Faserbasierte Lösungen

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PTS-FORSCHUNGSBERICHT IK-MF 130039

ADHÄSIONS- UND KOHÄSIONSVERHALTEN DER FARB- UND LACK- SCHICHTEN BEIM FALTEN VON UV-LACKIERTEN FALTSCHACHTELN

FASERN & COMPOSITE

VERPACKUNGEN & KONFORMITÄT DRUCK & FUNKTIONALE OBERFLÄCHEN PAPIERWIRTSCHAFT 4.0 PRÜFUNG & ANALYTIK

» VERPACKUNGEN

UND KONFORMITÄT »DRUCK UND

FUNKTIONALE OBERFLÄCHEN » MATERIALPRÜFUNG

UND ANALYTIK

» FASERN UND

COMPOSITE » ^INNOVATIVE

MESSTECHNIK

Faserbasierte Lösungen

für die Produkte von Morgen

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N. Brandt:

Adhäsions- und Kohäsionsverhalten der Farb- und Lackschichten beim Falten von UV-lackierten Faltschachteln

(Faltverhalten UV-lackierte Faltschachteln) PTS-Forschungsbericht 8/16

Juni 2016

Papiertechnische Stiftung (PTS) Heßstraße 134

D - 80797 München www.ptspaper.de

Download-Information:

Diese Studie steht auf der Homepage der PTS zum Download bereit:

www.ptspaper.de/forschungsdatenbank Ansprechpartner:

Nicole Brandt Tel. (03529) 551-658 nicole.brandt@ptspaper.de

Institut für Zellstoff und Papier IZP Pirnaer Straße 37

01809 Heidenau

Die Ergebnisse wurden im Rahmen des Forschungsvorhabens MF 130039 gewonnen, das im Programm zur "Förderung von Forschung und Entwicklung bei Wachstumsträgern in benachteiligten Regionen"

mit finanziellen Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie (BMWi) über den Projektträger EuroNorm Gesellschaft für Qualitätssicherung und Technologie mbH aufgrund eines Beschlus- ses des Deutschen Bundestages gefördert wurde. Dafür sei an dieser Stelle herzlich gedankt.

Unser Dank gilt außerdem den beteiligten Firmen für die Probenbe- reitstellung und für die freundliche Unterstützung bei der Projekt- durchführung.

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PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de PTS-FB 08/16

Adhäsions- und Kohäsionsverhalten der Farb- und Lackschichten beim Falten von UV- lackierten Faltschachteln

N. Brandt

Inhalt

1 Zusammenfassung ... 2

2 Abstract ... 3

3 Einleitung... 4

4 Material und Methoden ... 7

5 Ergebnisse ... 9

5.1 Analytische Charakterisierung der Drucke ... 9

5.1.1 IR-Spektroskopie ... 9

5.1.2 Nanoindentation ... 11

5.1.3 DMA und DSC ... 14

5.2 Weiterverarbeitung ... 15

5.3 Einflussgrößen und Empfehlungen für den Anwender ... 19

6 Wirtschaftlichkeitsbetrachtung ... 20

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1 Zusammenfassung

Thema Adhäsions- und Kohäsionsverhalten der Farb- und Lackschichten beim Falten von UV-lackierten Falt-schachteln

Ziel des

Projektes Ziel des beantragten Forschungsprojektes war die Entwicklung einer Methode zur Beschreibung des Verhaltens von bedruckten und insbesondere mit UV-Lack lackierten Faltschachtelkartons bei der Weiterverarbeitung, um letztendlich die Eignung der Kartons, Druckfarben und Lacke für den angestrebten Anwendungs- fall zu prüfen.

Des Weiteren sollten prinzipielle Zusammenhänge zu Kohäsions- und Adhäsi- onsverhalten von Druckfarben und UV-Lacken beim Rillen und Falten von Falt- schachteln aufgeklärt werden, um die Ursachen von Fehlverhalten aufzuklären.

Zusammenfas- sung Ergebnisse Analytik

Im Projekt konnte gezeigt werden, dass man mittels IR-Spektroskopie die Här- tung der UV-Druckfarben und -Lacke nachverfolgen kann. In der Industrie oft eingesetzte Handmethoden wie der Tesa-Test sind nicht geeignet, um sichere Aussagen hinsichtlich Trocknung zu treffen.

Die Nanointendation ist prinzipiell gut geeignet, um die Elastizität bzw. Härte von gedruckten Schichten und gestrichenen Kartonoberflächen zu ermitteln. Ein direkter Zusammenhang zum Verhalten beim Rillen und Falten konnte jedoch nicht abgeleitet werden.

Die thermischen Analysenmethoden DSC und DMA konnten lediglich zur Analy- se isolierter Druckfarben- und Lackschichten genutzt werden. Bei Untersuchung von kompletten Drucken (also Farbe und Lack auf Faltschachtelkarton) konnten aufgrund der sehr komplexen Zusammensetzung keine sinnvollen Ergebnisse erhalten werden, die in Zusammenhang zum Verhalten bei der Weiterverarbei- tung gestellt werden könnten.

Bei den Untersuchungen der isolierten Druckfarben- und Lackschichten zeigte sich bei DSC und DMA-Untersuchungen prinzipiell immer der gleiche

Kurvenverlauf, der keine weiteren Rückschlüsse auf das dynamisch- mechanische Verhalten zuließ.

Ergebnisse Weiterverarbei- tung

Für die meisten bedruckten Materialkombinationen konnte im Labormaßstab ein geeigneter Rillbarkeitsbereich gefunden werden. Es liegt die Vermutung nahe, dass die Rillung im Labormaßstab die Parameter der technischen Rillungen nicht vollumfänglich widerspiegelt.

Als wichtige Parameter konnten identifiziert werden:

• durchgehende Härtung der Druckfarben und Lackschichten bis in die Tiefe

• gute Haftung der ersten Druckfarbenschicht auf dem Substrat

• Homogenität der Strichschichtdicke und Gesamtdicke des Kartons

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2 Abstract

Theme Adhesive and cohesive behavior of the ink and varnish layers during folding of UV-varnished card-boards

Background Due to high demands on printing quality, appearance and haptics folding box carton is mainly printed by offset printing using high amounts of printing inks and at least one lacquer coating. In such way printed folding boxes show significant processing failures at creasing and folding after printing, in particular if UV curing varnishes have been used. This leads to cracking and white areas in the folding groove. The reason for this kind of defects has not yet been sufficiently clarified.

Objectives The project intended to clarify the reasons for poor adhesion of UV printed and lacquered prints when being creased. Recommendations should be given on which parameters the printers and converters should pay attention when choos- ing folding box carton, printing inks and UV varnishes in order to avoid adhesion problems in the folding zone.

Results IR spectroscopy is very suitable to determine the curing and crosslinking of the UV inks and lacquers. Very often used manual methods like tape test are not reasonable It is Nanoindentation is also a good method to characterise printed films especially in respect of hardness and elasticity.

The thermo-mechanical characterisation was only suitable for isolated films. The analytics of complete printed substrates did not show any significant correlation to the behaviour of the printed products during the converting.

The correlation between laboratory creasing and real industrial failures was not sufficient for further prediction of behaviour of the printed products while creasing and folding.

Acknowledge-

ment The research project MF 130039 was funded by the German Federal Ministry of Economic Affairs and Energy BMWi in the programme for the "Promotion of Research, Development and Innovation in disadvantaged areas" based on the decision of the German Parliament and carried out under the umbrella of Euro- Norm in Berlin. We would like to express our warm gratitude for this support.

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3 Einleitung

Entwicklung

Verpackung Bei Verpackungspapieren und Kartons handelt es sich um ein sich dynamisch entwickelndes Produktsegment, für das auch für die Zukunft erhebliche Steige- rungen vorhergesagt werden. Entgegen anderer Papiersegmente verzeichnet der Verpackungsmarkt weiterhin ein Wachstum.

Dieser allgemeine Trend lässt sich auch speziell auf die Produktion und den Einsatz von Faltschachteln übertragen. Insbesondere die Individualisierung und immer größer werdendes Qualitäts- und Preisbewusstsein beim Endverbraucher stellen zunehmende Herausforderungen an die Hersteller von Faltschachteln.

Einsatz von UV- härtenden Druckfarben und Lacken

Seit vielen Jahren nimmt der Einsatz von strahlungshärtenden Druckfarben und Lacken stetig zu. Neben verschiedenen optischen und verarbeitungstechnischen Vorteilen (Glanz, schnellere Trocknung, damit schnellere Weiterverarbeitung möglich usw.) bieten UV-Farben und -Lacke auch aus Umweltaspekten gewisse Vorteile. Zum einen enthalten sie im Gegensatz zu herkömmlichen Offsetdruck- farben keine Mineralöle, die in letzter Zeit immer häufiger in Kritik geraten sind, zum anderen ist die Energie, die zur Härtung benötigt wird, deutlich niedriger als die Wärmeenergie, die zur Trocknung von verdunstungstrocknenden Farben (beispielsweise im Heatset-Rollenoffsetdruck) benötigt wird.

Probleme bei der Verarbeitung von Faltschchteln

Da Faltschachteln als direktes Kommunikationsmedium zum Endverbraucher sehr hohe Qualitätsanforderungen erfüllen müssen, wirken sich Fehler im äuße- ren Erscheinungsbild besonders negativ aus, so dass fehlerhafte Schachteln in den meisten Fällen sofort aussortiert und soweit möglich gar nicht erst in Umlauf gebracht werden.

Neben den auch in anderen Druckprodukten ermittelbaren Druckfehlern und -schwierigkeiten sind bei Faltschachtelkarton aus Zeit- und Kostengründen besonders die erst in der Weiterverarbeitung sichtbaren Fehler und Probleme als negativ herauszustellen, da hier das Produkt bereits nahezu fertig produziert wurde.

Eines der wesentlichsten Probleme bei der Weiterverarbeitung von Faltschach- teln ist das so genannte Brechen im Rillbereich, das bereits in unbedruckten Bereichen des Kartons störend ist (Untersuchungen hierzu u. a. in [1], [2]), sich aber vor allem im bedruckten Zustand noch gravierender auswirkt. Laut Fogra- Statistik ist das Brechen im Falz eines der wesentlichsten Probleme bei Drucke- reien [3]. Hierbei kann man unterscheiden in Strichbrüche und Brechen des Fasergefüges. Das aus dem Bereich der gestrichenen Papiere bekannte Prob- lem lässt sich ebenso auf Faltschachteln übertragen, wobei hier weitere Ein- flussgroßen wirksam werden.

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PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de PTS-FB 08/16 Rillung von

Faltschachtelkar- ton

Eine Abschätzung des Faltverhaltens von Karton ist z. T. über Laborrillungen und die Ermittlung des Rillbarkeitsbereichs im Labor möglich (DIN 55437).

Das Rillen erzeugt im Karton eine linienförmige Vertiefung, an der eine lokale Verminderung der Biegesteifigkeit erreicht wird, die den späteren Faltprozess an dieser Stelle des Materials erleichtert. [4]

Voraussetzung für eine gute Rillbarkeit des Kartons sind [nach 4]:

• gleichmäßige Dicke für konstante Rillbedingungen

• hohe Dehnbarkeit, Elastizität und Kompressibilität der einzelnen Schichten

• gute Delaminierbarkeit

Letzterer Punkt gilt nur für den Karton. Die Druckfarben- und Lackschichten sollen im Gegensatz dazu sehr gut auf dem Karton haften und nicht delaminieren.

Abbildung 1: optimale Rillung [5] Abbildung 2: schlechte Rillung [5]

Erfahrungen zeigen, dass man aus dem Rillbarkeitsbereich des unbedruckten Kartons nicht automatisch auf gute Rillbarkeit im bedruckten Zustand schließen kann. Es kann also sein, dass die Rillbarkeit eines Kartons in Ordnung ist, aber die Farbe bzw. der Lack trotzdem bei der Weiterverarbeitung abplatzen.

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PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de PTS-FB 08/16 Ansatz Für die Vorhersage des Verhaltens von UV-bedruckten und lackierten Falt-

schachtelkartons beim Rillen und Falten lagen bislang keine systematischen Untersuchungen vor. Trotz erheblicher Probleme und Reklamationen ist nicht bekannt, welche Parameter verantwortlich für die Probleme sind, welche Kräfte zum Fehler führen und mit welchen Labormethoden man dieses Verhalten vor- hersagen kann. Deshalb sollte im vorliegenden Projekt systematisch sowohl die im Verbund wirkenden Kräfte als auch das resultierende Verhalten bei unter- schiedlichen Belastungen mit verschiedenen Methoden beschrieben werden.

Neben den etablierten Verfahren zur Charakterisierung von Faltschachtelkarton, Strichen und Druckfarben sollten dabei auch bislang nur unzureichend auf ihre Eignung untersuchte Methoden zum Einsatz kommen, die eine verbesserte Analyse der Kartoneigenschaften ermöglichen und damit den Randbedingungen des UV-Druckes als Schicht mit signifikant anderen Elastizitätseigenschaften besser gerecht werden.

Folgende Methoden wurden betrachtet:

• IR-Spektroskopie

• dynamische Differenzkalorimetrie (DSC)

• dynamisch-mechanische Analyse (DMA)

• Nanoindentation

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4 Material und Methoden

Materialien Es wurden im Markt übliche Faltschachtelkartons mit unterschiedlichem Aufbau beschafft und vor den weiterführenden Untersuchungen umfangreich charakterisiert, um auf dieser Basis eine Auswahl für die weiteren Untersuchungen zu treffen.

Folgende Materialien wurden für die nähere Betrachtung ausgewählt (auf eine Darstellung der nicht weiter betrachteten Materialien wird hier verzichtet):

Tabelle 1: Im Projekt verwendete Substrate Muster Charakteristika

1 ungestrichener Karton, 310 g/m² 2 ungestrichener Karton, 200 g/m² 3 ungestrichener Karton, 260 g/m²

4 GD 2 (doppelt gestrichen), 275 g/m², Schlechtmuster*

5 GD 2, 350 g/m² 6 GD 2, 175 g/m² 7 GC 2, 235 g/m²

8 GD 2 (doppelt gestrichen), 190 g/m² 9 GD 2, Schlechtmuster*,

10 GD 2, Schlechtmuster*

11 GD 2, Schlechtmuster*

12 gestrichener Liner (als Wellpappe Schlechtmuster) 13 gestrichener Liner (als Wellpappe Schlechtmuster)

* Als Schlechtmuster wurden diejenigen Muster bezeichnet, die bei Kunden schlechtes Rillver- halten und/oder Weißbruch zeigten. Von den meisten realen Schlechtmustern stand kein unbedrucktes Material zur Verfügung, weshalb eine Grundcharakterisierung der Kartons nur eingeschränkt möglich war.

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PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de PTS-FB 08/16 Materialien -

Druckfarben Als Druckfarben wurden ebenfalls marktübliche Druckfarben und UV-Lacke ausgewählt. Der Fokus lag hierbei jedoch vorrangig auf Materialien, die potentiell Probleme hinsichtlich Faltverhalten verursachen können.

Tabelle 2: Im Projekt verwendete Druckfarben Muster Eigenschaften

DF1 Bogenoffsetfarbe Serie 1 (mineralölfrei), Magenta DF2 Bogenoffsetfarbe Serie 1 (mineralölfrei), Schwarz DF3 Bogenoffsetfarbe Serie 2 (mineralölbasiert), Magenta UV1 UV-Druckfarbe Serie 3, Magenta

UV2 UV-Druckfarbe Serie 3, Schwarz UV3 UV-Lack, Variante 1

UV4 UV-Lack, Variante 2

UV5 UV-Druckfarbe Serie 4, Schwarz UV8 UV-Lack, Variante 3

Probedruck Für die Herstellung der bedruckten Muster im Labormaßstab wurde das Probe- druckgerät IGT Amsterdam verwendet. Die Druckgeschwindigkeit betrug 0,2 m/s, die Anpresskraft 125 N/cm. Es konnten damit praxisgerechte Drucke mit industri- ell relevanten Schichtdicken (0,5-2 µm) hergestellt werden. Es wurden sowohl konventionelle mineralölhaltige, migrationsarme als auch UV-härtende Systeme einzeln und auch in Kombination gedruckt. Die UV-härtenden Farben und Lacke wurden extern direkt nach dem Druck an einem UV-Bandtrockner getrocknet.

Hierbei wurde die Dosis variiert, indem die Geschwindigkeit zwischen 4 und 20 m/min variiert wurde.

Um unterschiedliche Schichtdicken zu erzeugen, wurden mithilfe einer Farbdo- sierspritze unterschiedliche Farbmengen in die Einfärbeeinheit dosiert. Die über- tragene Schichtdicke wurde berechnet aus der übertragenen Farbmenge (Masse der Druckwalze vor dem Druck – Masse der Druckwalze nach Abdruck) bezogen auf die bedruckte Fläche. Dabei wurde eine Dichte der Druckfarbe bzw. des Lacks von 1 cm³/g angenommen.

Methoden - IR Die IR-Spektren wurden direkt ohne weitere Probenvorbehandlung im ATR- Modus des FT-IR-Spektrometers Tensor 27 (Fa. Bruker) gemessen. Der aus- wertbare Wellenzahlbereich lag dabei zwischen 4000 und 650 cm^-1.

Die Spektren wurden nach Grundlinienkorrektur ohne weitere mathematische Bearbeitung verwendet.

Methoden - DSC Es wurde ein dynamisches Wärmestrom-Differenz-Kalorimeter DSC1/700 der Fa. Mettler-Toledo, Giessen verwendet. Die Temperatur wurde mit einer Heizrate von 10K/min von 25°C auf bis zu 180°C erhöht. Als Spülgas wurde Luft mit einem Durchfluss von ca. 250 sccm verwendet. Es wurden immer mindestens Doppelbestimmungen aus zwei unabhängigen Proben durchgeführt.

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PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de PTS-FB 08/16 Methoden - DMA Die dynamisch-mechanischen Analysen wurde an einem Gerät DMA /

SDTA 861^eder Firma Mettler-Toledo in Anlehnung an ISO 6721 durchgeführt^.Die Proben wurden oszillierend auf Zug belastet (Zugvibration), mit einer Vorspan- nung von ca. 125%.

Mittels Kraftsweep (0,5…18 N, 0,5 N Schritte) und Frequenzsweep

(0,1…100 Hz; Schritte von 10er-Potenzen) wurden bei Raumtemperatur geeignete Parameter für die temperaturabhängige Messung ermittelt.

Die eigentliche Messung wurde dann als Temperatursweep bei konstanter Kraft und Frequenz mit dem gleichen Temperaturregime wie bei der DSC (aber ohne Gasdurchfluss) durchgeführt.

Methoden -

Nanoindentation Im Rahmen des Projektes wurde der Nanoindenter LBI (Low Budget Nano- Indenter) von asmec zusammen mit der Software InspektorX verwendet. Der eingesetzte Indenter (Spitze) ist eine dreiseitige Pyramide.

Es wurden an jeweils mindestens zwei unabhängigen Proben Kurven aufgenommen, indem bis zu einer definierten Kraft von 10 mN die Spitze ins Material getrieben und dann wieder langsam zurückgestellt wird. Dabei werden sowohl die Kräfte beim Eindrücken als auch die Kräfte und Wegpunkte beim Rückstellen gemessen. Aus den gemessenen Kurven wurden Mittelwertkurven gebildet und an diesen gemittelten Kurven die Werte für E-Modul und Härte bei einer entspre- chenden Eindringtiefe errechnet.

5 Ergebnisse

5.1 Analytische Charakterisierung der Drucke 5.1.1 IR-Spektroskopie

Allgemeines Die Härtung der gedruckten Schichten kann direkt an den bedruckten Mustern ohne weitere Probenbehandlung ermittelt werden.

Als Spektrometer wurde ein Tensor 27 der Firma Bruker mit einer ATR-Einheit verwendet. Dieser Aufbau ermöglicht eine oberfächensensitive Messung, d. h. es wird bis maximal 2 µm Eindringtiefe gemessen, der Karton unter der Druckfarbe liefert also keine Signale stört somit die Interpretation der Spektren nicht.

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PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de PTS-FB 08/16 Härtung/

Vernetzung Die unter UV-Strahlung vernetzenden Substanzen sind üblicherweise Acrylate.

Bei der Vernetzung spaltet sich die C-C-Doppelbindung auf und reagiert zu C-O- Gruppen ab. Acrylate zeigen im IR-Spektrum typische Banden, von denen die C=C-Schwingung bei ca. 1660-1650 cm^-1 am besten geeignet ist, um die Aus- härtung bzw. den Umsetzungsgrad zu verfolgen. Diese Bande ist zwar ggf. nicht so intensiv, dafür aber weniger häufig durch andere Banden der Druckfarbenbe- standteile überlagert.

Abbildung 3: für die Ermittlung der Härtung relevanter Ausschnitt aus dem IR- Spektrum eine UV-Lacks (UV3), (blau: vollständig gehärtet, rot: nicht gehärtet)

Die im Rahmen dieses Projektes verwendeten Lacke vernetzten auch bei den schnellstmöglichen Druck- bzw. Trocknungsgeschwindigkeiten (also der ge- ringsten Dosis) vollständig. Lediglich eine schwarze Druckfarbe (UV 2) zeigte das vermutete Phänomen, dass bei zu schneller Geschwindigkeit keine ausrei- chende Aushärtung erzielt wird. Der Effekt beruht darauf, dass die schwarzen Pigmente einen Teil der UV-Strahlung absorbieren und die Strahlung somit nicht mehr zur Aushärtung tiefer liegender Schichten zur Verfügung steht.

Besonderheit

Schwarz Schwarze Druckfarben lassen sich erfahrungsgemäß IR-spektroskopisch nur bedingt untersuchen, da auch hier – genau wie bei den UV-Strahlen – die Strah- lung von den schwarzen Pigmenten absorbiert wird. Deshalb war die Bestim- mung des Härtungsgrades bei diesen Proben nur eingeschränkt möglich.

Die nicht vollständig ausgehärteten Schichten konnten nur bedingt mittels Tesa- bzw. Gitterschnitttest detektiert werden, was auch die Aussagen der Druckereien bestätigt, dass sie keine zuverlässigen Möglichkeiten besitzen, die Trocknung während des Druckprozesses zu kontrollieren.

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PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de PTS-FB 08/16 5.1.2 Nanoindentation

Unbedruckte

Substrate Die Kurven der unbedruckten Substrate zeigen prinzipiell vergleichbares Ver- halten, auch wenn die Absolutwerte unterschiedlich sind. Beispielsweise ist das Material 4 weicher als Material 6, d. h. bei gleicher Krafteinwirkung dringt die Nanoindenterspitze bei Muster 4 tiefer ein als bei Muster 6.

Abbildung 4: Nanoindenterkurven (Beispiele) von unbedruckten, gestrichenen Kartonen, nur Belastungskurve dargestellt

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PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de PTS-FB 08/16 Bedruckte

Substrate

Die Härte bzw. Elastizität der gedruckten Schichten wurde mittels Nanoindenta- tion ermittelt. Eine Kurve mit typischem Verlauf bei der Messung in Be- und Entlastung ist in Abbildung 5 dargestellt.

Abbildung 5: typischer Kurvenverlauf bei der Nanoindentermessung eines mehrfach bedruckten Faltschachtelkartons

Es ist deutlich zu erkennen, dass mit zunehmender Eindringtiefe die Kraft und damit der E-Modul zunimmt.

Es wurden folgende Mustervariationen betrachtet:

• Variation des Substrates

• Variation der Druckfarbe bzw. des Lackes

• Kombination von verschiedenen Druckfarben und Lacken

• Anzahl der aufgebrachten Schichten

Nachfolgend sind an einigen Beispielmessungen die wesentlichen Ergebnisse abgeleitet. Zur vergleichenden Bewertung der gedruckten Schichten wurde eine Eindringtiefe von 1 µm als sinnvoll erachtet, da die aufgebrachten Schichten, die dieser Auswertung zugeführt wurden, alle größer 1 µm waren und somit der Einfluss des Untergrunds (Faltschachtelkarton) weitestgehend ausgeschlossen werden kann.

In der nachfolgenden Tabelle 3 sind ausgewählte Ergebnisse der Messungen am Nanoindenter bei einer Eindringtiefe von 1 µm zusammengestellt.

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PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de PTS-FB 08/16 Bedruckte

Substrate Tabelle 3: Ermittelte E-Module ausgewählter bedruckter Substrate Muster Erläuterung E-Modul bei ca.

1 µm [GPa]

4/112 3 Schichten UV 3, Gesamt- schichtdicke ca. 5 µm 2,2 5/46 1mal DF 3, 1mal UV 3 2,2 5/65 2mal DF3, 1mal UV3 2,3 5/66 1mal DF3 (ohne UV-Lack) 2,5

5/102 UV-Druckfarbe 3,3

Bei den E-Modulen der gedruckten Schichten auf Faltschachtelkarton zeigten sich keine klaren Unterschiede zwischen UV- und konventionellen Druckfarben.

Eine UV-Farbe zeigte einen signifikant höheren E-Modul als die restlichen Druckfarben. Ein prinzipieller Trend lässt sich daraus allerdings nicht ableiten.

Abbildung 6: ausgewählte Nanoindenterkurven (nur Eindringkurve)

Im Vergleich zur unbedruckten Substratoberfläche ist das E-Modul geringer, d. h.

die getrockneten Druckfarbenschichten sind elastischer als die Strichschicht. Die Annahme, dass UV-Lacke tendenziell spröder sind als konventionelle Druckfar- ben, was die größere Tendenz zum Abplatzen erklären würde, konnte mittels Nanoindentermessungen bei diesen Einstellungen nicht bestätigt werden.

Es gibt keinen Unterschied in den Nanoindenter-Kurven bei ein- oder mehrfach aufgetragenen Druckfarbenschichten. Der Untergrund (also das Substrat) hat ebenfalls keinen signifikanten Einfluss auf das Eindrückverhalten der darüber liegenden Druckfarbenschichten.

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PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de PTS-FB 08/16 5.1.3 DMA und DSC

DSC Von den bedruckten Materialien konnten im Gesamtverbund keine sinnvollen Kurven aufgenommen werden. Das Verhalten beim Erwärmen ist aufgrund der verschiedensten Inhaltsstoffe zu komplex, um eine Interpretation von

Phasenübergängen zuzulassen. Deshalb wurden im Folgenden ausschließlich isolierte Druckfarben- bzw. Lackschichten ohne Substrat untersucht. Da der Verlauf der Abkühlkurve vergleichbar mit dem der Aufheizkurve ist, sind nachfolgend aus Gründen der Übersichtlichkeit lediglich die Aufheizkurven dargestellt.

Abbildung 7: ausgewählte DSC-Aufheizkurven von UV-Druckfarben

Es ist erkennbar, dass der prinzipielle Verlauf der Aufheizkurven bei allen UV- härtenden Systemen vergleichbar ist. Bei einer Temperatur von ca. 175°C beginnt offenbar ein Zersetzungsprozess, was sich in einem abrupten Abfall der Wärmeströme ausdrückt. Die thermischen Effekte bei den nicht pigmentierten Systemen (Lacken) sind wesentlich geringer als bei den Druckfarben.

Die thermische Belastung könnte eine Rolle spielen, wenn sich weitere thermisch intensive Schritte in der Weiterverarbeitung, beispielsweise Heißfolienprägungen oder Siegelungen, anschließen. Dies wurde hier aber nicht in die Betrachtung einbezogen.

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PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de PTS-FB 08/16 DMA Von den bedruckten Materialien konnten im Gesamtverbund auch mit dieser

Methode keine sinnvollen Kurven aufgenommen werden.

Zur Überprüfung der prinzipiellen Eignung der DMA wurden manuell durch Ausstreichen Schichten der Druckfarben und Lacke auf Teflon erzeugt und getrocknet. Anschließend wurden die getrockneten Schichten vom Teflon gelöst und geprüft.

Hierbei zeigte sich unabhängig von Frequenz, Temperatur oder Schichtdicke prinzipiell immer der gleiche stetige abfallende Kurvenverlauf, der keine weiteren Rückschlüsse auf das dynamisch-mechanische Verhalten zuließ. Dies bedeutet, dass alle hier untersuchten Materialien als isolierte Schichten ähnliches

prinzipielles Verhalten bei Belastung durch Zug und Wärme zeigen. Die DMA- Untersuchungen an den hier untersuchten Materialien sind also nicht geeignet, um resultierende Unterschiede bei der Belastung der Druckfarben beim Rillen zu detektieren.

5.2 Weiterverarbeitung Ermittlung des

Rillbarkeitsberei- ches

Der Rillbarkeitsbereich wurde an allen Substraten im unbedruckten Zustand mithilfe von manuellen Laborrillungen nach DIN 55437-1 mit visueller Bewertung der gerillten Proben ermittelt. Es wurde aufgrund des Materials ein Rillmesser mit der Breite 0,7 mm ausgewählt.

Die bedruckten Muster wurden in Analogie zu dem Verfahren für unbedruckte Kartons ebenfalls manuell gerillt und bewertet.

Rillbarkeitsbe- reich unbedruck- ter Karton

Die meisten im Rahmen des Projektes untersuchten unbedruckten Faltschach- telkartons zeigten einen ausreichenden Rillbarkeitsbereich (CD und MD über- lappend) und eine gute Qualität der Rillung, d. h. gute Delamination innerhalb des Kartons (siehe nachfolgendes Beispiel).

Abbildung 8: ideale Ausbildung einer Wulst nach Rillung und Umlegen (unbedruckter Faltschachtelkarton, Material 5)

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PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de PTS-FB 08/16 Rillbarkeit

bedruckte Materilien

Die Rillbarkeit der Druckfarben- und Lackschichten auf Substraten wurde mit demselben Verfahren ermittelt wie der Rillbarkeitsbereich der unbedruckten Materialien.

Auf allen gut rillbaren Kartons (breiter Rillbarkeitsbereich) konnten im Labor- maßstab (Probedrucke) gut rillbare Drucke erzeugt werden, d. h. es gab bei allen Varianten keine Schlechtmuster.

Anmerkung: Die Untersuchung von Mustern auf Karton mit einem sehr engen Rillbarkeitsbereich war im Rahmen des Projektes nicht geplant, da der ur- sprüngliche Ausgangspunkt war, dass man trotz ausreichend breitem Rillbar- keitsbereich des Kartons (also einem umgangssprachlich gut rillbaren Karton) schlecht rillbare Drucke erzeugt, also Drucke, die beim Rillen im Falz brechen.

Hypothese war, dass die Druckfarben/Lacke zu spröde sind und abplatzen. Dies konnte im manuellen Versuch nur dadurch nachgestellt werden, dass nicht gerillt, sondern nur gefalzt wurde, also ohne Vorschädigung durch Rillen.

Schlechtmuster hinsichtlich Aufplatzen oder Ablösen der Druckfarbe konnten auf anderen gestrichenen Mustern erzeugt werden, z. B. auf gestrichenen Linern und Offsetdruckpapieren.

Bei den meisten von Kunden als Schlechtmuster identifizierten Materialien konnte im Labormaßstab ein geeigneter Rillbarkeitsbereich gefunden werden.

Deshalb liegt die Vermutung nahe, dass entweder im technischen Maßstab, also an den Industriemaschinen, Verbesserungspotenzial herrscht oder die Rillung im Labormaßstab nicht die Parameter der technischen Rillungen widerspiegelt.

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PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de PTS-FB 08/16 REM An einigen ausgewählten fehlerhaften Rillungen (Industriemuster) wurden im

Querschnitt REM-Aufnahmen angefertigt. Diese zeigen deutlich, dass es zum Aufbrechen der Druckfarbe bzw. des Lacks kommt, und nicht der Strich des Faltschachtelkartons aufplatzt.

In der Nähe der Rillung kommt es teilweise zum Delaminieren innerhalb der Strichschicht (siehe Abbildung 9).

Abbildung 9 aufgeplatzte Lackschicht auf einem gerillten Karton

Dieses Phänomen konnte nur relativ unsystematisch bei wenigen Mustern nachgewiesen werden. Prinzipiell waren fast alle bedruckten Substrate in recht großen Bereichen ohne Abplatzen der Druckfarbenschicht rillbar.

Reale Schlechtmuster aus der Produktion bei verschiedenen Kunden zeigten, dass die Delamination des Kartons in allen Fällen unzureichend war.

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PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de PTS-FB 08/16 REM -

Oberflächenaufn ahmen

Nachfolgend sei ein Beispiel (Abbildung 10: Oberflächenaufnahme einer aufgeplatzten UV-Lackschicht nach Rillung) in der Draufsicht auf eine schadhafte Stelle dargestellt, bei dem man deutlich sieht, dass es zu einem eher großflä- chigen Ablösen der Druckfarbenschicht kommt, nicht zu partiellen Ablösungen.

Abbildung 10: Oberflächenaufnahme einer aufgeplatzten UV-Lackschicht nach Rillung

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5.3 Einflussgrößen und Empfehlungen für den Anwender Allgemeine

Einflüsse Der Rillbarkeitsbereich eines Kartons berücksichtigt die Umformprozesse Rillen und Falten. Bei bedruckten Mustern muss zusätzlich noch zumindest die Haf- tung der Druckfarbe auf dem Substrat sowie die Haftung der Schichten unterei- nander berücksichtigt werden. Es werden also zahlreiche potenzielle Schädi- gungsmechanismen vereinigt, die aus einer außerordentlich komplexen Folge von Spannungs- und Deformationszuständen resultieren. Deshalb kann eine Vorhersage des Weiterverarbeitungsverhaltens nicht allein auf isolierten Unter- suchungen beruhen.

Als wichtige Parameter konnten identifiziert werden:

• durchgehende Härtung der Druckfarben und Lackschichten bis in die Tiefe

• gute Haftung der ersten Druckfarbenschicht auf dem Substrat (die Dru- cke auf den nicht vorbehandelten Kunststoffsubstraten hafteten alle sehr schlecht)

• Homogenität der Strichschichtdicke und Gesamtdicke des Kartons Folgende Parameter hatten bei den hier eingesetzten Materialien keinen Ein- fluss:

• Kombination von konventionell trocknenden Systemen und UV

• Schichtdicke

• Art des Strichs, Strichzusammensetzung

Verwendung von Laborrillungen zur Vorhersage des bedruckten Materials bei technischer Rillung

Zumindest für die im Rahmen dieses Projektes eingesetzten Materialien konnte die Verwendung von Laborrillungen nur bedingt zur Vorhersage des tatsächli- chen Verhaltens bei technischer Rillung dienen. Lediglich eindeutige Schlecht- muster führen auch im industriellen Prozess zu Schlechtmustern.

Im Rahmen des Projektes wurde auch die Vermutung geäußert, dass es nicht nur Schwankungen im Material von Charge zu Charge gibt, sondern auch innerhalb einer Charge unterschiedliche Qualitäten im Druck und bei der Rillung erzeugt werden. Da keine systematische Probenahme erfolgte, konnte diese Hypothese weder eindeutig belegt noch widerlegt werden. Bei einigen im Rah- men des Projektes verwendeten Faltschachtelkartons wurden relativ große Schwankungen in den Dicken festgestellt, alle Kartons wiesen eine große Streuung bei den Strichschichtdicken auf. Dies kann potentiell zu Störungen beim Rillen bzw. beim anschließenden Umlegen bzw. Aufrichten führen.

Da Rillwerkzeuge nach wie vor manuell hergestellt werden, kann man davon ausgehen, dass auch hier ein Verbesserungspotential liegt. Üblicherweise wird ein und dasselbe Werkzeug für die gesamte Auflage verwendet ohne Berück- sichtigung von Materialschwankungen. Deshalb wirken sich Schwankungen insbesondere in der Dicke dramatisch auf die Rillung aus, da schon bei gerin- gen Schwankungen in der Dicke die Rilltiefe variiert und damit die Qualität beim Umlegen bzw. Aufrichten leidet.

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PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de PTS-FB 08/16 Analytik der

gedruckten Schichten

Im Projekt konnte gezeigt werden, dass man mittels IR-Spektroskopie die Här- tung der UV-Druckfarben und -Lacke nachverfolgen kann. In der Industrie oft eingesetzte Handmethoden wie der Tesa-Test sind nicht geeignet, um sichere Aussagen hinsichtlich Trocknung zu treffen.

Die Nanointendation ist prinzipiell gut geeignet, um die Elastizität bzw. Härte von gedruckten Schichten und gestrichenen Kartonoberflächen zu ermitteln. Ein direkter Zusammenhang zum Verhalten beim Rillen und Falten konnte jedoch nicht abgeleitet werden.

Die thermischen Analysenmethoden DSC und DMA konnten lediglich zur Ana- lyse isolierter Druckfarben- und Lackschichten genutzt werden. Bei Untersu- chung von kompletten Drucken (also Farbe und Lack auf Faltschachtelkarton) konnten keine sinnvollen Ergebnisse erhalten werden, die in Zusammenhang zum Verhalten bei der Weiterverarbeitung gestellt werden könnten.

6 Wirtschaftlichkeitsbetrachtung

Zielgruppe Das Projekt zielte im Wesentlichen auf die Erzeuger und Verarbeiter von Falt- schachtelkarton, insbesondere Druckereien und Verpackungshersteller, ab.

In Deutschland gibt es ca. 100 Unternehmen der Faltschachtelindustrie, die vorwiegend den kleinen und mittleren Unternehmen zuzuordnen sind. [5]

Andere Bedruckstoffe wie grafische Papiere oder Liner können ebenfalls mittels der im Projekt betrachteten Methoden charakterisiert werden.

Außerdem können teilweise auch Messmittel- und Messgerätehersteller von den Ergebnissen indirekt profitieren, indem weiteres Verbesserungspotential der Geräte und Hilfsmittel ausgeschöpft wird.

Verwertung des

FuE-Ergebnisses Durch geeignete Einstellung der Rillbedingungen (Rilltiefe und Rillmesserbreite) sowie Auswahl geeigneter Druck- und Trocknungsbedingungen für die Druck- farben konnten im Labor und Technikmaßstab in allen Fällen geeignete Bedin- gungen gefunden werden, welche einen Bruch der Druckfarbe/Lackschicht verhinderte. Daher ist anzunehmen, dass auch in der industriellen Produktion von Faltschachteln unter Berücksichtigung dieser Parameter die Fehler (Rill- bruch und Weißbruch) vermeidbar sein können, sofern zumindest ein gut rillba- rer Karton (überlappender Rillbarkeitsbereich CD/MD) gleichbleibender Qualität eingesetzt wird. Letzteres ist im Einzelfall von den Weiterverarbeitern jedoch nur schwer feststellbar und lediglich durch entsprechende Lieferantenvereinbarun- gen teilweise vermeidbar.

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PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de PTS-FB 08/16 Verwertung des

FuE-Ergebnisses Es konnten wesentliche Erkenntnisse zur Charakterisierung von gedruckten Schichten hinsichtlich Elastizität, Aushärteverhalten und Einfluss des Substrates auf die Eigenschaften der Druckfarben- und Lackschichten gewonnen werden.

Die Korrelation mit pragmatischen Praxistests (Tesa-Tests, Laborrillung) haben gezeigt, dass diese die molekularen Eigenschaften der Schichten (Elastizität, Aushärtungsgrad) nur unzureichend widerspiegeln.

Die Labordruckversuche unter Nutzung des neu beschafften UV-Trockners haben sich als sehr hilfreich zur Erzeugung gedruckter Volltonflächen erwiesen.

Die Eigenschaften der Schichten waren vergleichbar zu denen aus den industriellen Druckversuchen.

Diese Erkenntnisse können zur umfangreichen Beratung von Unternehmen sowohl zur Modifizierung der Einzelmaterialien als auch zur Anpassung der Druck- und Weiterverarbeitungsbedingungen genutzt werden.

Anwendungsbe-

reiche Die gewonnenen Erkenntnisse können auf weite Bereiche der Entwicklung und Materialprüfung von Faltschachtelkarton angewendet werden.

Außerdem können die zur Analytik der gedruckten Schichten entwickelten Methoden nicht nur für Faltschachtelkarton, sondern beispielsweise auch für gestrichene Druckpapiere und Liner verwendet werden.

Erfolgsaussich-

ten für kmU Bei den Anwendern sind hauptsächlich folgende Einsparpotentiale erkennbar:

• weniger Reklamationen, Vermeidung von Imageverlust

• Einsparung von Rohstoff und Einrichtezeit

• weniger Maschinenstillstand

• kostengünstigere Substrate einsetzbar

Die Ergebnisse aus dem Projekt haben gezeigt, dass man für eine Abschätzung des Rillverhaltens von bedruckten Faltschachtelkartons nicht nur auf die Be- rechnung des Rillbarkeitsbereiches des unbedruckten Faltschachtelkartons aus der Dicke nach [6] schließen kann.

Es scheint, dass unter Berücksichtigung einiger Rahmenbedingungen und bei individueller Anpassung an die Materialkombinationen für die meisten Materia- lien Bedingungen für eine gut ausgeführte Rillung gefunden werden können. Es ist unbedingt darauf zu achten, dass die Rillwerkzeuge in ausreichender, gleich bleibender Qualität über die komplette Auflage zur Verfügung stehen und ggf.

nachjustiert werden. UV-härtende Systeme scheinen tatsächlich eine größere Tendenz zum Abplatzen zu zeigen, eine prinzipielle Nichteignung kann aber nicht bestätigt werden, da eine sehr große Bandbreite an UV-lackierten Materia- lien gut rillbar waren.

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Ansprechpartner für weitere Informationen:

Dipl.-Chem. Nicole Brandt Tel. 03529 / 551-60

nicole.brandt@ptspaper.de Papiertechnische Stiftung PTS Pirnaer Straße 37

01809 Heidenau Tel. 03529 / 551-60 Fax 03529 / 551-899 e-Mail: info@ptspaper.de www.ptspaper.de

Literaturverzeichnis

1 K. Sim, H. J. Youn, K. D. Oh, H. L. Lee, C. S. Han, S. U.Yeu, Y. M. Lee: Fold cracking of coated paper:

The effect of pulp fiber composition and beating, Nordic Pulp and Paper Research Journal Vol.

28 no. 2, 2012, S. 445-450.

2 G. Papier, G. Hilden, D. Glittenberg, J. Hintermayer: Betrachtung einiger Verarbeitungsprobleme hochwertiger gestrichener Offset-Druckpapiere aus der Sicht des Papierherstellers, Wochenblatt für apierfabrikation 19, 2000, S. 1314-1320.

3 Fogra-Jahresbericht 2011, Vorgelegt zur 62. ordentlichen Mitgliederversammlung, München, 13. Juni 2012

4 Tenzer, H.-J.: Leitfaden der Papierverarbeitungstechnik, 1. Auflage, Fachbuchverlag Leipzig 1988 5 K. Mertens, Falzen und Rillen – Verarbeitung von gestrichenen Papieren nach dem Bogenoffsetdruck,

Sappi-Broschüre, 2. überarbeitete Auflage, 2006 6 FFI-Jahresbericht 2015

7 Tenzer, H-J. u. Großmann, V.: „Untersuchungen zum Verarbeitungsverhalten beim Rillen mit

Bandstahlschnittwerkzeugen, Teil 3: Methode zur Bewertung der Rillbarkeit von Karton“, Zellstoff und Papier 1985, 4. Ausgabe, S. 145-147

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