Optimierung der Qualität holzfreier Streichrohpapiere für den Offsetdruck durch Erhöhung des Füllstoffgehaltes bei gleichzeitiger Reduzierung der Herstellungs-kosten

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Optimierung der Qualität holzfreier Streichrohpapiere für den Offsetdruck durch Erhöhung des Füllstoffgehaltes bei gleichzeitiger Reduzierung der Herstellungs- kosten

M. Klein

Zusammenfassung

Durch Streichen können die optischen Eigenschaften und insbesondere die Oberflächenstruk- tur von Papier zielgerichtet beeinflusst werden. Dabei ist jedoch zu berücksichtigen, dass das Streichrohpapier eine entscheidende Bedeutung für das Qualitätsniveau des gestrichenen Papiers hat.

Zielstellung des Projektes war die Kostenminimierung holzfreier Streichrohpapiere durch Erhö- hung des Füllstoffeinsatzes. Dazu wurden Untersuchungen zum Einfluss von Füllstoffart und Füllstoffmenge auf die Qualität des Rohpapiers, den Einfluss auf die Strichqualität und die Bedruckbarkeit der gestrichenen Papiere im Offsetdruck durchgeführt. Die Versuche wurden vorrangig im halbtechnischen Maßstab an einer Versuchspapiermaschine vorgenommen, wobei eine Praxisrezeptur zugrunde gelegt wurde. Als Füllstoffe wurden zwei natürliche Calcium- carbonate (GCC) unterschiedlicher Teilchengröße und ein gefälltes Calciumcarbonat (PCC) in Mengenanteilen von 15 % und 25 % eingesetzt.

Die experimentellen Untersuchungen zur Füllstoffart bestätigten, dass Teilchenform und -größe einen signifikanten Einfluss auf die optischen Eigenschaften, die Festigkeitswerte und die Formation der Rohpapiere besitzen. So führte eine Erhöhung des Füllstoffanteils um 10 % bei allen drei Füllstoffen zu einer Verbesserung des Weißgrades, der Opazität, der Glätte und der Formation der Rohpapiere. Gleichzeitig kam es erwartungsgemäß zu einer Reduzierung der Papierfestigkeit, die beim groben GCC am geringsten ausfiel. Beim PCC, welches eine dem „GCC-grob“ vergleichbare Teilchengröße aufweist jedoch eine andere Teilchenform besitzt, waren die Festigkeiten am niedrigsten.

Zur Kompensation des füllstoffbedingten Festigkeitsverlustes wurde der Stärkeanteil von 1 % auf 3 % erhöht. Gleichzeitig wurde die kationische Stärke durch anionische, welche in Verbin- dung mit unterschiedlichen kationischen Fixiersystemen eingesetzt wurde, ersetzt. Es konnte nachgewiesen werden, dass mit einigen Systemen kein Festigkeitsabfall zu verzeichnen war.

Zur Überprüfung der Praxisrelevanz hinsichtlich Strich- und Druckqualität wurden ausgewählte Rohpapiervarianten auf einer Versuchsstreichanlage gestrichen und anschließend im Offset- druck angedruckt. Aus der Strich- und Druckbewertung kann abgeleitet werden, dass die hoch gefüllten, gestrichenen Rohpapiere gegenüber der Standardvariante bezüglich der erreichten Strich- und Druckqualität auf einem vergleichbaren Niveau lagen.

Im Rahmen dieses Projektes wurden Wege aufgezeigt, wie es möglich ist, durch eine optimier- te Abstimmung der Pigment-/Stärke- und Fixiermittelsysteme den Füllstoffanteil im holzfreien Rohpapier ohne signifikanten Festigkeitsverlust weiter zu erhöhen und somit teueres Faserma- terial einzusparen. Obwohl die Kombination von anionischer Stärke mit Fixiermittel etwas teu- rer ist als das kationische Stärkesystem, konnten aufgrund der Einsparung von teueren Pri- märfaserstoffens des Füllstoffes gegenüber dem Faserstoff die Gesamtrohpapierkosten erheb- lich gesenkt werden.

Danksagung

Das Forschungsvorhaben AiF 13631 wurde durch die Arbeitsgemeinschaft industrieller For- schungsvereinigungen (AiF), Köln, mit finanziellen Mitteln des Bundesministeriums für Wirt- schaft und Arbeit gefördert. Dafür sei an dieser Stelle gedankt.

Unser Dank gilt außerdem den beteiligten Firmen AVEBE, BASF AG und OMYA AG für die freundliche Unterstützung bei der Durchführung der Arbeiten im Rahmen des Forschungsvor- habens.

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Summary

Coating is a technology which permits papermakers to systematically influence the optical properties and in particular surface structure of paper. To achieve the desired results, however, they must bear in mind that the coating base paper is of vital importance to the quality of coated papers.

The project was aimed at minimising the manufacturing costs of wood-free coating base papers by increased filler use. For this purpose, tests were conducted to study the influences of filler types and quantity on the quality of base papers, and the influences thereof on coat quality and the printability of coated offset papers. The majority of tests were carried out on a pilot paper machine, using an industrial coating recipe. The fillers used were two ground calcium carbonates (GCC) of different particle sizes, and a precipitated calcium carbonate (PCC). All fillers were added in quantitative shares of 15 % and 25 %.

The significant effects of the size and shape of filler particles on the optical and strength char- acteristics as well as the formation of base papers could be confirmed by the experimental studies on the influence of filler types. A 10 % increase in filler content led to better brightness, opacity, smoothness and formation results of the base papers, regardless of the filler type. As expected, the increased filler shares resulted in strength losses, which were smallest in the case of GCC. The papers produced with PCC, whose particles are of a size comparable to coarse GCC but differently shaped, had the lowest strength levels.

To make up for these strength losses, the starch content of the papers was raised from 1 to 3 percent, and cationic starch was replaced by anionic starch in combination with various cationic fixing systems. As could be proved, some of these systems were capable of preventing the strength losses.

To verify the practical relevance of the findings about coat quality and printability, a number of base papers were selected for further trials on a pilot coater and offset printing press. When evaluating the coatings and test prints obtained, the coat and print quality results achieved by the highly filled coated base papers were comparable to those of the reference.

The project has suggested ways to further increase the filler share of wood-free base papers without strength losses: By using optimally adjusted pigment/starch and fixing agent systems, it is possible to reduce the input of expensive fibres to save production costs. The savings in fibre costs resulting from increased filler use outweigh the cost increase caused by the use of anionic starch/fixing agent combinations instead of the somewhat cheaper cationic starch system.

Acknowledgement

The AiF 13631 research project was sponsored by the German Federal Ministry of Economics and Labour and carried under the umbrella of the German Federation of Industrial Co-

operative Research Associations (AiF) in Cologne. We would like to express our warmly gratitude for this support.

Simultaneously we would like to express our warmly gratitude to the involved companies AVEBE, BASF AG und OMYA AG for supporting working performance within this research project.

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1 Wissenschaftlich-technische und wirtschaftliche Problemstellung 1.1 Ausgangsituation

Der Verbrauch gestrichener Papiere für grafische Anwendungen verzeichnete in den letzten 25 Jahren weltweit überdurchschnittlich hohe Zuwachsraten. Eine Ursache dafür ist die gleichmä- ßigere und besser bedruckbare Oberfläche der gestrichenen Sorten im Vergleich mit den Na- turpapieren.

Durch das anhaltende Interesse an hochwertigen Farbdrucken, insbesondere für Druckproduk- te wie Kalender, Bücher und Werbeprospekte, werden besonders die Chancen für holzfreie gestrichene Sorten als gut eingeschätzt. Aufgrund der wachsenden Bedeutung sind die Quali- tätsanforderungen für diese Produkte, die zunehmend im Offsetdruckverfahren bedruckt werden, bereits sehr hoch und nehmen weiterhin zu. Dies bedingt eine ständige Optimierung der Papierqualität bei gleichzeitiger Berücksichtigung des Kostenaspekts.

Gegenwärtig werden holzfreie Streichrohpapiere für den Offsetdruck mit einem Füllstoffgehalt von 10 bis 20 % gefertigt. Im Rahmen des Forschungsprojektes wurde der Einfluss einer durchschnittlichen Füllstoffgehaltssteigerung von 10 % auf wesentliche Papiereigenschaften und die Kostensituation untersucht.

1.2 Entwicklungsstand und Anforderungen an holzfreie Streichrohpapiere

Holzfreie Streichrohpapiere bestehen in der Regel aus 100 % Sulfit- und/oder Sulfatzellstoff.

Teilweise werden bereits geringe Mengen „Altpapier“ in Form von weißen Spänen und Aus- schuss aus der eigenen Produktion zugesetzt. Der Holzschliffanteil darf 5 % nicht überschrei- ten. Aufgrund ihres Faserstoffeinsatzes sind diese Papiere relativ teuer und werden vorrangig für hochwertige Druckprodukte, die meist im Offsetdruckverfahren bedruckt werden, verwen- det. Die breite Palette der hochwertigen Druckprodukte verlangt ein großes Sortenspektrum an gestrichenen Papieren, wobei hohe Anforderungen an die Papierqualität gestellt werden.

Für holzfreie gestrichene Papiere werden folgende Rohpapiereigenschaften gefordert¹:

• ausreichende Festigkeit für gute Laufeigenschaften,

• gleichmäßige Formation zur optimalen Aufnahme des Striches,

• gute Planlage und Dimensionsstabilität,

• geringe Zweiseitigkeit, da die Papiere meist beidseitig bedruckt werden,

• gleichmäßige Wasseradsorption oder Benetzbarkeit für die Streichfarbe,

• Splitter- und Staubfreiheit, keine Löcher, Batzen und Einrisse.

Konstanz und Gleichmäßigkeit der Rohpapierparameter in Längs- und Querrichtung, wie auch homogene Dicke, Rauhigkeitsprofile, Porosität und Blattdichte gewährleisten in den weiteren Produktionsschritten Streichen und Satinage, dass die geforderten Standardwerte eingehalten werden.

Weitere Qualitätsansprüche sind²:

• Grundweiße 75 – 90 % ohne UV (Tappi R-457),

• Weiße bis 100 % mit UV (Tappi R-457),

• hohe Opazitätswerte 80 – 93 %,

• Rauhigkeit PPS 5 – 7 µm,

• Leimung in der Masse bzw. Oberflächenleimung zur Verfestigung des Faserverbundes.

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Der Füllstoffanteil in holzfreien Streichrohpapieren liegt heute zwischen 10 und 20 %. Die Füll- stoffe werden heute vor allem aus folgenden Gründen eingesetzt:

• Verbesserung der Glättbarkeit und Steigerung des Papier- und Druckglanzes,

• Reduzierung der Porosität,

• Erhöhung der Weiße und Opazität.

Die Füllstoffretention und -verteilung auf den Papieroberseiten bzw. in z-Richtung sind von enormer Bedeutung für die Rohpapierqualität. Da die meisten Füllstoffe, wie die Papierfasern, eine anionische Grenzflächenladung aufweisen, wird eine Verbindung zwischen beiden quasi verhindert. Die rein mechanische Verankerung von Füllstoffteilchen im Fasergefüge ist nicht ausreichend. Deshalb müssen die Oberflächen der Füllstoffteilchen so umgeladen werden, dass Flockungs- und Adsorptionsvorgänge zu der gewünschten Rückhaltungsrate des eingesetzten Füllstoffs führen. Dieser Zielstellung dienen spezielle chemische Additive. Sie führen einerseits zur verbesserten Fein- und Füllstoffretention und andererseits zu gleichmäßigerer Verteilung des Füllstoffes über den Papierquerschnitt, wodurch Blattformation und Opazität verbessert werden.

Aufgrund des Preisgefälles zwischen Zellstoff und Füllstoff (z. B. Kostenverhältnis Zell- stoff/natürliches Calciumcarbonat - 8 : 1) wird in der Steigerung des Füllstoffgehaltes noch ein großes Kostenreduzierungspotenzial gesehen. Bekanntermaßen ist mit einer Füllstoffsteige- rung ein Festigkeitsverlust, der nicht tolerierbar ist, verbunden. Der Festigkeitsverlust kann durch festigkeitssteigernde Additive, wie u.a. Stärke kompensiert werden. Stärke kann in der Masse eingesetzt bzw. zur Oberflächenleimung mit der Leimpresse genutzt werden.

Beim Masseeinsatz erfolgt die Festigkeitssteigerung über eine Vergrößerung der Bindungs- fläche zwischen zwei Fasern^3,4. Dabei haben die langen Stärkemoleküle so eine Dimension, dass sie ausschließlich an der Faser adsorbiert werden^5,6. Durch diese Anlagerung bildet sich ein Leimfilm, der die Fasern regelrecht zusammenklebt.

Über den Wirkungsmechanismus der Oberflächenstärke zur Festigkeitssteigerung existieren nur wenige Kenntnisse. Stärke muss auf jeden Fall, wenn sie mittels Leimpresse aufgebracht werden soll, entsprechend abgebaut werden. Damit wird gewährleistet, dass die Stärkelösung in entsprechend hoher Rheologie verarbeitet werden kann. Da beim Stärkeabbau die Moleküle gekürzt werden, wird ein Teil in die Fasern penetrieren und steht so nicht mehr als Bindemittel an der Oberfläche zur Verfügung. Dadurch wird das Bindungspotenzial verringert. Aus diesem Grunde besitzen die nicht abgebauten Stärken die höchste Bindekraft und bringen somit unter ökonomischen und ökologischen Gesichtspunkten die besten Ergebnisse. Aufgrund ihrer ho- hen Molmasse, die eine hohe Viskosität der gelösten Stärke zur Folge hat, sind diese Stärken jedoch nur in der Nasspartie über die Masse einsetzbar. Voraussetzung für die Wirkung der Stärke im Papierstoffsystem ist in jedem Falle eine homogene Verteilung bei hoher Retention nach einem vollkommenen Stärkeaufschluss.

Der Großteil der Stärken werden als kationische Produkte eingesetzt⁷. Diese ziehen aufgrund ihrer Ladung auf die vorwiegend negativ geladenen Bestandteile der Füll- und Faserstoffsus- pension auf und führen somit zur Flockung der Faser- und Füllstoffe.

Im Zuge der immer engeren Kreislaufführung mit einer reduzierten Wassermenge bei gleich-

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schränkt. Zur Steigerung der Stärkezugabemengen werden deshalb anionische Stärken in Kombination mit kationischen Fixiermittelsystemen bzw. Gemische aus anionischer und kationischer Stärke eingesetzt⁴. Die Verwendung anionischer Stärke ermöglicht die Zugabe und Retention größerer Mengen Massestärke (bis 5 %) ohne Überkationisierung bzw. Umladung des Systems in den kationischen Zetapotentialbereich.

2 Forschungsziel

Ziel des Forschungsvorhabens war die Kostenminimierung bei der Herstellung von holzfreien Streichrohpapieren durch erhöhten Einsatz von Füllstoffen bei mindestens gleicher Papierqua- lität.

Durch die Steigerung des Füllstoffanteils und den Einsatz ausgewählter Additive sollten teure Primärfaserstoffe eingespart und die Oberflächen- und Festigkeitseigenschaften des Streich- rohpapiers vor dem Strich verbessert werden.

3 Methodik und Durchführung

Die Bearbeitung des Projektes erfolgte in den Arbeitsschritten:

• Untersuchung des Einflusses der Füllstoffart auf die Formation und wesentliche Papierei- genschaften (Einsatz von 15 % PCC und GCC),

• Untersuchung des Einflusses der Füllstoffmenge und die Festigkeit steigender Additivsys- teme auf wesentliche Papiereigenschaften,

• Überprüfung ausgewählter Varianten im halbtechnischem Maßstab (Technikum), o Rohpapierfertigung,

o Streichen (VESTRA), o Offsetdruck,

o Qualitätsbewertung.

Die untersuchten Füllstoffe unterschieden sich hinsichtlich ihrer Teilchengröße und -form (Tab. 1).

Tab. 1: Charakterisierung der eingesetzten Füllstoffe im Streichrohpapier

Pigment 1

CaCO₃grob

Pigment 2 CaCO₃fein

Pigment 3 PCC

Weißgrad 96 95 96

Korngröße

<2 µm

<1 µm

60 36

84 57

70 30

mittlere Teilchengröße in µm 1,5 0,9 1,45

Versuchsnummer V 1, 2, 7, 10, 13 3, 4, 8, 11, 14 5, 6, 9, 12, 15

Teilchenform rhomboedrisch rhomboedrisch skalenoedrisch

Der zu erwartende Festigkeitsverlust im Rohpapier sollte durch Zusatz von Trockenfestig- keitsmitteln und weiteren Additiven ausgeglichen werden. Es wurden kationische Kartoffelstär- ke, anionische Stärke und verschiedene Fixiersysteme eingesetzt.

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3.1 Stoffaufbereitung

Die Stoffaufbereitung erfolgte in mehreren Arbeitsschritten:

• Zerfaserung und Mahlung der Faserstoffe,

• Dispergierung der Füllstoffe,

• Aufbereitung der Massestärke,

• Mischen und Sortieren.

3.2 Papierherstellung

Nach Vorversuchen im Labor wurden ausgewählte Varianten im halbtechnischen Maßstab an einer Versuchspapiermaschine mit einer Arbeitsbreite von 650 mm und einer Maschinenge- schwindigkeit von 60 m/min durchgeführt. Die Maschine ist für eine Bereich der flächenbezo- genen Masse von 40 bis 200 g/m² ausgelegt. Messanlagen liefern exakte Daten über flächen- bezogene Masse, Feuchte und Füllstoffgehalt. Mit der Anlage können praxisrelevante Ver- suchspapiere hergestellt werden. Ein weiterer Grund für die Herstellung der Papiermuster auf der Versuchspapiermaschine war, dass für praxisnahe Streich- bzw. Druckversuche relativ große Mustermengen benötigt werden. So können u. a. auf der Versuchstreichmaschine nur Rollen von mindestens 0,5 m Breite veredelt werden.

3.2.1 Untersuchungen zum Einsatz verschiedener Füllstoffe und Variation der Füll- stoffmengen unter Einsatz unterschiedlicher Stärken und Fixiersysteme

Es wurden mehrere Versuche zum Einfluss der Füllstoffart und Füllstoffmenge im labor- und im halbtechnischen Maßstab durchgeführt, wobei die in Tab. 1 beschriebenen Füllstoffe in den Mengen 15 % und 25 % bezogen auf otro Faserstoff eingesetzt wurden.

Wesentliche Gründe für die Auswahl dieser Füllstoffe waren die gute Verfügbarkeit, der niedri- ge Preis (ca. 50 bis 60 €/t) und der hohe Weißgrade (84 – 96 %)⁸. Präzipitiertes Calciumcar- bonat wurde aufgrund seiner wachsenden Bedeutung in der Papierindustrie und der bereits vorliegenden guten Ergebnisse ihres Einsatzes in ungestrichenen Pressepapieren und holzhal- tigen Streichrohpapieren^9,10 in die Untersuchung einbezogen. Als synthetisches Produkt er- möglicht PCC die Erzeugung von Füllstoffen mit anwendungsoptimierten Spezifikationen bzgl.

Partikelgröße bzw. -verteilung, Partikelmorphologie und -form¹¹. Fasergrundlage war ein Ge- misch aus Kiefernsulfatzellstoff und Birkensulfatzellstoff.

Wie die Praxiserfahrungen und die Ergebnisse der Voruntersuchungen zeigten, wurden die Festigkeiten durch den steigenden Füllstoffanteil reduziert. Durch den Einsatz von festigkeits- steigernden Additiven, insbesondere anionischen Stärken bzw. einer modifizierten Stärke in Kombination mit verschiedenen Fixiersystemen, sollte der Festigkeitsabfall kompensiert werden. In der Tab. 2 sind die Versuchsvarianten zusammengestellt.

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Tab. 2: Versuchsplan

Versuch V1 V2 V3 V4 V5 V6 V7 V8 V9 V10 V11 V12 V13 V14 V15 Pigmente

GCC grob 15 25 25 25 25 GCC fein 15 25 25 25 25 PCC 15 25 25 25 25 Stärke/Fixiermittel

kat. Stärke x x x x x x anionische

Stärke

x x x x x x

Fixativ 1 x x x

Fixativ 2 x x x mod.Stärke

+ Fixativ 3

x x x

Die erzeugten Papiere wurden hinsichtlich der typischen Eigenschaftskennwerte geprüft. Wei- terhin wurden zur Beurteilung der Oberflächenmorphologie und Füllstoffverteilung rasterelekt- ronenmikroskopische Aufnahmen der Rohpapiere angefertigt und wahlweise die Füllstoffvertei- lung in z-Richtung bestimmt.

Um den Einfluss des veränderten Füllstoffeinsatzes im Streichrohpapier auf die Qualität des Strichauftrages zu beurteilen, wurden die Papiere im Labormaßstab mittels Handrakel gestrichen. Bei den Streichversuchen wurde eine typische Offsetstreichfarbenrezeptur auf die Ver- suchspapiere (Versuche V1 bis V15) mittels motorisiertem Handrakel aufgebracht. Das Auf- tragsgewicht sollte 25 g/m²betragen. Nach der Trocknung wurden die Versuchspapiere mittels eines Versuchskalanders geglättet.

3.2.2 Streichen der Papiere unter praxisnahen Bedingungen

Für die Streichversuche wurden nach der Auswertung der Qualitätsparameter der in den Ar- beitsschritten 1 und 2 erzeugten Rohpapiere 3 Varianten ausgewählt und in größeren Mengen produziert. Teilweise wurden nach der Auswertung der Versuche 1 bis 15 und Beratung mit den Additivlieferanten geringfügige Rezepturänderungen in den Fixiersystemen vorgenommen.

Die erzeugten Papiervarianten wurden auf ihre Qualitätsparameter geprüft und anschließend auf der Versuchsanlage der VESTRA GmbH bei einer Maschinengeschwindigkeit von 1.200 m/min beidseitig gestrichen. Zur Gewährleistung einer ausreichenden Biegesteifigkeit wurde beim Strich ein Sandwichaufbau gewählt. Das Endgewicht nach dem Streichen betrug 120 g/m² (1 Variante 134 g/m²). Nach dem Streichen wurden die Papiere satiniert, geschnitten, im Offsetverfahren bedruckt und bezüglich des Druckergebnisses (Bedruckbarkeit) bewertet.

4 Ergebnisse

4.1 Untersuchungen zum Einfluss der Füllstoffart und -menge auf die Streichroh- papierqualität

4.1.1 Bewertung der Streichrohpapiere

Ausgangbasis für die Untersuchungen zur Entwicklung der Streichrohpapiereigenschaften bei Steigerung des Füllstoffeinsatzes war die Ermittlung des derzeitigen Standes des Füllstoffein- satzes bei holzfreien Streichrohpapieren für den Offsetdruck (Vergleichsbasis) unter identischen Herstellungsbedingungen. Hierzu wurden auf der Versuchspapiermaschine Papiere mit einem Füllstoffgehalt von ca. 15 % bei Einsatz der Füllstoffe GCC-grob, GCC-fein sowie PCC unter Verwendung von Standardadditiven und Zugabe von 1 % kationischer Stärke mit einer

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flächenbezogenen Masse von 80 g/m² erzeugt (V1, V3 und V5).

In einem zweiten Arbeitsschritt wurde der Füllstoffanteil auf 25 % erhöht, wobei alle Additive und der Stärkezusatz beibehalten wurden (V2, V4, V6). Diese Varianten dienten der Ermittlung der Eigenschaftsentwicklung bei alleiniger Erhöhung des Füllstoffgehaltes.

Im Wissen darum, dass sich die Rohpapiereigenschaften bei Füllstoffsteigerung differenziert verhalten, d.h. einige Eigenschaften sich positiv (z. B. optische Eigenschaften) und andere negativ (Festigkeitseigenschaften) entwickeln werden, wurden weitere Varianten mit differen- zierter Stärkezugabe in Kombination mit gezielten Additivsystemen erarbeitet, die insbesondere den Festigkeitsverlust durch die Füllstoffsteigerung kompensieren sollten (V7 bis V15). Hier- zu wurde der Stärkeanteil von 1 % auf 3 % erhöht und es kamen 3 unterschiedliche Fixiersys- teme zur Anwendung.

Die geplante flächenbezogene Masse von 80 g/m² konnte bei allen Versuchen weitgehend eingehalten werden. Sie differierte lediglich um ±2 g/m². Es ergaben sich Dickewerte im Be- reich von 0,092 bis 0,11 mm.

Die Einstellung von annähernd praxisrelevanten Füllstoffgehalten von ca. 15 % wurde trotz der diffizilen Retentionsproblematik durch Wahl optimaler Retentionsbedingungen bei allen drei Pigmenten (V1, V3 und V5) weitgehend erreicht (Abb. 1). Auch bei den weiteren Versuchen zur Erhöhung des Füllstoffgehaltes wurden die angestrebten Füllstoffgehalte von 25 % mit Abweichungen von ±2 % erzielt.

10 15 20 25

V1 V2 V3 V4 V5 V6 V7 V8 V9 V10 V11 V12 V13 V14 V15

Carbonatasche [%]

PCC GCC fein GCC grob 15 %

1 % kationisch 3 % anionisch FS 1

15 % 15 %

Füllstoffgehalt 25 %

Füllstoffgehalt

Stärke

3 % anionisch FS 2

3 % modifiziert FS - Fixiersystem FS 3

Abb. 1: Füllstoffgehalt der Rohpapiere

Neben dem absoluten Füllstoffgehalt ist für das Festigkeitspotenzial der Papiere der retendier- te Stärkeanteil, der in Abb. 2 dargestellt ist, verantwortlich. Auch hier sind die Abweichungen zum Sollwert 1 % (V1 bis V6) bzw. 3 % (V7 bis V15) mit 0,3 bzw. 0,6 % noch akzeptabel.

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

Stärkeanteil [%]

15 % 15 %

Füllstoffgehalt

Stärke

Abb. 2: Stärkeanteil in den Rohpapieren

Füllstoffbezogen wurden die höchsten Stärkeanteile bei Zugabe von 3 % anionischer Stärke in Kombination mit dem Fixiersystem 2 erzielt.

Da bekanntermaßen die Qualität des gestrichenen Papiers nicht unwesentlich vom Streichroh- papier abhängt, war die Erfassung der Entwicklung der Oberflächenstruktur - Parker Print Surf- Messdaten (PPS) - bei Variation der Füllstoffart und Steigerung des Füllstoffgehalts von Inte- resse (Abb. 3). Es wurde eine ausgeprägte Zweiseitigkeit, die bei den Standardvarianten mit 15 % Füllstoffgehalt bei ca. 1,8 µm für GCC-grob, bei 1,5 µm für GCC-fein und bei 1,1 µm für PCC lagen, ermittelt.

4 5 6 7 8 9

V1 V2 V3 V4 V5 V6 V7 V8 V9 V10 V11 V12 V13 V14 V15

Rauhigkeit PPS [µm]

15 % 15 %

Füllstoffgehalt OS

Stärke

SS

Abb. 3: Rauhigkeit (PPS) der Rohpapiere

In der Regel nimmt die Papierglätte mit steigendem Füllstoffgehalt und zunehmender Teilchen- feinheit zu. Neben der Teilchengröße ist für die Glättbarkeit auch die morphologische Struktur der Partikel von großer Bedeutung. Dies konnte für die Standardvarianten V2, V4 und V6 nachgewiesen werden. So wurde die Oberflächenrauhigkeit beim GCC-grob im Mittel um ca.

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0,3 µm und für das GCC-fein sowie das PCC in der Größenordnung von ca. 0,7 - 1,0 µm ab- gesenkt, was in einer geschlosseneren Papieroberfläche der höher gefüllten Papiere begrün- det ist.

Bezüglich der Teilchenform konnten die Literaturangaben bestätigt werden, dass nadelförmige Füllstoffe hinsichtlich der Rauhigkeitsabsenkung den rhomboedrischen überlegen sind. Beim Einsatz des PCC, welches eine Teilchengröße wie das GCC grob aufweist, aber eine andere Teilchenform besitzt, konnten mit einer Glätteverbesserung von 0,67 µm (OS) und 0,99 µm (US) die besten Glättwerte erreicht werden. Diese Aussagen werden auch durch die REM- Aufnahmen bestätigt.

Beim Einsatz von 25 % GCC und Zugabe anionischer Stärke verschlechterten sich die Rau- higkeitswerte gegenüber den Vergleichsvarianten mit kationischer Stärke geringfügig an der Oberseite und stärker an der Unterseite. Bei den Rohpapiervarianten mit GCC-fein sowie mit PCC und anionischer Stärke wird eine wesentlich höhere Rauhigkeit erhalten (um 1 µm).

Zusammenfassend kann ausgesagt werden, dass mit der Steigerung des Füllstoffeinsatzes von 15 % auf 25 % für die Standardrezeptur erwartungsgemäß eine geschlossenere Oberflä- che erreicht wurde, die bei den feineren Pigmenten am besten war. Diese Strukturverbesse- rung konnte für die Varianten mit anionischer Stärke und 25 % Füllstoffgehalt nicht gefunden werden. Gegenüber der Standardvariante mit 15 % Füllstoffgehalt trat für letztere Varianten sowohl eine Verbesserung als auch eine Verschlechterung auf.

Neben der Oberflächenstruktur sind auch die optischen Eigenschaften des Streichrohpapiers von Bedeutung für das Qualitätsniveau des gestrichenen Papiers.

Die Opazität und der Weißgrad eines Papiers resultieren aus seiner Lichtstreuung und - absorption. Zur Verbesserung dieser beiden Kenngrößen ist der Einsatz von Füllstoffen ein geeigneter Weg. Die Wirkung der Füllstoffe hängt dabei vom Brechungsindex, der Teilchen- größe und der Teilchenform und der daraus resultierenden spezifischen Oberfläche ab. Im Allgemeinen streuen Füllstoffe mit abnehmender Teilchengröße das Licht stärker.

Der Weißgrad (R₄₅₇) der Rohpapiere, gemessen ohne UV-Filter, ist in Abb. 4 dargestellt. Mit allen untersuchten Pigmenten wurde der Weißgrad vergleichbarer Praxisstreichrohpapiere, der bei ca. 85 % liegt, erhalten. Erwartungsgemäß nahm der Weißgrad des Papiers mit steigendem Füllstoffgehalt aufgrund seines im Vergleich zu dem der Faserstoffe höheren Streuver- mögens geringfügig zu. Die besten Weißgrade wurden bei den Standardvarianten mit kationischer Stärke und erhöhtem Füllstoffgehalt erreicht. So wurden für das GCC fein (V4) 91,2 % und für PCC (V6) 90,9 % gemessen. Des Weiteren ist auch der Einfluss der etwas größeren Abmessungen der Partikel beim GCC-grob sichtbar. Beim Einsatz der anionischen (V7 bis V12) bzw. der modifizierten Stärke (V13 bis V15) wurde der Weißgrad gegenüber den Aus- gangsvarianten mit 15 % Füllstoff, außer bei GCC grob, geringfügig verschlechtert. Ursache dafür können die Absenkung des Lichtstreuvermögens durch die erhöhten Stärkemengen bzw.

die kationischen Fixiermittel sein, da es einerseits zur Bildung von Füllstoffagglomeraten und anderseits zur Veränderung der optischen Grenzflächeneigenschaften kommt.

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80 82 84 86 88 90 92

R457 ohne UV-Filter [%]

15 % 15 %

Füllstoffgehalt OS

Stärke

SS

Abb. 4: Weißgrad der Rohpapiere ohne UV-Filter

Die Opazität von holzfreien Papieren wird von der Zellstoffkomponente und von den Füllstoffen bestimmt. Die Zugabe von Füllstoffen wirkt sich auch auf die Opazität positiv aus, was in Abb.

5 verdeutlicht wird. Die beste Opazität weist das mit PCC gefüllte Papier (V6) mit 86,3 % auf.

Dies ist äquivalent zum Weißgrad auf das hohe Streuvermögen dieses Füllstoffes zurückzu- führen. Eine Erhöhung des Füllstoffgehaltes um 10 % bewirkt bei allen drei Pigmenten Opazi- tätsverbesserungen (GCC grob: 2,4 %, GCC fein: 4,1 % und PCC: 3,1 %). Die Opazitätswerte werden nach Zugabe der anionischen Stärke und den entsprechenden Fixiersystemen bei fast allen Versuchsvarianten (V7 bis V 12) nur geringfügig verbessert. Beim Einsatz von GCC grob (V7 und V10) kam es sogar zu einer Opazitätsverschlechterung. Durch die Zugabe der modifizierten Stärke (V13 bis V15) stiegen die Opazitätswerte wieder an.

70 75 80 85 90

Opazität [%]

15 % 15 %

Füllstoffgehalt 25 % Füllstoffgehalt

Stärke

Abb. 5: Opazität der Rohpapiere

Streichrohpapiere müssen zur Erzielung eines guten Laufverhaltens in der Streichmaschine und später beim Bedrucken in der Druckmaschine ein hohes Festigkeitspotenzial sowie ein entsprechendes Längs-/Querverhältnis der Festigkeitseigenschaften aufweisen. Besonders

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wichtig ist dies unter dem Aspekt der steigenden Geschwindigkeiten von Papier-, Streich- und Druckmaschinen.

Die Festigkeit im Papierblatt wird von der Einzelfaserfestigkeit und der Festigkeit der Bindun- gen zwischen den Fasern bestimmt, bei denen es sich um Wasserstoffbrückenbindungen zwischen Hydroxylgruppen an der Oberfläche benachbarter Cellulosefibrillen handelt. Mit der Zu- nahme des Füllstoffgehaltes werden diese Bindungen anteilig blockiert und es kommt zum Festigkeitsverlust. Der Gradient dieser Abnahme hängt entscheidend von der absoluten Füll- stoffmenge ab. Aber auch wesentliche Füllstoffeigenschaften, wie Partikelgröße und -form, haben Einfluss auf die Festigkeitsänderung. In den Abbildungen Abb. 6 bis Abb. 9 sind die ermittelten Festigkeitscharakteristika, wie Reißlänge und Weiterreißarbeit dargestellt. Obwohl für die Praxis die Reißlänge getrennt für die Längs- und Querrichtung von Interesse ist, wird hier nur die mittlere Reißlänge (Abb. 6) betrachtet, da das Längs-, Querverhältnis der Ver- suchspapiermaschinenpapiere von 1,93 : 1 bis zu 2,26 : 1 schwankte.

Die Festigkeitswerte der Standardvarianten in Abb. 6 dienen als Vergleichsbasis für alle weiteren, da sie den gegenwärtigen Stand der Technik der Herstellung holzfreier Streichrohe reprä- sentieren. In der Abb. 6 wird auch die bekannte Tatsache deutlich, dass die Reißlänge mit Zunahme der Teilchenfeinheit der Füllstoffe abnimmt, was anhand des GCC-fein und des PCC nachgewiesen werden konnte. Die Steigerung des Füllstoffgehaltes um 10 % führte bei den Standardvarianten zu der erwarteten signifikanten Abnahme der statischen Festigkeit in der Größenordnung von absolut 1.100 - 1.300 m, was bezogen auf die Festigkeitswerte bei 15 % Füllstoffgehalt einer Reduzierung von ca. 23 % bis 30 % entsprach. Diese Festigkeitseinbußen durch den erhöhten Füllstoffeinsatz sind nicht tolerierbar, d. h. bei der Weiterverarbeitung dieser Papiere ist mit Problemen zu rechnen. Zur Kompensierung dieser Festigkeitsverluste wurden die Varianten V7 - V15 erarbeitet.

800 1800 2800 3800 4800 5800

mittlere Reißlänge [m]

PCC GCC fein GCC

b

15 % 15 % 15 %

Stärke 1 % kationisch 3 % anionisch

FS 1

2,70 % 2,76 %

2,81 %

2,87 % 2,44 %

3,05 % 2,96 %

2,65 % 2,44 % Stärkeanteil im Papier

Abb. 6: Mittlere Reißlänge der Rohpapiervarianten

Durch die Anwesenheit von kationischer Stärke im Papier werden in der Regel die Bindekräfte zwischen den Fasern und zwischen Faser und Füllstoff verbessert. Dadurch kommt es norma- lerweise zu einer deutlichen Steigerung der Oberflächenfestigkeit und der inneren Festigkeit.

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entnommen werden kann, wurde bei allen drei untersuchten Stärke-Additivsystemen eine Fes- tigkeitssteigerung erzielt. Mit der anionischen Stärke und dem Fixiersystem 1 wurde das Ni- veau der Standardvarianten bei 15 % Füllstoffgehalt erreicht, obwohl bedingt durch die Reten- tionsproblematik keine 3 % Stärke im Papier nachgewiesen werden konnten. Das System 2 wies bei annährend vergleichbaren Stärkeanteilen eine Festigkeitssteigerung gegenüber der Vergleichsbasis von ca. 10 % auf. Nur mit der modifizierten Stärke und dem Fixiersystem 3 wurde das Ausgangsniveau nicht erreicht. Es traten Festigkeitsverluste von ca. 10 % auf.

Da die Problematik der großen Schwankungsbreite des Längs-Querverhältnis für die meisten Festigkeitskenngrößen von Bedeutung ist, wurde auch die Entwicklung der Steifigkeit anhand der mittleren Steifigkeit dargestellt (Abb. 7).

100 150 200 250 300

Steifigkeit [Nm]

b 15 %

15 % 15 %

Stärke

2,70 % 2,76 %

2,81 % 2,87 % 2,44 %

3,05 % 2,96 %

Abb. 7: Mittlere Steifigkeit der Rohpapiere

Die Steifigkeit stellt eine sehr wichtige Festigkeitseigenschaft für grafische Papiere dar, da sie einen beachtlichen Einfluss auf das Laufverhalten der Papiere sowohl in den Druckmaschinen und bei der Weiterverarbeitung als auch beim Gebrauch hat. Dies gilt insbesondere im Zu- sammenhang mit der Absenkung der flächenbezogenen Masse, die sowohl aus wirtschaftli- chen Gründen in der Papierindustrie als auch bei den Kunden (z. B. Versandkosten) vorgenommen wurde und weiterhin wird. Aufgrund der Abhängigkeit der Steifigkeit von der Dritten Potenz der Dicke wirken sich derartige Absenkungen überproportional auf die Steifigkeit aus.

Des Weiteren ist eine einfache lineare Relativierung der Steifigkeit über die flächenbezogene Masse der Versuchsvarianten nicht möglich, so dass eine Rückrechnung über den Elastizi- tätsmodul vorgenommen wurde. Wie Abb. 7 entnommen werden kann, geht mit der Erhöhung des Füllstoffgehaltes von 15 % auf 25 % bei den Standardvarianten (V1 - V6) für alle Füllstoffe eine Abnahme der Steifigkeit einher. Diese lag beim GCC-grob jedoch in der Größenordnung von ca. 15 % im Vergleich zu den feineren Pigmenten GCC-fein und PCC, die eine Abnahme um ca. 25 % zu verzeichnen hatten. Die Steifigkeitsreduzierung ist einerseits bedingt durch die mit dem Füllstoffeinsatz verbundene Dickenabnahme bzw. Rohdichtezunahme des Streich- rohpapiers, da die Füllstoffe über eine wesentlich höhere Dichte (ca. 2,2 - 2,7 g/cm³) als die Faserstoffe verfügen. Andererseits können die Füllstoffe über die Verhinderung von Wasser- stoffbrückenbindungen sich negativ auf den Elastizitätsmodul auswirken.

Eine Betrachtung der anionischen Stärkevarianten und der Variante mit modifizierter Stärke bringt zum Ausdruck, dass mit allen Varianten das Ausgangsniveau bei 15 % Füllstoffgehalt

(14)

nicht erreicht wird. Die besten Ergebnisse wurden hierbei mit 3 % anionischer Stärke und dem Fixiersystem 2 erzielt. Eine Analyse der Dickenreduktion zeigt, dass für das GCC-grob diese bezogen auf das Ausgangsniveau bei 15 % Füllstoffgehalt (höchstes Niveau) am größten war und eine stärkere Steifigkeitsabsenkung erwarten lies. Diese trat nicht ein, da durch das GCC- grob im Zusammenspiel mit den Additiven die größte E-Modulsteigerung zu verzeichnen war.

Für Streichrohpapiere für den Offsetdruck ist auch die Festigkeit in z-Richtung von Bedeutung.

Sie wurde als Scott Bond-Festigkeit ermittelt und ist in Abb. 8 dargestellt. Es wird deutlich, dass mit den anionischen Stärkesystemen gegenüber den kationischen Systemen eine über- proportionale Zunahme der Spaltfestigkeit erzielt wurde, die weit über dem Niveau der Aus- gangsvarianten mit 15 % Füllstoffgehalt lag. Mit dem modifizierten Stärkesystem wurde etwa das Ausgangsniveau erreicht. Zu erkennen ist weiterhin, dass die feineren Füllstoffsysteme die Bindungen zwischen den Fasern mehr blockieren und somit die geringeren Spaltfestigkeiten aufweisen.

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7

Scott Bond [J]

15 % 15 %

Füllstoffgehalt

Stärke

2,70 % 2,81 % 2,76 %

2,87 % 2,44 %

3,05 % 2,96 %

Abb. 8: Spaltfestigkeit nach Scott Bond der Rohpapiere

Für Druckpapiere spielt neben den statischen Festigkeiten natürlich das dynamische Festig- keitsverhalten, in Abb. 9 als Weiterreißarbeit nach Brecht-Imset dargestellt, eine große Rolle.

Die dynamischen Festigkeiten werden neben den Zwischenfaserbindungen in der Regel sehr stark von der Faserlänge beeinflusst. Da in den untersuchten Varianten mit identischen Faser- stoffen gearbeitet wurde, ist dieser Einfluss jedoch ohne Bedeutung und die Absenkung der Weiterreißarbeit von ca. 20 % bei Anhebung des Füllstoffgehaltes von 15 % auf 25 % bei den Standardvarianten mit kationischer Stärke ist allein auf die Blockierung von Wasserstoffbrü- ckenbindungen und den anteiligen Austausch von Faserstoff durch Füllstoff zurückzuführen.

(15)

800 900 1000 1100 1200 1300 1400

WAR Brecht-Imset [mN*m/m]

b 15 %

15 % 15 %

Stärke

2,70 %

2,76 % 2,81 % 2,87 % 2,44 %

3,05 % 2,96 %

Abb. 9: Weiterreißarbeit nach Brecht – Imset der Rohpapiere

Mit dem Einsatz der anionischen Stärke und den optimierten Fixiersystemen wurde mit Aus- nahme des GCC-grob (ca. 10 % Festigkeitsverlust) ungefähr das Ausgangsniveau bei 15 % Füllstoffgehalt erhalten. Es muss jedoch vermerkt werden, dass auch mit GCC-grob etwa das Niveau bei 15 % Füllstoffgehalt der feineren Pigmente erreicht wurde. Mit der modifizierten Stärke konnten die Ausgangsfestigkeiten leider nicht erzielt werden.

Da Stärke im Zusammenspiel mit den eingesetzten weiteren Additiven flockende Eigenschaf- ten aufweist, ist es von Interesse, wie sich die Formation der Streichrohpapiere bei Steigerung des Füllstoffgehaltes von 15 % auf 25 % und des Stärkegehaltes von 1 % auf 3 % auswirkt. In Abb. 10 ist der Formationsindex nach der Powerspektrums-Methode der untersuchten Varian- ten grafisch aufbereitet. Bei der Methode gilt: je kleiner der Formationsindex ist, umso gleich- mäßiger ist die Formation des Papiers. Die Formationswerte der untersuchten Papiere zeigen eine deutliche Abhängigkeit von der Füllstoffart und -menge. Mit der Steigerung des Füllstoff- gehaltes geht in der Regel eine Verbesserung der Formation einher, da die Füllstoffkomponen- te im Vergleich zum Faserstoff keine Flocken ausbilden kann, die die Formation negativ beein- flussen. Dies konnte für die Standardvarianten bei kationischer Stärke klar nachgewiesen werden. Mit der Anhebung des Stärkeanteils von 1 % auf 3 % ging trotz Füllstoffsteigerung für die Fixiersysteme 1 und 2 eine Verschlechterung der Formation einher. Sie war bei dem Fixiersys- tem 1 am größten. Das System 3 verhielt sich bezüglich der Formation weitgehend neutral.

(16)

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22

Formationsindex

1 % kat. Stärke 3 % an. Stärke Fixiersystem 1

3 % an. Stärke Fixiersystem 2

3 % mod. Stärke Fixiersystem 3 15 %

15 %

Füllstoffgehalt

Abb. 10: Formationsindex (Powerspektrum) der Rohpapiere

Wie Voruntersuchungen zeigten, haben der Agglomerationsgrad und die Pigmentverteilung an den Papieroberflächen bzw. im Papierquerschnitt einen wesentlichen Einfluss auf die Papier- qualität. Mittels rasterelektronenmikroskopischen Aufnahmen im Rückstreumodus können Aussagen zum Dispergierungsgrad und zur Verteilung getroffen werden. Die REM-Aufnahmen der Oberflächen zeigten bei den mit GCC und PCC gefüllten Papieren bei Anwesenheit von kationischer Stärke eine gute homogene Pigmentverteilung an den Papieroberflächen. Im Blattquerschnitt befinden sich die Füllstoffmaxima bei allen drei Versuchspapieren auf den Papieroberseiten. Über den Blattquerschnitt liegen die Füllstoffe bei den Versuchen V2 und V4 relativ fein verteilt vor. Beim Einsatz von PCC und kationischer Stärke (V6) ist der Füllstoff teilweise agglomeriert (Abb. 11).

Versuch 2 Versuch 6

Abb. 11: REM-Aufnahmen der Rohpapiere V2 und V6

(17)

Stärke liegt der Füllstoff teilweise agglomeriert vor, die Blattstruktur in z-Richtung ist aufgelo- ckerter. Dies wird auch durch die REM-Aufnahmen (Abb. 13) bestätigt.

5 10 15 20 25 30 35 40

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110

Abstand von der Oberseite in µm

Füllstoffanteil in %

V7; GCC grob,anionische Stärke, Fixiermittelsystem 1 V10,GCC grob, anion. Stärke, Fixiermittelsystem 2 V13; GCC grob, modifizierte Stärke, Fixiermittelsystem 3 V2; GCC grob, kat. Stärke

Abb. 12: Füllstoffverteilung der Rohpapiere V2, V7, V10 und V13

Rohpapier V2 Rohpapier V7

Rohpapier V10 Rohpapier V13

Abb. 13: REM-Aufnahmen der Querschnitte der Rohpapiere V2, V7, V10 und V13

(18)

Die Morphologie der Papieroberflächen wurde mittels REM-SE-Aufnahmen beurteilt. Es kam in jedem Fall durch die Erhöhung des Füllstoffgehaltes zur Vergleichmäßigung der Oberflächen- struktur gegenüber den vergleichbaren Papiervarianten mit 15 % Füllstoff.

4.1.2 Bewertung der mittels Handrakel gestrichenen Papiere

Zur Bewertung der Strichqualität und zur Auswahl der Vorzugsvarianten für den halbtechnischen Streichversuch wurden die unterschiedlichen Rohpapiere mit einer typischen Offset- druckstreichfarbe mittels Handrakel gestrichen. Es wurde ein einseitiger Strichauftrag von 25 g/m² angestrebt.

Aufgrund der unterschiedlichen Saugfähigkeiten der Rohpapiere kam es zu Strichdicken- schwankungen und damit zu Abweichungen in der flächenbezogenen Masse. Auffällig ist bei der Betrachtung der Papierdicke, dass die mit PCC gefüllten Papiere geringfügig dicker sind.

Die Rauhigkeitswerte nach Parker Print Surf der handgerakelten Papiere (Abb. 14) liegen in einem Bereich von 2,8 µm bis 4,4 µm und damit im Mittel um ca. 4 µm niedriger als die der Rohpapiere. Die mit anionischer bzw. modifizierter Stärke versetzten Rohpapiere sind etwas rauer.

2,5 3,0 3,5 4,0 4,5

V1 V2 V3 V4 V5 V6 V7 V8 V9 V10 V11 V12 V13 V14 V15

Rauhigkeit PPS [µm]

15 % 15 %

Füllstoffgehalt

Stärke

Abb. 14: Rauhigkeit nach Parker Print Surf der mittels „Handrakel“ gestrichenen Proben

Die gestrichenen Papiere der Grundvarianten mit kationischer Stärke wiesen im Vergleich zum Streichrohpapier eine Weißgradsteigerung von 0,6 - 3,3 Punkte auf (Abb. 15). Zu dieser Erhö- hung trägt die durch die Füllstoffsteigerung im Rohpapier verbesserte Grundweiße nicht uner- heblich bei, wobei die feineren Pigmentsysteme die höchsten Weißgrade erzielten. Der Abfall des Weißgrades bei Variante 6 (25 % PCC gestrichen) ist nicht erklärbar. Die anionischen Systeme und das System mit modifizierter Stärke erreichten die Weißgrade der kationischen Varianten nicht. Es waren Weißgradeinbußen von 0,5 - 1,5 %-Punkten zu verzeichnen, die beim Fixiersystem 2 am größten waren, obwohl die Weißgrade der Rohpapiere der Fixiersys-

(19)

88 89 90 91 92 93

V1 V2 V3 V4 V5 V6 V7 V8 V9 V10 V11 V12 V13 V14 V15

R457 [%]

15 % 15 %

Stärke

Abb. 15: Weißgrad der mittels „Handrakel“ gestrichenen Proben

Für die Offseteignung der gestrichenen Papiere ist die Rupffestigkeit, die ein Maß für die Fes- tigkeit des Striches und dessen Verankerung mit dem Streichrohpapier darstellt, von Interesse.

Die Füllstofferhöhung im Rohpapier bewirkte, insbesondere bei Einsatz von anionischer Stärke und den natürlichen Calciumcarbonaten ein Abfall der Rupffestigkeit. Die visuelle Auswertung des K&N-Testes ergab nur geringfügige Unterschiede bezüglich der Qualität der gestrichenen Papiere.

4.2 Untersuchungen zum Einfluss der Füllstoffart und Füllstoffmenge auf das gestrichene Papier (Strich mittels Versuchsstreichanlage)

Nach der Auswertung der Versuche 1 bis 15 mit den Stärke- und Additivherstellern sowie der Handrakelversuche wurden 3 Streichrohpapiervarianten auf der Füllstoffbasis von GCC-grob zu je drei Rollen für das Streichen gefertigt. Rohpapier 1 diente als Vergleichsbasis und wurde mit 15 % GCC-grob und kationischer Stärke (Wiederholung V1) hergestellt. Aufgrund der guten Ergebnisse, die in den Voruntersuchungen mit dem anionischen Stärkesystem mit Fixier- mittel 1 (V7) im Vergleich zum Fixiermittelsystem 2 und dem System mit modifizierter Stärke erzielt wurden, wurde diese Variante produziert. Zusätzlich wurde eine Variante mit anionischer Stärke und einem weiteren Fixiermittelsystem (Fixiersystem 4), erzeugt.

4.2.1 Bewertung der verwendeten Rohpapiere

Vor den Streichversuchen wurden aufgrund von geringfügigen Veränderungen in den Fixier- systemen die erzeugten Rohpapierqualitäten nochmals auf wichtige Qualitätsparameter untersucht.

In Tab. 3 ist das erreichte Qualitätsniveau der 3 Rohpapiere zusammengefasst.

(20)

Tab. 3: Vergleich der Rohpapiervarianten RP2 und RP3 mit der Bezugsvariante RP1

Qualitätsparameter Rohpapier 1 15 % GCC 1 % kat. Stärke

Rohpapier 2 25 % GCC

3 % anion. Stärke Fixiersystem 1

Rohpapier 3 25 % GCC

3 % anion. Stärke Fixiersystem 4

R457 mit UV 0 - --

R457 ohne UV 0 - --

Opazität 0 0 +

Rauhigkeit PPS 0 0/- 0/-

Internal Bond 0 0/+ +

Reißlänge längs 0 0 0

Reißlänge quer 0 0 +

Steifigkeit längs 0 - -

Steifigkeit quer 0 0 0

- Eigenschaftsverschlechterung + Eigenschaftsverbesserung 0 ähnliches Eigenschaftsniveau

Der Vergleich bestätigt die Ergebnisse aus den Vorversuchen. Eine Erhöhung des Füllstoff- gehaltes bei Anwesenheit von größeren Stärkemengen führt zur Verschlechterung der Pa- pierweiße. Ursache dafür könnte sein, dass der im Rohpapier eingesetzte optische Aufheller durch die kationischen Fixiersysteme in seiner Wirkung abgeschwächt wird. Bezüglich der Festigkeiten konnten mit den eingesetzten Stärkesystemen jedoch sehr gute Ergebnisse erreicht werden. Hinsichtlich der Oberflächenmorphologie, weisen die höher gefüllten Ver- suchspapiere RP2 und RP3 eine geschlossenere Oberfläche auf.

4.2.2 Bewertung des Einflusses der Füllstoffart und Füllstoffmenge auf die Qualität des gestrichenen Papiers

Die Rohpapiervarianten wurden auf der Versuchstreichanlage in mehren Arbeitsschritten gestrichen (Tab. 4). Die Vorleimung erfolgte mittels Filmpresse, das Streichen mit JetFlow unter Nutzung von Stiffblade für Vor - und Mittelstrich. Der Topstrich wurde mittels JetFlow und Bentblade aufgebracht.

Tab. 4: Streichversuche

Versuchsbez. S*RP1VD SRP1LVD SRP2VD SRP2LVD SRP2VMD SRP3VD SRP3LVD Rohpapier RP1

Rolle 1 RP1

Rolle 3 RP2

Rolle 1 RP2

Rolle 2 RP2

Rolle 3 RP3

Rolle 4 RP3 Rolle 2 Vorleimung (L) x x x Vorstrich (V) x x x x x x x Mittelstrich (M) x

Topstrich (D) x x x x x x x S* Streichversuch

Die Strichzusammensetzung entsprach einer Praxisstrichrezeptur für Offsetdruck. Die Satina- ge der gestrichenen Papiere erfolgte unter Beachtung der für holzfreie gestrichene Papiere geforderten Glanzwerte.

(21)

Der Weißgrad (ohne UV-Filter) der gestrichenen Papiere ist in Abb. 16 aufgezeigt. Das anionische System mit Fixiersystem 1 erreichte annähernd die Weißgrade der kationischen Variante.

Beim Fixiersystem 4 waren Weißgradeinbußen von 0,5-1,5 %-Punkten zu verzeichnen. Ursa- che dafür sind die geringeren Weißgrade dieser Rohpapiere. Durch Anwendung unterschiedlicher Streichtechnologien ergeben sich keine signifikanten Unterschiede.

60 70 80 90 100

SRP1LVD SRP1VD SRP2LVD SRP2VD SRP2VMD SRP3LVD SRP3VD1

R457 [%]

15 %

SS

Stärke

FS - Fixiersystem

OS

RP1 - Rohpapier 1 RP2 - Rohpapier 2 RP3 - Rohpapier 3

Abb. 16: Weißgrad ohne UV-Filter der gestrichenen und satinierten Papiere

Die Zwischenbewertung der Rohpapiere zeigte bei den ungeleimten Papieren im direkten Ver- gleich zu den vorgeleimten um 2 Punkte höhere Opazitätswerte. Die Opazität der fertig gestrichenen Papiere (Abb. 17) liegt bei allen Varianten auf einem ähnlichen Niveau, außer bei der Variante SRP2VMD, bei der zusätzlich ein Mittelstrich aufgebracht wurde.

60 70 80 90 100

Opazität [%]

15 % 15 %

Stärke

Abb. 17: Opazität der der gestrichenen und satinierten Papiere

Bezüglich der Rauhigkeit wurde in Voruntersuchungen festgestellt, dass die Vorleimung beim SRP1 eine Verschlechterung der Rauhigkeit um 7,6 %, beim SRP2 um 8,9 % und beim SRP3 um 10,4 % verursachte. Nach Aufbringen des Vorstrichs lag die Rauhigkeit aber wieder auf

(22)

annähernd gleichem Niveau. Das Streichrohpapier 1 war geringfügig glatter.

In Abb. 18 sind die Rauhigkeitswerte der halbtechnisch gestrichenen Versuchsmuster darge- stellt. Die Rauhigkeit nach Parker Print Surf wird durch den Auftrag von Streichfarbe und die anschließende Satinage um mehrere Mikrometer reduziert. Eine Füllstofferhöhung in Rohpa- pier wirkt sich jedoch auch auf die Rauhigkeit des gestrichenen Papiers aus. Durch Zusatz von anionischer Stärke im Rohpapier wird insbesondere die Rauhigkeit des gestrichenen vorgeleimten Endprodukts etwas reduziert. Die Zweiseitigkeit der Rauhigkeit ist auch nach dem Deckstrich noch ersichtlich. Die Siebseite ist glatter.

0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1

Rauhigkeit [µm]

15 %

Füllstoffgehalt

SS

Stärke

OS

Abb. 18: Rauhigkeit der der mittels Versuchsstreichanlage veredelten Papiere

Die Werte der Glanzmessung nach DIN mittels Lehmann-Glanzmessgerät sind in der Abb. 19 grafisch dargestellt. Wenn gerichtetes Licht auf eine Oberfläche trifft und weitgehend zurück- geworfen wird, erscheint das Papier glänzend. Ein niedriger Glanzwert stellt sich ein, wenn die Oberflächentopografie des Papiers im makroskopischen sowie auch im mikroskopischen Be- reich rau ist. Die Makrorauhigkeit wird vom Fasergefüge sowie der Formation und die Mikro- rauhigkeit von der Form und der Größe der Pigmentteilchen im Strich bestimmt. Die Ergebnis- se schwanken nur geringfügig bei den gestrichenen Versuchspapieren. Es kann festgestellt werden, dass die Füllstoffart und -menge im Rohpapier keinen bzw. nur einen geringfügigen Einfluss auf die Glanzwerte der gestrichenen Papiere haben, sondern der Strich bestimmend ist.

Alle veredelten Papiervarianten weisen hinsichtlich der Strichmorphologie eine gute Qualität auf. Dies wird durch die REM-Aufnahmen der Papieroberflächen und der Papierschnitte sichtbar. Zur Erreichung einer guten Strichqualität hinsichtlich der optischen und Glätteeigenschaf- ten ist bei den höher gefüllten Papieren keine zusätzliche Vorleimung unbedingt erforderlich.