem das Papier 1 höhere Werte (ca. 10 nach Tappi Hunter 75).
Das Papier 2 ist mit Glanzwerten von ca. 6 – abhängig von der Strichrezeptur – mit dem Re- ferenzpapier vergleichbar. Das Papier 1 erreicht auch höhere Druckglanzwerte von über 20, hingegen ist das Papier 2 bezüglich des Druckglanzes mit dem Referenzpapier zu verglei- chen und liegt bei 12.
2.4 Praxisdruckversuche
Die Druckversuche wurden bei einer Druckerei in der Schweiz durchgeführt. Es handelt sich hierbei um eine konventionelle Zeitungsdruckmaschine des Typs WIFAG OF 790, auf der in- dustriell Zeitungsdruckpapiere im Coldsetverfahren verdruckt werden.
Alle verwendeten Papierrollen wurden wie in der Abbildung durch die Druckmaschine gefah- ren. Das Druckwerk 1, ein 9-Zylinder-Satelliten-System mit der Farbreihenfolge cyan Æ ma- genta Æ yellow Æ black bedruckt die Rollenaußenseite der Papierrolle, das Druckwerk 2, ein 10-Zylinder-Satelliten-System mit der Farbreihenfolge black Æ cyan Æ yellow Æ magenta, die Rolleninnenseite der eingehängten Papierrolle.
2.4.1 Versuchsdurchführung
Zu Beginn des Versuchs wurde das in das Projekt miteinbezogene Referenzpapier, ein in- dustriell gefertigtes aufgebessertes Zeitungsdruckpapier, bedruckt, anschließend alle ande- ren an der VESTRA gestrichenen und satinierten Versuchsrollen mit Ausnahme des Ver- suchspapiers V2 mit dem Rohpapier 1. Grund hierfür waren lange Zugfalten, die ein Verdru- cken unmöglich machten.
Von jedem Versuchspunkt wurden ca. 400 Exemplare direkt von der Zeitungsrotation der Weiterverarbeitungslinie (Wickelstation, Kreuzleger) zugeführt und zu Paketen zusammen- getragen.
2.4.2 Auswertungsresultate der Bedruckbarkeit
Zur Auswertung und Beurteilung der Druckqualität und des Laufverhaltens in der Druckma- schine dienten die Druckmuster, die bei der Einzel-Exemplarauslage nach dem Falzaggregat entnommen worden sind.
Die Ergebnisse bezüglich der Druckqualität (Volltonflächen, Rasterpartien, Übereinander- druck) lagen allgemein auf einem guten bis sehr guten Niveau. Druckqualitätsunterschiede der Versuchspapiere untereinander oder im Vergleich zum Referenzpapier sind praktisch nicht vorhanden, ein Aufstellen eines Beurteilungsrankings ist daher nicht sinnvoll.
Alle gemessenen Druckglanzwerte lagen allgemein auf einem niedrigen Niveau, wobei die Versuchspapiere mit dem Rohpapier 1 Druckglanzwerte von 10 Tappi Hunter aufwiesen und somit im Vergleich zu den gestrichenen Papieren 2 und dem Referenzpapier etwas höher la- gen.
2.4.3 Auswertungsresultate der Verdruckbarkeit
Von den insgesamt 7 Versuchspapieren wurden jeweils 4.000 bis 10.000 Exemplare unter praktischen Produktionsbedingungen bedruckt und online der Weiterverarbeitungsanlage zugeführt. Nach jedem Versuch wurden der Zentralzylinder und die Gummitücher bezüglich
„Ausbauen“ begutachtet und anschließend von Hand gereinigt.
Nächste Abbildung zeigt die Auswertung bezüglich des Aufbauens auf Gummitüchern und Zentralzylinder, Farbabschmieren im Falzaggregat und nach Kreuzleger. Dabei wurde das Trocknungsverhalten (Farbabschmieren etc.) anhand der Muster aus den Paketen (Weiter- verarbeitungsanlagen) beurteilt und ausgewertet.
Praxisdruckversuche - Laufeigenschaften
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0
V1 cal V3 cal V4 cal V1 cal V2 cal V3 cal V4 cal
[1 sehr gut - 2 gut - 3 mittel - 4 schlecht]
Aufbauen auf Gummituch und Stauben
Abschmieren nach Falzaggregat (Einzelexemplarauslage) Aufbauen auf Zentralzylinder
Abschmieren nach Kreuzleger (Bündelapparat)
Papier 1 Papier 2
Abb. 10: Charakterisierung aller Verdruckbarkeitskriterien (Druckwerk mit Peripherie)
Aufbauen auf Gummitüchern oder Stauben ist praktisch bei allen Versuchen nicht aufgetre- ten, auch Abschmieren nach dem Falzaggregat und Kreuzleger konnte praktisch nicht fest- gestellt werden. Das diesbezügliche Verhalten aller Papiere wurde als gut eingestuft.
Das Verdruckbarkeitskriterium „Ablagerungen auf dem Zentralzylinder“ wurde bei den Be- druckungsversuchen mit dem Papier 2 als sehr gut bewertet, man fand auch nach Bedru- cken von bis zu 10.000 Exemplaren keinerlei Abschmieren von Farbe oder anderweitige Ab- lagerungen. Die Penetrationsgeschwindigkeit bzw. das Wegschlagen von Druckfarbe in das gestrichene Zeitungsdruckpapier 2 ist demzufolge optimal eingestellt worden.
Auch bei den Versuchen mit den Papieren 1 gab es keinen Hinweis auf Abschmieren von Farbe infolge von zu langsamem Wegschlagen, allerdings führten die Versuche mit dem Pa- pier 1 auf Basis eines Rohpapiers mit 100 % Altpapierstoff zu Ablagerungen in fester, tro- ckenerer Form. Die Ursachen für diese Ablagerungen muss noch näher aufgeklärt werden.
Druckexperten stuften diese Ablagerungen allerdings als nicht markant ein.
Im Gegensatz zu früheren Forschungsarbeiten – durchgeführt durch den TA der VESTRA – gab es in den Praxisdruckversuchen keinerlei Ablagerungen durch feuchte, noch nicht weg- geschlagene Druckfarbe. Diese Tatsache deutet darauf hin, dass die in dieser Arbeit erzeug- ten sogenannten aufgebesserten Coldset-Druckpapiere die Druckfarbe ausreichend schnell wegschlagen können.
Voraussetzung für die Coldset-Eignung eines gestrichenen Rollendruckpapiers ist laut Vor- gabe des Patentes ein Benetzungswinkel von < 70°, für bessere Ergebnisse besser noch <
55°, gemessen mittels Randwinkelbestimmung nach 2 Sekunden. Bei Betrachtung der Be- netzungswinkel der Versuchspapiere (siehe auch Abb. 55 und 56) liegen die Werte meist über 70° und deutlich über 55° und somit deutlich über den Vorgaben des Patentes. Obwohl diese Vorgaben nicht erfüllt werden, sind auch die in diesem Projekt produzierten Papiere gut im Coldsetverfahren verdruckbar.
2.5 Zusätzliche Versuche am Laborkalander
Bezüglich des Papierglanzes und Druckglanzes haben die erzeugten Papiere 1 (aufgebes- serte Zeitungsdruckpapiere auf Basis einen Rohpapiers mit 100 % Altpapierstoff) schon hö- here Werte als das Referenzpapier.
Mit zusätzlichen Versuchen am Laborkalander sollte getestet werden, ob durch eine Satina- ge der Papierglanz der Papiere 1 und 2 merklich erhöht werden könnte, ohne dass das Wegschlagen verlangsamt werden würde.
2.5.1 Vorgehensweise
Ausgewählt wurden die Versuchspapiere V1 und V3 jeweils von beiden Rohpapieren, welche mit dem Pilotcoater und Superkalander der VESTRA hergestellt worden sind.
Aufgrund erster Vorversuche war schnell zu erkennen, dass nur sehr moderate Satinagebe- dingungen gewählt werden konnten. Satinageversuche mit hohem Liniendruck und / oder hohen Temperaturen beeinflussten das Wegschlagverhalten sofort negativ.
Aus diesem Grund wurden folgende Einstellungen gewählt:
• Temperatur: 25°C
• Liniendruck: 67 kN/m (=Minimallast)
• Geschwindigkeit: 10 m/min
2.5.2 Ergebnisse und Beurteilung der zusätzlichen Versuche am Laborkalander
Die Abb. 11 und 12 zeigen die Ergebnisse der Farbdichtwerte des Wegschlagteststreifens der Papiere 1 bzw. 2 nach Konterzeiten von 0,2 Sekunden sowie nach 6 ,15 und 30 Sekun- den.
Wegschlagtest Papier 1
0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1
base FS
base WS
V1 FS V1 WS V1 FS extra
cal
V1 WS extra
cal
V3 FS V3 WS V3 FS extra
cal
V3 WS extra
cal
Ref. FS Ref.
WS
[optsiche Dichte]
0,2 sec. 15 sec. 30 sec.
Abb. 11: Wegschlagtest (Prüfbau) mit dem Rohpapier 1, den gestrichenen und extra satinierten Versuchspapie- ren (V1 – V4) sowie dem Referenzpapier
Wegschlagtest Papier 2
0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1
base FS
base WS
V1 FS V1 WS V1 FS extra
cal
V1 WS extra
cal
V3 FS V3 WS V3 FS extra
cal
V3 WS extra
cal
Ref. FS Ref.
WS
[optische Dichte]
0,2 sec. 15 sec. 30 sec.
Abb. 12: Wegschlagtest (Prüfbau) mit dem Rohpapier 2, den gestrichenen und extra satinierten Versuchspapie- ren (V1 – V4) sowie dem Referenzpapier
Die zusätzliche nur moderate Satinage am Laborkalander ergibt eine deutliche Papierglanz- steigerung von 50 %, sowie eine erhebliche Verlangsamung des Farbwegschlagens gegen- über den an der VESTRA gestrichenen und satinierten Qualitäten. Die Größen und die
Struktur der Poren haben sich durch die zusätzlich Satinage am Laborkalander stark verän- dert.
Auch bei dem Anfärbetest mit der schwarzen Druckfarbe über einen Zeitraum von 1 Minute und anschließenden Entfernen der überschüssigen Druckfarbe erkennt man eine deutliche Abschwächung der Druckfarbenaufnahme.
Bei Betrachtung der PDA-Messkurven kann man für die Versuche mit dem Papier 1 und 2 eine Abnahme der Penetrationsgeschwindigkeit im Zeitbereich bis 0,1 Sekunden feststellen.
Die Messkurven des Benetzungswinkels der Versuchspapiere 1 und 2 ohne und mit zusätzli- cher Satinagearbeit der gestrichenen Papiere, welche am Superkalander der VESTRA und zusätzlich mit dem Laborkalander satiniert worden sind, ändern sich , verglichen mit den ge- strichenen aber nur am Superkalander satinierten Papieren nicht signifikant. Das Gleiche gilt auch für die Oberflächenspannungen.
In Abb. 13 ist der Papierglanz nach Tappi Hunter 75 dargestellt.
0 5 10 15 20
Tappi Hunter 75 V1 cal V1 extra cal V3 cal V3 extrra cal V1 cal V1 extra cal V3 cal V3 extra cal Referenz
Papierglanz
FS WS
Abb. 13: Benetzungswinkel mit den Versuchspapieren 1 und 2 mit und ohne zusätzlicher Satinage
Papier 1 Papier 2
3 Schlussfolgerungen
Alle im Rahmen des Projekts auf der Vestra produzierten Papiere zeigen ein wesentlich schnelleres Druckfarbwegschlagen als das marktübliche matte Referenzpapier. Die mit dem Rohpapier 2 hergestellten Muster erwiesen sich dabei den Vergleichmuster auf der Basis von Rohpapier 1 überlegen. Der Einfluss der Rohpapiere ist eindeutig größer als jener der Strichrezeptur.
Das Wegschlagen von Druckfarbe kann durch eine Reihe von Maßnahmen beeinflusst wer- den. Für schnelles Wegschlagen erwiesen sich Pigmentsysteme auf der Basis von feinem Calciumcarbonat und sehr feinem Kaolin als vorteilhaft. Eine Beimischung eines Feinstzellstoffes war ebenfalls von Vorteil.
Als weiteres Resultat aus dieser Arbeit sind die gefundenen Korrelationen des Druckfarb- wegschlagtests mit dem Proberdruckgerät, sowie des Anfärbetests mit Prüftinte als Maß für das sorptive Verhalten gegenüber Druckfarbe zu nennen. Auch zeigten Übereinstimmungen der PDA-Messungen und dem Benetzungswinkel als Maß für das sorptive Verhalten von Wasser. Somit stehen zukünftig mehrere Messmethoden zur ersten Bewertung der Papiere zur Verfügung.
Alle aus Rohpapier 2 (100 % Frischfasern, niedriger Füllstoffgehalt) erzeugten gestrichenen Papiere zeigten eine problemlose Verdruckbarkeit in einer Coldset-Offset-Druckmaschine.
Dagegen traten mit Papieren aus dem Rohpapier 1 (100% Altpapierstoff, hoher Füllstoffge- halt) generell Ablagerungen am Zentralzylinder auf.
Bei einer nur geringen Satinage der verdruckten Papiere konnte mit den verwendeten Pig- mentsystemen kein glänzendes Papier produziert werden. Eine stärkere, im Labor durchge- führte Satinage erzeugt halbmatte Papiere mit deutlich langsameren Farbwegschlagen als das marktübliche Referenzpapier.
Aufnahmen mit dem Raster-Elektronen-mikroskop (REM) zeigen, dass das Referenzpapier mit deutlich gröberen Pigmenten gefertigt wird und dadurch viel größere Poren an der Ober- fläche hat. Die Oberflächenstrukturbilder der Versuchspapiere vom REM sind mit und ohne Satinage nicht wesentlich verändert.
Die Geschwindigkeit des Druckfarbwegschlagens laut Labortest korreliert nicht mit der Abla- gerungsneigung auf der Zentralwalze. Es ist fraglich, ob Papiere mit so schnellem Farbweg- schlagen hergestellt werden können, dass es zu keinen Ablagerungen in der Druckmaschine kommt, oder ob eine relativ raue Papieroberfläche die nötige geringe Ablagerungsneigung erzeugt.
Weiter hat sich gezeigt, dass die Versuchspapiere im Coldsetverfahren verdruckbar sind, obwohl die Vorgaben eines Patentes bezüglich Oberflächenenergie bzw. Benetzungswinkel nicht erfüllt werden.
4 Literatur
[1] Naydowski C, Burri P., Laufmann M.
Oberflächenveredelung von Naturpapieren (mittels Filmpresse) Wochenblatt für Papierfabrikation, 410-415 (1997), Nr. 8
[2] Schachtl, M.
Bericht über Pilotversuche des VESTRA-Arbeitskreises „Coated Coldset“
Chemische Technologie der Papierherstellung PTS Symposium PTS CHT-SY 2002
[3] Wurster, H.; Hofmann, H.P.
Rollendruckpapier mit Coldset-Eignung Haindl Papier Augsburg Europäische Patentanmeldung
97100574.9 Anmeldetag: 16.01.1997
[14] Rieben F., Arnold M., Beivi E., Burri P.
Verhalten von pigmentierten Papieren im konventionellen Zeitungsdruck PTS-Streicherei-Symposium, September 1997
Danksagung
Das Forschungsvorhaben Nr. 13357 wurde durch die Arbeitsgemeinschaft industrieller For- schungsvereinigungen e.V: (AIF) mit finanziellen Mitteln des Bundesministeriums für Wirt- schaft und Arbeit gefördert. Dafür sei an dieser Stelle gedankt.
Ansprechpartner
Dr. Johann Oberndorfer Dr. Josef Eckl
Tel 089/12146-467 Tel 089/12146-274 j.oberndorfer@ptspaper.de j.eckl@ptspaper.de Papiertechnische Stiftung PTS
Heßstraße 134 D-80797 München Tel. (089) 1 21 46-0 Fax (089) 1 21 46-36 e-Mail: info@ptspaper.de Internet: www.ptspaper.de
Verzeichnis der Abbildungen
Abb. 1: Darstellung des Versuchsablaufs an der Laborstreichmaschine Abb. 2: Verringerung des Weißgrades
Abb. 3: Wegschlagtest – Papier 1 gestrichen auf der Laborstreichmaschine Abb. 4: Wegschlagtest
Abb. 5: Wegschlagtest (Prüfbau) der Zeitungsdruckfarbe Cyan in das Papier 1 sowie in das Referenzpapier
Abb. 6: Wegschlagtest (Prüfbau) der Zeitungsdruckfarbe Cyan in das Papier 2 sowie in das Referenzpapier
Abb. 7: Verringerung des Weißgrades durch die Einfärbung mit der Testfarbe Noir Porosi- metrique
Abb. 8: Darstellung der Oberflächenspannung – Versuche Pilotstreichmaschine mit den Ver- suchspapieren 1 sowie des Referenzpapieres
Abb. 9: Darstellung der Oberflächenspannung – Versuche Pilotstreichmaschine mit den Ver- suchspapieren 2 sowie des Referenzpapieres
Abb. 10: Charakterisierung aller Verdruckbarkeitskriterien (Druckwert mit Peripherie)
Abb. 11: Wegschlagtest (Prüfbau) mit dem Rohpapier 1, den gestrichenen und extra sati- nierten Versuchspapieren (V1 – V4) sowie dem Referenzpapier
Abb. 12: Wegschlagtest (Prüfbau) mit dem Rohpapier 2, den gestrichenen und extra sati- nierten Versuchspapieren (V1 – V4) sowie dem Referenzpapier
Abb. 13: Benetzungswinkel mit den Versuchspapieren 1 und 2 mit und ohne zusätzlicher Satinage
Verzeichnis der Tabellen Tab. 1: Rohpapiereigenschaften
Tab. 2: Versuchsprogramm am Pilotcoater der VESTRA
