PTS-FORSCHUNGSBERICHT IGF 16792TRÄGERPAPIERLOSE SELBSTKLEBEETIKETTEN DURCH DEN EINSATZ EINER INDUKTIONSAKTIVIERTEN KLEBSCHICHT » » » »

» VERPACKUNGEN » PRINTPRODUKTE » RESSOURCENEFFIZIENZ

» NEUE WERKSTOFFE

Titel

TRÄGERPAPIERLOSE SELBSTKLEBEETIKETTEN DURCH DEN EINSATZ EINER INDUKTIONSAKTIVIERTEN KLEBSCHICHT

R. Gericke, D. Weinzierl, P. Bitomsky, R. Metz

Inhalt

Seite

1 Zusammenfassung... 2

2 Abstract ... 4

3 Einleitung ... 6

4 Versuchsdurchführung ... 14

5 Rohstoffrecherche und –auswahl ... 17

6 Entwicklung und Formulierung induktiv aktivierbarer Dispersionsklebstoffe + Evaluierung ... 18

7 Entwicklung der Auftragstechnik für Dispersionsklebstoffe sowie Evaluierung deren Eigenschaften der Klebschichten ... 24

8 Entwicklung eines Auftragskonzepts ... 33

9 Optimierung der Induktionsparameter ... 41

10 Funktionstest ... 43

11 Verarbeitbarkeit ... 45

12 Rezyklierbarkeit ... 50

13 Wirtschaftlichkeitsbetrachtung & Resümee ... 55

Literaturverzeichnis ... 58

1 Zus ammenfas s ung

Zielstellung Ziel des Forschungsprojektes war es, eine neue, ökonomische und energieeffi- ziente Technologie auf Basis von induktionsaktivierbaren Klebstoffen für das Verleimen von Etikett und Substrat zu nutzen, ohne jedoch Trägerpapiere wie Silikonrohpapier einsetzen zu müssen, und somit das Potential der induktiven Erwärmung auf den Bereich von Selbstklebeetiketten auszuweiten.

Ergebnisse Das Verfahren der Induktion ist bereits industriell etabliert, wie die Beispiele Coil Coating und induktives Heißsiegeln von Lebensmittel- und Pharmaverpackun- gen zeigen, wobei elektrisch leitende Materialien wie beispielweise Aluminium- folien vorausgesetzt werden. In Gegenwart von Nanoferriten ist es gelungen dieses Prinzip auf Papiersubstrate zu übertragen, wobei die sich die nanoparti- kulär vorliegenden superparamagnetischen Eisenoxidpartikel als Bestandteil von Heißsiegelklebstoffformulierungen erwärmen und die ursprünglich blockfrei applizierte Klebschicht thermisch aktivieren und so ein Bekleben von zum Bei- spiel Glas- und Kunststoffsubstraten erlauben. Auf diese Weise sind Klebetiket- ten zugänglich, welche ohne die sonst erforderlichen Silikontrennpapiere bei permanent klebrigen Systemen auskommen. Ein weiterer Vorteil im Vergleich zu alternativen Wärmeübertragungen, wie zum Beispiel der Konvektion ist die Schonung Temperatur sensitiver Substrate und Maschinenumgebungen, da sich die Klebschicht aus sich heraus erwärmt. Zusammen mit dem Wegfall des Trennpapieres ergibt sich ein Einsparpotential, welches von der angesproche- nen Industrie wegen der noch zu entwickelnden Ettiketiertechnik mittel- bis langfristig genutzt werden kann, aber die vorliegenden Projektergebnisse auf kommerziell zugänglichen Klebrohstoffen basieren, deren Verträglichkeit unter- einander und in Gegenwart der innovativen Nanoferrite sichergestellt werden konnte. Darüber hinaus sind die blockfreie maschinelle Klebstoffapplikation und die klebtechnischen Eigenschaften gewährleistet. Die induktive Erwärmung der Papiere konnte ebenfalls nachgewiesen werden, wobei der Abstand der Kleb- schicht zur Induktionsspule, neben der Klebstoffschichtdicke, eine bedeutende Einflussgröße darstellt und sich umgekehrt proportional zu thermischen Auf- heizrate verhält. Ohne dass der Abstand im Rahmen des Projektes auf ein Mi- nimum hätte reduziert werden können, wurden bereits Heizraten bis zur Min- destaktivierungstemperatur von unterhalb einer Sekunde erzielt, so dass die zukünftige Realisierung einer industriellen Anwendung möglich ist.

Schluss-

folgerung Die Ergebnisse haben gezeigt, dass heißsiegelfähige Klebschichten auf Papier mit Hilfe von Nanoferritpartikeln induktiv aktiviert werden können.

Das Verfahren ist ohne Silikonpapiere als potentieller Ersatz für permanent selbstklebende Haftetiketten nutzbar.

Danksagung Das Forschungsvorhaben IGF 16792 N der AiF-Forschungsvereinigung PTS wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages geför- dert. Dafür sei an dieser Stelle herzlich gedankt.

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

2 Abs tract

Objective The objective of the research project was to use a novel, economical and ener- gy-efficient technology based on induction-activatable adhesives for gluing la- bels and substrates without having to use backing paper such as silicone base paper, thus expanding the potential of inductive heating to the field of self- adhesive labelling.

Results The process of induction is already an industrial standard as illustrated, for ex- ample, by coil coating and the inductive heat sealing of food and pharmaceuti- cal packaging. The prerequisite is that electrically conducting materials such as aluminium foil be used. This principle has been successfully transferred to pa- per substrates in the presence of nano ferrites. In this case, the superparamag- netic iron oxide particles in the form of nano particles are heated as the compo- nent of hot sealing adhesive formulation and thermally activate the originally non-tacky adhesive layer, thus making it possible to glue glass and plastic sub- strates, for example. This makes adhesive labels accessible which get by in permanent adhesive systems without the necessary silicone release liner. An- other advantage compared to alternative thermal transfer processes such as convection, for instance, is the protection of temperature-sensitive substrates and machine environments, since the adhesive layer heats itself up from the in- side out, so to speak. Together with the elimination of the backing sheet, there is a potential savings which can be utilised in the middle- and long-term by the relevant industry due to the labelling technology that is still to be developed. The existing project results are based on commercially available adhesive raw mate- rials whose compatibility with other adhesive raw materials and with the pres- ence of the innovative nano ferrites has been validated. In addition, the non- tacky mechanical adhesive application and the adhesive-related properties are guaranteed. The inductive heating of the paper was also able to be validated.

The spacing between the adhesive layer and induction coil, in addition to the thickness of the adhesive layer, constitute a significant contributing factor and behave inversely proportional to the thermal heating rate. Without having to re- duce the spacing to a minimum within the framework of the project, heating rates of less than a second to the minimum activation temperature have none- theless been achieved so that the future realisation in an industrial application is possible.

Conclusions The results have shown that heat-sealing adhesive layers can be inductively ac- tivated on paper with the help of nano ferrite particles.

The process uses no silicon paper and can be employed as a potential substi- tute for permanent self-sealing adhesive labels.

Acknowledge-

ments Research project IGF 16792 N of the PTS Paper Technology Research Associ- ation (AiF) was funded by the German Federal Ministry of Economics and Technology through the German Federation of Industrial Cooperative Research Associations (AiF) within the scope of the "Industrial Co-operative Research"

(IGF) promotion programme based on a decision of the Lower House of Ger- man Parliament (Bundestag). We would like to express our gratitude for this support.

We would also like to express our thanks to the involved companies for provid- ing proper samples as well as for supporting project performance.

3 E inleitung Effizientere

Technologie Die Selbstklebeetikettierung wird in vielfältigen Anwendungsgebieten einge- setzt. Da die SK-Etiketten (Selbstklebeetiketten) stets klebrig sind, besitzen sie ein silikonbeschichtetes Trennpapier. Das sogenannte Releasepapier verur- sacht jedoch verschiedene Nachteile. Einerseits werden Gewicht und Volumen einer Etikettenrolle erhöht, was neben den Herstellungskosten unnötige Kosten bei Transport und Lagerung und Entsorgung für das Releasepapier bedeutet.

Nach der Applikation der SK-Etiketten muss das Trennpapier aufgewickelt und entsorgt werden. Dies verursacht weitere Kosten. Ferner sind die als Müll anfal- lenden silikonisierten Papiere ökologisch bedenklich.

Durch den Einsatz induktiv erwärmbarer Klebstoffe können bei Raumtempera- tur nicht klebende, induktiv aktivierbare SK-Etiketten hergestellt werden.

Dadurch kann das nachteilige Trennpapier eingespart werden, wodurch die oben genannten Nachteile entfallen. Die Wärmeaktivierung des Klebstoffs kann durch die Induktionstechnik effektiv und effizient erzielt werden.

Defizite bisheri- ger Lösungsan- sätze

Aufgrund der Nachteile, die sich durch den Einsatz eines Trennpapiers erge- ben, finden sich in der Literatur bereits verschiedene Lösungsansätze trennpa- pierfreie SK-Etiketten herzustellen. Alle in der Literatur beschriebenen Ansätze bringen aber auch mehr oder weniger gravierende Nachteile mit sich, so dass diese Lösungsansätze nicht oder nur in Nischenanwendungen zum Tragen kommen.

Durch den Einsatz induktiv aktivierbarer Klebstoffschichten für SK-Etiketten kann das Trennpapier eingespart werden, ohne dabei die Nachteile bisheriger Lösungen mit sich zu bringen.

induktionsaktivie

rbare Etiketten Induktionsaktivierbare Etiketten vereinen die wirtschaftlichen Vorteile eines trennpapierlosen Etiketts und die effiziente Energieübertragung der Induktions- technik, so dass trennpapierlose Etiketten auch als ökologisch sinnvolle Alter- native zu den heutigen SK-Etiketten entwickelt werden kann.

3.1 S elbs tklebeetiketten und deren E ins atzgebiete Selbstklebeetiket

tierung SK-Etiketten ermöglichen vielfältige und hochwertige Ausstattungen. Es sind aber auch die technischen Eigenschaften, die sie interessant machen. Sie sind strapazierfähig, wasser- und rutschfest.

So wird z. B. bei der Ausstattung von Champagnerflaschen das Selbstklebeeti- kett nicht nur wegen seiner hochwertigen Anmutung gewählt, sondern weil es noch zusätzlich schwitz- und eiswasserfest sein muss.

Für SK-Etiketten werden ausschließlich Haftklebstoffe verwendet. Diese sind bei Raumtemperatur selbstklebend und bleiben es auch, was ein silikonisiertes Trennpapier erfordert. Eingesetzt werden die Selbstklebeetiketten wiederum für alle gängigen Behälter- und Gebindematerialien wie Glas, Kunststoff, Karton oder Metall.

der Praxis erreichen Maschinen Leistungen von 1.000 bis 42.000 Behälter/h.

3.2 Papierbas ierte E tiketten Aufbau eines SK-

Etiketts Ein selbstklebendes Etikett besteht in der Regel aus drei Grundelementen: dem Obermaterial, der Klebstoffschicht auf seiner Rückseite und dem Abdeck- oder Trägermaterial (Silikonpapier), auf dem das Etikett so lange verbleibt, bis es vor Gebrauch abgezogen wird. Die Etikettiermaschine zieht das Etikett an der Spendekante vom Trägermaterial ab und klebt es mit dem am Etikett anhaften- den Klebstoff auf den Behälter.

Vorteile der SK- Etiketten sind ge- fragt

Selbstklebende Etiketten haben Vor- und Nachteile, welche auch vom Anwen- dungsfeld abhängen. Ein großer Vorteil besteht darin, dass sie oftmals effekti- ver gehandhabt werden können als Nassetiketten, vor allem wenn sehr kleine Etiketten eingesetzt werden. Zudem nimmt die Kosteneffizienz von SK-Etiketten mit abnehmender Etikettengröße zu [1].

Zusätzlich ist in der Weinbranche der Trend weg vom Nassleim hin zum Selbst- klebeetikett unverkennbar. Die Vielfalt, der genaue Sitz und das saubere Er- scheinungsbild der SK-Etiketten wiegen den Nachteil der höheren Beschaf- fungskosten vor allem bei kleineren Auflagegrößen auf. Auch aus maschinen- technischer Sicht haben die SK Etiketten zahlreiche Vorteile wie geringer Platz- bedarf, einfache Bedienbarkeit, geringer Reinigungsaufwand und rasche Ver- fügbarkeit.

Selbstklebeetiketten haben viele verschiedene Anwendungen. Sie werden we- gen ihrer Flexibilität und ihrem gutem Druckbild in einer Vielzahl von Etikettier- aufgaben verwendet. Lag der Verbrauch 2005 noch bei 22 Mrd. m²/Jahr [2] so wurden bereits 2006 insgesamt 30,5 Milliarden m² Trennpapier verbraucht; da- von wurden 50% für Etiketten genutzt [3]. Die Wachstumsrate der Trennpapiere beträgt weltweit 9,9%; in Europa geht man von einer Wachstumsrate zwischen 4 bis 6% aus [4; 5]. Über 80% der Träger für Silikonpapiere sind auf Papierba- sis. Der Folienanteil als Trägermaterial für die Trennschicht wächst dabei stär- ker als in den nächsten Jahren als der auf Papierbasis [3; 6].

Nachteile der SK-

Etiketten Der Nachteil von SK-Etiketten liegt jedoch in der Notwendigkeit eines relativ vo- luminösen Trägerpapiers, das die Etiketten in aufgerollter Form vor dem Verb- locken der Rolle schützt. Die Verwendung eines Trägerpapiers verursacht un- nötige Kosten bei Transport, Lagerung und Handhabung und letztendlich fällt das Trägerpapier nach dem Etikettiervorgang als Abfall an, der kostenintensiv entsorgt werden muss und zudem ökologisch bedenklich ist.

Beim Applizieren des Ettiketts ist ein eigener Schritt zur Entfernung des Trä- germaterials nötig. Dadurch ist die Produktivität und workability der SK-Etiketten

mit Träger gering.

Die Herstellungskosten sind nicht nur wegen der Kosten für den Träger, son- dern auch wegen der Ausgaben zur Behandlung des Trägers hoch. Insgesamt ist die Verwendung eines Trägerpapiers daher sowohl ökologisch als auch öko- nomisch insgesamt als kritisch zu bewerten.

Werden SK-Etiketten zur Kennzeichnung von Gütern verwendet, erweist sich meistens das Ablösen der „alten“ Etiketten, das vor jedem neuen Auftrag not- wendig ist, als mühsam.

Mängel in der Etikettierung verursachen bei SK-Etiketten hohe Kosten, da bei einer Fehletikettierung nicht nur das Etikett verloren ist, sondern auch der Be- hälter auszuleiten ist, da das Etikett meist nicht mehr zu entfernen ist.

3.3 Trägerlos e E tiketten

Andere Ansätze Um die Nachteile der SK-Etiketten, vor allem den Einsatz eines teuren Träger- papiers zu vermeiden, wurden in der Technik bereits Anstrengungen unter- nommen. Keine dieser Ansätze konnte das Problem aber zufrieden stellend lö- sen, so dass SK-Etiketten mit Trägerpapier am Markt eine hohe Akzeptanz er- reicht haben und bislang nicht durch Alternativen verdrängt werden konnten.

Die wichtigsten Lösungsansätze werden im Folgenden kurz erläutert:

Silikonersatz we- gen Umweltprob- lematik [7]

Die Problematik der als Abfall anfallenden, silikonbeschichteten Trennpapiere zeigen auch die Anstrengungen, silikonfreie Release-Beschichtungen zu entwi- ckeln. So entwickelten z. B. Bafford et al. [7] auf Vinylacetat basierende Emulsi- onspolymere für den Ersatz des Silikons in Trennpapierbeschichtungen.

Ebenso gibt es Bemühungen die Trennpapiere wiederzuverwenden oder um- weltfreundlicher zu entsorgen bzw. in neue Produkte umzuwandeln.

Mehr oder weni- ger erfolgreiche Ansätze

In der Literatur sind bereits einige Ansätze für trägerpapierlose SK-Etiketten zu finden. Diese werden im Folgenden kurz beschrieben:

 Mikroverkapselter Klebstoff

 Linerless labels mit Releasebeschichtung

 Lösungsmittelaktiviertes Kleben

 Wärmeaktivierte Klebeetiketten Mikroverkapselte

r Klebstoff Im Patent [8] wird der Einsatz eines drucksensitiven Klebstoffs in Mikrokapsel- form in der Klebschicht vorgeschlagen, wobei zur Lagerung ein Trennpapier benötigt wird. Diese drucksensitiven Klebschichten liefern jedoch nicht genü- gend Klebekraft. Zudem können sie auf Grund der Druckempfindlichkeit nicht mit variablen Beschriftungen bedruckt werden. Deshalb sind diese Vorschläge noch nicht in praktischem Gebrauch. Empereur et.al [9] stellen trägerpapierlo- se, druckempfindliche SK-Etiketten durch den Einsatz von mikroverkapseltem Klebstoff her. Es zeigte sich aber, dass die Klebekraft unzureichend war und

„Linerless“ Eti- ketten [10, 11, 12]

Trennpapierfreie Haftetiketten, sog. „linerless labels“ sind drucksensitive Etiket- ten, die kein Trägerpapier besitzen. Die Etikettenkonstruktion wird typischer- weise durch das Aufbringen einer Klebschicht auf der einen Seite und einer Re- leasebeschichtung auf der anderen Seite des Substrats hergestellt. Die Klebe- und Releaseschicht werden nach dem Bedrucken aufgebracht. Die Etiketten- bahn wird aufgerollt und die Releaseschicht kommt gegenüber der Klebschicht zum Liegen. Dies verhindert das Verkleben der einzelnen Bahnen und ermög- licht ein Wiederabrollen.

Nachteile der „li- nerless labels“

[13]

Für viele Anwendungen ist es erstrebenswert, variable Beschriftungen oder An- zeigen auf die Vorderseite des Etiketts zu drucken, wie z. B. (Haltbarkeits- Datum, Barcode etc.). Hierbei kommen z. B. Inkjet-, Thermotransfer- oder Flexodruck zum Einsatz. Die Anwesenheit einer Releaseschicht auf der gegen- überliegenden Seite der Klebschicht (=Oberseite des Etiketts) verhindert jedoch das Bedrucken des Etiketts.

Die Oberflächenspannung der Releasebeschichtung verhindert das Anhaf- ten/Aufbringen von Tonern, Tinten und Beschichtungen. Die Releaseschicht hat keine oder eine sehr geringe Porosität, so dass Tinten nur schlecht absorbiert und verankert werden können. Mit konventionellen „linerless labels“ kann der Druck abgewischt oder verschmiert werden, so dass das Etikett nicht bedruckt werden kann.

Daneben leiden konventionelle Etiketten daran, dass die Releaseschicht sehr glänzend ist und die Barcodescanner dadurch gestört werden können.

Zudem leidet die Klebekraft der Etiketten durch die Übertragung von Trennmit- tel der Releaseschicht auf die Klebefläche, so dass dadurch immer wieder Haftprobleme entstehen.

Lösungsmittelakt

iviertes Kleben Es hat auch Bestrebungen gegeben, durch Überschichten der Klebschicht de- ren Klebeeigenschaft zu stören. Dabei wird die Klebefähigkeit nicht durch eine Schutzschicht maskiert, sondern der Klebstoff wird nicht-klebend ausgerüstet und erst durch den Einsatz eines Lösungsmittels oder Wasser wird die Klebefä- higkeit reaktiviert.

Nachteile Lö- sungsmittelakti- vierter Kleb- schichten

Die Verwendung von Lösungsmitteln während der Etikettierung birgt aber Prob- leme wie Schaumbildung, Entflammbarkeit und Entsorgungsprobleme. Zudem ist das Verfahren zeit- und kostenaufwändig, vor allem auf Grund des zusätzli- chen Trocknungsschritts. Mit wasserlöslichen Blockern gibt es zudem Probleme mit Haltbarkeit und Trocknung.

Wärmeaktivierte

Klebeetiketten Für wärmeaktivierte Klebeetiketten werden Klebstoffe eingesetzt, die bei Raum- temperatur nicht klebend sind und direkt auf dem Substrat aufgebracht werden können, ohne dass ein Trennpapier nötig ist.

Das Patent EP 0 788 972 [14] beschreibt ein thermosensitives Klebeetikett, das aus einem Träger und einer thermosensitiven Klebschicht (Hotmelt-Klebstoff) besteht. Das Etikett wird ohne ein Trennpapier gebildet und ist bei Raumtempe- ratur nicht klebend. Die thermosensitive Klebschicht wird durch Wärme klebrig, wobei die Wärmeübertragung durch den Kontakt des Etiketts mit der Oberflä-

che eines wärmenden Werkzeugs erfolgt.

In weiteren Patenten werden verschiedene andere Verfahren zur Aktivierung der thermosensitiven Klebschicht vorgeschlagen, wie z. B. Heißluft oder Infra- rotstrahlung, Xenonblitz oder Halogenlampe [15,16,17,18,19].

Nachteile wär- meaktivierter Klebeetiketten

Die oben vorgestellten Hitzeaktivierungsmethoden bergen Defizite, so dass sie noch nicht praktisch umgesetzt wurden. Für den Fall, dass dem thermosensiti- ven Klebstoff die Wärme durch einen elektrischen Heizer oder eine Halogen- lampe zugeführt wird, ist es schwierig die Wärme effizient auf die thermosensi- tive Klebstoffschicht zu übertragen. Dabei kann es zu Überhitzungsproblemen kommen und die Schwierigkeit der effizienten Nutzung der thermischen Energie führt zu hohen Energiekosten [20].

Um die Energiekosten in Grenzen zu halten, werden Klebstoffe mit niedrigerem Schmelzpunkt verwendet, die zum Verblocken (Verkleben) beim Aufrollen nei- gen. Es gab Bestrebungen, dieses Problem zu lösen [21,22], allerdings noch ohne nennenswerten kommerziellen Erfolg.

Berücksichtigt man auch Sicherheits- und Kostenaspekte, so ist anzunehmen, dass ein thermisches Heizgerät durch eine Abdeckung gesichert sein muss. In einem solchen Fall ist es unmöglich, kompakte, kostengünstige Geräte zu ent- werfen.

Für den Fall, dass die Erwärmung erreicht wird, indem die thermosensitive Klebschicht mit einem Heizaggregat in Kontakt gebracht wird, z. B. in einer Heiztrommel, einer Heizwalze oder einem beheizten Riemen, muss die Wär- meeinheit ständig in geheiztem Zustand bereit stehen, um eine schnelle Wär- meaktivierung der Klebschicht zu gewährleisten. Dies führt zu Sicherheitsprob- lemen, und ist mit Energieverlusten verbunden.

Daneben kann es bei direktem Kontakt des Heizelements zur Klebstoffschicht beim Aufheizvorgang zu einer (teilweisen) Übertragung des Klebstoffs auf das Heizaggregat kommen. Auch können Etiketten am Heizelement anhaften und sich um das Heizgerät wickeln. Beides bedeutet weitere Sicherheitsprobleme (Feuergefahr), wobei die Qualität der Klebschicht des Etiketts und die Maschi- neneffizienz leiden. Deshalb ist eine berührungslose Erwärmung vorzuziehen.

Trägerpapierlose SK-Etiketten konnten sich bisher nicht durchsetzen [1]

Die oben vorgestellten trägerpapierlosen Etiketten, die die Klebekraft durch die Aktivierung durch Hitze oder den Einsatz von Lösungsmitteln erzeugen, sind seit vielen Jahren bekannt. Eine automatische Etikettierung mit diesen Labels wird jedoch noch immer nicht im industriellen Maßstab durchgeführt. Dies hat sowohl technische als auch kommerzielle Gründe. In der Tat entwickelte die Firma KRONES eine automatische Etikettieranlage für thermoaktivierte Etiket- ten. Es zeigte sich aber, dass dafür kein Markt besteht, da die Kosten für Etiket- ten und Energie zu hoch und die Etiketten dadurch nicht konkurrenzfähig wa- ren.

Könnten trägerpapierlose Etiketten ökonomisch sinnvoll hergestellt werden und dabei die technischen Ansprüche moderner, automatischer Hochgeschwindig- keitsetikettiermaschinen erfüllen, so gäbe es bei den heutigen vielfältigen Etiket- tierungsansprüchen sicher viele Anwendungen, für welche diese Etiketten eine

3.4

Induktionshärtun

g Elektrisch leitende Materialen heizen in Gegenwart eines oszillierenden Mag- netfeldes in Reichweite einer mit hoher Wechselstromfrequenz betriebener Spule rasch auf, indem das Magnetfeld Wechselströme im Material induziert, welches auf Grund seines ohmschen Widerstandes Wärme freisetzt. Diese Me- thode wird seit langem zum Aufheizen und Schmelzen von Metallen eingesetzt, da auf diesem Weg hohe Heizraten auf kleinem Raum konzentriert werden können, ohne dass der direkte Kontakt zwischen Heizelement und Werkstück erforderlich ist.

Induktives Coil

Coating Im industriellen Bereich wird die Induktionshärtung unter anderem für die Trocknung von Lacken auf metallischen Werkstücken (z. B. Stahlblechen) ein- gesetzt. Zur Härtung wird in kurzem Abstand vom Werkstück eine Induktions- spule angebracht, die mit hochfrequentem Wechselstrom (100 – 500 kHz) ar- beitet.

Wegen des schnellen Energieeintrages findet die induktive Härtung Anwendung im Coil Coating Verfahren, bei dem die Beschichtung bei Temperaturen von 180 – 260°C auf ein Metallband (Coil) eingebrannt wird.

Induktives Heiß-

siegeln Auch im Bereich der Verpackungstechnologie ist die Induktionshärtung etab- liert. In diesem speziellen Fall spricht man vom induktiven Heißsiegeln von Le- bensmittel- und Pharmaverpackungen. Hierbei wird mit einem Heißsiegelkleb- stoff beschichtete Aluminiumfolie nach induktiver Erwärmung des Metalls unter Druck mit dem Behälterrand eines Kunststoff- oder Glasgebindes verbunden.

Bei diesem Verfahren wird der bei Raumtemperatur nicht klebriger Heißsieg- klebstoff indirekt über die Aluminiumfolie thermisch aktiviert und bindet nach dem Fügen mit dem Behälterrand durch Erkalten ab. Am Ende sind die Behäl- teröffnungen mit einem Aluminiumdeckel versiegelt.

MagSilica als in- novativer Kle- brohstoff

Wie oben beschrieben, war die Induktionshärtung bisher auf elektrisch leitende Werkstücke beschränkt, wobei Substrate aus Kunststoffen, Glas, Keramik so- wie Papier und Pappe ausgeschlossen blieben. Mit der Einführung von MagSili- ca der Evonik Degussa ist es gelungen die induktive Härtung von Beschichtun- gen und Klebstoffen auch auf nicht metallische Substrate zu übertragen, indem superparamagnetische Eisenoxid – Partikel als Klebrohstoffe verarbeitet wer- den. MagSilica enthält nanoskalige (5 bis 25 nm) magnetische Bereiche, die in einer Silizium – Matrix (< 40 nm) auf Basis pyrogener Kieselsäuren gebettet sind (siehe Abbildung 1) und innerhalb eines wechselnden Magnetfeldes zum Aufheizen der Nanopartikel führen.

Abbildung 1:

Links: Schematische Darstellung Rechts: TEM Aufnahme eines mit des Aufbaus eines MagSilica MagSilica induktiv gehärteten

Partikels Epoxidklebstoffes

Die erzeugte Wärme wird auf Grund der sehr kleinen Partikelgröße sehr schnell an die umgebende Polymermatrix abgegeben, was zum direkten Erwärmen des Klebstoffes im Magnetfeld der Induktionsspule führt

Umgekehrt kann in einem Debonding – Prozess der induktive Wärmeeintrag genutzt werden, um thermoplastische Klebstofffugen bis zum Versagen der Klebfestigkeit in Folge des Kohäsionsabbaus zu erweichen.

IFAM Vorarbeiten In Zusammenarbeit der Evonik Degussa mit dem Fraunhofer IFAM konnte die- ses Verfahren bereits erfolgreich zum Härten ein- und zweikomponentiger Epo- xidklebstoffe genutzt werden [23, 24, 25]. Dabei hat sich gezeigt, dass sich MagSilica auf Grund seiner chemischen Basis ähnlich wie pyrogene Kieselsäu- ren als Klebrohstoff verarbeiten lässt und hohe Aufheizraten in Abhängigkeit der eingesetzten MagSilica – Typen und Mengen erzielt werden. Neben der Rezep- tur fließen auch äußere Randbedingungen wie die Wärmeleitfähigkeiten und Wärmekapazitäten der Substrate und des Klebstoffes, die Auftragsmenge des Klebstoffes sowie die Auslegung der Induktionsspule hinsichtlich ihrer Leistung, Frequenz und Geometrie sowie ihres Abstandes und ihrer Anordnung zur Kleb- schicht eine entscheidende Rolle. Unter Berücksichtigung der genannten Ab- hängigkeiten ist es gelungen die Aushärtungsdauer vom zweistelligen Minuten- bereich bei konventioneller Härtung im Ofen auf den zweistelligen Sekundenbe- reich zu reduzieren, ohne dass die Spulenparameter für den genannten An- wendungsfall optimiert wurden.

Umgekehrt kann in einem Debonding – Prozess der induktive Wärmeeintrag genutzt werden, um thermoplastische Klebstofffugen bis zum Versagen der Klebfestigkeit in Folge des Kohäsionsabbaus zu erweichen.

3.5 Fors chungs bedarf

„debond on

command“ hilft Durch den Einsatz von induktionsaktivierten Klebstoffen entfällt bei der Entwick-

Alte SK-Etiketten sind bei Mehrwegbehältern nur schwer zu entfernen und bei der Fehletikettierung entstehen hohe Kosten. Es ist also nötig, dass sich die Etiketten nicht nur automatisch und schnell aufspenden, sondern auch automa- tisch und schnell wieder entfernen lassen.

Dies kann mit einer induktionsaktivierten Klebschicht („debond on command“) erreicht werden.

INDUKLEB Wärmeaktivierte Klebeetiketten stellen einen viel versprechenden Weg dar, das Trägerpapier einzusparen. Bisher stellte dabei die effiziente Wärmeübertragung die größte technologische Hürde dar.

An Stelle eines von außen wirkenden Wärmetransportes werden die Klebstoffe in Gegenwart von MagSilica per Induktion in der Klebschicht direkt erwärmt, ohne andere Werksstücke und temperaturempfindliche Substrate zuvor oder zeitgleich zu erwärmen. Der Wärmetransport erfolgt lediglich aus der Kleb- schicht heraus. Die Bildung von Hot Spots ist durch die nanoskalig vorliegenden und gleichmäßig dispergierten MagSilica-Partikel nicht gegeben.

Die Wärmebildung erfolgt schnell, was einen hohen Etikettendurchsatz erlaubt.

Durch Kombination der MagSilica Technologie mit dem induktiven Heißsiegeln besteht die Möglichkeit zur direkten Erwärmung der Klebschicht ohne Beisein von metallischen Substraten, um auf diese Art den trägerlosen Etiketten zum Durchbruch zu verhelfen.

Ausreichende

Klebkraft Im Gegensatz zu mikroverkapselten Klebstoffen oder den „linerless labels“ ist eine unzureichende Klebekraft nicht zu erwarten. Das Projekt kann auf Basis der ebenfalls im Verpackungsbereich etablierten thermoaktivierbaren Heißsie- gelklebstoffe aus wässriger Dispersion durchgeführt werden. Auf diese Weise kann das Risiko mangelnder klebtechnischer Eigenschaften nicht ausgeschlos- sen aber zumindest begrenzt werden.

Gute Bedruck-

barkeit Ebenso sind Probleme bezüglich der Bedruckbarkeit, die bei verkapselten Klebstoffen und linerless labels auftreten können nicht zu erwarten, da keine Releasebeschichtung benötigt wird.

In welcher For- mulierung ist MagSilica appli- zierbar?

Die thermoplastische Rohstoffbasis der Klebstoffe erlaubt einen ebenfalls per Induktion initiierten Debonding – Prozess am Ende des Lebenszyklus des Ge- brauchsgegenstandes. Bonding und Debonding thermoplastischer Klebstoffe sind prinzipiell reversible Prozesse, die damit auch helfen sollen, die Recyklier- barkeit der Etiketten zu verbessern.

Applikation von MagSilica auf Papier

Für die kostengünstige Herstellung der Etiketten ist es nötig, die Klebeschicht mit einem geeigneten Auftragsaggregat zu applizieren. Dazu sollen die wässri- gen Dispersionsklebstoffe, die mit MagSilica modifiziert wurden, mit in der Pa- pierindustrie gängigen Verfahren auf das Papier aufgebracht werden. Dabei sol- len zu erwartende technische Herausforderungen durch mehrlagige Schichtsys- teme gelöst werden.

Ist die Klebkraft Die hergestellten, modifizierten Klebschichten müssen verschiedene klebtech-

ausreichend? nische Anforderungen erfüllen.

Bei der Übergabe des Etiketts vom Spendeaggregat auf das zu etikettierende Behältnis muss eine genügende Klebkraft („initial tack“) vorhanden sein, um ei- ne reibungslose Etikettierung zu gewährleisten. Daneben sollte der klebende Zustand der Etiketten möglichst schnell erreicht werden, um lange Vorheizstre- cken zu vermeiden. Dies ist sowohl maschinenbaulich als auch wegen der Energiekosten erstrebenswert. Nicht zuletzt ist es entscheidend, dass die modi- fizierten Klebstoffe ein ausreichendes, dauerhaftes und finales Niveau der Klebkraft erreichen, um die Anforderungen an die Haftung von Etiketten zu er- füllen.

Diese klebtechnischen Voraussetzungen sind bei der Formulierung der Kleb- stoffe und beim Auftrag der Klebschicht zu beachten:

 Initial tack

 Kinetik der Klebkraftentwicklung

 Niveau der finalen Klebkraft

Forschungsziel Ziel des Forschungsprojektes war es, eine neue, ökonomische und energieeffi- ziente Technologie auf Basis von induktionsaktivierbaren Klebstoffen für das Verleimen von Etikett und Substrat zu nutzen, ohne jedoch Trägerpapiere wie Silikonrohpapier einsetzen zu müssen.

4 Vers uchs durchführung Überblick -

Lösungsweg Im Rahmen dieses Projektes werden zwei Projektteile bearbeitet - das der Klebstoffentwicklung und das der Klebstoffapplikation, die in einer gemeinsa- men Bewertung hinsichtlich Funktionstest der trägerpapierlosen Etiketten, de- ren Verarbeitbarkeit sowie Untersuchungen zum Recycling münden.

Zunächst wurden auf Grund einer Rohstoffrecherche geeignete Materialien für die Untersuchungen ausgewählt. Daraufhin erfolgte die Entwicklung und For- mulierung induktiv aktivierbarer Dispersionsklebstoffe und deren Evaluierung.

Des Weiteren wurde eine geeignete Auftragstechnik für die Dispersionsklebstof- fe entwickelt und die Eigenschaften der Klebeschichten evaluiert.

Darauf folgte die Entwicklung von Auftragskonzepten, die für die Anwendung geeignet erschienen. Eine Optimierung der Induktionsparameter für die Klebe- schichten sowie ein Funktionstest wurden durchgeführt. Die Kriterien der Verar- beitbarkeit und der Rezyklierbarkeit wurden letztendlich überprüft.

Papieranalytisch

e Normverfahren Die folgenden Messverfahren wurden angewandt:

Tabelle 1: angewandte standardisierte Messverfahren

Parameter Messmethode

flächenbezogene Masse DIN EN ISO 2286-2 Reflexionsfaktor (Weißgrad) DIN 54145

Opazität DIN 53146

Farbmessung (L-a-b-Werte) ISO 5631

Viskosität (Brookfield) DIN EN ISO 2555 Verschleißwirkung von Pigmenten

(Abrasion) ZM V/27.7/90

Schälkraft (Klebkraft) FINAT-Testmethode Nr. 1 Auftragen der

Klebstoff- schichten

Die Klebstoffmassen wurden mit Hilfe eines Drahtrakelgerätes (Control Coater der Firma Erichsen GmbH & Co. KG, siehe Abbildung 2) auf den Karton aufge- tragen. Zum Auftragen wurde das Etikettenpapier in eine dafür vorgesehene Halterung geklemmt.

Abbildung 2: Halbautomatisches Drahtrakelgerät für Streich- und Beschich- tungsversuche im Labor

Je nach gewünschtem Strichgewicht wurde ein geeignetes Rakel (Rakel 1 bis 8 mit abgestufter Drahtstärke bzw. Tiefe der gefrästen Rille) ausgewählt und die dafür passende Geschwindigkeit (Geschwindigkeit 1 bis 10) ermittelt. Wenn nicht anders erwähnt, wurden die Papiermuster nach dem Beschichten an der Luft bei Raumklima getrocknet.

Für die Beschichtungen wurden die Rakelnummern 3, 5 und 7 verwendet, was

eine Nassschichtdicke von 24 µm, 50 µm bzw. 75 µm ergab. Beschichtet wur- den jeweils die Rückseiten der Etikettenpapiere.

Jagenberg- Coater (Bladeauf- trag)

Die Beschichtungsversuche wurden im kleintechnischen Maßstab an einer halbtechnischen Anlage durchgeführt. Dabei handelte es sich um eine Be- schichtungsmaschine der Fa. Jagenberg.

Eine Übersicht über die technischen Möglichkeiten der Jagenberg-Anlage gibt folgende Tabelle.

Tabelle 2: Technische Daten des eingesetzten Jagenberg-Coaters Parameter Bereich/Spezifikation

Arbeitsbreite 300 mm

Betriebsgeschwindigkeit 0 - 60 m/min

Basispapier 40 - 300 g/m²

Rollendurchmesser max. 400 mm Hülseninnendurchmesser 76 mm Auftragswerke 1 Filmpresse

Auftragswerke 2 Auftragswalze mit Stahlblade

Trocknung Infrarot-Trockner der Fa. Heraeus (4 Radiato- ren auf einer Fläche von 250 x 500 mm)

Abbildung 3: Bild der kleintechnischen Beschichtungsanlage der Fa. Jagenberg

Bedruckbarkeit

(Probedrucke) Für die Beurteilung der Bedruckbarkeit hinsichtlich Wegschlagverhalten, Rupfen und Mottling wurde ein Mehrzweck-Probedruckgerät verwendet.

Abbildung 4: Mehrzweck-Probedruckgerät MZ II der Prüfbau Dr.-Ing. H. Dürner GmbH

Material und

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

5 R ohs toffrecherche und –aus wahl Vorgehen zur

Rohstoffauswahl  Auswahl wässriger Heißsiegelklebstoffe, die kommerziell verfügbar sind und hinsichtlich der rheologischen Eigenschaften, der Verblockungsnei- gung der beschichteten Etiketten und der Mindestaktivierungstempera- tur mit Blick auf eine schnelle Etikettierbarkeit geeignet sind.

 Auswahl potentiell geeigneter Klebrohstoffe zur Formulierung von Kleb- stoffen mit bekannter Zusammensetzung. Als Klebrohstoffe kommen wässrige Polymerdispersionen auf unterschiedlicher Polymerbasis (z.B. EVA, PU), Wachs- und Harzdispersionen sowie Füllstoffe in Fra- ge.

Die unterschiedlichen MagSilica – Qualitäten sind festgelegt und dienen zur an- teiligen Formulierung der Klebstoffe.

Etiketten Hier wurden die Rohstoffe für den weiteren Projektverlauf recherchiert und aus- gewählt. Es kamen drei einseitig gestrichene Etikettenpapiere zum Einsatz:

• P1 (einseitig gestrichenes Etikettenpapier 80g/m²),

• P2 (einseitig gestrichenes Etikettenpapier 130 g/m²) und

• P3 (einseitig gestrichenes Etikettenpapier 220 g/m²).

Die ausgewählten Muster kamen im DIN A4-Format zum Einsatz.

Da auf Grund der gefärbten Klebschicht Probleme bei den optischen Eigen- schaften erwartet wurden und eine thermische Abschirmung als günstig erwar- tet wurde, wurden folgende Zusatz-„Pigmente“ für eine Opazitäts- bzw. Ther- moschicht ausgewählt:

• SP 1 - Latexhohlpigmente

• SP 2 - Blähglasprodukt, Körnung 0,1 – 0,4mm

• SP 3 / Sp 4 - Calciumsilikat-Hydrat (Pigment als Pulver und Slurry) Zur Formulierung streichfähiger Dispersionen auf Basis von Klebstoffdispersio- nen und für die Streichfarbeherstellung wurden weitere Additive je nach Bedarf eingesetzt.

Klebstoffdispersi

onen Auf Empfehlung des projektbegleitenden Ausschusses sollten die Klebstoffsys- teme vorzugsweise auf teilkristallinen EVA- oder PUR- Polymeren basieren, weil dadurch längere offene Wartezeiten gehalten werden können und geringe- re Viskositäten der Klebeschicht eine bessere Benetzung erlauben. Ferner be- stand die Möglichkeit verschiedene Dispersionen anteilig zu mischen bzw. ei- nen Schichtauftrag mit teilkristalliner Basis und amorpher Deckschicht zu wäh- len. Bei den amorphen Systemen kamen kostengünstige Acrylatdispersionen mit Glasübergangstemperaturen ab 50 °C in Frage.

Die niedrigschmelzende Basis sollte beim Aufheizen mit der höherschmelzen- den Deckschicht interpenetrieren und somit Tack aufbauen. Neben der Benet- zung nach erfolgter Thermoaktivierung war die Blockfreiheit der Klebschicht (bis 50 °C - nach Standardtest der PTS) vor der Aktivierung essentiell.

Dispersionen auf Basis von PUR und auf Basis von EVA wurden von zwei ver- schiedenen Herstellern zur Verfügung gestellt. Im Fall der EVA-Dispersion han- delt es sich um einen bereits fertig eingestellten Heißsiegelklebstoff vertrauli- cher Zusammensetzung mit einer Mindestaktiviertemperatur von 90 °C. Bei den Polyurethandispersionen können neben teilkristallinen Polymeren mit verschie- denen Molmassenverteilungen auch amorphe Systeme eingesetzt oder ge- mischt werden. Auf diese Weise liesen sich Substratbenetzungen und offene Zeiten einstellen. Bei unzureichenden Hafteigenschaften, mussten den Basis- dispersionen Harzseifen oder Harzesterdispersionen zugesetzt werden. Hierbei war auf die gleiche Stabilisierung im wässrigen Medium zu achten, um Unver- träglichkeiten zu vermeiden.

6 E ntwicklung und Formulierung induktiv aktivierbarer Dis pers ions klebs toffe + E valuierung

Ziele: Formulie- rung und physi- kalische Eigen- schaften

Kommerziell verfügbare Heißsiegelklebstoffe wurden mit verschiedenen MagSi- lica-Qualitäten abgemischt und anschließend Formulierungen auf Basis von geeigneten Klebrohstoffen entwickelt.

Die Evaluierung der Formulierungen erfolgte mit Bezug auf den Etikettenauf- trag.

Ziele: Evaluie- rung der Er- wärmbarkeit

Die induktive Aufheizrate und der Hot Tack wurde in Abhängigkeit der gewähl- ten Formulierung ermittelt. In entsprechender Weise wurden die klebtechni- schen Eigenschaften der geklebten Etiketten untersucht.

Rheologische Ei-

genschaften Sowohl die auf EVA- Basis verwendete Heißsiegelklebstoffdispersion als auch weiterer PUR- Dispersionen ließen sich mit dem Propellerrührer oder dem Pla- netenmischer bei Raumtemperatur mit dem Nanoferrit homogenisieren. Ohne dass das vorheriges Sieben der Nanoferrite erforderlich gewesen wäre, zerfal- len auch größere Teile durch das Scheren in den Dispersionen. Nach dem Mi- schen blieb das EVA – System stabil, wobei die Viskosität im Vergleich zur Rohdispersion mit 1.150 mPas konstant war und der Nanofüllstoff nicht reag- glomeriert, so dass die fertigen Dispersionen für erste anwendungstechnische Untersuchungen eingesetzt werden konnten und auch für die spätere Verarbei- tung geeignet schienen.

Die PUR – Systeme verhielten sich hinsichtlich ihrer rheologischen Eigenschaf- ten indifferent. Die meisten Typen neigen zur Bildung von Agglomeraten. Aus- nahme war nur ein Typ, der als rein amorphes (nicht teilkristallines) Polyurethan für weiterführende Versuche nicht in Frage kam. Um die Ursache der Agglome- rationen zu klären wurden Zeta-Potentialmessungen durchgeführt, mit dem Ziel die elektrostatische Stabilität der Dispersionen zu untersuchen.

Abbildung 5: Mischungen von Magsilica mit PU-Dispersionen (Typ 1, 2 und 3) Zeta-Potential-

Messungen Durch Zeta-Potential-Messungen wurde die Oberflächenladung der MagSilica Partikel und der Polymertröpfchen in den Polyurethan-Dispersionen bestimmt.

Inder folgender Tabelle werden die entsprechenden Untersuchungsergebnisse wiedergegeben:

Tabelle 3: Zeta-Potential Messung (Malvern Zetasizer 2000 mit Kapillar- Messzelle, T=25 °C)

Material Verdünnung Zetapotential [mV]

Magsilica 300

(Nanoferrit) 20 mg / 100 ml deion. Wasser -79 ± 6 PU-Dispersion 1 35 mg / 100 ml deion. Wasser -66 ± 4 PU-Dispersion 2 28 mg / 100 ml deion. Wasser -73 ± 7 PU-Dispersion 3 29 mg / 100 ml deion. Wasser -69 ± 2

Im Rahmen der experimentellen Genauigkeit wiesen alle untersuchten PUR- Dispersionen die gleichen Zetapotentiale (ca. -70 mV) auf. Die Partikeloberflä-

chen waren also negativ geladen. Der Betrag des Zetapotentials war ausrei- chend hoch, um eine Ladungsstabilisierung der Dispersionen gegen Agglome- ration zu gewährleisten. Die Magsilica-Partikel waren mit ca. -80 mV ebenfalls negativ geladen. Elektrostatische Anziehungskräfte zwischen ungleichnamig geladenen Partikeln scheiden also als Ursache für die beobachtete Agglomera- tion aus. Die höhere Toleranz der PU-Dispersion Typ 1 gegen Zusatz von Magsilica wird durch die Zetapotentialmessungen ebenfalls nicht erklärt.

Stabilisierung durch nicht ioni- sche Tenside

Durch den Zusatz von nicht ionischen Tensiden auf der Basis von ethoxylierten Fettalkoholen ließen sich die Dispersionen jedoch erfolgreich stabilisieren. Al- lerdings sedimentierten die Füllstoffe, was durch Zugabe eines Verdickers auf PUR Basis eingeschränkt werden konnte. Die abschließend erhaltenen Formu- lierungen bleiben stabil, mussten jedoch vor der Verarbeitung aufgerührt wer- den. Die Gesamtfestkörper der fertigen Dispersionen aus den nicht flüchtigen Bestandteilen variierten zwischen 49% bis 54%, dabei unterscheiden sich die Dispersionen neben den eingesetzten Basisdispersionen in der Menge der Na- noferrite, welche in Anteilen von 5%, 10% bzw. 20% bezogen auf den Festkör- per zugegeben wurden. Höhere Anteile ließen sich auf Grund thixotropierender Eigenschaften nicht realisieren. In folgenden Tabelle sind beispielhaft erste ver- trägliche Klebstoffrezepturen aufgeführt:

Tabelle 4: Stabile Klebstoffrezepturen

Polymerdispersion Nanoferrit im FK Tensid im FK Verdicker im FK

EVA 5, 10, 20 Gew.% - -

PU Typ 2 10 Gew.% 1,5 Gew.% 1 Gew.%

PU Typ 3 10 Gew.% 1,5 Gew.% 1 Gew.%

Klebstoffauftrag Die EVA-Dispersion wurde mit Spiralrakeln in Nassschichtdicken von 100, 200 und 300 µm auf Etikettenpapier aufgetragen. Die angegebenen Schichtdicken korrespondierten bei einem Füllstoffgehalt von 10 % mit Auftragsmengen von ca. 20, 55 bzw. 90 g/m². Nach dem Ablüften bei Raumtemperatur wurden gene- rell wellige tackfreie Oberflächen erhalten, die bei höheren Schichtdicken spezi- ell bei der EVA–Dispersion zur Rissbildung neigten.

Induktive Auf-

heizraten Einleitende Untersuchungen zu den induktiven Aufheizraten wurden am Bei- spiel verschiedener EVA–Dispersionen durchgeführt. Generell ließen sich die untersuchten Heißsiegelschichten auf die erforderlichen Mindestaktiviertempe- raturen von 80 bis 90 °C erwärmen.

Zur Bestimmung der Aufheizraten wurden zwei alternative Messaufbauten ge- wählt. Bei der Bestimmung der dynamischen Aufheizrate wurde ein klebstoffbe- schichtetes endlos Papierband mit definierter Bandgeschwindigkeit durch eine Zylinderspule geführt. Über die Bandgeschwindigkeit kann die entsprechende Verweilzeit im Bereich der Spule eingestellt werden. Im Gegensatz dazu wurde bei der statischen Induktion das beschichtete Papier in Ruhe gehalten und mit

Spule und Spulengenerator geben die weiteren Randbedingungen vor. Der Ge- nerator „M2260S“ von STS liefert eine max. Leistung von 6 kW. Beim Einsatz der Zylinderspule ist die Arbeitsfrequenz mit 323 kHz vorgegeben. Beim stati- schen Aufbau erlaubt die verwendete Tellerspule eine Frequenz von 253 kHz.

Temperaturprofile und Zeiten wurden mit Hilfe der Wärmebildkamera „Vario- Cam hv Research 465 S“ von InfraTec erfasst.

Messaufbauten

Abbildung 6: Links: Dynamischer Messaufbau

Rechts: Statischer Aufbau mit Wärmebildkamera (das beschichtete Papier verdeckt die Tellerspule)

Ergebnisse mit dynamischem Aufbau

Mit diesem Aufbau soll die automatische Etikettenzuführung modellhaft wieder- gegeben werden. Im folgenden Diagramm werden die erreichbaren Temperatu- ren in Abhängigkeit der Verweilzeiten (Durchlaufzeiten im Spulenkanal) darge- stellt. Man erkannt, dass mit dem gewählten Versuchsaufbau Temperaturen in dem für die thermische Reaktivierung erforderlichen Bereich innerhalb von Se- kunden erreicht werden können.

Temperatur in Abhängigkeit der Verweilzeit

Abbildung 7: Temperatur in Abhängigkeit der Verweilzeit bei einem Auftrags- gewicht von 57 g/m² und 10 Gew.% Nanoferritanteil im Festkör- per

Ergebnisse mit dynamischem Aufbau

Neben der Verweilzeit nimmt die eingesetzte Nanoferritmenge Einfluss auf die zugänglichen Temperaturniveaus. Entsprechende Ergebnisse bei vorgegebe- ner Verweilzeit werden nachfolgend graphisch gezeigt. Die Nanoferritmenge kann dabei über das Auftragsgewicht des Klebstoffes und den prozentualen An- teil des Füllstoffes eingestellt werden.

Temperatur in Abhängigkeit der Nanoferritmenge

Abbildung 8. Temperatur in Abhängigkeit der Nanoferritmenge bei einer Ver- weilzeit von 3,7 Sekunden

Ergebnisse mit statischem Auf- bau

Der statische Versuchsaufbau wurde gewählt, um weitere Einflüsse, wie die Leistung des Generators und den Abstand der Spule zur aktivierbaren Kleb- schicht zu untersuchen. Bei der leistungsabhängigen Aktivierung wurden Ab- stand, Auftragsgewicht und Nanoferritanteil konstant gehalten. In nachfolgender Abbildung 9 ist die Leistungsabhängigkeit deutlich erkennbar. Im Vergleich da- zu ist der in der darauffolgenden Abbildung 10 dargestellte Spulenabstand so- gar noch bedeutender. Mit Bezug auf eine definierte Aktivierungszeit verhält sich der Abstand umgekehrt proportional zum Temperatursprung ΔT. Für den Fall, dass es applikationstechnisch möglich ist, die Abstände weiter zu verrin- gern, können auf diese Weise die Heizraten ohne weiteren Energieaufwand op- timiert werden.

Leistungsabhäng ige Erwärmung

Abbildung 9. Leistungsabhängige Erwärmung bei einem Auftragsgewicht von 91 g/m² und 10 % Nanoferritanteil (100 % Leistung entsprechen 6 kW)

Erwärmung bei variierendem Ab- stand zur Spule

Abbildung 10. Erwärmung bei variierendem Abstand zur Spule einem Auftrags- gewicht von 91 g/m² (300 µm Rakel) und 10 % Nanoferritanteil

Fazit Im Rahmen der Untersuchungen konnte die prinzipielle Machbarkeit der induk- tiven Erwärmung am Beispiel von mit Nanoferrit gefüllten EVA- Dispersionen demonstriert werden.

Zur Bestimmung der klebtechnischen Eigenschaften wurde eine mit 10% Nano- ferrit gefüllter EVA–Klebstoffschicht auf unterschiedliche Weise (Konvektion, Inf- rarotstrahler und Mikrowelle bei 800 W / 30 bis 120 sec.) bis zur Mindestakti- viertemperatur von 90°C und darüber erhitzt. Auf Grund organisatorischer Um- stände wurde in diesem Fall auf das induktive Erwärmen verzichtet. Dies ist grundsätzlich zulässig, da die klebtechnischen Eigenschaften unabhängig von der Art der Wärmequelle sein sollten. Zusammenfassend waren die Haftungen der Klebschicht auf Glas unbefriedigend, was auf eine mangelnde Benetzung in Folge der Abkühlung zurückgeführt wurde.

7 E ntwicklung der Auftrags technik für Dis pers ions klebs toffe s owie E valuierung deren E igens chaften der K lebs chichten

Zielstellung In diesem Arbeitspaket wurden die mit MagSilica modifizierten Klebstoffe zu streichfähigen Rezepturen entwickelt, um bei Kenntnis der genauen Zusam- mensetzung das Eigenschaftsprofil in den weiteren Projektphasen anwen- dungsspezifisch optimieren zu können. Hierzu wurden die Formulierungen im Labormaßstab auf Etikettenrohpapier aufgetragen sowie die Klebstoffrheologie bestimmt.

Die Modellklebstoffe waren bereits applikationsfähig und konnten mit einem La- borcoater mit Rakelstab auf die Versuchspapiere aufgetragen werden.

Evaluierung der Eigenschaften der Klebstoff- schichten und Etiketten

Bei den evaluierten Eigenschaften der Klebstoffschichten handelt es sich um:

 die Verblockungsneigung der applizierten Klebschichten,

 das Heißsiegelverhalten während der Etikettierung und

 die Klebfestigkeiten der beschichteten Etiketten auf unterschiedlichen Substraten wie Papier und Pappe sowie Kunststoffen (PET, PE, PS) und Glas (Quick-Stick, Peel-Adhesion / Schälwiderstand, Messung der Kohäsion Jeweils nach bzw. in Anlehnung an FINAT Methoden

(Fédération International des Fabricants et Transformateurs d`Adhésifs et Thermocollans sur Papiers et autre Supports, Den Haag)

Bestimmung der Verblockungs- neigung der ap- plizierten Kleb- schichten

Zur Bestimmung der Blockneigung wurden Proben mit den Abmessungen 50 mm x 50 mm aus den beschichteten Mustern geschnitten und paarweise je- weils mit der Vorder- gegen die Rückseite zueinander gelagert. Die Lagerbe- dingungen wurden wie folgt gewählt:

• Lagertemperatur: 23°C und 50°C

• Lagerzeit: 24 h

• Pressdruck: ca. 13 kPa

etwaiges Blocken hin beurteilt.

Bei den bei 23°C gelagerten Proben war nur ein Aneinanderhaften der Flächen festzustellen. Die Proben hafteten zwar aneinander, konnten aber weitestge- hend ohne Beschädigung der Oberfläche voneinander getrennt werden.

Die Proben die bei 50°C gelagert wurden, zeigten ein Verblocken, sie konnten nicht ohne Beschädigung der Oberflächen getrennt werden.

Dabei war kein Einfluss der Schichtdicke der Klebstoffbeschichtung oder der flächenbezogenen Masse des Etikettenpapiers zu erkennen.

Heißsiegel-

verhalten Zur Bestimmung des Heißsiegelverhaltens der beschichteten Papiere wurde das Heißsiegelgerät HSG/ETK der Fa. Brugger, München, verwendet. Dabei wurden ebene Siegelbacken mit den Abmessungen 10 mm x 150 mm (teflon- beschichtet) verwendet. Nur eine Siegelbacke – die von der Papierseite her – war beheizt. Gesiegelt wurde gegen eine Acetatfolie. Lagerung der Proben und Prüfung erfolgten im Normklima 23°C und 50% rel. Luftfeuchte.

Siegelbedingungen:

Siegeltemperatur: 80°C bis 160°C, in 20°C Schritten Siegelzeit: 3s bis 5s, in 1s Schritten

Siegeldruck: 300kPa

Nach Abkühlen der Siegelfläche wurde diese durch manuelles Aufschälen ge- prüft und dabei das Trennflächenaussehen beurteilt.

Die Ergebnisse der Siegelversuche können für die EVA-Dispersion wie folgt zu- sammengefasst werden:

• Es ist ein starker Einfluss der Kleberschicht und der flächenbezogenen Masse des Etikettenpapiers auf die notwendigen Siegelbedingungen (Temperatur und Siegelzeit) zu sehen. Allerdings liefert die Kleber- schicht bei richtiger Wahl der Siegelbedingungen immer eine gute Ver- bindung zur Acetatfolie.

• Bei dünnen Kleberschichten und dünnem Papier (80 g/m²) ist ab einer Temperatur von 100°C eine Siegelung möglich. Die Papiere mit höhe- ren Flächengewichten benötigen auch höhere Siegeltemperaturen und längere Siegelzeiten von bis zu 5s.

• Bei höheren Beschichtungsmengen (50µm und 80 µm) siegeln die dün- nen Papiere bereits ab 80°C und 3 s Siegelzeit.

• Bei dem Papier mit hoher flächenbezogenen Masse geben die dünnen Kleberschichten erst mit sehr hoher Temperatur (160°C) und langer Siegelzeit (5s) eine gute Verbindung zur Acetatfolie. Mit dickeren Kle- berschichten können die Temperaturen und die Siegelzeit verringert werden.

Die PU-Dispersion zeigte insgesamt ein etwas besseres Heißsiegelverhalten als die EVA-Dispersion, d.h. eine gute Verbindung zur Acetatfolie konnte im Vergleich zur EVA-Dispersion bei geringeren Temperaturen und/oder kürzeren Kontaktzeiten erreicht werden.

Prüfung der Kle-

befestigkeit In der Forschungsstelle war keine labormäßige Induktionsaktivierung der Kleb- stoffschichten möglich. Deshalb wurden zur Überprüfung der Klebeeigenschaf- ten der Versuchsbeschichtungen drei unterschiedliche Wärmeaktivierungen vorgenommen.

1. Trockenschrankverfahren:

Die beschichteten Proben wurden im Trockenschrank bei vorgegebe- nen Temperaturen erwärmt.

2. Mikrowellenverfahren:

Die beschichteten Proben wurden mit Hilfe eines Mikrowellenofens (Leistung 800W) aktiviert.

3. Heißluft:

Die beschichteten Proben wurden in einem Trockenkanal mit drei Tem- peraturzonen (FOGRA-Heatset-Trockner) mit Heißluft erwärmt (Tempe- raturprofil: Zone 1 ca. 280°C; Zone 2 ca. 220°C; Zone 3 ca. 100°C;

v=10 cm/s).

Die weitere Vorgehensweise nach der Wärmeaktivierung war in allen drei Fäl- len identisch. Nach der Aktivierung wurden die Proben unmittelbar aus der Vor- richtung entnommen und auf den Haftgrund appliziert. Dabei betrug die offene Zeit ca. 5 – 10 s. Zum Anpressen der Proben wurde die FINAT-Standardrolle eingesetzt. Als Haftgründe wurden zum einen Standardglasplatten (nach FI- NAT) und zum anderen ein handelsüblicher Faltschachtelkarton GD2 (unbe- druckt) verwendet.

Klebefestigkeit der Klebstoffre- zeptur 1 (EVA- Dispersion)

Eine Erhöhung der Klebeschichtdicke bringt eine leichte Verbesserung der Haf- tung, die aber noch nicht als ausreichend bezeichnet werden kann.

Klebefestigkeit der Klebstoffre- zeptur 2 (EVA- Dispersion)

Höhere Schichtdicken der Klebeschicht verbessern auch das Klebeergebnis bis hin zum Kohäsionsbruch im Etikettenpapier (Faserriss).

Klebefestigkeit der Klebstoffre- zeptur 3 (PU- Dispersion)

Eine Schichtdicke von mindestens 50µm (Nassauftrag) ergibt bereits ein gutes Klebeergebnis mit Faserriss.

Bei einer Kleberschichtdicken von 50µm liegt die Aktivierungstemperatur bei ca.

80°C und einer Schichtdicke von 75µm bei ca. 60°C. Das bedeutet die Wärme- kapazität, die in der Kleberschicht eingebracht wurde, kann durch die höhere Schichtdicke besser konserviert werden. Somit bleibt eine längere offene Zeit zur Verfügung, in der die Applikation des Etiketts erfolgen kann. Die nachfol- gende Tabelle zeigt die Detailergebnisse hinsichtlich der notwendigen Aktivie- rungstemperatur.

Optische Bewer- tung der Etiket- ten

Da das eingesetzte MagSilica eine deutliche Eigenfärbung aufweist, war vor diesem Hintergrund das Durchscheinen sowie die Eindringtiefe der Klebstoff- formulierung in das Papier (Penetration) zu bewerten. Hierzu wurden einerseits Weißgrad und Farbort der Oberseite des Etiketts im Vergleich zum unbehandel- ten Muster bewertet.

Die optischen Eigenschaften Weißgrad (Reflexionsfaktor) und Farbort bzw.

Farbdifferenz wurden mit einem Elrepho im Vergleich zwischen unbeschichte- ten und beschichteten Papier ermittelt. Die Messung des Reflexionsfaktors er- folgte sowohl mit als auch ohne Berücksichtigung des UV-Anteils, um die Wir- kung des optischen Aufhellers bewerten zu können. In Tabelle 5 sind die Er- gebnisse der optischen Eigenschaften zusammengestellt.

Tabelle 5: Optische Eigenschaften der Etikettenpapiere mit und ohne Kleberbeschichtungen

Reflexionsfaktor Papier 1 Papier 2 Papier3 Papier 1 Papier 2 Papier3 Papier 1 Papier 2 Papier3 Papier 1 Papier 2 Papier3

mit UV-Anteil 97,99 87,72 97,02 25,95 21,42 17 3,52 3,45 6,66 3,41 3,36 4,87

ohne UV-Anteil 86,99 80,79 85,46 23,8 20,34 15,77 3,53 3,46 6,39 3,41 3,37 4,73

Farbort (L*a*b*)

L* 94,77 94,02 94,58 65,55 62,85 56,06 28,08 28,47 40,58 26,63 26,57 35,58

a* 1,56 0,74 2,16 12,17 12,52 13 11,56 12,56 15,41 9,47 9,71 15,33

b* -7,86 -1,61 -7,67 13,33 16,76 13,79 10,51 11,67 16,75 8,73 8,91 16,13

ohne Beschichtung 25µm Schicht 50µm Schicht 75µm Schicht

Reflexionsfaktor Die nachfolgende Abbildung 11 zeigt den Rückgang des Reflexionsfaktors durch die Kleberschicht am Beispiel von Papier 1.

Abbildung 11: Einfluss der Kleberschicht auf den Reflexionsfaktor (Weißgrad) bei Papier 1 (mit und ohne UV-Anteil)

Weißgrad und

Farbort Der Weißgrad der Papiere 2 und 3 zeigen im Wesentlichen einen analogen ab- hängig von der Dicke der Kleberschicht. Daraus ist zu erkennen, dass die durchscheinende Kleberschicht die optischen Eigenschaften der Papiere erheb- lich beeinträchtigt. Dies ist auch in Abbildung 12 zusehen, in der die Verschie- bung des Farbortes (Färbung) durch die Kleberschicht dargestellt wird.

Es ist zu erkennen, dass die unbeschichteten Papiere sehr nahe an der vertika- len Nulllinie liegen, also nahe am unbunt Bereich sind. Die Verschiebung der Papiere 1 und 3 in Richtung Blau zeigt den Einfluss des optischen Aufhellers.

Diese Verschiebung ist bei Papier 2 nicht so stark gegeben. Das bestätigt auch der niedrigere Weißgrad bei diesem Papier (vgl. Tabelle 5).

Abbildung 12: Verschiebung des Farbortes der Etikettenpapiere in Abhängigkeit der Kleberschichtdicke

Penetration Eine Penetration der Feststoffbestandteile einer Dispersion in die Poren bzw.

Kapillaren des Etikettenpapiers kann weitestgehend ausgeschlossen werden, weil durch den Entwässerungsprozess (Phasentrennung) zwar die flüssige Phase (Dispergiermittel Wasser) in das Kapillarsystem wegschlagen kann, je- doch die feste Phase (Polymere und MagSilika) dem Oberflächenprofil des Pa- piers folgt. Obwohl die Polymerpartikel in der Regel einen kleineren Durchmes- ser haben als der mittlere Kapillardurchmesser der Papierporen ist, werden dennoch nur ein zu vernachlässigend geringer Anteil in das Papier wegschla- gen, was die nachfolgende Abbildung verdeutlichen soll.

Hierbei spiel auch die Viskosität der Dispersion eine entscheidende Rolle: je höher die Viskosität, umso geringer wird der penetrationsfähige Klebstoffanteil sein. Dies wird aus folgender Formel zur Berechnung des wegschlagenden Flüssigkeitsvolumens deutlich.

L r

dL

dV _l

⋅

⋅

⋅

⋅

= ⋅

η δ σ

π

cos

³

Dabei ist:

r = repräsentativer Durchmesser der Kapillaren L = Länge der Kapillaren

σ

η

δ

. Abbildung 13: Bei Dispersionsklebstoffen kommt es zur Phasentrennung an der

Papierkante; Wasser penetriert in das Papiervolumen (heller Be- reich), die disperse Phase bildet einen Film (dunkler Streifen)

Fazit Nachdem die Penetration des Klebstoffes, beziehungsweise dessen Feststoff- bestandteile ins Papier nicht gegeben ist, bedingt das nicht den zwangsläufigen Ausschluss von Blade- bzw. Rakelauftragsverfahren.

Einfluss der of- fenen Zeiten auf die klebetechni- schen Eigen- schaften

Da die Rekristallisationsgeschwindigkeiten der teilkristallinen Polymere die offe- nen Zeiten zur Benetzung und zum Bekleben von Oberflächen unmittelbar be- einflussen, wurde das Freisetzen der Kristallisationswärmen messtechnisch mit der dynamischen Differenzkalorimetrie (DSC) bestimmt. Die Ergebnisse lassen den Schluss zu, dass das EVA–System unmittelbar nach dem Abkühlen bei ca.

55 °C kristallisiert, während die unterschiedlichen PUR-Systeme erst zwischen +7°C bis -4°C kristallisieren. Zur Veranschaulichung sind die DSC-Diagramme zweier PUR–Dispersionen und der EVA–Dispersion übereinandergelegt.

Kristallisationswär men

53.93°C

-3.66°C 6.62°C

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0

Heat Flow (W/g)

-20 0 20 40 60 80 100

Temperature (°C)

eva euhalin 6500 vs.001 –––––––

u 53.001 –––––––

uxp 2682.002 –––––––

Exo Up Universal V4.1D TA Instruments

Abbildung 14: Vergleich der einsetzenden Kristallisationswärmen zwischen der EVA-Dispersion und zweier PUR - Dispersionen

Viskosität im Temperaturbe- reich der Kristal- lisation

Dieses Phänomen wirkt sich entsprechend auf die klebtechnischen Eigenschaf- ten aus. Die resultierende schlechte Substratbenetzung der EVA-Dispersion korrespondiert mit einer sprunghaft ansteigenden Viskosität im Temperaturbe- reich der Kristallisation bzw. der einsetzenden Verfestigung. Im Vergleich dazu steigt die Viskosität der PUR–Dispersion stetig aber nicht sprunghaft an. Die entsprechenden Viskositäts-Temperaturrampen zwischen 120 °C bis 45 °C sind für beide Polymertypen nebeneinander gestellt. Die rheologischen Daten wur- den mit einem Rheometer im Oszillationsmodus aufgenommen.

Rheologische Daten

Abbildung 15. Viskositäts - Temperaturrampen

Links: PU-Dispersion Typ 3 Rechts: EVA-Dispersion Einsatz von

Weichmachern Da die Viskosität über einen weiten Temperaturbereich konstant niedrig ver- läuft, was der Benetzung grundsätzlich zuträglich ist, wurden Versuche unter-

und die offene Zeit zu steigern. Außerdem wurden unterschiedliche Zugabe- mengen gewählt, so dass in Summe sechs Rohstoffe in Mengen von jeweils 5, 10 und 20 Gew.% untersucht wurden. Tatsächlich war der gewünschte Effekt durch weiterführende DSC–Analysen nachweisbar, wenn auch nur im begrenz- ten Ausmaß. Durch Zusatz von 20 Gew.% von Harz konnte die ursprünglich bei 54 °C einsetzende Kristallisation lediglich um 3 °C reduziert werden. Der Effekt auf die EVA-Dispersion war vernachlässigbar, so dass die weiteren Arbeiten mit den unkritischen PUR-Dispersionen durchgeführt wurden.

Ziel

Weitere Optimie- rung der kleb- technischen Ei- genschaften

Für die weitere Optimierung der klebtechnischen Eigenschaften wurde das stabile PUR–System auf Basis von PU Typ 3 mit 10 Gew.% Nanoferrit“ ge- wählt, dessen Haftkraft auf Glas jedoch anfangs nicht ausreichend war. Aus diesem Grunde wurde mit dem Zusatz von Harzdispersionen experimentiert, was letztendlich zum Erfolg führte. In der folgenden Tabelle wird die Rezeptur wiedergeben, welche im späteren Projektverlauf im größeren Maßstab anlage- technisch auf Papier appliziert werden konnte.

Tabelle 6: Klebtechnisch optimierte induktiv aktivierbare Klebstoffrezeptur Bestandteile Anteile im Festkörper

[Gew.%]

PUR 70,12

Nanoferrit 9,86

Emulgator 1,48

Verdicker 1,01

Harz 17,53

8 E ntwicklung eines Auftrags konzepts

Ziel Die bislang erarbeiteten Erkenntnisse zu den Zusammenhängen zwischen der Klebstoffzusammensetzung und -schichtdicke sowie der optischen bzw. klebe- technischen Eigenschaften dienten als Basis, um nun ein Strichkonzept / Auf- tragskonzept für die induktionsaktivierbare Klebstoffschicht zu entwickeln.

Hierfür wurden zunächst im Labormaßstab mittels Handrakel entsprechende Strichschichten aufgetragen und im Anschluss papiertechnisch charakterisiert.

Formulierung des Rückseiten- strichs

Obwohl die induktive Erwärmung nur spezifisch den ferrithaltigen Klebstoff er- wärmt, kommt es durch Wärmeleitung auch zu einer Erwärmung des Trägerpa- piers. Um diesen Wärmeverlust, verbunden mit einer Vergilbungsgefahr, für das Etikett zu minimieren und somit das Erwärmungsverhalten zu optimieren, wurde auf das einseitig gestrichene Etikettenpapier ein weiterer Rückseitenstrich auf- gebracht. Dieser sollte durch eine Auswahl geeigneter Pigmente sowohl Wär- meleitfähigkeit ins Papier verringern als auch einen Opazitätsgewinn erreichen (Lufteinschlüsse als Streuzentren und als Wärmeisolator). Für die Formulierun- gen des Rückseitenstrichs wurden die Zusatz-„Pigmente“ SP 1 bis SP 4 in eine Standardstreichfarbenformulierung eingearbeitet. Die Grundformulierung ist

nachfolgend aufgeführt.

Tabelle 7: Rezepturvarianten für Rückseitenstrich für Wärmeisolations- und Opazitätsschicht

Pigment GCC (CaCO3; 90) 100 bis 0 Teile Zusatz-Pigment SP 1 bis SP 4 0 bis 100 Teile Binder Styrol-Acrylat-Nitril-Basis 12 Teile

Co-Binder PVA + CMC 0,4 / 0,3 Teile

Additive OBA 0,3 Teile

Der Anteil der Zusatz-Pigmente wurden sukzessive bei den Rezepturen bis maximal 100 Teile erhöht bzw. bis zu einem Grad an dem die Streichfarbe nicht mehr verarbeitungsfähig war. Entsprechend der Zugabe des Zusatz-Pigments wurde der Anteil des Standardpigments (CaCO3) verringert, so dass immer ins- gesamt 100 Teile Pigment eingesetzt wurden.

Der Rückseitenstrich wurde mittels eines Laborcoater mit einer Auftragsmasse von ca. 60 g/m² bis 90 g/m² - je nach zugegebenem Zusatz-Pigment - auf das Etikettenpapier appliziert. Für die Laborversuche wurde aus Gründen der Di- mensionsstabilität das Etikettenpapier P3 (220g/m²) eingesetzt.

Aufnahmen von Rückseitenstri- chen

An den gestrichenen Rückseiten wurden mit Hilfe eines Stereo-Lichtmikroskops die Oberflächentopografien untersucht und beurteilt, in wie fern sich diese durch die Zugaben der Zusatz-Pigmente verändern.

Eine Auswahl der Aufnahmen der Oberflächentopografien der Rückseitenstri- che mit den Zusatz-Pigmenten SP 1 und SP 2 zeigen Abbildung 16 und Abbil- dung 17.

Es ist darin zu erkennen, dass sich bei SP 1 bei geringem Anteil des Zusatz- Pigments eine Art Hohlkörperstruktur in der Oberfläche ausbildet. Bei höherer Zugabe bildet sich dann eine zunehmend geschlossene Polymerschicht.

Beim Zusatz-Pigment SP2 ist zu sehen, dass die Pigmentpartikel von der Strichschicht nicht vollständig eingebettet werden. Dies ist im mittleren Partikel- durchmesser des Zusatz-Pigments SP2 von ca. 100 µm begründet. Durch die Partikel an der Oberfläche erhält der Strich eine stark abrasive Eigenschaft. Bei einem Anteil von mehr als 50 Teilen SP 2 war die Streichfarbe nicht mehr ver- arbeitungsfähig.

Abbildung 16: Oberflächentopografien der Rückseitenstriche mit ansteigenden Anteilen des Zu- satz-Pigments SP 1

Abbildung 17: Oberflächentopografien der Rückseitenstriche mit ansteigenden Anteilen des Zu satz-Pigments SP 2

Bei den Zusatz-Pigmenten SP 3 und SP 4 waren keine Veränderungen in der Oberflächentopografie zu erkennen und deshalb wird hier auf eine Darstellung verzichtet.

Auswirkungen des Rückseiten- strichs auf die Opazität

Aufgrund der intensiven Färbung des MagSilica traten durch den Auftrag der Klebschicht Beeinträchtigungen der optischen Eigenschaften der Vorderseite auf (vgl. Arbeitspaket 3). Deshalb sollte ein Durchscheinen der farbigen Kleb- schicht auf die Vorderseite des Etiketts durch eine Opazitätsschicht verhindert werden. Die Opazitätsentwicklung bei Zugabe von Zusatz-Pigmenten mit unter- schiedlichen Mengenanteilen ist in folgender Abbildung 18 dargestellt.

Zur besseren Orientierung über die Wirkung der Zusatzpigmente auf die Opazi- tätserhöhung sind in Abbildung 18 auch die Opazitätswerte des Basispapiers (Base P3) ohne dem Rückseitenstrich bzw. mit einem Standardstrich ohne Zu- satzpigment (Standard) aufgeführt.

Abbildung 18: Opazitätsentwicklung bei Zugabe von Zusatz-Pigmenten mit un- terschiedlichen Mengenanteilen

Die Zugabe von Zusatz-Pigmenten bewirkt eine weitere Erhöhung der bereits auf hohem Niveau liegenden Opazität des Etikettenpapiers.(P3). Außerdem ist zu sehen, dass der mengenmäßige Anteil des zugefügten Zusatz-Pigmentes für die Opazitätswirkung einen Einfluss hat, ausgenommen bei dem Pigment SP2.

Hier ist keine signifikante Opazitätssteigerung, im Vergleich zum Standardstrich ohne Zusatz-Pigment, zu erkennen. In Abbildung 19 sind die Opazitätsergeb- nisse für das Zusatz-Pigment SP2 im Detail nochmal dargestellt.

Abbildung 19: Opazitätsentwicklung bei Zugabe von Zusatz-Pigment SP2 Natürlich hat auch die Opazität des Etikettenpapiers einen wesentlichen Ein- fluss auf das Durchscheinen der farbigen Klebeschicht. Bei einem relativ dicken Papier, wie dem Basispapier P3, liegt der Opazitätswert bereits auf einem ho- hen Niveau. Jedoch bei dünneren Etikettenpapieren, wie beispielsweise dem Papier P1, wird auch die Opazitätserhöhung durch einen rückseitigen Zusatz- strich besser sein.

Abbildung 20: Opazitätsentwicklung von Etikettenpapier P1 bei Zugabe von Zu- satz-Pigment SP3

Hier ist bereits durch den Standardstrich der Opazitätsgewinn mit 10 Punkten wesentlich größer als bei Papier P3 mit ca. 1 Punkt. Allerdings ist der Opazi- tätsgewinn durch weitere Zugabe des Pigmentes nicht mehr nennenswert.