Pts-Forschungsbericht igF 15630
reduzierung der Falzbruchneigung von druck-
PaPieren durch gezielte vorbe-handlung im
Falzbereich
Titel
Reduzierung der Falzbruchneigung von Druckpapieren durch gezielte Vorbe- handlung im Falzbereich
R. Metz
Inhaltsverzeichnis
Seite
Inhaltsverzeichnis...1
1 Zusammenfassung ...3
2 Einleitung ...5
2.1 Ausgangssituation ... 7
2.2 Die Vorgänge beim Falzen ... 7
2.3 Auswirkungen und Probleme beim Falzen von Papier ... 8
2.4 Bisherige Maßnahmen zur Reduzierung des Falzbrechens... 10
2.5 Erfahrungen mit Beschichtungen in anderen Industriebereichen ... 12
3 Forschungsziel...13
4 Materialien und Methoden ...13
4.1 Analytik beschichteter Muster... 13
4.2 Falzversuche an beschichteten Mustern... 14
4.3 Herstellen von beschichteten Mustern ... 16
4.3.1 Labormuster ... 16
4.3.2 Druckversuche unter Laborbedingungen mit Heatset-Trockner... 17
4.3.3 Prüfung der Bedruckbarkeit ... 18
4.3.4 Prüfung auf Druckweiterverarbeitbarkeit... 20
4.3.5 Druckversuche unter Praxisbedingungen... 21
4.3.6 Prüfung der Rezyklierbarkeit... 22
5 Auswahl der Ausgangsmaterialien und Aufbereitung der Substanzen...23
5.1 Auswahl der Druckpapiere ... 23
5.2 Auswahl der Wirksubstanzen ... 23
5.3 Vorversuche zur Applikation der Wirksubstanzen und zur Ermittlung der Falzbedingungen. 25 6 Applikation der Substanzen und Probefalzungen ...27
6.1 Variation der Trocknung ... 28
6.2 Untersuchung der Wirksubstanzen ... 31
6.2.1 Applikation der Wirksubstanz vor oder nach Trockenkanal in Druckmaschine ... 31
6.2.2 Untersuchung der Wirksubstanz im Rollen- und Bogenoffset-Verfahren... 34
6.3 Optimierung der Wirksubstanzen ... 41
6.4 Applikation auf vorbedruckte Proben... 45
6.4.1 Applikation der Wirksubstanzen und Falzversuche... 46
6.4.2 Überprüfung der Bedruckbarkeit beschichteter Papiere... 48
6.5 Prüfung der Weiterverarbeitbarkeit... 50
6.6 Zusammenfassung der Untersuchungen von Abschnitt 6 ... 53
7 Druckversuche unter Praxisbedingungen...54
7.1 Auswahl an Wirksubstanzen und Papieren... 54
7.2 Durchführung der Praxisdruckversuche ... 55
7.3 Prüfung der Praxisdrucke ... 56
7.4 Prüfung der Rezyklierbarkeit ... 59
7.5 Zusammenfassung der Untersuchungen von Abschnitt 7 ... 60
8 Abschließende Bewertung und Zusammenfassung der Ergebnisse...60
9 Schlussfolgerungen ...62
Literaturverzeichnis...64
1 Zusammenfassung
Ausgangs- situation / Prob- lemstellung
Das Falzen von Papier erfolgt üblicherweise als ein Weiterverarbeitungsschritt nach dem Druckprozess. Das häufigste Druckverfahren in der deutschen Druckindustrie ist der Offsetdruck, wobei dieser in Rollenoffset- und Bogenoff- setdruck unterteilt ist.
Bei gestrichenen Offsetdruckpapieren tritt immer wieder eine mangelhafte Falz- barkeit nach dem Druck in Erscheinung. Die Gutachtenstatistiken der letzten Jahre belegten, dass bei der Verteilung der Problemfälle nach den Druckverfah- ren das „Brechen im Falz“ der am meisten auftretende Fehler - zumindest im Rollenoffsetdruck - war. Die Fehlerhäufigkeit im Bogenoffsetdruck war zwar im Vergleich dazu deutlich geringer, was jedoch einen möglichen finanziellen Ver- lust im Einzelfall nicht minder ausfallen ließ. Die bisher verwendeten Abhilfe- maßnahmen, insbesondere das Rückbefeuchten der Papiere kurz vor dem Falzen, haben lediglich zu einer Verminderung der Häufigkeit beigetragen, nicht aber zu einer Beseitigung des Problems geführt.
Zielstellung Das Ziel dieses Forschungsvorhabens war es, Falzbrechen bei gestrichenen Papieren durch lokale Beschichtungen entlang der Falznaht zu verhindern. Die Beschichtungen sollen vor dem Falzvorgang entweder drucktechnisch oder anlagentechnisch (Sprühen) aufgebracht werden. Die Beschichtungen sollen Substanzen enthalten, welche den E-Modul der Papiere lokal verringern und insgesamt stabilisierend auf den Falzbereich wirken. Als Rezepturbestandteile für solche Beschichtungen können z.B. Weichmacher, synthetische und natürli- che Bindemittel, Polyethylenglycole, Polyethylenoxide und Nano-Emulsionen in Frage kommen.
Ergebnisse Entsprechend der Zielsetzung wurden im experimentellen Teil des Projektes Substanzen und Substanzgemische hinsichtlich ihrer Wirkung zur Verringerung und Vermeidung von Brechen im Falz bei Druckpapieren untersucht. Dabei wurden die Substanzen entweder in Reinform oder in wässrigen Abmischungen auf die Druckpapiere im Bereich des Falzes aufgetragen und die Papiere da- nach gefalzt.
Es konnten Wirksubstanzen gefunden werden,
• die die Falzbruchneigung von Druckpapieren, insbesondere im Rollenoff- setdruck deutlich reduzieren können,
• die die Weiterverarbeitung der Druckbogen zu Büchern, Broschüren und Zeitschriften nicht beeinträchtigen,
• die die Rezyklierbarkeit der Druckpapiere nicht einschränken.
Durch den Einsatz der Wirksubstanzen konnte eine deutliche Verringerung des Strichbrechens bei gestrichenen Rollenoffsetpapieren und LWC-Papieren er- reicht werden. In der Falzbruchkennzahl Q konnte eine Verbesserung um ca.
30% erzielt werden. Eine nennenswerte Erhöhung der Restbruchkraft der Druckpapiere war mit den Wirksubstanzen nicht zu erzielen. Das war aber bei LWC-Papier wahrscheinlich darin begründet, dass die Restbruchkraft durch das Falzen nicht wesentlich beeinträchtigt wurde und bei den gestrichenen Bilder- druckpapieren auch die Restbruchkraft noch sehr hoch war.
Schlussfolge-
rung Die erzielte Wirkung hängt hauptsächlich von der Art der Substanz sowie deren Mischungsverhältnissen mit Wasser ab. Weiterhin hatte sich gezeigt, dass eine Applikation der Substanzen nach der Trocknung der bedruckten Papiere eine deutlich bessere Wirkung hatte als vor dem Trocknen bzw. vor dem Bedrucken.
Eine vollständige Vermeidung des Strichbrechens durch die nachträgliche Ap- plikation von Substanzen konnte jedoch nicht erreicht werden.
Es konnte auch gezeigt werden, dass sich die eingesetzten Substanzen bzw.
Substanzgemische mit den heute üblichen Techniken in der Druckweiterverar- beitung verarbeiten lassen. Die Rezyklierbarkeit der Druckpapiere wird durch die applizierten Substanzen nicht beeinträchtigt.
Die Ergebnisse dieses Projektes zeigen damit einen Weg auf, die heutzutage immer wieder auftretenden Beanstandungen wegen Falz- bzw. Strichbrechens bei Druckpapieren zu reduzieren.
Der wirtschaftliche Nutzen liegt hierbei im Wesentlichen bei den Druckereien und graphischen Betrieben, die sich meistens aus kleinen und mittelständi- schen Unternehmen zusammensetzen.
Danksagung Das Forschungsvorhaben IGF 15630 N der AiF-Forschungsvereinigung PTS wurde im Programm zur Förderung der „Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF)“ vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie über die AiF finanziert. Dafür sei an dieser Stelle herzlich gedankt.
Unser Dank gilt außerdem den beteiligten deutschen Firmen für die Probenbe- reitstellung und für die freundliche Unterstützung bei der Projektdurchführung.
2 Abstract
Background /
Problem area Folding is a converting step typically applied after printing. The most widely used printing method in the German printing sector is offset printing, which can be further subdivided into web and sheet offset printing.
Poor folding properties are a frequently encountered problem after the printing of coated offset papers. Report statistics of recent years prove that „fold breaks“
constitute the most frequently encountered problem at least in web offset print- ing. Even though the defect occured far less frequently in sheet offset printing, the financial losses incurred in single cases were equally heavy. The remedies used so far – especially re-moistening of the paper shortly before folding – have lowered the frequency of but could not eliminate the problem.
Objective Aim of this research project was the prevention of fold breaks in coated papers by applying coatings locally along the fold. The coatings were to be applied ahead of the folding step either by print- or plant-related (spraying) measures.
Coating formulations were to be designed such that the substances contained in them lead to a local reduction in the elastic modulus of paper or stabilisation of the folding area as a whole. Suitable coating ingredients include softeners, synthetic and natural binders, polyethylene glycols, polyethylene oxides and nano-emulsions.
Results To achieve this objective, experiments were conducted to test substances and mixtures of substances on their effectiveness in reducing or avoiding fold breaks in printing papers. The substances were applied on the folding portion of printing papers either in pure form or as aqueous mixtures, and papers were folded afterwards.
Active ingredients were identified which
• can significantly reduce the propensity of printing papers to break at the fold, especially in web offset printing,
• do not impair the converting of printed sheets during book, booklet and magazine production,
• do not reduce the recyclability of printed papers.
By means of the active ingredients identified, the number of coat ruptures or breaks could be clearly reduced in coated web offset papers and LWC papers.
The fold break characteristic Q was improved by around 30%. However, no noteworthy increase in residual tensile strength could be achieved by the sub- stances in printing papers. In the case of LCW papers, this was probably due to the fact that folding had no significant effect on residual tensile strength. In the case of coated art papers, it was probably due to the still very high level of re- sidual tensile strength.
Conclusions Coat ruptures or breaks could not be prevented completely by the subsequent application of active substances. The effect depended mainly on the type of substance used and its mixing ratio with water. Moreover, the application of substances on dried printed papers was found to be clearly more effective than their application before drying or printing.
It could also be demonstrated that the substances or substance mixtures used were suitable for the finishing techniques commonly used today. The sub- stances applied had no detrimental effects on the recycling properties of printed papers.
The project results open up an opportunity to reduce the number of complaints frequently made by customers on the grounds of fold breaks or coat ruptures in printing papers.
Their main economic benefit will be derived by printing shops and companies of the graphic sector, which are small and medium-size enterprises in most cases.
Achievement of
project objective The project objective has been achieved.
Acknowledge-
ment The research project IGF 15630N of the research association PTS was funded within the program of promoting “pre-competitive joint research (IGF)“ by the German Federal Ministry of Economics and Technology BMWi and carried out under the umbrella of the German Federation of Industrial Co-operative Re- search Associations (AiF) in Cologne. We would like to express our warm grati- tude for this support.
3 Einleitung
3.1 Ausgangssituation
Einleitung Das Falzen zählt in der Papierverarbeitung zu den wichtigsten umformenden Verfahren. Es wird zur Erzeugung beweglicher Biegestellen angewendet, bei- spielsweise bei der Herstellung von Zeitschriften, Broschüren, Prospekten, Beu- teln und Briefumschlägen. Der Falzbereich stellt einen stark mechanisch be- lasteten Bereich dar, an dem es immer wieder zu Qualitätsproblemen kommt.
Vor allem bei gestrichenen Papieren stellt das Brechen im Falz einen häufigen Reklamationsgrund dar. Um das Entstehen von Falzbrechen und die geplanten Vermeidungsstrategien besser zu verdeutlichen, seien zunächst die Vorgänge beim Falzen detailliert dargestellt.
3.2 Die Vorgänge beim Falzen
Geometrie beim
Falzen Beim Falzen wird das Papier um einen Winkel von 180° umgelegt. Die Außen- zone wird dabei auf Grund von Zugspannungen überdehnt und die Innenzone durch Druckspannungen gestaucht. Dies führt zu einer irreversiblen plastischen Deformation im Papiergefüge, abhängig von den elastischen Eigenschaften der Faserstruktur. Wird der Falz als halbkreisförmiges Gebilde betrachtet und ist s die Papierdicke und
ρ
der Biegeradius der neutralen Faser, ergibt sich nach Tenzer [1] die maximale Dehnung der äußersten Papierlage/Strichschicht als:ε
max = s/2ρ
.Abbildung 1: Geometrie beim Falzen
In Abbildung 1 ist der prinzipielle Zusammenhang schematisch dargestellt. Ent- spricht nun a = 2s, d.h. die beiden Papierflächen liegen aufeinander, wird
ε
max = 1, die Außenseite des Falzes wird also um 100% gedehnt.Modellvorstel-
lung Nach der Modellvorstellung zum Problem des Falzbrechens bei gestrichenen Papieren müssen die dabei auftretenden Druck- und Zugkräfte nach dem He- belgesetz im Gleichgewicht stehen [2, 3]:
Druckspannung • Stauchweg = Zugspannung • Dehnweg
Die Summe von Stauch- und Dehnweg ergibt die Papierdicke, und das Verhält- nis beider Spannungskräfte bestimmt die Lage der neutralen Biegelinie im Pa-
pier (Abbildung 2).
Wie groß die wirkenden Zug- und Druckspannungen sind, hängt vom Aufbau des Materials ab. Bei einem homogenen, symmetrischen Materialaufbau (z.B.
einlagig, ungestrichenes Papier) werden die beiden Spannungen gleich groß sein (symmetrische Spannungsverteilung). Lediglich in diesem Fall wird sich die neutrale Biegelinie, d.h. jene Zone im Papier, die weder Dehnung noch Stau- chung erfährt, in der Mitte des Papiers einstellen.
Abbildung 2: Modellvorstellung zum Falzen
Bei einem mehrlagigen Werkstoff ergibt sich die Lage der neutralen Biegelinie aus dem Aufbau des Materials in Abhängigkeit von der Anordnung der einzel- nen Lagen, ihrer Anordnung in z-Richtung, ihrer Dicke und ihres E-Moduls. Fol- ge davon ist eine in der Regel asymmetrische Spannungsverteilung im Papier, wobei insbesondere die Zugspannung in der Außenlage kritisch ist. Überschrei- ten die Zugspannungen die Dehnfähigkeit der Schicht, führt das zum Bruch.
Diese Erscheinung wird mit „Brechen im Falz“ bezeichnet.
3.3 Auswirkungen und Probleme beim Falzen von Papier
Falzbruch-
phänomen Das Falzen von Papier erfolgt üblicherweise als Weiterverarbeitungsschritt nach dem Druckprozess. Das häufigste Druckverfahren in der deutschen Druckin- dustrie ist der Offsetdruck, wobei dieser in Rollenoffset- und Bogenoffsetdruck unterteilt ist.
Bei gestrichenen Offsetdruckpapieren erweist sich die Falzbarkeit als nach wie vor oft unbefriedigend. Die Gutachtenstatistiken der letzten Jahre, die von der FOGRA Forschungsgesellschaft Druck e.V., München, veröffentlicht wurden [4, 5, 6], zeigen, dass bei der Verteilung der Problemfälle nach Druckverfahren das
„Brechen im Falz“ der am häufigsten auftretende Fehler - zumindest im Rollen- offsetdruck - ist. Die Fehlerhäufigkeit im Bogenoffsetdruck ist zwar im Vergleich dazu deutlich geringer, was jedoch einen möglichen finanziellen Verlust im Ein- zelfall nicht minder ausfallen lässt. Das Falzbruchphänomen wird in zwei ver- schiedene Erscheinungsbilder unterteilt [7, 8].
Brechen im Falz Das Falzbrechen (Brechen im Falz), das stets mit einer Gefügeschwächung des Papiers einhergeht, kann in den allermeisten Fällen auf das Übertrocknen der Papierbahn im Heatset-Trockner der Rollenoffsetdruckmaschine zurückge- führt werden. Hierbei bricht das Papier entlang des Falzes (vgl. Abbildung 3),
was bei der Weiterverarbeitung z.B. zum Ausreißen von Klammerheftungen oder im schlimmsten Fall zum Auseinanderfallen des Falzbogens oder Teilen davon führen kann. Ursache hierfür ist die durch das Falzen hervorgerufene, erhebliche Verringerung der Papierfestigkeit des durch die vorhergehende Übertrocknung geschädigten Papiers. In erster Linie handelt es sich hier um einen Festigkeitsverlust [9, 10, 11].
Abbildung 3: Brechen im Falz (rasterelektronenmikroskopische Aufnahme), Aufsicht auf den gebrochenen Falz
Beim Heatset-Rollenoffset wird die bedruckte Papierbahn nach dem letzten Druckwerk im Trockenkanal mit Heißluft von bis zu 300 °C in sehr kurzer Zeit getrocknet. Ziel der Trocknung ist es, die Druckfarben bei hohen Bahnge- schwindigkeiten möglichst vollständig durchzuhärten, um ein „Ablegen“ oder Verwischen zu vermeiden. Die Papierbahn wird dabei ebenfalls bis auf ca.
130 °C aufgeheizt, was eine sehr intensive Trocknung des Papiers mit sich bringt. Auf Grund des Feuchtigkeitsverlustes versprödet das Papier und verliert damit seine Elastizität (Erhöhung des E-Moduls). Vielfach wird die Schädigung durch das Falzen nicht erkennbar, dennoch ist die Festigkeit des Papiers im Falz erheblich vermindert. Der Schaden wird dann erst in den nachfolgenden Weiterverarbeitungsschritten, wie z.B. bei der Klammerrückstichheftung, beim Fadenheften bzw. beim Fadensiegeln oder eventuell erst beim Gebrauch des fertigen Produkts festgestellt. Wie stark ein Papier zum Falzbrechen im Rollen- offsetdruck neigt, kann messtechnisch über die Prüfung der Restbruchkraft nach Falzung ermittelt werden [12].
Die Schwächung des Papiers auf Grund von Übertrocknung im Rollenoffset- druck und die dabei relevanten materialbedingten Einflüsse sind in früheren Studien untersucht worden [13, 14, 15, 16]. Dabei wurden die Zusammenset- zung des Strichs (Vor- und Deckstrich), die Beschaffenheit des Faserstoffs des Basispapiers (Zusammensetzung, Mahlung, Faserlängen), dessen Leimung sowie die flächenbezogene Masse bzw. die Dicke (Volumen) des Papiers und/oder des Strichs als Einflussgrößen identifiziert. Häufige Problempapiere sind hierbei einfach gestrichene LWC-Papiere und doppelt gestrichene holzfreie Rollenoffsetpapiere.
Brechen im Das zweite Erscheinungsbild, das beim „Brechen im Falz“ auftreten kann, ist
Strich das Strichbrechen (Abbildung 4). Dieser Fehler tritt vorwiegend im Bogenoffset- druck auf und dann meistens auch nur bei höheren flächenbezogenen Massen der Papiere (> 170 g/m²) [7, 8].
Abbildung 4: Brechen im Strich (rasterelektronenmikroskopische Aufnahme) Hierbei kommt es durch das Falzen nicht zwingend zum teilweisen oder voll- ständigen Bruch des Papiers im Fasergefüge und somit nicht zu einer Festig- keitsverringerung, sondern lediglich zum Aufbrechen des Strichs. Dadurch wird das unter dem Strich liegende Faser-Faser-Gefüge freigelegt. Dies wirkt sich insbesondere sehr störend aus, sofern über dem Falzbruch durchgehend be- druckte Flächen verlaufen. Die visuelle Gleichmäßigkeit der Oberfläche wird gestört, was sich in einer Beeinträchtigung der optischen Qualität des Produkts äußert.
Im Gegensatz zu den physikalisch trocknenden Heatset-Druckfarben werden im Bogenoffset Druckfarben eingesetzt, die zunächst physikalisch durch Weg- schlagen antrocknen, aber erst durch eine weitere Oxidation aushärten. Eine Schädigung des Papiers durch Übertrocknung findet beim Bogenoffset nicht statt und scheidet somit als Ursache für das Brechen im Strich aus.
3.4 Bisherige Maßnahmen zur Reduzierung des Falzbrechens
Delaminierung
der Einzellagen Ausgangspunkt des Bruches ist immer die äußerste Schicht des Papiers im Falz, dessen Dehnfähigkeit dafür entscheidend ist, ob eine Gefügeschwächung - also Brechen im Papier - oder lediglich „Brechen im Strich“ eintritt. Weiterhin entscheidend ist die Fähigkeit des Materials, die Druckspannungen innen im Falz abbauen zu können. Eine Delaminierung der Einzellagen des Materials, einhergehend mit einer Wulstbildung im Falz, sorgt für eine Reduzierung der Zug- und Druckspannungen. Dieser Effekt wird bei einseitig gestrichenen Mate- rialien mit höheren flächenbezogenen Massen schon seit langem genutzt. Aus diesem Grund werden Faltschachtelkartons und z.B. Buchumschläge aus Kar- ton als Vorbereitung für den späteren Faltvorgang gerillt [1]. Bei Papieren mit niedrigen flächenbezogenen Massen ist diese Methode nicht anwendbar, da sie nur aus einer Lage bestehen. Ein weiterer Nachteil der Methode ist der zusätz- liche Aufwand, der damit verbunden ist.
Rückbefeuch-
tungssysteme Eine weitere Maßnahme zur Vermeidung von Brechen im Falz ist die Reduzie- rung des E-Moduls des Papiers. Insbesondere beim Rollenoffsetdruck wird durch den starken Feuchtigkeitsentzug der E-Modul des Papiers erheblich er- höht (Versprödung). Um diesem extremen Wasserentzug im Trockenkanal ent- gegenzuwirken, werden im an die Trocknung anschließenden Bereich der Kühlwalzen, die die Papiertemperatur wieder auf etwa 50 °C zurückführen, Sys- teme zur Befeuchtung des Papiers eingesetzt. Die Wirkungsweise solcher Be- feuchtungssysteme sind in der Literatur und zahlreichen Schutzrechten be- schrieben [9, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23 und 24]. Bei den meisten dieser Syste- me wird ein sehr dünner Wasserfilm flächig auf die laufende Papierbahn aufge- tragen, der den Feuchtigkeitsverlust ausgleichen soll. Dies kann sowohl im Sprühauftrag als auch mittels Walzen erfolgen. Um eine angemessene Wirkung zu entfalten, muss das Wasser nun in sehr kurzer Zeit vom Papier aufgenom- men werden. Die Geschwindigkeit der Wasseraufnahme ist aber insbesondere bei stark getrockneten Papieren wegen der damit verbundenen Verhornung der Fasern eher gering. Deshalb werden als unterstützende Maßnahmen z.T. elekt- rostatische Aufladungsanlagen verwendet. Um für eine bessere Benetzung der Papieroberfläche durch das Wasser zu sorgen, werden diesem Zusatzstoffe zugesetzt. Oft sind diese Zusätze für die Rückbefeuchtungssysteme denen für das Wischwasser im Offsetdruck sehr ähnlich. Trotz all dieser Maßnahmen gelingt es nicht, die Versprödung durch Wasserzufuhr ausreichend schnell zu beseitigen und damit Falzbrüche sicher zu vermeiden.
„fold softening“ Eine Variante zur Rückbefeuchtung des Papiers nach dem Trockner ist das sog. „fold softening“. Bei diesem Verfahren wird ebenfalls ein dünner Wasser- film auf die laufende Papierbahn aufgesprüht, jedoch mit dem Unterschied, dass lediglich im Bereich des Falzes eine Wasserspur aufgetragen wird. Dieses Verfahren kann im Gegensatz zur konventionellen Rückbefeuchtung auch in den externen Falzmaschinen, also z.B. auch für den Bogenoffsetdruck, einge- setzt werden. Die bereits erwähnten Nachteile der Rückbefeuchtung bleiben auch in diesem Fall bestehen.
Rezepturände- rungen im Basispapier
Eine weitere Maßnahme besteht darin, die Papiere durch Rezepturänderungen im Basispapier bzw. im Strich so zu verändern, dass sie gegen die Belastungen im Falz unempfindlicher werden. Solche Möglichkeiten sind in der Literatur be- schrieben [3, 8, 25, 26, 27]. Dazu seien hier nur beispielhaft der Einsatz von Polyethylenglykol (PEG) oder Polyvinylpyrrolidon als Plastifizierungshilfsmittel im Topstrich erwähnt [26]. Nachteilig sind allerdings die hohen Kosten, so dass dies kaum Einzug in die industrielle Praxis gefunden hat.
Beschriebene Abhilfemaßnah- men
Zusammenfassend kann festgehalten werden, dass in der täglichen Praxis vie- ler Druckereien die beschriebenen Abhilfemaßnahmen das Brechen im Falz - sowohl Brechen des Papiers im Rollenoffsetdruck als auch Brechen des Strichs im Bogenoffsetdruck – zwar vermindern, aber nicht wirksam verhindern können.
Das Brechen im Falz stellt nach wie vor ein ständiges Fehlerpotenzial dar, das zu einer beträchtlichen Qualitätsminderung der Produkte führt. Aus diesem Grund wird für das geplante Vorhaben ein vollständig neuer Ansatz gewählt:
Beschichtungen mit ausgewählten Substanzen, die lokal bereits vor dem Dru- cken (z.B. mit einem Lackierwerk) an den späteren Falznähten aufgetragen werden können, sollen durch ihre weichmachende und stabilisierende Wirkung das Falzbrechen verhindern.
3.5 Erfahrungen mit Beschichtungen in anderen Industriebereichen
Einleitung Grundsätzlich gibt es in der Beschichtung von Werkstoffen - auch in anderen Branchen - die Forderung, dass eine Beschichtung bei einer späteren Umfor- mung oder Ausdehnung des Substrates durch Erwärmung elastisch sein muss.
Anstriche von
Wänden Das gilt zum Beispiel für Anstriche von Wänden, die eigentlich ähnlich den Pa- pierbeschichtungen rezeptiert sind. Wandfarben sollten dann elastisch sein, wenn der Untergrund zur Rissbildung neigt. Hier gibt es in der Literatur Hinwei- se auf Bindemittel auf Silikonharzbasis, die die Elastizität des Anstrichs verbes- sern, wenn der Untergrund zu Rissen neigt [28]. In einer Grundsatzarbeit über die Rezeptierung von Wandfarben [29] werden zahlreiche Möglichkeiten be- schrieben, um Anstriche durch eine geeignete Auswahl der Bindermonomeren thermoplastisch, elastisch, weich oder hart zu gestalten. Die dabei beschriebe- nen Bindemittelsysteme auf Acrylatbasis ähneln denen in Streichfarben. In der Metallbearbeitung kommen ebenfalls silikonharzgebundene Farben zum Ein- satz [30]. Des Weiteren werden für Temperaturbereiche bis 200 °C „herkömmli- che“ Überzüge auf Basis von Alkyd-, Epoxid- und Polyurethanharzen empfoh- len [31].
Beschichtungen
auf Stahl Ueda et. al. [32] haben beschrieben, wie sich Beschichtungen auf Stahl bei mechanischer Umformung verhalten und empfehlen polyesterbasierte Farben, die Melaminformaldehydhärter enthalten.
keramische
Grünfolien Da es sich beim Papierstrich um eine dispersionsgebundene Mineralienschicht handelt, scheinen auch Erkenntnisse aus der Extrusion von keramischen Grün- folien übertragbar zu sein. Dort wird die Elastizität der Beschichtungsmasse durch Polyethylenglycol (PEG), Methylcellulose, Hydroxyethylcellulose bzw.
Gemische aus PEG und Polyethylenoxid erreicht [33].
4 Forschungsziel
Zielsetzungen Das Ziel dieses Forschungsvorhabens war es, Falzbrechen bei gestrichenen Papieren durch lokale Beschichtungen entlang der Falznaht zu verhindern.
Die Beschichtungen sollen vor dem Falzvorgang entweder drucktechnisch oder anlagentechnisch (Sprühen) aufgebracht werden. Die Beschichtungen sollen Substanzen enthalten, die den E-Modul der Papiere lokal verringern und insge- samt stabilisierend auf den Falzbereich wirken. Als Rezepturbestandteile für solche Beschichtungen kommen in Frage: Weichmacher, synthetische und natürliche Bindemittel, Polyethylenglycole, Polyethylenoxide und Nano- Emulsionen.
5 Materialien und Methoden 5.1 Analytik beschichteter Muster
Charakterisie-
rungsmethoden Für die Bewertung der beschichteten Papiermuster wurden die in Tabelle 1 aufgeführten Messverfahren verwendet. Bezüglich der Durchführung sei auf die genannten Normen, Standards und Literaturstellen verwiesen.
Tabelle 1: Verwendete Methoden zur Charakterisierung von Papiermustern
Parameter Messmethode Bruchkraft, Bruchdehnung, Reißlänge DIN EN ISO 1924-2 (05/2009)
Benetzung, Oberflächenspannung,
Polarität PTS-Methode: PTS-PP 103/85 [34]
Siegelverhalten gegen Polyethylen Gerätevorschrift (HSG-ETK)
Stanz- und Schneidkraft / Schnittgüte Gerätevorschrift bzw. Hausmethode Verblockungsneigung, Stapelfähigkeit DIN 53366 (01/1983)
Rezyklierbarkeit PTS-Methode PTS-RH 021/97 [35]]
5.2 Falzversuche an beschichteten Mustern
Präzisions-
falzgerät Zum Falzen der beschichteten Papiermuster wurde das Präzisionsfalzgerät der Prüfbau Dr.-Ing. H. Dürner GmbH eingesetzt (Abbildung 5). Zunächst wurden die zu untersuchenden Papierproben mit einem Zusatzgerät so vorgefalzt, dass die beschichteten Seiten auf der Außenseite lagen. Anschließend wurde die Falzung mittels des Präzisionsfalzgerätes ausgeführt.
Abbildung 5: Präzisionsfalzgerät der Prüfbau Dr.-Ing. H. Dürner GmbH mit Vorfalzgerät (rechts im Bild)
Definition zur
Falzlage Nach einigen Vorversuchen wurde eine standardmäßige Liniendruckeinstellung der Presswalzen von 100 N/cm ausgewählt. Die Breite der gefalzten Proben- streifen war 40 mm und die Falzung war stets quer zur Durchlaufrichtung. Es wurden Falzungen sowohl parallel zur Maschinenrichtung des Papiers (Falzung MD) als auch in Querrichtung dazu (Falzung CD) ausgeführt(vgl. Fehler! Ver- weisquelle konnte nicht gefunden werden.).
Abbildung 6: Definition der Positionierung Lage des Falzes in Relation zur Maschinenrichtung des Papiers
Bewertung des
Falzbrechens Zur Bewertung des Falzbrechens wurden die in Tabelle 2 aufgeführten Mess- verfahren verwendet. Bezüglich der Durchführung sei auf die genannten Nor-
men, Standards und Literaturstellen verwiesen.
Tabelle 2: Verwendete Methoden zur Charakterisierung der Bedruckbarkeit
Parameter Messmethode Ermittlung der Restbruchkraft in Anlehnung an DIN EN ISO 1924-
2
Ermittlung der Falzbruchkennzahl Hausmethode Beurteilung der Falzbruchneigung mit
Hilfe von rasterelektronenmikroskopi- schen Aufnahmen
Gerätevorschrift bzw. Hausmethode
Ermittlung der Falzbruchkenn- zahl
Die Bestimmung der Restbruchkraft hatte sich nicht als aussagefähig heraus- gestellt, um eine Differenzierung der Wirkungen der unterschiedlichen applizier- ten Substanzen bzw. deren wässrigen Lösungen zu ermöglichen.
Die Abbildung der Falzbruchkanten mittels eines Rasterelektronenmikroskops (REM) und einer Bewertung des Bruchbildes der Falzkante war sehr aufwendig und außerdem durch den Bewertenden subjektiv stark beeinflusst. Weiterhin ist für eine repräsentative Auswertung der Falzkante der Messausschnitt bei den REM-Aufnahmen zu klein.
Ein objektiv messendes Prüfverfahren zur Bewertung des Falz- bzw. Strichbre- chens stand nicht zur Verfügung. Somit wurde zur Beurteilung des Falzbruchs im Rahmen des Forschungsprojekts eine zusätzliche Bewertungsmethodik er- arbeitet. Hierzu wurde auf eine Prüfmethodik zurückgegriffen, die in einem frü- heren Forschungsprojekt [36] entwickelt wurde, und für die nun vorliegende Aufgabenstellung adaptiert. Darin wurde in Anlehnung an FEILER [37] eine neue Methode zur objektiven Beurteilung der Schnittkanten entwickelt. Der in Abbildung 7 dargestellte Versuchsaufbau kommt dafür zum Einsatz.
Abbildung 7: Messaufbau zur Bestimmung der Falzbruchkennzahl Q mittels Zeilenkamera und Linearantrieb
Die Probe wird so in einem motorbetriebenen Tisch fixiert, dass sie teilweise den Strahlengang einer Parallellichtquelle verdeckt. Dieser gegenüber ist ein Kameramodul (CCD-Zeilenkamera) angebracht. Über eine Kantenlänge von 40 mm und eine Auflösung von 0,6 μm wird so eine topographische Kurve der Falzkante im Profil aufgezeichnet. Die Daten werden zur weiteren Auswertung der Falzbruchkennzahl Q exportiert. Ein kleiner Wert von Q kennzeichnet das optimale Ergebnis. Eine hohe Falzbruchneigung schlägt sich in größeren Wer-
ten für Q nieder. In Abbildung 8 sind die Einzelschritte zur Bestimmung der Falzbruchkennzahl Q aufgeführt.
Abbildung 8: Berechnung der Falzbruchkennzahl Q
5.3 Herstellen von beschichteten Mustern
5.3.1 LabormusterHerstellung von Beschichtungs- substanzen
Sofern die Substanzen in flüssiger Form verfügbar waren, wurden sie auch so eingesetzt. Lagen die Substanzen wie z.B. im Falle von Harnstoff und Polyethy- lenglykol (PEG 1500) in fester Form vor, wurden aus diesen gesättigte wässrige Lösungen hergestellt.
Auftragen der Beschichtungs- substanzen
Die Substanzen wurden mit Hilfe eines manuellen Beschichtungsgerätes (Hand-K-Lox-Roller 621 der Firma Erichsen GmbH & Co. KG, siehe Abbildung 9) auf das Druckpapier aufgetragen.
Das Beschichtungsgerät besteht aus einem Metallrahmen mit Handgriff sowie zwei Walzen und zwei aufsteckbaren Gewichten. Die maximale Arbeitsbreite beträgt 115 mm. Die Gummiwalze (blau) wird in die seitlichen Schlitze des Rah- mens eingelegt. Anschließend wird eine gerasterte Dosierwalze aus Edelstahl - die Rasterung definiert das Auftragsvolumen - daraufgelegt. In den Spalt zwi- schen den beiden Walzen wird die Flüssigkeit vorgelegt und das Beschich- tungsgerät über die Probe gezogen. Dabei wird durch die Auftragswalze aus Gummi der Flüssigkeitsfilm auf die Papierprobe übertragen. Der Liniendruck zwischen den Walzen und gegen das Substrat wird durch die Gewichte festge- legt.
Zur Simulation der Trockenstrecke im Rollenoffset wurden für die Laborversu-
che die Probenabschnitte unmittelbar vor bzw. nach dem Beschichten mit den Substanzen in einem auf 120°C vorgeheizten Wärmeschrank 2 Minuten lang getrocknet.
Manuelles Be- schichtungsgerät
Abbildung 9: manuelles Beschichtungsgerät (Hand-K-Lox-Roller 621) für die Beschichtungsversuche im Labor.
Für alle Versuche wurde eine Rasterwalze mit den folgenden Kennwerten ein- gesetzt:
• Rasterung 55 Zellen/cm;
• Schöpfvolumen: 20,2 cm³/m²;
• Zellentiefe: 66 µm.
5.3.2 Druckversuche unter Laborbedingungen mit Heatset-Trockner Applikation auf
vorbedruckte Proben
Die Teststreifen wurden vor der Applikation der Wirksubstanzen mittels Prüfbau Mehrzweck Probedruckmaschine bedruckt. Dies entspricht in der Praxis der häufigsten Anwendung. Dadurch wurde ermittelt, ob durch das vorherige Be- drucken die Wirksamkeit der Substanzen reduziert wird. Dies erschien notwen- dig, da durch die Bedruckung evtl. die Penetrationsfähigkeit verringert werden kann. Deshalb wurde auch überprüft, ob das Aufbringen der Wirksubstanz vor dem Druck, also z.B. im Einlauf der Druckmaschine oder im ersten Druckwerk, bessere Ergebnisse liefert.
Sowohl für den Rollenoffsetdruck (mit Heatset-Trocknung) als auch für den Bogenoffsetdruck (ohne Heatset-Trocknung) wurden praxisnahe Druckfarben eingesetzt. Für die Untersuchungen wurde ein Vollflächendruck auf die Papiere aufgebracht. Es wurden die gleichen Offsetpapiere wie für die Laborversuche eingesetzt.
Abbildung 10: Mehrzweck Probedruckmaschine der Prüfbau Dr.-Ing. H. Dürner GmbH
Heatset-
Trocknung Die Bedruckung der Muster wurde ebenfalls auf der Prüfbau Mehrzweck Pro- bedruckmaschine durchgeführt.
Abbildung 11: Heatset-Dreikammern-Trockner der Prüfbau Dr.-Ing. H. Dürner GmbH
Zur Simulation des Rollenoffsetdruck-Verfahrens wurden die Teststreifen nach dem Bedrucken unmittelbar nach dem Druck mittels Heatset-Dreikammern- Trockner (siehe Abbildung 11) getrocknet. Die Simulation des Bogenoffset- Verfahrens erfolgte keine Trocknung der Proben.
Applikation der
Wirksubstanzen Die Applikation der Wirksubstanzen erfolgte wie oben beschrieben mit dem manuellen Beschichtungsgerät (Hand-K-Lox-Roller 621). Die Wirksubstanzen wurden sowohl vor dem Bedrucken auf das Papier als auch nach dem Bedru- cken (Bogenoffset) bzw. nach Bedrucken und Trocknung (Rollenoffset) auf die Druckfarbe aufgebracht.
5.3.3 Prüfung der Bedruckbarkeit Wegschlagver-
halten Für diesen Test wurde die Mehrzweck Probedruckmaschine der Firma Prüfbau eingesetzt. Das Papier wird im 1. Druckwerk bedruckt und direkt danach nach
festgelegten Zeitintervallen gegen ein unbedrucktes Standardpapier gekontert.
Dazu wird es mit dem oben aufliegenden Konterpapier manuell durch das 2.
Druckwerk befördert und die noch frische Farbe auf den Streifen abgeschmiert, siehe auch Schema in Abbildung 12. Allgemein gilt: Je schneller die Farbe wegschlägt, umso weniger färbt sich der Konterstreifen.
Abbildung 12: schematischer Aufbau Probedruckmaschine - Wegschlagtest Folgende Versuchsbedingungen wurden an der Probedruckmaschine einge- stellt:
• Druckgeschwindigkeit 1m/s
• Druckwerk 1: Gummiform 600N Andruckkraft
• Druckwerk 2: Metallform 800N Andruckkraft
• Systemtemperatur 23°C
• Druckfarbe: Michael Huber Wegschlagtestfarbe 520068
• Farbmenge: ca. 0,2 g
• Verreibezeit im Farbwerk: 30 s
• Einfärbezeit für die Druckform: 30 s
• Konterpapier: APCO II/II 150g/m², Firma Scheufelen
• Konterzeiten: 15 s, 30 s, 60 s, 120 s nach dem Druck..
Die Auswertung der geprüften Druckbogen erfolgte über die densitometrische Farbdichtemessung der abgekonterten Druckproben. Bei der Auswertung wird der Dichtewert der einzelnen Zonen durch Mittelwertbildung aus 5 Einzelmes- sungen ermittelt. Die Einzelmessungen werden dabei jeweils in den 4 Ecken und in der Mitte des bedruckten Feldes vorgenommen.
Rupfverhalten Das Rupfverhalten von Papieren beschreibt die Oberflächenfestigkeit von Druckpapieren. Eine erhöhte Rupfneigung des Druckpapiers bedeutet im Druckprozess ein höheres Waschintervall der Druckplatten und des Gummi- tuchs und wird in der Regel als Mangel des Papiers angesehen.
Für einen Rupftest werden die Papiere mit einer Testfarbe definierter Zügigkeit bedruckt. Ist die Festigkeit der Oberfläche zu gering, kommt es beim Druck zum Herausreißen von Teilen des Striches oder Fasergefüges, dem sog. Rupfen.
Mit steigender Druckgeschwindigkeit steigt die Beanspruchung der Oberfläche.
Folgende Prüfbedingungen wurden gewählt:
• Druckgeschwindigkeit: 3 m/s
• Druckfarbe: Michael Huber Mottling-Testfarbe Nr. 408002
Druckwerk 2 mit sauberer
Alu- Druckform Druckwerk 1
mit
eingefärbter Gummi- Druckform Gegenwalze
Konterpapier
Probenträger mit bedruckter Probe
• Druckfarbenmenge: ca. 0,2 g
• Druckform (Druckwerk 1): Gummituch
• Verteilzeit der Druckfarbe: 30 s
• Einfärbezeit: 30 s
• Druck im Nip: 600 N
Die Auswertung erfolgte über ein bildanalytisches Verfahren, bei dem die Fehl- stellen im Druckfarbenfilm detektiert und als prozentualer Anteil zur ausgewer- teten Gesamtfläche angegeben wurden.
Mottling Der Mottlingtest wird an der Mehrzweck-Probedruckmaschine der Fa. Prüfbau nach folgendem Prinzip durchgeführt:
Die Papierprobe wird im ersten Druckwerk der Maschine mittels Gummidruck- form bedruckt. Nach einem definieren Zeitintervall wird dieser Andruck in Druckwerk 2 auf eine Gummidruckform, die mit einer Rupftestfarbe eingefärbt wurde, rückgespalten.
Folgende Prüfbedingungen wurden gewählt:
• Druckgeschwindigkeit: 0,5 m/s
• Druckfarbe 1: Michael Huber Mottling-Testfarbe Nr. 408010
• Druckfarbe 2: Michael Huber Rupftestfarbe Nr. 408003
• Druckfarbenmenge: ca. 0,2 g
• Druckform (Druckwerk 1 und 2): Gummituch
• Verteilzeit der Druckfarbe: 30 s
• Einfärbezeit: 30 s
• Druck im Nip: 600 N
• Verzögerung zwischen Druck und Kontern: 10 s
Bewertet wird bei diesem Test der rückgespaltene Andruck.
Die Auswertung erfolgte über ein bildanalytisches Verfahren am bedruckten Papier (Andruck), bei dem die Druckunregelmäßigkeiten detektiert und das Ergebnis als Mottlingindex angegeben wird.
5.3.4 Prüfung auf Druckweiterverarbeitbarkeit
Siegelfähigkeit Die Überprüfung der Siegelfähigkeit erfolgte unter dem Einfluss von Press- druck, Presszeit und Wärme an den bedruckten und beschichteten Versuch- streifen aus Abschnitt 7.4. Dazu wurden die bedruckten Papiere gegen eine Polyethylenfolie gesiegelt. Hierfür wurde das Heißsiegelgerät HSG/ETK der Fa.
Brugger, München, eingesetzt. Folgende Siegelbedingungen wurden dabei gewählt:
• Siegeltemperatur: 120°C
• Siegeldruck:: 200 kPa
• Siegelzeit: 2s
• Siegelbacken: 10 x 150 mm, eben, teflonbeschichtet
• beheizte Siegelbacke: gegen Polyethylenfolie
Die Beurteilung der Siegelung erfolgte nach dem vollständigen Abkühlen der
Siegelnaht durch manuelles Aufschälen und Beurteilung der Trennflächen.
Schneidbarkeit Die Prüfung erfolgte mittels einer Druck- und Zugprüfmaschine, Typ Zwick Z 010, der Zwick Roell GmbH, Augsburg. Es wurde ein Standardbandstahlmes- ser mit einem Messerwinkel von 60° und 5 cm Länge in das Papier gefahren.
Die Vorschubgeschwindigkeit des Messers betrug 1mm/min. Dabei wurde eine charakteristische Stanzkraft-Stanzweg-Kurve des Papiers aufgezeichnet. Als Ergebnis wird die maximale Stanzkraft Fmax in N/5cm sowie der Stanzweg bis Fmax in mm aufgezeichnet.
Abbildung 13: Messaufbau zur Ermittlung der Schneidbarkeit von Druckpapie- ren
Verblockungs-
neigung Für die Ermittlung der Blockneigung von bedruckten Papieren werden Proben mit den Abmessungen 50 mm x 50 mm geschnitten und paarweise jeweils mit den bedruckten und beschichteten Seiten zueinander gelagert. In die Kontakt- flächen der zu prüfenden Seiten werden ca. 20 µl entionisiertes Wasser gege- ben. Die Lagerbedingungen der Proben waren wie folgt:
• Lagertemperatur: 23°C und 50°C
• Lagerzeit: 24 h
• Pressdruck: ca. 13 kPa
Nach Ablauf der Lagerzeit werden die Probenpaare manuell getrennt und auf etwaiges Blocken hin beurteilt.
5.3.5 Druckversuche unter Praxisbedingungen
Druckversuche Mit zwei handelsüblichen Druckpapieren, die von Papierfabriken zur Verfügung gestellt wurden, wurden Druckversuche unter Praxisbedingungen an einer Rol-
len-Offset-Druckmaschine vom Typ Polyman 45, MAN-Roland AG, durchge- führt. Die Applikation der Substanzen erfolgte mit einem speziell für die Versu- che aufgebauten Düsenauftragssystem der Baldwin Germany GmbH, Fried- berg. Vorratsbehälter und der in die Druckmaschine eingebaute Auftragskopf sind in Abbildung 14 gezeigt. Der Auftragskopf zur gezielten Falzvorbehandlung wurde vor dem Einlauf in die Falzvorrichtung der Druckmaschine installiert.
Druckversuche wurden unter praxisüblichen Druckbedingungen durchgeführt:
Rollen-Offset- Druckmaschine mit Auftragssys- tem
Abbildung 14: Rollen-Offset-Druckmaschine Typ Polyman 45 mit Auftragssys- tem (Auftragskopf links, Vorratsbehälter rechts)
Maschinenparameter zum Druckversuch:
• 4-Farben Schön- und Widerdruck,
• 16-seitiger Bogen,
• Falzbefeuchtung im 3 Falz
• Geschwindigkeit: 21.000 Bg/h
5.3.6 Prüfung der Rezyklierbarkeit
Methodik Die Rezyklierbarkeit wird durch Prüfung der stippenfreien Zerfaserbarkeit des Probenmaterials und durch die Prüfung der störungsfreien Blattbildung (Blatt- klebetest, visuelle Beurteilung von Laborblättern des zerfaserten Stoffes auf vorhandene optische Inhomogenitäten) gekennzeichnet.
Als Basis für die Untersuchungsmethodik diente die PTS-Methode PTS-RH 021/97 „Kennzeichnung der Rezyklierbarkeit von Packmitteln aus Papier, Kar- ton und Pappe sowie von grafischen Druckerzeugnissen“. Bei der Aufbereitung der beschichteten Papiere werden im Rahmen dieser Methode die verfahrens- technischen Prozesse der Altpapieraufbereitung im Labor simuliert [38]. Ange- wandt werden dabei die Prüfkriterien für Produkte, die vorwiegend für die Her- stellung von Verpackungspapieren oder Kartons eingesetzt werden.
Auf eine Bewertung der Deinkbarkeit der Papiere wurde verzichtet, da erfah- rungsgemäß in der Regel bei gestrichenen Papieren die Druckfarbenablösung ohne Probleme gegeben ist.
6 Auswahl der Ausgangsmaterialien und Aufbereitung der Substanzen 6.1 Auswahl der Druckpapiere
Vorgehen Für die Forschungsarbeiten wurde auf repräsentative Qualitäten aus dem ge- genwärtig verfügbaren Sortiment der gestrichenen Druckpapiere für den Rolle- noffset- und Bogenoffsetdruck zurückgegriffen. In Tabelle 3 sind die ausgewähl- ten Druckpapiere aufgelistet.
ausgewählte Druckpapiere
Tabelle 3: Ausgewählte Druckpapiere
Mustercode Papiersorte Flächenbezogene Masse [g/m²]
Dicke [µm]
P1 RO/BO, matt gestrichen 150 132
P2 RO/BO, glänzend gestrichen 150 116
P3 RO, matt gestrichen 170 156
P4 BO, matt gestrichen 150 143
P5 LWC, glänzend gestrichen 80 67
P6 LWC, halb-matt gestrichen 60 57
Anmerkung: RO = geeignet für Rollenoffsetdruck BO = geeignet für Bogenoffsetdruck
LWC = Light Weight Coated Papier für Rollenoffsetdruck
6.2 Auswahl der Wirksubstanzen
Vorgehen Bei der Auswahl der Wirksubstanzen wurde eine umfassende Recherche durchgeführt, deren Auswertung eine grundsätzliche Bewertung der Übertrag- barkeit der in anderen Bereichen angewandten Modifikationen elastischer Werkstoffe eine problemlose Umformung zulassen sollte.
Hierbei wurden insbesondere berücksichtigt:
• Weichmacher (keine phthalathaltigen Weichmacher)
• acrylatbasierte Bindemittel (in Analogie zu Strichbindern)
• Stärken, Dextrine, Polyole, Cellulosederivate etc.
• synthetische Bindemittel, z.B. auf Basis von Alkydharz, Silikonharz, Polyu- rethan und Polyester
• lösemittelbasierte Weichmacher
• Polyethylenglycole (PEG) und Gemische aus PEG und Polyethylenoxid
• Nanosole und Nano-Emulsionen
Die dabei ermittelten Produkte wurden hinsichtlich ihrer Zusammensetzung, ihrer Funktionalität und ihres wirtschaftlichen Einsatzes, d.h. Verfügbarkeit in ausreichenden Mengen zu günstigen Preisen, bewertet. Anschließend erfolgte auf dieser Basis eine Auswahl der Produkte bzw. Wirksubstanzen, die für die weiteren Forschungsarbeiten verwendet wurden (siehe dazu Tabelle 4).
Auswahlkriterien In einem Screening wurden in Frage kommende Substanzen hinsichtlich ihrer voraussichtlichen Wirkung bewertet. Bei der Bewertung wurden mehrere Krite-
rien für die Einsatzfähigkeit herangezogen.
Ein wichtiges Kriterium war die weitgehende physiologische und ökologische Unbedenklichkeit der Substanzen sowohl bei der Verarbeitung als auch im ap- plizierten Zustand. Aus diesem Grund wurden lösemittelhaltige Systeme nicht ausgewählt. Ebenso wurden Systeme, bei denen erhebliche Einschränkungen nach FDA, BGA u.ä. für das Endprodukt zu erwarten waren, nicht berücksich- tigt. Weiterhin wurden Systeme ausgeschlossen, bei denen eine farbliche Ver- änderung des Bedruckstoffs bzw. der Druckfarben zu erwarten war.
Nicht zuletzt waren auch die Verfügbarkeit der Wirksubstanzen und deren Prei- se mit für die Auswahl ausschlaggebend.
Die ausgewählten Wirksubstanzen (vgl. Tabelle 4) entsprachen weitestgehend den gestellten Anforderungen.
Eigenschaften der ausgewähl- ten Substanzen
Tabelle 4: Ausgewählte Wirksubstanzen und deren Eigenschaften Code Bezeichnung Lieferform mischbar mit
H2O
Wirkungsweise
V1 Fold Softener (Konzentrat)
wässrige Suspensi- on, bläulich
ja Tensid
V2 Inulin wässrige Suspensi- on (FG 5%), farblos
ja Weichmacher
V3 Sorbit Suspension, sirup- artig (FG min. 50%)
ja Weichmacher
V4 Styrol-Butadien- Copolymer
wässrige Dispersi- on (FG 49%), weiß
ja Film bildend
V5 Propylenglykol ölige Flüssigkeit, farblos
ja Weichmacher
V6 Triacetin klare Flüssigkeit, farblos
ja Weichmacher
V7 Dibutyl-Sebacetat 93%
klare Flüssigkeit, hellgelb
nein Weichmacher
V8 Glycerin klare Flüssigkeit, farblos
ja Weichmacher
V9 Polyoxyethylenlaury- lether
viskose Flüssigkeit, klar, farblos
ja Tensid
V10 Triethyl Citrat klare Flüssigkeit, farblos
nein Weichmacher
V11 Polysorbat klare Flüssigkeit, gelblich
ja Weichmacher
V12 Polyethylenglykol- Lösung (PEG 1500)
Granulat, weiß ja (650 g/l)
Weichmacher
V13 Harnstoff Granulat, weiß ja (1080 g/l)
Weichmacher
V14 Sodium-Dodecyl- Sulfat (SDS)
klare Flüssigkeit, farblos
ja Tensid
V15 Weichmacher für Kunststoffe
klare Flüssigkeit, farblos
nein Weichmacher
V16 Weichmacher für Kunststoffe
klare Flüssigkeit, farblos
nein Weichmacher
Die in Tabelle 4 aufgeführten Bezeichnungen werden in den folgenden Ab- schnitten zur Kennzeichnung der Wirksubstanzen und deren Mischungen weiter verwendet.
Mischungen und
Lösungen Vorschriften oder Empfehlungen zur Applikation der Wirksubstanzen des Her- stellers/Lieferanten lagen nur für die Substanz V1 vor. Für alle anderen Sub- stanzen waren keine Empfehlungen verfügbar.
Aus V1 wurde nach Vorschrift eine Mischung mit entionisiertem Wasser herge- stellt. Aus den Wirksubstanzen, die in fester Lieferform vorlagen, wurden wäss- rige Lösungen mit maximaler Löslichkeit des Feststoffs hergestellt. Flüssige Wirksubstanzen mit sehr hohen Viskositäten, die mit dem Beschichtungsgerät nicht verarbeitbar waren, wurden im Verhältnis 1:1 mit entionisiertem Wasser verdünnt. Dünnflüssige und mit Wasser nicht mischbare Substanzen wurden im originalen Lieferzustand verwendet.
6.3 Vorversuche zur Applikation der Wirksubstanzen und zur Ermittlung der Falzbedingungen
Applikation mit Probedruckma- schine
Zunächst wurden von den ausgewählten Substanzen jene mit höherer Viskosi- tät erprobt, inwieweit diese mittels der Prüfbau Mehrzweck Probedruckmaschi- ne auf die Druckpapiere appliziert werden können.
Es zeigte sich jedoch, dass bei den üblichen Maschinengeschwindigkeiten eine Beschichtung der Druckpapiere mit definierten Auftragsmengen nicht erfolg- reich war. Gründe hierfür waren zum Einen, Spritzen der flüssigen Substanzen, was auch zur Verschmutzung der Anlage führte, aber auch zum Anderen, dass die applizierte Menge von der Viskosität der Substanz beeinflusst wurde.
Die Schlussfolgerung daraus war, dass eine definierte Applikation der Wirksub- stanzen nur im niederviskosen Zustand der Flüssigkeiten und mit einem Auf- tragsaggregat, das ein definiertes Flüssigkeitsvolumen überträgt, möglich war.
Falzbedingungen Zur Herstellung einer definierten Falzung an den behandelten Papierproben wurde wie in 5.2 das Präzisionsfalzgerät der Prüfbau Dr.-Ing. H. Dürner GmbH eingesetzt. Um die optimalen Falzbedingungen zu ermitteln, wurden mit eini- gen Versuchspapieren Probefalzungen mit unterschiedlichen Liniendrücken von 50 N/cm bis 250 N/cm durchgeführt. Die Papierproben wurden vor dem Falzen im Normklima 23°C / 50%r.H. konditioniert und nicht weiter vorbehandelt. An- schließend wurden zur Beurteilung der Falze diese mit Hilfe eines Rasterelekt- ronenmikroskops aufgenommen und gegenübergestellt (vgl. Abbildung 15 bis Fehler! Verweisquelle konnte nicht gefunden werden.).
Außerdem wurde an den Probefalzungen der Festigkeitsverlust der Papiere über die Bestimmung der Restbruchkraft ermittelt (vgl. Abbildung 18).
Auf Grund der Vorversuche wurden folgende Falzbedingungen für die weiteren Untersuchungen im Rahmen des Projekts festgelegt:
• Probenbereite: 40mm
• Liniendruck: 100 N/cm
Abbildung 15: REM-Aufnahmen von Papier 1 - gefalzt mit unterschiedlichen Liniendrücken (linke Bildhälfte: Falzung CD; rechte Bildhälfte:
Falzung MD)
Abbildung 16: REM-Aufnahmen von Papier 2 - gefalzt mit unterschiedlichen Liniendrücken (linke Bildhälfte: Falzung CD; rechte Bildhälfte:
Falzung MD)
Abbildung 17: REM-Aufnahmen von Papier 3 - gefalzt mit unterschiedlichen Liniendrücken (linke Bildhälfte: Falzung CD; rechte Bildhälfte:
Falzung MD)
Aus den Aufnahmen mit dem Rasterelektronenmikroskop ist zwar zu erkennen, dass ein leichtes Falzbrechen (Strichbrechen) eingetreten ist, jedoch ist kein signifikanter Einfluss des Liniendrucks festzustellen. Lediglich bei den Falzun- gen CD (quer zur Maschinenrichtung) ist offenbar ein etwas stärkerer Strich-
bruch eingetreten.
Begründung der Auswahl
0 1 2 3 4 5 6 7 8
MD CD MD CD MD CD
Falzung zur Maschinenrichtung
Bruchkraft, kN/m
ungefalzt 50 N/cm 100 N/cm 150 N/cm 200 N/cm 250 N/cm
Papier 1 Papier 2 Papier 3
Abbildung 18: Restbruchkräfte der gefalzten Probestreifen (die Varianzbalken geben die Standardabweichung der Einzelmesswerte an)
Wie aus der Abbildung entnommen werden kann, ist ein deutlicher Rückgang in der Papierfestigkeit zwischen den ungefalzten und den gefalzten Proben fest- zustellen, insbesondere bei Falzung quer zur Maschinenrichtung. Die Höhe des Liniendrucks beim Falzen ist dabei offensichtlich marginal. Die hier auftretenden Unterschiede sind im Bereich der Messwertstreuung der Einzelwerte. Es wurde deshalb ein mittlerer Liniendruck von 100 N/cm ausgewählt.
Die Probenbreite von 40mm ergab sich aus den geometrischen Anforderungen des Falzgerätes, wobei die Probenbreite für die nachfolgend vorgesehenen Untersuchungen (Restbruchkraft, Falzbruchkennzahl) auch nicht zu schmal ausfallen sollte.
7 Applikation der Substanzen und Probefalzungen
Vorgehen Die Applikationsfähigkeit der ausgewählten Substanzen sowie deren weichma- chende Wirkung wurden im Arbeitspaket 2 überprüft.
Nachdem sich die Applikation mit der Prüfbau Mehrzweck Probedruckmaschine in den Vorversuchen als nicht durchführbar herausgestellt hatte, wurden die Wirksubstanzen mit Hilfe des in Abschnitt 5.3.1 beschriebenen manuellen Be- schichtungsgerätes aufgetragen.
Zur Simulation des Trockenkanals der Rollenoffset-Druckmaschine wurden die Versuchspapiere vor der Applikation bzw. auch danach mit Hilfe eines Trocken- schrankes, der auf eine Temperatur von 120°C eingestellt war, getrocknet. Die Trockendauer betrug konstant 120 s.
Unmittelbar nach der Applikation bzw. der Trocknung wurde an den Papierpro- ben mit dem Präzisionsfalzgerät die Falzung durchgeführt.
Im Rahmen von Versuchen wurden folgende Einflussgrößen variiert:
• Zusammensetzung, d.h. Art der Wirksubstanz bzw. deren wässrige Mi- schungen,
• Applikation des Wirkstoffs nach Trocknung der Papierprobe oder vorher (Rollenoffset) bzw. ohne Trocknung der Papierprobe (Bogenoffset),
• Falzung in Maschinenrichtung des Papiers (MD) und quer dazu (CD).
Anschließend wurden folgende Eigenschaften mit dem Ziel der Wirkung der Substanzen zur Verringerung der Falzbruchneigung der Versuchspapiere be- trachtet:
• Restbruchkraft
• Falzbruchkennzahl Q (Bewertung des Strichbruchs)
7.1 Variation der Trocknung
Trocknungsein-
fluss Die Überprüfung des Einflusses der Trocknung auf die Falzbruchneigung wurde mit den Papieren, die in Abschnitt 6.1 ausgewählt worden waren, durchgeführt.
Die im Normklima 23°C/50%r.H. konditionierten Versuchspapiere wurden so- wohl klimatisiert als auch nach Trocknung in MD und CD gefalzt. Die Falze wurden mittels REM-Aufnahmen zur visuellen Bewertung dokumentiert. Außer- dem wurde an den gefalzten Proben die Restbruchkraft sowie die Falzbruch- kennzahl Q ermittelt.
REM-Aufnahmen
Abbildung 19: Papier 1 (links: unbedruckt; rechts: bedruckt) klimatisierte und getrocknete Proben - gefalzt in MD und CD
Abbildung 20: Papier 2 unbedruckt (links) und Papier 3 bedruckt (rechts) klima- tisierte und getrocknete Proben - gefalzt in MD und CD
Abbildung 21: Papier 4 (links: unbedruckt; rechts: bedruckt) klimatisierte und getrocknete Proben - gefalzt in MD und CD
Abbildung 22: Papier 5 unbedruckt klimatisierte und getrocknete Proben - ge- falzt in MD und CD
Visuelle Bewer-
tung Zur visuellen Bewertung der Falzbruchneigung der Papiere wurde ein Testpanel aus 5 Personen zusammengestellt, das auf Grund der dokumentierten REM- Aufnahmen eine Benotung - nach Schulnotenschema 1 bis 6 (Note 1=gut, No- te 6=schlecht) - vornahm.
0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0
unbe druc kt be druck t unbe druck t bedruc k t unbedruc kt be druc kt unbe druck t
P a pier 1 P apie r 2 P a pie r 3 P apier 4 P apie r 5
Note
getrocknet md getrocknet cd klimatisiert m d klimatisiert cd
Abbildung 23: Visuelle Bewertung der Falzbruchneigung von klimatisierten und getrockneten Proben - gefalzt in MD und CD
Restbruchkraft Um den Einfluss der Papiertrocknung auf die Schwächung des Papiergefüges hin zu ermitteln, wurde die Restbruchkraft an den gefalzten Proben bestimmt.
0%
20%
40%
60%
80%
100%
unbe druc k t be druc k t unbedruck t be druc k t unbedruck t bedruck t unbe druc kt P apie r 1 P a pie r 2 P apie r 3 P a pie r 4 P a pie r 5
Restbruchkraft, %
getrocknet md getrocknet cd klim atisiert m d klim atisiert cd
Abbildung 24: Restbruchkräfte in % von klimatisierten und getrockneten Proben - gefalzt in MD und CD
Falzbruchkenn-
zahl Q Um den Einfluss der Papiertrocknung auf das Strichbrechen hin zu untersu- chen, wurde die Falzbruchkennzahl Q an den gefalzten Proben ermittelt.
0 10 20 30 40 50 60 70 80
unbe druc k t be druck t unbe druc k t be druck t unbe druc k t be druck t unbe druc k t P a pie r 1 P a pie r 2 P a pie r 3 P a pie r 4 P a pie r 5
Falzbruchkennzahl Q
getrocknet m d getrocknet cd klimatisiert m d klimatisiert cd
Abbildung 25: Falzbruchkennzahl Q von klimatisierten und getrockneten Proben - gefalzt in MD und CD
Zusammenfas-
sung Die Ergebnisse zeigten, dass sich durch das Trocknen der Versuchspapiere deren Falzbruchneigung drastisch verschlechterte. Die klimatisierten Papiere weisen eine geringere Falzbruchneigung auf als die getrockneten. Bei Falzung CD tritt bei allen Papieren stärkeres Falzbrechen ein als bei Falzung MD.
Die Trends werden in allen drei Beurteilungsverfahren übereinstimmend darge- legt. Es zeigte sich jedoch, dass bei der visuellen Bewertung die Ergebnisse nicht so differenziert aufgeschlüsselt werden, wie es die Restbruchkraft bzw. die Falzbruchkennzahl Q ermöglichen. Dies dürfte mit einer nicht ausreichenden Aufschlüsselung der subjektiven Gut- und Schlecht-Einstufung der Testperso-
nen zu begründen sein. Bei sehr geringem sowie bei starkem Falzbrechen wird nicht mehr ausreichend differenziert.
Nachdem die Beurteilung der Falzbruchneigung über die Ermittlung der Falz- bruchkennzahl und der Restbruchkraft bessere Aussagen lieferte als die visuel- le Bewertung der Falzkanten und außerdem diese auch noch erheblich auf- wendiger war, wurde für die weiteren Laboruntersuchungen auf die visuelle Bewertung verzichtet.
Weiterhin hatte sich gezeigt, dass hinsichtlich der Falzbruchneigung bei den Papieren 1 und 2 die größeren Effekte bei den Falzungen quer zur Maschinen- richtung der Papiere zu sehen sind. Deshalb wurden für weitere Arbeiten nur diese Papiere und auch nur in CD untersucht. Im Vergleich dazu stand von den LWC-Papieren noch das Papier 6, das sowohl in CD und MD weiter betrachtet wurde.
7.2 Untersuchung der Wirksubstanzen
Applikation der
Wirksubstanzen Die eingesetzten Wirksubstanzen sind in Tabelle 4 aufgelistet.
Die Wirksubstanzen wurden mittels des manuellen Beschichtungsgerätes auf die unbedruckten Papieroberflächen aufgebracht. Die Trocknung im Rollenoff- setverfahren wurde simuliert, indem die Papierproben vor der Applikation im Trockenschrank für 120 s bei 120°C getrocknet wurden. Proben, die das Bo- genoffsetverfahren simulierten, wurden vor dem Applizieren des Wirkstoffs nicht getrocknet. Die in den Diagrammen mit aufgeführte Version V0 steht für Papier ohne Wirksubstanz.
Laborfalzung Bei den Papieren 1 und 2 wurde die Laborfalzung mit dem Präzisionsfalzgerät quer zur Maschinenrichtung (CD) des Papiers ausgeführt. Bei Papier 6 erfolgte die Falzung sowohl in MD als auch in CD. Die Wirksubstanzen wurden stets auf die Außenseite der gefalzten Probe aufgetragen. Die Probenbreite war 40mm und der Liniendruck der Falzwalzen betrug 100 N/cm.
7.2.1 Applikation der Wirksubstanz vor oder nach Trockenkanal in Druckmaschine Zeitpunkt der
Applikation der Wirksubstanzen
Zur Beantwortung der Frage, zu welchem Zeitpunkt die Applikation der Sub- stanzen die beste Wirkung auf die Verringerung der Falzbruchneigung des Pa- piers hat, wurde mit Papier 1 eine entsprechende Versuchsreihe durchgeführt.
Dazu wurden die flüssigen Wirksubstanzen im Lieferzustand bzw. die festen Wirksubstanzen als gesättigte, wässrige Lösungen appliziert. Die Papierproben wurden entweder vor dem Auftragen getrocknet, dann die Wirksubstanz appli- ziert und unmittelbar danach gefalzt oder die Wirksubstanz auf die Papierprobe aufgetragen, anschließend getrocknet und direkt danach gefalzt. An den gefalz- ten Papierproben wurden dann die Falzbruchkennzahl Q sowie die Restbruch- kraft in % gemessen. In den nachfolgenden Abschnitten werden die Ergebnisse dargestellt und diskutiert.
Falzbruch- Bis auf eine Ausnahme, nämlich Substanz V11, zeigen alle Wirksubstanzen
kennzahl Q einen positiven Effekt auf das Falzbrechen, wenn sie nach dem Trocknen appli- ziert wurden. Möglicherweise ist hierfür die relativ dickflüssige Konsistenz bei der Substanz V11 verantwortlich, die ein schnelles Penetrieren ins Papier ver- hindert. Ein Hauptanteil der positiven Wirkung der Substanzen bei der Applika- tion nach der Trocknung darf wohl auch in der Rückfeuchtung des Papiers zu sehen sein. Es wird aber nicht nur der Rückfeuchtungseffekt sein, da bei den Substanzen V3, V6 und V8 die gleich Falzbruchkennzahl Q ermittelt wurde, jedoch der Anteil an Wasser bei den Substanzen ganz unterschiedlich ist.
0 10 20 30 40 50 60 70
V0 V1 V 2 V3 V 4 V5 V 6 V7 V8
Falzbruchkennzahl Q
vor Trocknung nach Trocknung
Abbildung 26: Falzbruchkennzahlen Q von Papier 1 – Wirksubstanz V1 bis V8 vor und nach Trocknung aufgetragen (V0: Papier ohne Wirksub- stanz)
0 10 20 30 40 50 60 70
V 0 V9 V10 V11 V 12 V13 V14 V15 V 16
Falzbruchkennzahl Q
vor Trocknung nach Trocknung
Abbildung 27: Falzbruchkennzahlen Q von Papier 1 – Wirksubstanz V9 bis 16 vor und nach Trocknung aufgetragen (V0: Papier ohne Wirksub- stanz)
Werden die Wirksubstanzen vor dem Trocknen des Papiers aufgetragen, zei- gen nur die Wirksubstanzen V7, V15 und V16 eine deutliche Verringerung des Falz-/Strichbrechens. Da diese Substanzen auch die gleiche Wirkung zeigen, wenn sie nach dem Trocknen aufgetragen werden, scheint hier die Trocknung keinen großen Einfluss zu haben. Offenbar ist die weichmachende Wirkung dieser Substanzen (Weichmacher für Kunststoffe) auf das Strichbindemittel wirksam.
Die Versuche haben aber gezeigt, dass grundsätzlich die bessere Wirkung der Substanzen zu erwarten ist, wenn diese nach der Trocknung des Papiers appli- ziert werden.
Restbruchkraft
0 10 20 30 40 50 60 70
V0 V1 V 2 V3 V 4 V5 V 6 V7 V8
Restbruchkraft, %
vor Trocknung nach Trocknung
Abbildung 28: Restbruchkraft von Papier 1 – Wirksubstanz V1 bis V8 vor und nach Trocknung aufgetragen (V0: Papier ohne Wirksubstanz) Auch die Restbruchkraft von Papier 1 wird von einigen der Wirksubstanzen deutlich positiv beeinflusst. Die Substanzen V1, V3, V7, V9, V12, V13 und V14 erhöhen die Restbruchkraft um etwa 20%, wenn sie nach dem Trocknen appli- ziert werden. Bei den anderen Wirksubstanzen ist jedoch kein nennenswerter Unterschied zwischen der Applikation vor oder nach der Trocknung in der Rest- bruchkraft zu erkennen. Das sind meist weitgehend wasserfreie Substanzen wie V5, V8, V10, V11, V15 und V16. Andere, wässrige Systeme wie V2 und V4 zeigen zwar auch keine wesentliche Steigerung der Restbruchkraft des Papiers, wenn sie vor dem Trocknen aufgetragen werden, aber eine erkennbare wenn sie nach dem Trocknen appliziert werden.
0 10 20 30 40 50 60 70
V 0 V9 V10 V11 V 12 V13 V14 V15 V 16
Restbruchkraft, %
vor Trocknung nach Trocknung
Abbildung 29: Restbruchkraft von Papier 1 – Wirksubstanz V8 bis V16 vor und nach Trocknung aufgetragen (V0: Papier ohne Wirksubstanz) Es hat sich bei dieser Versuchsreihe gezeigt, dass mit der Applikation der Wirk- substanzen nach dem Trocknen des Papiers - also nach dem Durchlauf des
