PTS-FORSCHUNGSBERICHT IGF 17023
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Bienert Ch, Keller G., Kuntzsch T., Matheas J., Metz R.: Wasserhaushalt / Wellpappe:
Produktivitätsverbesserung bei der Wellpappenherstellung bei gleichzeitiger Verbesserung der Planlage
PTS-Forschungsbericht 18/14
Februar 2015, zweite geringfügig überarbeitete Auflage Mai 2015
Papiertechnische Stiftung (PTS) Heßstraße 134
D - 80797 München www.ptspaper.de
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Christian Bienert Tel. (089) 12146-469
Christian.Bienert@ptspaper.de Papiertechnische Stiftung PTS Papiertechnisches Institut PTI Heßstraße 134
80797 München
Das Forschungsvorhaben IGF 17023 BG der AiF-Forschungs- vereinigung PTS wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Be- schlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Dafür sei an die- ser Stelle herzlich gedankt.
Unser Dank gilt außerdem den beteiligten Firmen für die Probenbe- reitstellung und für die freundliche Unterstützung bei der Projekt- durchführung.
P roduktivitäts verbes s erung bei der Wellpappenhers tellung bei gleichzeitiger Verbes s erung der P lanlage
Bienert Ch, Keller G., Kuntzsch T., Matheas J., Metz R.
Inhalt
Seite
1 Zusammenfassung ... 3
2 Einleitung und Zielstellung ... 5
3 Vorgehen ... 10
4 Systemaufnahmen ... 14
5 Laboruntersuchungen ... 15
6 Klebstoffeigenschaften ... 25
7 Penetrationsmodell ... 29
7.1 Aufbau eines Basismodells zur Penetration von Wasser und Klebstoff in Wellpappenliner... 29
7.2 Variation der Penetrationsmodelle ... 32
8 Trocknungsmodell ... 39
9 Wellpappenmodell ... 43
9.1 Modellaufbau ... 43
9.2 Modellvalidierung nach Balkentheorie ... 46
9.3 Variantenrechnungen ... 49
9.4 Systemvalidierung an Wellpappenanlage und Auswertung der Modellergebnisse ... 52
Glossar ... 58
Literaturverzeichnis ... 60
1
Zielstellung Das Ziel des Forschungsprojekts war die simulationsgestützte Verfahrensopti- mierung der Wellpappenherstellung durch eine Verringerung von Planlageab- weichungen zur Produktivitätssteigerung von Wellpappenanlagen. Durch simu- lationsgestützte Optimierungsmaßnahmen kann eine Reduzierung von nicht plan liegenden Wellpappen und in Folge eine Qualitätsverbesserung an der Wellpappenanlage erreicht werden. Darüber hinaus können durch eine Verrin- gerung von Produktivitätseinbußen in den nachgeschalteten Weiterverarbei- tungsprozessen auch hier Produktivitätssteigerungen erzielt werden.
Systemaufnahme Die Randbedingungen (Bahntemperaturen und –feuchten) unterschiedlicher Wellpappenanlagen zeigen zwar Ähnlichkeiten im Trend. Jedoch unterscheiden sich die Temperaturen und Feuchtegehalte der Papierbahnen an den verschie- denen Prozesspositionen zum großen Teil erheblich. Deshalb ist es nicht mög- lich, ein grundsätzliches Temperatur- und Feuchteprofil entlang des Wellpap- penprozesses aufzustellen. Jede Anlage hat ein eigenes und individuelles Temperatur-Feuchte-Profil im Wellpappenherstellungsprozess.
Penetrations-
modell Es wurden Penetrationsmodelle erstellt, die auf der Basis der Bosanquet- Differentialgleichung das Eindringen der Klebstoffe in die Liner zeitlich und ört- lich berechnen. Damit können die Eindringtiefe des Klebstoffwassers und die für das Kleben wichtige Restmenge zwischen den Linern abgeschätzt werden.
Trocknungs-
modell Aus den erarbeiteten Trocknungsmodellen lässt sich abschätzen, welche Feuchteänderungen in den Linern in kurzen Zeiträumen (z.B. Brücke) eintreten.
Planlagemodell Es wurden Planlagemodelle erstellt, welche die Planlageabweichung der Well- pappe in den Hauptrichtungen längs und quer zur Welle berechnen (vereinfach- tes, analytisches Modell). Darüber hinaus wird eine Erfassung von Verformun- gen und Beanspruchungszuständen an virtueller 2D- oder 3D-Geometrie zeit- lich und örtlich aufgelöst ermöglicht (Finite-Elemente-Modell). Wesentliche Ein- gangsgrößen für die Modelle sind Länge, Breite und Wellengeometrie der Pro- be sowie Dicke, E-Modul, Feuchtdehnungskoeffizient, Feuchtegehaltsänderung und ggf. innere Spannungen in den einzelnen Lagen (Außendecke, Welle, In- nendecke). Mit Hilfe von Modellrechnungen kann die zu erwartende Planlage- abweichung in Abhängigkeit der Eingangsgrößen berechnet werden.
Schluss-
folgerung Bislang war es den klein- und mittelständischen Unternehmen der Wellpappen- industrie nur durch langwieriges Sammeln und Austausch von Erfahrungen möglich, den material- und produktionsbedingten Planlageabweichungen zu begegnen. Mit den Projektergebnissen können durch geringen Messaufwand diese Abweichungen an Wellpappen computergestützt für die wichtigsten Ein- flussgrößen abgeschätzt und berechnet werden. Dabei hat sich deutlich ge- zeigt, dass Faserorientierung, Feuchtedehnung in den einzelnen Lagen und in- nere Spannungen die Planlageabweichungen am stärksten beeinflussen, wäh- rend die Steifigkeit der Einzellagen (E-Modul und Schichtdicke) eine unterge- ordnete Rolle spielt.
Die Einfachheit der Modelle verursacht geringe Kosten für Messaufwand, Prog- nose und Umsetzung. Die Prognosegenauigkeit ist für die meisten Anwen- dungsfälle ausreichend. Sie soll durch entsprechende Weiterentwicklungen verbessert werden.
Danksagung Das Forschungsvorhaben IGF 17023 BG der AiF-Forschungsvereinigung PTS wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.
Dafür sei an dieser Stelle herzlich gedankt.
Unser Dank gilt außerdem den beteiligten Firmen der Papier- und Zulieferin- dustrie sowie dem Arbeitskreis „Planlage von Wellpappe“ für die Unterstützung der Arbeiten.
2 E inleitung und Ziels tellung Wellpappen-
anlage Die Herstellung von Wellpappe erfolgt in einer Wellpappenanlage (WPA). Der prinzipielle Aufbau einer Wellpappenanlage ist in Abbildung 1 gezeigt.
Dazu sind drei verschiedene Hauptarbeitsgänge erforderlich:
• Prägen der Welle (Riffeln),
• Beleimen der Wellenberge,
• Aufeinanderpressen von Welle und Decke.
Das Papier wird zunächst im Vorheizer erwärmt und befeuchtet. Dadurch wird die erforderliche Elastizität erreicht, damit das Papier verformt (geriffelt) werden kann. Anschließend wird es unter Druck- und Hitzeeinwirkung zwischen zwei zahnradartig ineinandergreifenden Riffelwalzen hindurchgeführt. Dabei wird die Welle ausgeformt. Je nach gewünschter Wellenform haben die Walzen eine grobe, mittlere oder feine Riffelung. So entstehen die unterschiedlichen Wellen- arten, die nach Wellenhöhe und -breite definiert sind (DIN 55 468).
Nach dem Riffeln halten Vakuum oder Überdrucksysteme die gewellte Papier- bahn auf der Riffelwalze, bis sie durch die Verklebung mit der Deckenbahn fi- xiert wird. Auf die Spitzen der Wellenberge des gewellten Papiers wird dann Klebstoff auf Stärkebasis aufgebracht und die Welle wird mit einer glatten De- ckenbahn verklebt. Die einseitige Wellpappe ist fertig.
Wird in einem Kaschierwerk auf die einseitige Wellpappe eine zweite Decken- bahn aufgeklebt, entsteht dadurch die einwellige Wellpappe. Sie ist die am meisten verbreitete Wellpappenart. Werden weitere einseitige Wellpappen aus gewellter und glatter Papierbahn hinzugefügt, entsteht mehrwellige Wellpappe.
In der Heiz- und Zugpartie (siehe Abbildung 1) werden die Wellpappen- bahnen über Heizplatten (bis 180 °C) gezogen. Hierbei wird den Klebestellen und dem Papier die notwendige Wärme zum Verkleben zugeführt. Gleichzeitig wird auch überschüssige Feuchtigkeit entzogen. Danach befördert ein Gurtsys- tem die Wellpappe zu den Rill- und Schneidevorrichtungen.
Die Wellpappenbahnen werden vor dem Abstapeln und Verlassen der WPA auf Formate - abhängig von der weiteren Verarbeitung - zugeschnitten und gerillt.
Dies geschieht mit Hilfe rotierender Schneid- und Rillmesser, die in Längs- oder in Querrichtung arbeiten.
Abbildung 1: Prinzipieller Aufbau einer Wellpappenanlage (WPA) [1]
Wellpappenklebu
ng Ein wesentlicher Verfahrensschritt bei der Herstellung von Wellpappe ist das Verkleben des gewellten Papiers mit den ebenen Deckenpapieren. Für diese Klebeprozesse werden 2-komponentige wässrige Stärkeklebstoffe eingesetzt, deren eine Komponente Stärkekleister und deren zweite Komponente native Stärke ist. Während die Stärkekleisterkomponente die Viskosität des fertigen Klebstoffs bestimmt, kommt der nativen Stärkekomponente die Sicherstellung der schnellen Anfangsklebkraft zu. In Anwesenheit von Wärme und Wasser verkleistert der native Stärkeanteil während des Klebprozesses spontan und es kommt zu einem sprunghaften Anstieg der Klebstoffviskosität, der benötigt wird, um in den sehr kurzen zur Verfügung stehenden Zeiten die sichere Verklebung von Wellenpapier und Deckenpapier zu gewährleisten.
Die Rezeptur eines Stärkeklebstoffs ist so ausgelegt, dass die Viskosität des gebrauchsfertigen Klebstoffs auf das Auftragssystem angepasst ist und gleich- zeitig die oben kurz beschriebenen Klebemechanismen wirken können. Beide Anforderungen begrenzen den Feststoffgehalt des Klebstoffs auf maximal etwa 30 %. Bei der Wellpappenproduktion gelangen somit über den Klebstoff hohe Wassermengen in das Produkt, was wiederum viel Energie für die Trocknung der Wellpappe erfordert und durch die Dimensionsänderungen der beteiligten Papiere infolge Feuchtigkeitsaufnahme und Trocknung Probleme bei der Plan- lage der produzierten Wellpappe nach sich ziehen kann.
Betrachtet man nun aktuelle Trends in der Wellpappenindustrie, dann sind zahl- reiche Maßnahmen zur Steuerung bzw. Vermeidung von Planlageabweichun- gen bei der Wellpappenherstellung zu erkennen. Insbesondere ist zu erkennen, dass die derzeit verfügbaren Steuerungssysteme Leistungsgrenzen erreicht haben. Im Einzelnen sind folgende Trends zu nennen:
Trend:
häufige Sorten- wechsel
In der Wellpappenindustrie werden die Losgrößen immer kleiner und die Sorten- wechsel immer häufiger. Für die sichere Verklebung ist es notwendig, die Kleb- stoffmenge und die Klebstoffrezeptur auf die Art der eingesetzten Papiere an- zupassen. Da diese Anpassung nur sehr bedingt automatisiert werden kann, steigt mit zunehmender Häufigkeit von Sortenwechseln die Gefahr, dass nicht korrekt an die Papiersorte angepasste Klebstoffe in nicht optimalen Mengen auf- getragen werden. Damit steigt die Gefahr der Produktion nicht plan liegender Wellpappe. Benötigt werden somit Steuerungssysteme, die Veränderungen der Papiereigenschaften hinsichtlich Wasseraufnahmefähigkeit und Penetrations- dynamik berücksichtigen.
Trend:
geringe Wellen- höhe und höhere Klebstoffmengen
Ein weiterer Trend ist die steigende Produktion von Wellpappe mit sehr geringen Wellenhöhen. Wellpappen mit Wellenhöhen von weniger als 0,5 mm werden be- reits hergestellt und haben sich eine beträchtliche Marktposition als leichter und biegesteifer Packstoff erworben. Kleine Wellenhöhen bedeuten auch kleine Wel- lenlängen. Damit einher geht der Umstand, dass pro Quadratmeter produzierter Wellpappe mehr Klebelinien vorhanden sind als bei Wellpappen mit großen Wel- lenhöhen und entsprechenden großen Wellenlängen. Mehr Klebelinien bedeuten aber auch mehr Klebstoff pro Flächeneinheit, mehr Wassereintrag in das Produkt und steigende Gefahren der Produktion von nicht plan liegender Wellpappe. Die- se Probleme lassen sich nur mit Klebstoffen lösen, die so wenig Wasser wie möglich enthalten und die mit maximaler Präzision aufgetragen werden können.
Auch hier haben herkömmliche Steuerungssysteme die Grenze ihrer Leistungs- fähigkeit erreicht. Neue Lösungsansätze in der Steuerung der Planlage und evtl.
neue Klebstoffauftragstechnik sind also langfristig erforderlich.
Daten zur Well- pappenerzeu- gung
Die Wellpappenindustrie hat in Deutschland im Jahr 2013 insgesamt 4,7 Mio. t bzw. 9,1 Mrd. m² Wellpappe hergestellt und dabei einen Umsatzwert von 4,7 Mrd. Euro erwirtschaftet [2]. Deutschland ist in Europa mit deutlichem Abstand führend in der Wellpappenherstellung. Im internationalen Vergleich wird Deutschland nur noch von China, den USA und Japan übertroffen. In Deutsch- land existierten im Jahr 2013 127 Wellpappenwerke. Die deutsche Wellpappen- industrie beschäftigt ca. 18.470 Mitarbeiter und stellt somit einen wichtigen Standort für die europäische Wellpappenindustrie dar. Die deutsche Wellpap- penindustrie hat daher ein hohes Interesse an der Durchführung des Projektes.
Entstehung von Planlageabwei- chungen (Warp)
In der Literatur [3, 4, 5, 6, 7, 8] werden folgende papierbedingten Einflussfakto- ren als verantwortlich für Planlageabweichungen gesehen: Unterschiedliche Di- cke, flächenbezogene Masse, Feuchtdehnungs- und Trockenschrumpfungsver- halten der Deckenpapiere sowie Winkelabweichung der Vorzugsfaserrichtung von der Maschinenrichtung des Papiers.
Die Einflussgrößen seitens der Wellpappenanlage können überwiegend mit der Maschinengeschwindigkeit, der Zugspannung der Papierbahnen sowie dem Umschlingungswinkel am Vorheizer (Preheater) und der Temperaturführung der Heizplatten in der Heizpartie benannt werden.
Einflussgrößen, die von der Klebstoffseite her in Betracht gezogen werden, sind der Wellpappenklebstoff (z.B. Stärkeart, Rezeptur, insbesondere Feststoffge- halt), die Klebstoffauftragsmenge, definiert über den Leimspalt der Auftragswal- ze, sowie der Presswalzenandruck beim Verkleben von Decke mit der Welle.
Maßnahmen ge- gen Planlageab- weichungen
Die bisherigen Maßnahmen, um Planlageabweichungen entgegenzuwirken, basieren weitgehend auf empirischen Erkenntnissen. Zwar werden Steue- rungsmaßnahmen in der Literatur aufgeführt, wobei jedoch diese Maßnahmen meist auf eine exaktere Reglung der unterschiedlichen Maschinenparameter wie Leimspalt-, Bahnspannungs- und Heizungsregelung sowie Vorkonditionie- rung der Papiere am Vorheizer mit Variation des Umschlingungswinkels be- schränkt sind. Eine Planlagesteuerung, die die entsprechenden Papiereinfluss- größen berücksichtigt, war vor der Projektdurchführung nicht verfügbar.
Trocknungskineti
k/Energiebedarf Energie wird bei der Wellpappenerzeugung überwiegend in Form von Wärme (Dampf) eingesetzt. Der größte Wärmebedarf besteht beim Formen der Welle (Riffeln), der Trocknung in der Heizpartie sowie beim Aufheizen der Papier- bahnen im Vorheizer vor den jeweiligen Klebeprozessen. Dabei werden etwa 23% zum Erwärmen des Klebstoffs, 4% für die Verkleisterung der Stärke und 73% zum Trocknen des Klebstoffs der aufzubringenden Energie benötigt [9].
Die Abschätzung zur maximalen Wasseraufnahme des Luftvolumens in der Wellpappe kann über den Sättigungsgrad von Luft abgeschätzt werden:
Bei einer Wellpappe mit B-Welle beträgt das Luftvolumen bei einem Quadrat- meter Fläche in etwa 3 Liter. Bei einem Klebstoffauftrag von 5 g/m² pro Seite
und einem Feststoffgehalt von 25% entspricht dies einem Wassereintrag in die Wellpappe von 30 g/m². Davon verbleiben ca. 2 g als Restfeuchtigkeit im tro- ckenen Klebstoff. Somit müssen in diesem Beispiel aus dem applizierten flüssi- gen Wellpappenklebstoff etwa 28 g Wasser je m² verdampft werden. Das Luft- volumen kann jedoch in Abhängigkeit von der Temperatur nur einen geringen Anteil (maximal ca. 7 g) als Wasserdampf aufnehmen. Das restliche Wasser bzw. Wasserdampf verbleibt somit im Papier der Wellpappe.
Modelle für Penetrations- vorgang
Die Modellierung von Penetrationsvorgängen in Strukturen, die denen von Pa- pieren entsprechen, wird seit etwa 1995 intensiv betrieben. Zu erwähnen sind insbesondere Arbeiten die durch die OMYA AG initiiert wurden (Gruppe Ga- ne/Schölkopf, z.B. [10, 11, 12]) und bei Imerys Ltd. durchgeführte Untersu- chungen (Gruppe Preston [13 , 14]). Aber auch von skandinavischen For- schungszentren sind wichtige Arbeiten bekannt, z.B. [15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22].
Im Vordergrund stehen dabei meist Untersuchungen, die das Verhalten der beim Offset-Druck vorkommenden Fluide und der in Offsetpapieren typischen Porenstrukturen betrachten. Aber auch für Tiefdruck-, Inkjet- und Flexodruckpa- piere sind einige Arbeiten bekannt [23, 24].
Modelle für
Trocknung Für die Modellierung der Wellpappentrocknung sind algorithmisch zwei Vorge- hensweisen denkbar. Einen ersten Zugang bietet z.B. eine empirische „Ver- dunstungsformel“ [25], die auch die Beachtung von Trocknungs- bzw. Heizstu- fen ermöglicht, indem die umgebende Luft bezüglich Menge, Temperatur, Feuchtegehalt und Strömungsgeschwindigkeit betrachtet wird.
Andererseits bieten Multiphysics-Algorithmen gerade die Voraussetzung, um sowohl Penetrations- als auch Verdunstungsvorgänge mittels FEM zu simulie- ren [26]. Das prinzipielle Vorgehen zur Simulation von Trocknungsvorgängen in Papiermaschinen wurde u.a. von Hunfeld [27] gezeigt.
Planlage- Modellierung Papierverbunde
Für die Modellierung von Dimensionsstabilität und Planlage von mehrlagigen bzw. mehrschichtigen Papieren und Papierverbunden wurden bereits verschie- dene Modellansätze in der Literatur vorgestellt:
• Datenbasierte Modelle unter Verwendung Neuronaler Netze [28] oder PLS- Methoden (PLS - Partial Least Square Fit) [29],
• auf der Laminattheorie basierende Modelle [30, 31],
• Kombinationen beider vorgenannten als sog. Grey-Box-Modelle [32, 33],
• Modelle unter Verwendung der FE-Methode [34, 35, 36, 37, 38, 39].
Forschungsziel Ziel des Forschungsprojekts war die Produktivitätssteigerung von Wellpappen- anlagen (WPA) durch simulationsgestützte Verfahrensoptimierung der Well- pappenherstellung über die Verringerung von Planlageabweichungen. Durch die simulationsgestützten Optimierungsmaßnahmen kann eine Reduzierung von nicht plan liegenden Wellpappen erreicht werden und damit verbunden eine Qualitätsverbesserung an der WPA. Außerdem können Produktivitätseinbußen in den nachgeschalteten Weiterverarbeitungsprozessen verringert und somit auch hier Produktivitätssteigerungen erzielt werden.
3 Vorgehen
Übersicht Zur Erstellung, Validierung und Anwendung der verschiedenen Simulationsmo- delle wurden die dazu notwendigen Daten im Rahmen von Systemaufnahmen und geeigneten Laboruntersuchungen erfasst.
Messverfahren bei der System- aufnahme in Wellpappenanla- gen
Tabelle 1: Messmethoden bei den Systemaufnahmen
Parameter Messmethode
Messung der Oberflächentemperatur an der laufenden Papierbahn, wenn möglich über die Bahnbreite
• IR-Strahlungsthermometer Typ Raynger MX4 und
• Thermographie-Kamera Messung der Feuchte an der Oberflä-
che der laufendenden Papier- bzw.
Wellpappenbahn, soweit zugänglich und wenn möglich über die Bahnbreite
• IR-Moister Meter Visilab AK30
Messung der des Feuchtegehaltes an entnommenen Papier- und Wellpap- penproben
• DIN EN ISO 287 bzw.
• mittels IR-Trocken-Waage
Messverfahren bei der Papier- und Wellpap- penanalytik
Tabelle 2: Messverfahren bei der Papier- und Wellpappenanalytik
Parameter Messmethode
Flächenbezogene Masse DIN EN ISO 2286-2 Dicke (Wellpappenrohpapiere) DIN EN ISO 534
Feuchtdehnung ISO 8226 - 1 / 2
Feuchtigkeitsgehalt DIN EN ISO 287 E-Modul (Zugversuch) DIN EN ISO 1924 - 2 Rauheit (PPS-Verfahren) DIN ISO 8791 - 4
TSO/TSI L&W TSO-Tester
Erfassung der Flüssigkeitspe- netration mit Hil- fe des Penetrati- ons Dynamic Analysators (PDA)
Die Erfassung der Penetrationsdynamik mittels Ultraschall-Dämpfungsmessung ist eine Methode zur Untersuchung der Wechselwirkung zwischen Flüssigkeiten und flachen Materialproben wie Papier, Karton, Textilien usw. Dazu wurde ein Penetrations Dynamic Analyzer „emtec PDA.C 02“ der Emtec Electronic GmbH, Leipzig, eingesetzt.
Das Messverfahren beruht auf dem Prinzip der Erfassung der Intensitätsände- rung von Ultraschallsignalen, die eine Materialprobe während des einseitigen Kontaktes mit einer Flüssigkeit – hier Wasser – durchdringen. Das Wasser so- wie der Kunststoff des Probenträgers übertragen Ultraschallsignale mit kurzer Weglänge mit beinahe unverminderter Intensität. Trockenes Papier dagegen absorbiert einen großen Teil dieser Signale auf Grund der in den Poren enthal- tenen Luft. Mit dem Eindringen des Wassers wird die Luft verdrängt und das Porenvolumen mit Wasser aufgefüllt, was zu Veränderungen des Ultraschall- signals führt.
Erfassung der Nassdehnung mit Hilfe des Wet Stretch Dyna- mics Analyzer (WSDA)
Das Gerät besteht aus einem Kontaktgefäß, in dem die Prüfflüssigkeit (destil- liertes Wasser) eingefüllt wird. Das Gefäß wird solange befüllt, bis die Oberflä- chenspannung bricht und ein Teil der Flüssigkeit abläuft. So ist sichergestellt, dass immer mit derselben Menge gemessen wird.
Oberhalb dieses Gefäßes befindet sich am Stativ die Einspannvorrichtung mit den Klemmen zum Einspannen der Papierprobe. An dieser Vorrichtung befin- den sich ein Waagebalken zum Einstellen der Vorspannkraft, sowie der Weg- messsensor zur Aufnahme der Längenänderung des Papiers während der Nassdehnungsmessung.
Der Prüfstreifen wird in der gewünschten Orientierung mit den Abmessungen 210 mm x 60 mm mittels einer Schablone und einem Markierungsstift vorberei- tet, so dass bei der nachfolgenden Penetration das Wasser nicht über die Messfläche hinaus ins Papier eindringen kann. Anschließend wird der Streifen in die Spannvorrichtung eingelegt, so dass die Zungen der Waagebalken exakt übereinstimmen.
Die eingespannte Probe wird auf das im Normalfall mit Wasser gefüllte Kon- taktgefäß gefahren und ab dem Zeitpunkt, wenn das Messgerät in Ruhe ist, die Längenänderung des Streifens gemessen. Die Messung erfolgt über einen Wegmesssensor und die Nassdehnung wird in Abhängigkeit von der Zeit auf- gezeichnet. Die Messwerte werden ab dem Zeitpunkt Null, das heißt ab dem Flüssigkeitskontakt gemessen, aber wegen der mechanischen Schwingung beim Kontakt erst nach 250 ms als Messkurve dargestellt.
Die Besonderheit der Methode ist die Möglichkeit, Ober– und Unterseite der Papierprobe getrennt messen zu können, weil die Benetzung des Papiers je- weils nur von einer Seite aus erfolgt.
Erfassung der Dimensionsän- derung unter Hit- zeeinwirkung durch das Mess- gerät Heat Shrinkage Analy- zer (HSA)
Das Messgerät Heat Shrinkage Analyzer (HSA) dient zur Erfassung der Dyna- mik der Dimensionsänderung einer Papierprobe unter einseitiger Hitzeeinwir- kung. Das Gerät besteht aus einer Einspannvorrichtung ähnlich wie beim Wet Stretch Dynamic Analyzer, allerdings wird hier der Papierstreifen auf eine Heiz- zelle aufgelegt.
In dem Heat Shrinkage Analyzer (HSA) werden Papierstreifen mit einer Breite von 60 mm und einer Länge von 210 mm zwischen zwei Einspannklemmen fi- xiert. An einer der Klemmen kann eine Vorspannung von 0-5 N über den Waa- gebalken angelegt werden. Unter dem eingespannten Papierstreifen befindet sich die Heizzelle (Fläche 60 mm × 60 mm) mit stufenlos regulierbarer Tempe- ratur. Über Sensoren in den Einspannklemmen wird die Dimensionsänderung gemessen. Als Messergebnis erhält man ein Dimensions-Zeit-Diagramm, wobei die Längenänderung der Probe in Prozent angegeben wird. Die Auswertung der Daten bezieht sich nur auf die beheizte Teilfläche des Papiers von 60 × 60 mm.
Bestimmung der Planlageabwei- chung
Die Planlageabweichung an Wellpappenproben wurde in Anlehnung an das FGP-Merkblatt FGP-PR: 01/97 bestimmt. Die Wellpappenprobe wird auf eine ebene Tischplatte gelegt und an den vier Ecken die Höhendifferenz mit einem geeigneten Messinstrument auf 0,5 mm gemessen. Die mittlere Wölbhöhe er- rechnet sich als Mittelwert der Höhendifferenzen der vier Ecken. Per Definition wird eine konvexe Wölbung – Krümmungsradius zur Außendecke - mit positi-
vem Vorzeichen und eine konkave Wölbung – Krümmungsradius zur Innende- cke – mit negativem Vorzeichen versehen. Die Materialdicke des Kaschierver- bundes wird dabei berücksichtigt.
Abbildung 2: Bestimmung der Planlageabweichungen
E-Modul Der Elastizitätsmodul (auch Zugmodul oder Dehnungsmodul) ist ein Material- kennwert, der den Zusammenhang zwischen Spannung und Dehnung, bei der Verformung eines Papierstreifens, bei linear elastischem Verhalten beschreibt.
Der Elastizitätsmodul wird als Formelzeichen mit E abgekürzt und hat die Ein- heit einer mechanischen Spannung. Der Betrag des Elastizitätsmoduls ist umso größer, je mehr Widerstand ein Papier seiner elastischen Verformung entge- gensetzt. Ein Papier mit einem höheren Elastizitätsmodul ist also steifer als ein Papier gleicher geometrischer Abmessung mit niedrigerem Elastizitätsmodul.
Der Elastizitätsmodul wird im Zugversuch nach DIN EN ISO 1924-2 ermittelt und ist als Steigung des Kraftverlaufs im Spannungs-Dehnungs-Diagramm bei einachsiger Belastung innerhalb des linearen Elastizitätsbereichs definiert. Der Elastizitätsmodul hängt u.a. von den Umgebungsbedingungen wie Temperatur oder Feuchte ab.
Zugversuch an konditionierten Papierproben
In diesem Versuchszyklus wurde der E-Modul von vorkonditionierten Papieren (Feuchtklima 85 % r.H.; Trockenklima 33 % r.H.) bestimmt. Hierfür wurden die vorgeschnittenen Papierstreifen in einer Klimakammer bei gewünschter relativer Luftfeuchtigkeit (r.H.) und 23 °C vorkonditioniert.
Die Konditionierung der Proben und die Prüfung konnten jedoch nicht im glei- chen Raum erfolgen. Damit kein Feuchtigkeitsaustausch der Papierproben mit dem Umgebungsklima während des Zugversuchs und beim Transport stattfin- den konnte, wurden die Prüfstreifen in Kunststofftaschen mit den Maßen 170 mm x 20 mm nach Konditionierung gegeben. Die Messung wurde an den Prüfstreifen mit der Kunststofftasche durchgeführt, wobei die Zugbelastung nur am Papierstreifen erfolgte.
Zugversuch an beheizten Pa- pierproben
Diese Versuchsreihe wurde zur Bestimmung des E-Moduls bei Papieren mit hoher Temperatur durchgeführt. Da sich eine vorgewärmte Papierprobe wäh- rend des Einspannens in die Prüfmaschine wieder abkühlen würde und das Handling einer auf 80 °C erhitzte Probe schwierig wäre, wurde eine Heizvorrich-
tung für den Zugversuch konstruiert. Diese konnte durch einen elektronisch re- gulierbaren Heizkolben auf eine voreingestellte Temperatur erwärmt werden.
Die Kontaktfläche der Heizplatte hatte die Abmessungen von 180 x 40 mm und wurde so in der Zugprüfmaschine eingebaut, dass die eingespannte Papierpro- be in direktem Kontakt zur Heizplatte war. Die Probe wurde dann so lange er- hitzt bis eine Temperatur von 80 °C erreicht wurde. Die Probentemperatur wur- de durch ein Infrarot-Thermometer überprüft.
Messverfahren zur Klebstoffana- lytik
Tabelle 3: Messverfahren zur Klebstoffanalytik
Parameter Messmethode
Viskosität (Rotationsviskosimeter) In Anlehnung an DIN EN ISO 3219 Oberflächenspannung (tensiometrisch) DIN ISO 1409
Dichte (gravimetrisch) Pyknometer
Kontaktwinkel (Benetzung) PTS-Methode PTS-PP: 103/85 Tortuosität,
Erläuterung Der in den Modellen berücksichtigte Parameter „Tortuosität“ gibt an, wie lang im Mittel eine Kapillare im Papier angenommen wird. Bezogen auf das Gesamtpa- pier (Liner) ist die Tortuosität ein Faktor, der sich als Quotient von Kapillarlänge in z-Richtung des Papiers und Papierdicke berechnet. Die Tortuosität lässt sich nicht direkt bestimmen/messen. Sie kann nur abgeschätzt werden, z.B. aus der Auswertung von REM-Bildern der betreffenden Papierquerschnitte.
Matlab als Programmier- werkzeug
Die Penetrationsmodelle wurden mit Hilfe der Programmierumgebung Matlab [40] als eigenständige Lösung programmiert, wobei die für die Problemstellung wichtigen Prozessbedingungen in die Modelle integriert wurden. Mit der so er- stellten Software konnten auch die Variantenrechnungen durchgeführt werden.
FEM zur Model- lierung des Plan- lageverhaltens
Im Rahmen der Modellierungsarbeiten wurde die Finite-Elemente-Methode (FEM) eingesetzt, um das Planlageverhalten von Wellpappenaufbauten unter Berücksichtigung der durch Feuchtegehaltsänderungen bedingten Dehnungen der Einzellagen zu berechnen. Dazu wurden verschiedene mehrlagige Aufbau- ten, bestehend aus innerem und äußerem Liner sowie der Welle, mit dem Soft- warepaket LS-Dyna (Fa. Dynamore) nachgebildet. Für die einzelnen Materialla- gen erfolgte die Implementierung der zugehörigen Materialkennwerte (feuchte- abhängiger E-Modul und Dehnungskoeffizient). Für definierte Feuchtegehalts- änderungen wurde das zu erwartende Planlageverhalten berechnet. Die Vali- dierung vereinfachter Fälle erfolgte anhand analytischer Berechnungen.
Die für die Rechnungen vorzugebenden Modellparameter der Papierlagen wie Schichtdicke, E-Modul (feuchteabhängig), Dehnungen (Dehnungskoeffizient, Feuchtedifferenz) wurden aus den im Rahmen des Projektes durchgeführten Messungen beschafft. Weitere Kenngrößen, wie z.B. Querdehnzahlen oder Schubmodulwerte, wurden abgeschätzt bzw. aus der Literatur übernommen.
Testrechnungen zeigten, dass diese abgeschätzten Größen nur geringen Ein- fluss auf das Modellergebnis haben.
4 S ys temaufnahmen Untersuchte
Werke Drei Wellpappenwerke wurden untersucht. Die Anlagen waren von der Fa. BHS mit leicht unterschiedlichen Modifikationen (unterschiedliche Baujahre). Die Ma- schinen waren für zweiwellige Wellpappen ausgelegt. Im Rahmen des Projekts wurden Produktionen von einwelligen Wellpappen (B-Welle) untersucht.
Prozessdaten Bei den Systemaufnahmen wurden folgende Parameter an verschiedenen Ma- schinenpositionen aufgenommen:
• Oberflächentemperatur der Wellpappe-Bahn (IR-Thermometer)
• Oberflächenfeuchte der Wellpappe-Bahn (IR-Moister Meter Visilab AK30)
• Ermittlung des Feuchtegehaltes von Papier und Wellpappe (Trockenschrank- Methode nach DIN EN ISO 287 bzw. mit Trocken-Waage)
An Proben der eingesetzten Papiere wurden die Materialkennwerte ermittelt.
Ergebnisse der
Systemanalysen Die Randbedingungen der unterschiedlichen Wellpappenanlagen sind zwar im Trend für alle Maschinen ähnlich, wobei jedoch erhebliche Unterschiede in Temperaturen und Feuchtegehalte der Papierbahnen an den verschiedenen Prozesspositionen zwischen den Anlagen festzustellen sind. Deshalb ist es nicht möglich, eine grundsätzliches Temperatur- und Feuchteprofil entlang des Wellpappenprozesses aufzustellen. Jede Anlage hat ihr eigenes und individuel- les Prozessprofil. In den nachfolgenden Abbildungen sind ausgewählte Ergeb- nisse aus den Systemanalysen an drei WPA’s zusammengestellt.
Abbildung 3: Bahntemperaturen aus den drei Systemanalysen
Bahnfeuchte
Abbildung 4: Bahnfeuchten aus den drei Systemanalysen
5 L aborunters uchungen Bestimmung der
mechanischen und Penetrati- onseigenschaf- ten
Von den Projektbegleitern wurden unterschiedliche Papiersorten zur Verfügung gestellt. Diese Papiere stellen einen repräsentativen Querschnitt der in den be- teiligten Werken eingesetzten Wellpappenrohpapiere dar. Dabei wird zwischen drei verschiedenen Papierqualitäten unterschieden:
• Kraftliner: enthält mindestens 70 % Sulfatzellstoff und bis zu 30 % Altpapier.
Die langen Fasern des Sulfatzellstoffs verleihen dem Kraftliner eine besonde- re Festigkeit.
• Testliner: ein zwei- oder mehrlagiges Deckenpapier mit garantierten (getes- teten) Festigkeitseigenschaften. Bei den meist zwei Lagen wird im Allgemei- nen eine dickere Unterlage (Trägerschicht) aus gemischtem Altpapier mit ei- ner Deckenlage aus reinen Wellpappenabfällen gegautscht.
• Wellenpapiere: (englisch „fluting“) sollen in erster Linie vertikalen Druck ab- federn, müssen also eine möglichst hohe Steifigkeit bieten. Daneben sollen sie ausreichend elastisch sein, damit die Wellpappe bei nachlassendem Druck wieder in die Ausgangslage zurückschwingt. Wellenpapiere sind Wel- lenstoff und Halbzellstoff.
• Sonderpapiere: außerdem werden noch weitere Papiersorten wie z.B. reine Zellstoffpapiere (Lebensmittelkontakt) und GD-Sorten (gestrichene Duplex- papiere) als Deckenpapiere eingesetzt.
Von den eingesetzten Papieren wurden die Grundeigenschaften wie Dicke, flä- chenbezogene Masse und spezifisches Volumen gemäß den entsprechenden Normen ermittelt.
Außerdem wurden die Feuchtdehnungseigenschaften der Papiere nach ISO
8226-2 sowohl in Maschinenrichtung (MD) als auch in Querrichtung (CD) er- fasst. Die Längenänderung der Prüfstreifen wurde nach einer Umklimatisierung der Papiere von 33% auf 85% relativer Luftfeuchte (r.H.) bestimmt. Die Feucht- dehnung wird in % angegeben und berechnet sich nach folgender Formel:
Darin bedeutet:
• l85 = Länge des Probenstreifens in mm bei 85% relativer Luftfeuchte
• l33 = Länge des Probenstreifens in mm bei 33% relativer Luftfeuchte
• l0 = Länge des Probenstreifens in mm bei 50% relativer Luftfeuchte Grundeigenschaf
ten und Feucht- dehnung der ein- gesetzten Pa- piersorten
Tabelle 4: Gemessene Grundeigenschaften der eingesetzten Papiere
Deckenpapiere Wellen-
papiere Parameter Einheit Kraftliner Testliner GD-Papiere
Flächenbezo-
gene Masse g/m² 126,8 – 170,0 116,2 - 166,6 154,7 - 176,4 79,4 – 127,0 Dicke µm 150,1 – 231,8 154,4 - 242,8 170,1 - 197,5 120,0 - 189,2 Spezifisches
Volumen cm³/g 1,133 - 1,364 1,049 - 1,576 1,100 - 1,120 1,467 – 1,520 Feuchtdehnung
(CD) % 0,65 – 1,25 0,75 – 1,18 0,82 – 0,85 0,50 – 1,04 Feuchtdehnung
(MD) % 0,18 – 0,31 0,13 – 0,33 0,11 – 0,22 0,19 – 0,28 Feuchtdehnungs
eigenschaften Die Tabelle 4 zeigt, dass die Feuchtdehnungseigenschaften der unterschiedli- chen Wellpappenrohpapieren – bis auf einige Ausnahmen – sowohl in Quer- richtung (CD) als auch in Maschinenrichtung (MD) weitgehend auf dem glei- chen Niveau liegen. In aller Regel wird das Feuchtdehnungsverhalten von Pa- pier neben den Fasereigenschaften durch die Bahnzugs- und Querzugsverhält- nisse in der Papiermaschine bestimmt. Eine starke Querschrumpfung bei der Papierherstellung bewirkt eine hohe Feuchtdehnung bei späterer Feuchtigkeits- einwirkung. Wird das Papier in der Querschrumpfung bei der Herstellung ge- hindert, wird die spätere Dehnung nicht mehr so stark ausfallen.
Strichdicke Die Ermittlung der Strichdicke kann messtechnisch nicht eindeutig festgestellt werden, da es sich beim Streichen von Papier in aller Regel um ein nivellieren- des Auftragsverfahren handelt. Das bedeutet, dass aufgrund der Oberflächen- morphologie der Basispapiere im Strich sowohl dünne als auch dickere Berei- che vorhanden sind. Deshalb wurde von einer mittleren Strich-Auftragsmenge von 15 g/m² ausgegangen. Bei einem spezifischen Volumen von ca. 1 cm³/g kann von einer mittleren Schichtdicke von etwa 15 µm ausgegangen werden.
Da die gestrichenen Außenseiten der Deckenpapiere für die Abschätzung der Penetrationseigenschaften der Papiere lediglich eine untergeordnete Rolle spie- len, ist diese Vereinfachung der Strichdicke zulässig.
Penetrationseige
nschaften Zur Abschätzung des Penetrationsverhaltens der verschiedenen Wellen- und Deckenpapieren wurde die Penetrationsdynamik bei einseitigem Flüssigkeits- kontakt mit den Papieroberflächen mit Hilfe des Penetrations-Dynamic- Analysators (PDA) erfasst. Da jedoch lediglich diejenige Papierseite, die mit dem flüssigen Wellpappenklebstoff in Kontakt kommt, von Interesse war, wur- den bei den Deckenpapieren nur die Innenseiten, bei den Wellenpapieren beide Papierseiten untersucht. Die Ergebnisse der Untersuchungen zur Penetrations- dynamik sind in den nachfolgenden Abbildungen zusammengefasst.
Abbildung 5: Penetrationskurven verschiedener Wellpappenpapiere; (1) Kraftliner; (2) Test- liner; (3) Wellenpapiere; (4) Sonderpapiere (GD-, HP-Papiere)
Penetrationsei-
genschaften Aus den Diagrammen ist zu erkennen, dass die unterschiedlichen Papiersorten einen signifikanten Einfluss auf die Penetrationseigenschaften haben.
• Bei den Kraftlinerpapieren ist eine ausgeprägte Benetzungsphase zu sehen (Anstieg bis Kurvenmaximum), an die sich eine verlangsamte Penetrations- phase (Kurvenverlauf nach Maximum) anschließt. Bei den meisten Papie- ren erreicht die Penetrationskurve erst nach einer Eindringzeit von 30s ei- nen Intensitätswert (I) von 40%.
• Die Testlinerpapiere zeigen im Gegensatz zu den Kraftlinerpapieren ein in- differentes Penetrationsverhalten. Einige Papier verhalten sich wie Kraftli- ner, einige eher wie Wellenpapiere. Hier sind offenbar unterschiedliche Oberflächen- bzw. Masseleimungen der Papiere eingesetzt worden, die die Penetration von Wasser ins Papier beeinflussen.
• Bei den Wellenpapieren sollte eine gute Benetzung und schnelle Penetrati- onsmöglichkeit gegeben sein, damit sie bei der Wellpappenherstellung gut und schnell verkleben. Dies zeigen auch die erfassten Penetrationskurven.
Das Kurvenmaximum wird bereits nach sehr kurzer Benetzungsphase er- reicht. Danach erfolgt eine sehr schnelle Flüssigkeitspenetration (starker Kurvenabfall). Die Kurven erreichen bereit nach < 5s Eindringzeit den In- tensitätswert (I) von 40%.
• Das Penetrationsverhalten der Sonderpapiere GD ist mit dem der Testliner vergleichbar und das der HP-Wellenpapiere gleicht erwartungsgemäß dem der übrigen Wellenpapiere.
TSI, TSO Darüber hinaus wurden an jeweils zwei Außen- und Innendecken und einem Wellenstoff TSI- und TSO-Messungen durchgeführt (siehe Tabelle 5).
Tabelle 5: TSI- und TSO-Messungen
TSI, MD [kNm/g] TSI, CD [kNm/g] TSI
MD/CD TSO Angle
Mittel- wert Var.-
Koeff. Min Max Mittel- wert Var.-
Koeff. Min Max 0 Mittel- wert Var.-
Koeff. Min Max Kraftliner AD 5,2 3,8 4,9 5,42 11,4 2,0 11,21 11,86 0,46 5,4 27,2 3,58 7,09 ID 5,1 5,1 4,67 5,45 11,6 3,1 10,86 11,82 0,44 3,4 57,5 1,25 6,79 Wellenstoff HPZ 4,5 1,3 4,4 4,53 10,3 0,9 10,17 10,44 0,43 3,5 25,9 2,56 5,07 Testliner AD 3,8 2,4 3,68 3,89 9,1 1,6 8,97 9,33 0,42 6,8 11,9 6,08 8,42 ID 3,8 3,4 3,64 4,00 9,1 2,2 8,82 9,31 0,42 6,7 19,3 5,23 8,82 Porositäten im
Normklima (NK) Eine für die Modellierung der Penetrationsprozesse wesentliche Eigenschaft ist die Porosität, wobei vor allem die Gesamtporosität der Liner in % und der mitt- lere Porenradius in µm in die Berechnungen einfließen. Die Abbildung 6 zeigt die Porositäten der Papiere. Gegenübergestellt sind die Porositäten im Norm- klima und die etwas veränderten Werte nach leichter Befeuchtung (ca. 5%
Feuchteeintrag). Für die Modelle kann man z.B. annehmen, dass zunächst die Normklimawerte gelten, im weiteren Prozess am Kaschierwerk aber für den Wellenstoff dann bereits eine Befeuchtung eingetreten ist. Eine analoge Dar- stellung für die Porenradien zeigt Abbildung 7.
Abbildung 6: Porositäten der Papiere, sowohl im Normklima (NK) als auch in Befeuchtungsstufe 1 (ca. 5% zusätzliche Feuchte)
Abbildung 7 Porenradien im Normklima & mit 5% zusätzlich befeuchtet
Dehnung und Stei- figkeit der Well- pappenpapiere bei Befeuchtung und Trocknung
Zur Charakterisierung der Wellpappenpapiere hinsichtlich ihrer Dehnungs- und Steifigkeitseigenschaften, die die Planlage der fertigen Wellpappe möglicher- weise beeinflussen können, wurden mehrere Materialkenngrößen ermittelt.
Zum einen wurde untersucht, wie sich die Feuchtigkeitseinflüsse auf die Pa- piersteifigkeit, gekennzeichnet durch den Elastizitäts-Modul (E-Modul / Zugstei- figkeit), auswirken. Dazu wurden die Decken- und Wellenpapiere bei unter- schiedlichen klimatischen Umgebungsbedingungen konditioniert (Normbedin- gung: 23°C/ 50 % r.H.; Feuchtbedingung: 23°C/ 85 % r.H.; Trockenbedingung:
23°C/ 5% r.H.). An den konditionierten Papieren wurden dann mittels Zugver- such nach DIN EN ISO 1924-2 die E-Module sowohl in Maschinenrichtung MD als auch in Querrichtung CD ermittelt.
Weiterhin wurde zur Kennzeichnung der Dehnungseigenschaften der Papiere das Dehnungsverhalten bei einseitigem Kontakt mit Wasser ermittelt. Dies er- folgte über die Bestimmung der Nassdehnung mit dem Wet Stretch Dynamics Analyzer (WSDA). Hierbei wurde nur die für eine dehnungsbedingte Planlage- abweichung relevante Querrichtung CD der Papiere untersucht.
Zur Kennzeichnung des Schrumpfungsverhaltens der Papiere, wie es bei ein- seitiger Hitzeeinwirkung der Fall sein würde, wurden Untersuchungen mit dem Heat Shrinkage Analyzer (HSA) durchgeführt.
E-Modul –
Normbedingungen
In der nachfolgenden Tabelle 6 sind die E-Module aller Wellpappenpapiere gemessen unter Normbedingungen (23°C/ 50% r.H.) gegenübergestellt.
Tabelle 6: Elastizitäts-Module (E-Modul) von Wellpappenpapieren bei Normklima 23°C / 50% relativer Luftfeuchte
Deckenpapiere Wellen-
papiere Parameter Einheit Kraftliner Testliner GD-Papiere
E-Modul (CD) N/mm² 1602 - 3330 1133 - 2545 2344 - 2474 1389 - 2099 E-Modul (MD) N/mm² 2996 - 7844 2539 - 6027 5108 - 5482 2853 - 5548 Aus den Messergebnissen ist zu erkennen, dass die Kraftliner die höchsten E-
Module aufweisen. Die E-Module der Testliner und auch der Wellenpapiere sind im Vergleich dazu deutlich kleiner (geringere Steifigkeit). Zwischen diesen ist beim E-Modul kein signifikanter Unterschied, evtl. noch ein geringer in Quer- richtung, zu sehen.
E-Modul – trocken/ feucht
In Tabelle 7 sind die E-Module der Wellpappenpapiere, die bei verschiedenen klimatischen Bedingungen konditioniert wurden, zusammengestellt. Sie wurden sowohl in Maschinenrichtung als auch in Querrichtung ermittelt. Anhand der Er- gebnisse sind zwischen Norm- und Trockenklimabedingungen keine eindeutig interpretierbaren Unterschiede ableitbar. Einerseits sich oft keine großen Ein- flüsse der Feuchtezustände erkennbar, andererseits zeigen die E-Module nicht den erwarteten Trend. Offenbar sind hier die aus der Papiererzeugung stam- menden, fixierten Spannungszustände, noch so vorherrschend, dass die klima- tischen Einflüsse dadurch überdeckt werden.
Dagegen ist ein sehr deutlicher Einfluss nach der Lagerung im Feuchtklima zu identifizieren. Mit höherem Feuchtegehalt im Papier, der sich auf Grund der La- gerbedingungen im Papier einstellt, sinkt der E-Modul signifikant. Dieser Trend ist über alle Papier gleich, wobei sich bei den einzelnen Papieren das Niveau wiederum in Abhängigkeit von der Papiersorte deutlich unterscheidet. Bei den Kraftpapieren werden höhere E-Modulwerte gemessen als bei den Testlinern.
Die geringsten Werte zeigen die Wellenpapiere. Entsprechend der Anisotropie der Papiere unterscheiden sich die Werte in MD- und CD-Richtung.
Tabelle 7: Elastizitäts-Module (E-Modul) von Wellpappenpapieren bei 23°C und 5%, 50%, 85% relativer Luftfeuchte)
Deckenpapiere Wellen-
papiere Parameter Kraftliner Testliner GD-Papiere
E-Modul (CD) 5 % r.H. 2290 - 3220 1491 - 2711 2240 - 2747 1428 - 2168 50 % r.H. 1602 - 3330 1133 - 2545 2344 - 2474 1389 - 2099 85 % r.H. 1091 - 1717 316 - 958 760 - 819 397 - 1021 E-Modul (MD) 5 % r.H. 5735 - 7324 4238 - 6617 5465 4225 - 5725
50 % r.H. 2996 - 7844 2539 - 6027 5108 - 5482 2853 - 5548 85 % r.H. 4209 - 5145 2614 - 3753 3411 2701 - 3555
E-Modul – Hitze / feucht
Um das Steifigkeitsverhalten der Papiere bei Hitzeeinwirkung und insbesondere im feuchten Zustand beurteilen zu können, wurden die E-Module auch an Pa- pieren mit höherer Temperatur ermittelt. Dabei wurde ebenso untersucht, wie sich die Steifigkeit entwickelt, wenn feuchte Papiere aufgeheizt werden.
Aus Abbildung 8 ist zu erkennen, dass mit zunehmender Temperatur auch der E-Modul der Papiere größer wird, d.h. die Steifigkeit erhöht wird. Dieser Effekt ist mit Sicherheit auf das Austrocknen der Papiere durch die Temperatureinwir- kung zurückzuführen.
Die E-Module bei gefeuchteten und beheizten Papieren zeigen erneut den sig- nifikanten Einfluss des Feuchtegehaltes. Zusätzlich ist eine Flexibilisierung durch den Temperatureintrag festzustellen. Der E-Modul der feuchten und be- heizten Papiere ist etwas niedriger als bei nur feuchten Papieren. Hier wird of- fensichtlich noch eine weitere Erweichung im Papier erzielt (Abbildung 9).
Abbildung 8: E-Module an erwärmten Papieren – beispielhaft für Kraft- und Testliner sowie Wellenpapier (MD- und CD-Richtung)
Abbildung 9: E-Module von erwärmten, feuchten Wellenpapieren – bei- spielhaft für Kraft- und Testliner sowie Wellenpapier (MD- und CD- Richtung)
Dehnung Zur Erfassung des Dehnungsverhaltens bei einseitiger Befeuchtung und der Dimensionsänderung unter Hitzeeinwirkung wurden Untersuchungen mit dem Wet Stretch Dynamics Analyzer (WSDA) und dem Heat Shrinkage Analyzer (HSA) durchgeführt. Dabei wurde vorwiegend die für die Planlage von Well- pappe maßgebliche Dimensionsänderung in Querrichtung betrachtet.
Wet Stretch Dy- namics Analyzer (WSDA)
Über den Klebstoffauftrag in der Wellpappenmaschine wird ein hoher Anteil an Wasser in die Papiere eingetragen. Dieser Wasseranteil führt bei den Papieren durch Quellung der Fasern zu Dimensionsänderungen, insbesondere in den Faserkreuzungspunkten. Dabei spielt das Penetrationsverhalten des Wassers in das Papier eine entscheidende Rolle. Die Messung mit dem Wet Stretch Dy- namics Analyzer (WSDA) erfasst gleichzeitig beide Verhalten, indem das Pa- pier einseitig mit flüssigem Wasser benetzt und durchtränkt wird. Die daraus resultierende zeitabhängige Längenänderung im Papier wird gemessen.
In Abbildung 10 sind die Ergebnisse für unterschiedliche Papiersorten zu- sammengestellt. Es ist zu erkennen, dass das Nassdehnungsverhalten sehr stark von der Papiersorte abhängig ist. Einflussgrößen auf das Nassdehnungs- verhalten sind die eingesetzten Fasern (Primär oder Sekundärfasern), der ein- oder mehrlagige Aufbau des Papiers sowie der Einsatz von chemischen Hilfs- mitteln (z.B. Papierleimung). Klar erkennbar ist die geringe Nassdehnung bei den Kraftlinern. Ebenso eindeutig ist die schnelle und hohe Nassdehnung bei den Wellenpapieren, wobei nur ein marginaler Einfluss von der benetzten Pa- pierseite zu sehen ist. Wellenpapiere sind für eine schnelle Wasseraufnahme, zur Optimierung der Verklebungseigenschaften, konzipiert.
Die größte Variationsbreite ist bei den Testlinern zu finden. Hier ist vermutlich der größte Einfluss im Papier- bzw. Lagenaufbau und in der Leimung des Pa- piers zu vermuten. Die flächenbezogene Masse bzw. die Dicke des Papiers haben dabei offenbar keine Auswirkung auf das Nassdehnungsverhalten.
Abbildung 10: Nassdehnungsverhalten verschiedener Wellpappenpapiere bei
23°C/50%r.H.; (1) Kraftliner; (2) Testliner; (3) Wellenpapiere; (4) Sonder- papiere (GD-, HP-Papiere)
Heat Shrinkage
Analyzer (HSA) In einer WPA erfolgt die Trocknung stets mit untenliegenden Heizplatten, so dass die Wärme immer von der Oberseite der Papierbahn der Außendecke in die Wellpappe übertragen wird. Das wurde bei den Deckenpapieren für die Un- tersuchungen stets berücksichtigt. Bei den Wellenpapieren haben Vorversuche gezeigt, dass die Dimensionsänderung weitgehend unabhängig von der be- heizten Papierseite war. Damit der Feuchtezustand der Papiere beim Einlauf in die Heizpartie mit berücksichtigt werden konnte, wurden die Versuchspapiere mit zwei unterschiedlichen Ausgangsfeuchten für die Messungen vorbereitet.
Für eine Versuchsreihe wurden die Papiere bei 23 °C und 50 % relativer Luft- feuchte vorkonditioniert. Für eine weitere Versuchsreihe wurden die Papiere bei 23 °C und 85 % relativer Luftfeuchte vorkonditioniert.
Frühere Arbeiten (41, 42) haben gezeigt, dass das Verhältnis einer Schrump- fung in Querrichtung zu der einer in Längsrichtung ca. mit 2:1 – 3:1 ausfällt. Aus diesem Grund war für die im Rahmen des Projektes durchgeführten Untersu- chungen im Wesentlichen die für die Planlage wichtige Schrumpfung in Quer- richtung des Papieres relevant.
Abbildung 11: Dimensionsänderungen unter Hitzeeinwirkung verschiedener Wellpappenpa- piere bei 23°C/50%r.H.; (1) Kraftliner; (2) Testliner; (3) Wellenpapiere; (4) Son- derpapiere (GD-, HP-Papiere)
Die Diagramme in Abbildung 11 zeigen die Messkurven der Dimensionsände- rung von Wellpappenpapieren, die bei 23°C/50%r.H. vorkonditioniert wurden.
Es ist insbesondere im Anfangsbereich in der Steigung der Messkurven ein Un- terschied zwischen den Papieren zu erkennen. Ein analoges Ergebnis zeigten die Messkurven der Papiere, die bei hoher Luftfeuchte (23°C/85%r.H.) konditio- niert wurden, nur waren die Dimensionsänderungen dort im Betrag größer. Dies bestätigen auch die Ergebnisse aus den Berechnungen der Schrumpfge- schwindigkeiten (Abbildung 12).
Berechnung der Schrumpfungs- geschwindigkeit
Ausgehend von der Annahme, dass in einer modernen WPA die Durchlaufdau- er in den Bereichen, in welchem das Papier mit Hitze in Berührung kommt, nicht länger als 6 Sekunden dauert, wurde der Faktor Schrumpfungsgeschwindigkeit definiert [42]. Für diesen Faktor werden jeweils die ersten 6 Sekunden der Schrumpfung ab dem Kurvendurchgang der Nulllinie betrachtet. An dieser Teil- kurve wird jeweils die Schrumpfgeschwindigkeit der einzelnen Datenpunkte er- rechnet und anschließend das arithmetische Mittel über alle Schrumpfge- schwindigkeiten genommen, um somit einen Faktor zu erhalten, der eine mittle- re Schrumpfgeschwindigkeit im relevanten Bereich angibt.
Abbildung 12: Schrumpfungsgeschwindigkeiten unter Hitzeeinwirkung verschiedener Wellpappenpapiere bei 23°C/50% r.H und bei 23°C/85% r.H. vorkonditioniert.;
(1) Kraftliner; (2) Testliner; (3) Wellenpapiere; (4) Sonderpapiere (GD-, HP- Papiere)
6
Allgemeines Als Datenbasis für die Penetrationsmodellierung wurden 5 verschiedene Kleb- stoffe untersucht. Die Klebstoffe 1 bis 3 wurden als Fertigklebstoff seitens der Wellpappenwerke A und B angeliefert. Bei der PTS wurden anschließend deren Eigenschaften gemessen. Die Klebstoffe 4 und 5 wurden als Basismaterialien geliefert. Daraus wurden die Klebstoffe bei der PTS gemäß Rezeptur aufbereitet und unmittelbar danach gemessen. Insofern ist es möglich, dass die Messwerte der Klebstoffe 4 und 5 näher an den realen Parametern im WP-Werk liegen.
Tabelle 8: Übersicht der im Projekt untersuchten Klebstoffe
Bezeichnung Bemerkung
Klebstoff 1 Werk A
Klebstoff 2 Werk B, Sorte 1 Klebstoff 3 Werk B, Sorte 2
Klebstoff 4 Werk C
Klebstoff 5 Sorte D
Bei der Messung der Basisdaten wurde allerdings berücksichtigt, dass bei Well- pappenklebstoffen ab einer Temperatur von ca. 55°C die Quellung der Stärke- körner einsetzt (Verkleisterungstemperatur). Deshalb erfolgten die Messungen der Basisdaten bis maximal zu dieser Verkleisterungstemperatur.
Dichten der
Klebstoffe Die Dichte der Wellpappenklebstoffe wurde gravimetrisch (Pyknometerverfah- ren) ermittelt. Dazu wurde ein exakt definiertes Klebstoffvolumen ausgewogen und über Volumen & Gewicht die Dichte ermittelt. Dieses Verfahren wurde auch zur Ermittlung der Dichte bei höherer Temperatur des Klebstoffs angewandt.
Abbildung 13: Dichte von Wellpappenklebstoffen (auf Stärkebasis) in Ab- hängigkeit der Temperatur
Abbildung 13 zeigt die temperaturabhängige Dichte der Klebstoffe 1 bis 3.
Trotz unterschiedlicher Feststoffgehalte und Rezepturen ist die Dichte der drei Klebstoffe mit 1,1 bis 1,3 g/cm³ nahezu gleich. Sie nimmt mit zunehmender Temperatur ab. Auch hier unterscheiden sich die Klebstoffe nicht signifikant.
Oberflächen- spannungen der Klebstoffe
Die Ermittlung der Oberflächenspannung an den flüssigen Wellpappenklebstof- fen wurde mit Hilfe eines Tensiometers K13 (Krüss GmbH, Hamburg) nach DIN ISO 1409 durchgeführt. Dabei wurde die Wilhelmy-Methode (Platte) ange- wandt. Für die Bestimmung der Oberflächenspannung bei höheren Temperatu- ren wurde vor der Messung der Klebstoff angewärmt und während der Messung der Probenbehälter im Gerät temperiert. In Abbildung 14 sind die Ergebnisse am Beispiel der Klebstoffe 1 bis 3 zusammengefasst.
Abbildung 14: Oberflächenspannung von Wellpappenklebstoffen (auf Stärkebasis) in Abhängigkeit der Temperatur
Im Gegensatz zu den Dichten der Klebstoffe sind in den Oberflächenspannun- gen deutliche Unterschiede zwischen den Klebstoffen zu erkennen. Auch der temperaturabhängige Verlauf ist dabei sehr verschieden.
Viskositäten bei
Normklima Das Fließverhalten von Flüssigkeiten wird über die Viskosität definiert. Da die meisten Klebstoffe ein strukturviskoses Verhalten aufweisen, ist zur Beschrei- bung von Klebstoffbasisdaten eine Viskositätskurve in Abhängigkeit Scherge- schwindigkeit/Zeit aufzunehmen. Damit lassen sich Eigenschaften wie pseudo- plastisches, dilatantes, thixotropes oder rheopexes Fließverhalten erfassen.
Abbildung 15: Viskosität von Wellpappenklebstoffen (auf Stärkebasis) in Abhängigkeit vom Schergeschwindigkeitsgefälle
Die Abbildung 15 zeigt die Viskositätskurven der Klebstoffe 1 bis 3, die bei Raumtemperatur (23°C) gemessen wurden. Die durchgezogenen Linien geben die Viskositäten mit steigendem Schergeschwindigkeitsgefälle wieder, die ge- strichelten Linien den Verlauf bei fallendem Schergeschwindigkeitsgefälle. Bei- de Kurven wurden unmittelbar nacheinander gemessen. Bei allen Klebstoffen ist ein pseudoplastisches Fließverhalten zu sehen. Allerdings ist bei den Klebstof- fen 1 und 3 die Strukturviskosität stärker ausgeprägt als bei Klebstoff 2. Außer- dem ist bei Klebstoff 1 und 3 ein leicht thixotropes Verhalten zu erkennen.
Viskositäten bei Temperatur- anstieg
Die für die Simulationen in der Maßeinheit [mPa s] benötigten Viskositätsdaten wurden im wichtigen Bereich zwischen 25°C und ca. 70°C mittels RVA-
Messungen mit steigender Temperatur gemessen. Eine Ergebnisübersicht zeigt Abbildung 16. Die Schwankungsbreite der Viskositäten im Bereich vor dem Gelierpunkt ist gut zu sehen. Einheitlich ist das bekannte leichte Absinken der Viskosität zwischen 25 und 55°C, wobei sich die Ausgangswerte bei 30°C doch deutlich unterscheiden.
Hinweis zu beobachteten Geliertemperatur: Die Messungen der Klebstoffe 1, 2 und 3 wurden mit einem anderen Messgerät/Messverfahren durchgeführt als die Messungen zu den Klebstoffen 4 und 5. Es ist sehr wahrscheinlich, dass die Temperaturen in den ersten 3 Fällen verfahrensbedingt als zu hoch angenom- men wurden, so dass auch dort die Gelierpunkte der Klebstoffe (Kurvenanstieg) im Bereich um 60°C oder etwas darunter liegen werden.
Abbildung 16: Viskositätswerte der 5 Klebstoffe im Bereich
Kontaktwinkel Für die Klebstoffe 2 bis 5 konnten die Kontaktwinkel gegen verschiedene Liner gemessen werden. Ausgewählt wurden beispielhaft ein Wellstoff (W6), ein Test- liner (T2) und ein Kraftliner (K4). Die Klebstoffe 2 und 3 wurden bei Raumtem- peratur gemessen, die Klebstoffe 4 und 5 bei der Prozesstemperatur von 35°C.
Klebstoff 4 wurde zusätzlich bei 50°C gemessen. Da diese Messung wenig Un- terschied zum Wert bei 35°C zeigt, wurde wegen des Aufwandes auf weitere Messungen bei 50° verzichtet.
Die Messungen wurden jeweils in 2 Serien zu je 10 Messungen durchgeführt
und zeigten eine hohe Reproduzierbarkeit. Insofern sind die Unterschiede be- züglich der Kontaktwinkel für verschiedene Liner durchaus als signifikant anzu- sehen. In der Tabelle sind die jeweiligen Mittelwerte dargestellt.
Tabelle 9: Kontaktwinkel für Klebstoffe bei verschiedenen Temperatu- ren, kombiniert mit 3 unterschiedlichen Linern
Mess-
Temperatur Kontaktwinkel
in °C Wellenstoff
(W6) Testliner
(T2) Kraftliner
(K4)
Klebstoff 1 Messung nicht er-
folgreich
Klebstoff 2 23 72°
Klebstoff 3 23 78°
Klebstoff 4 35 90° 110° 119°
Klebstoff 4 50 98° 108° 122°
Klebstoff 5 35 100° 110° 118°
Klebestellen-
Bilder Zur detaillierten Analyse der Klebestellen wurden von jodierten Proben Drauf- sicht-Aufnahmen gemacht, die die Klebstoffverteilung auf den Papieren für un- terschiedliche Wellenarten (B-, E-, F-Wellen) erfassen. Eine Abschätzung der Klebeflächen aus diesen Bildern ergab die in Tabelle 10 dargestellten Werte, die eine weitere wichtige Basis für die Modellrechnungen bilden.
Tabelle 10: Daten zur Klebstoffverteilung und deren Auftragsmenge. (Für F-Wellen wurden unterschiedliche Klebestellenbreiten gemessen.) Merkmale der Klebestellen Einheit B-Welle E-Welle F-Welle F-Welle
mittlere Abstände mm 6,30 3,10 2,24 2,24
mittlere Breiten mm 1,06 0,76 0,81 0,63
Klebstoffauftrag (brutto) g/m² 6 8 10 10
Feststoffgehalt im Klebstoff % 25 25 25 25
Wasser-Anteil im Klebstoff g/m² 4,5 6,0 7,5 7,5
prozentuale Leimfläche (Kleb) % 16,8 24,5 36,2 28,1
flüss. Anteil auf Leimflächen g/m² 26,7 24,5 20,7 26,7 Zur Erläuterung: Die mittleren Abstände der Klebestellen ergeben sich aus der Geometrie der Riffelwalze und können auf dem Papier gemessen werden. Aus den mittleren Breiten der Klebestellen kann dann die Leimfläche prozentual zur Papierfläche berechnet werden. Beim Klebstoffauftrag muss zwischen der Men- ge pro m² (brutto) und der lokalen Menge im Klebebereich unterschieden wer- den. Für die Penetrationsberechnung ist dann aber nur der Flüssig-Anteil des Klebstoffs von Interesse (letzte Zeile der Tabelle).
Diese Überlegungen sind für die realen Mengen- und Restmengenberechnun- gen in den Modellen wichtig.
Ergänzt wurden die Untersuchungen durch Querschnittsbilder der Wellpappen, die ebenfalls dazu dienten, den Klebeflächenanteil für die unterschiedlichen Wellenarten zu ermitteln.
7
7.1 Aufbau eines B as is modells zur Penetration von Was s er und K lebs toff in Wellpappenliner
Vorgehen Die Modellierung der Penetrationsvorgänge der Klebstoffe in Welle und Decken wurde in diesem Projekt auf den Erfahrungen der vorangegangenen PTS- Projekte „Toolbox“ [43] und „Kombidruck“ [44] entwickelt. Jedoch musste die Modellsoftware vor allem in folgenden Punkten erweitert werden:
• Beachtung von 2 Papieren (Linern) zeitlich gestaffelt in einer Rechnung,
• Beachtung von aufgenommenen Klebstoffmengen und deren Reste je m² bzw. je Klebefläche (Restmengenverwaltung),
• Beachtung von Prozesszeiten und zeitweilig wirkenden Anpressdrücken,
• Deutliche Erweiterung der Diagramme und Ergebnistabellen.
Bosanquet-
Modell Das Modell basiert auf der Differentialgleichung von Bosanquet [45]:
(1)
Trägheitsterm Viskositätsterm
r - Kapillarradius γ - Oberflächenspannung
ρ - Dichte Fluid Θ - Kontaktwinkel Fluid - Kapillarwand η - Viskosität Pe - äußerer Druck
die den Flüssigkeitstransport x(t) in einer Kapillare beschreibt. Diese Gleichung lässt sich explizit lösen mit
(2)
wobei die wichtigen physikalischen Parameter (für Papier und Fluid) in den Va- riablen a und b gemäß Formel (3) zusammengefasst sind.
und (3)
In der Literatur werden auch „vereinfachte“ Lösungen diskutiert, die jeweils nur einen Teil der Gleichung beachten. Einerseits den Trägheitsterm, der die An- fangsbewegung beschreibt und andererseits den Viskositätsterm, der mit fort- schreitender Bewegung wirksam wird. Für den vorliegenden Fall ist dies aber nicht zweckmäßig (vgl. [44]) und wird deshalb hier nicht erläutert. Hier im Pro- jekt erfolgte deshalb eine Beschränkung auf die allgemeingültige Formel (2).
Eingabedaten Die für das Modell erforderlichen Daten wurden in 2 Dateien tabellarisch zu- sammengestellt. In den „Basisdaten“ sind die Daten für verschiedene Liner und
θ γ π π
η π ρ
π
28 P r
22 r cos
dt x dx dt
x dx dt r
d
e
+
=
+
( )
− −
= e
−att a a t b
x ( )
22 1 1
2
8 a r
ρ
= η
r r b P
eρ
θ γ cos 2
= +
Klebstoffe gesammelt und die gemessenen Parameter jeweils für das Normkli- ma erfasst. Für ca. 15 Liner und 5 verschiedene Klebstoffe liegen die Parameter gemäß folgender Tabelle vor:
Tabelle 11: Übersicht der für die Modellrechnungen wichtigsten Parameter
In der Datei „Detaildaten“ sind wichtige Parameter der Klebstoffe erfasst, die sich im Prozessablauf abhängig von der Temperatur verändern. Das ist vor al- lem die Viskosität. In einigen Fällen wurden aber auch die Temperaturabhän- gigkeiten der Dichte, der Kontaktwinkel und der Oberflächenspannung gemes- sen und dann in den Modelldaten berücksichtigt.
Ergebnis-
beispiel Im Arbeitspaket wurden die Modellsoftware erstellt und erste Variantenrechnun- gen zur Funktionskontrolle durchgeführt. Das Beispiel in Abbildung 17 zeigt die Variation von Anpressdrücken und deren Auswirkungen auf Eindringtiefen des Klebstoff-Wassers und die im Zwischenraum verbleibende Restmenge.
Die Diagramdarstellung gliedert sich in 3 Teile. Im oberen Diagramm ist der Eindringprozess des Fluids in die Welle (obere Kurve) und in die Decke (untere Kurve) über der Zeit dargestellt. Im unteren Teil sieht man die Abnahme der
„Restmenge“ des Klebstoff-Wassers zwischen den Linern.
Die Bedienoberfläche ermöglicht die Variation aller oben angegebenen Parame- ter für Liner, Klebstoff und Prozess.
Abbildung 17: Penetrationsverläufe eines Klebstoffes bei unterschiedli- chen Anpressdrücken an der Riffelwalze
Das Programm gestattet die Prozesseinstellung auf „Riffelwalze“ oder „Ka- schierwerk“. In beiden Prozessabschnitten sind unterschiedliche Standardpa- rameter für die Prozesszeiten und Anpressdrücke hinterlegt.
Ergebnis-
beispiel Zur Beurteilung der in die Liner eingetragenen Feuchte wird außer dem Dia- gramm zusätzlich eine Tabelle ausgegeben, die Angaben zu den jeweiligen Feuchtemengen bereitstellt. Wie im Beispiel der Tabelle 12 ersichtlich, werden die Feuchtemengen sowohl in g/m² als auch, bezogen auf die realen Flächen- gewichte und Dichten, in % je Papierlage angegeben.
Tabelle 12: Beispielergebnis mit typischen Werten für die in Welle und Decke übertragenen Feuchtemengen
Feuchte in g/m² Feuchte in %
Welle 2,0 2,5
Decke 2,1 1,4
Rest im Zwischenraum 4,9 nicht sinnvoll Im Sinne des Modellzieles ist diese Tabelle das wesentliche Ergebnis der Rechnungen. Sie gibt den Feuchtegehalt für Welle und Innendecke (Riffelwalze) bzw. Welle und Außendecke (Kaschierwerk) und die jeweilige Restmenge des Klebstoff-Wassers an.
Ergebnisse und
Einschätzungen Eine erste Einschätzung der Modellmöglichkeiten ergab folgendes:
• Die Modellsoftware bietet eine hohe Variationsvielfalt bezüglich der Ein- gangsgrößen.
• Einige Eingangsgrößen können nicht bzw. nicht mit der notwendigen Ge- nauigkeit ermittelt werden und müssen deshalb abgeschätzt in die Rech- nungen eingehen (z.B. Tortuosität, Anpressdrücke).
• Im Ergebnis können sowohl zeitliche als auch mengenmäßige Angaben zum Eindringen der Feuchte in die Liner abgelesen werden.
Wenn auch für die berechneten absoluten Werte keine Garantie bezüglich ihrer Genauigkeit gegeben werden kann, so ist davon auszugehen, dass die zeitli- chen und mengenmäßigen Relationen bei Parameteränderungen aussagekräf- tig, plausibel und vertrauenswürdig sind.
Eine Überprüfung der Modellgenauigkeit durch messtechnische Prüfung ist der- zeit noch nicht möglich, da die untersuchten Größen im Prozess nicht messbar sind und jede Nachstellung im Labor zu deutlich anderen Abläufen führt (Das Eindringen von Tinten in grafische Papiere konnte die Modelle bestätigen).
Wie bei jedem Modell wurden einige vereinfachende Annahmen getroffen.
Plausibilitätsabschätzungen von Praktikern bzw. an WPA zeigten, dass die be- rechneten Werte in Größenordnung und Tendenz glaubwürdig sind.
Zusammen-
fassung Modell Im Arbeitspaket wurde auf der Basis der Bosanquet-Gleichung eine Matlab- Software erarbeitet, mit der die Penetration von Klebstoffen in Wellpappenliner in Varianten modelliert werden kann. Die wesentlichen Ergebnisse der Rech- nungen sind die Eindringzeiten und –tiefen der Klebeflüssigkeit sowie die in Welle und Decke eingedrungenen Fluidmengen.
7.2 Variation der Penetrations modelle Ziele für die
Varianten- rechnungen
Mit der erstellten Modellierungssoftware wurden bei Änderung von Parametern für Liner, Klebstoff und Prozess einige Variantenrechnungen durchgeführt. Die Ziele dieser Rechnungen waren:
• Unterschiede in den Penetrationsverläufen in den Linern festzustellen,
• Unterschiede der Restmengen im zeitlichen Verlauf zu beobachten,
• Feuchteverteilungen in Welle / Decke und Rest (in g/m² bzw. in %) nach dem Verkleisterungspunkt zu berechnen,
• Beobachtung der Variationsbreite der Feuchteinhalte in den Linern und den Restmengen, abhängig vom jeweils variierten Parameter
Beispielergebnisse für angenommene Situationen an Riffelwalze bzw. Ka- schierwerk sind nachfolgend dargestellt.
Riffelwalze Variation der Wellenstoff- und Kleb- stoffmengen
Für den Bereich der Riffelwalze wurden Penetrationsvorgänge bei variierendem Wellenstoff und unterschiedlicher Klebstoffmenge berechnet (Abbildung 18).
Aus der Abbildung ist folgendes ersichtlich:
• Die Penetration in die Wellenstoffe W6 und W7 verläuft ähnlich (blaue, ro- te, grüne Kurven fast deckungsgleich), für W6f (W6f ist die vorbefeuchtete Version von W6) verläuft die Penetration schneller, es wird mehr Klebstoff aufgenommen. Eine geringere Zuführung von Klebstoff (2. Fall, nur 6 g/m²) wirkt sich auf die Welle nicht aus, da der Gelierzeitpunkt den Penetrations- prozess abstoppt. Nur die Restmenge des Klebstoffes ist dann kleiner.
• Da die Decke unverändert ist, gibt es auch bezüglich der Penetration keine Änderungen.
• Bezüglich der Restmengen ist zu sehen, dass wegen der unterschiedlichen Porositäten von W6, W7, W6f in gleichen Zeiträumen etwas unterschiedli- che Mengen in den Wellenstoff eindringen und deshalb die Restmengen leicht differieren. Wird weniger Klebstoff angeboten (2. Fall), so ist die Restmenge entsprechend kleiner. (Hinweis: Die Auftragsmengen 6 bzw. 8 g/m² beziehen sich auf den Feststoffanteil des Klebstoffs, die im Diagramm dargestellten Restmengen auf den Wasseranteil im Klebebereich!).
Abbildung 18: Eindringvorgänge bei Variation von Wellenstoff (Sorten W6, W6, W7, W6f), B-Welle und Klebstoffmengen von 6 - 8 g/m².
Hinweis: Die Abkürzungen in der Legende des Diagramms bedeuten:
• K1 - Klebstoff Nr. 1,
• W6 – Wellenstoff Nr. 6, W6f – Wellenstoff Nr. 6 befeuchtet
• T3 – Deckliner ist Testliner Nr.3,
• B(x) – B-Welle mit Kleberauftragsmenge x
Ergänzend sind in der nachfolgenden Tabelle die aufgenommenen Feuchte- mengen nach 260 ms (Gelierzeit an der Riffelwalze) zusammengefasst.
W6- B(8) W6- B(6) W7- B(8) W6f- B(8)
g/m² % g/m² % g/m² % g/m² %
Welle 2,0 2,5 2,0 2,5 2,5 2,2 1,3 1,3
Decke 2,2 2,1 2,2 2,1 2,2 2,1 2,2 2,2
Rest im Zwi-
schenraum 7,8 4,8 7,4 8,5
Variation der
Tortuosität Die Tortuosität von Papieren wird z.B. durch die eingesetzten Faser- und Füll- stoffe beeinflusst. Für Liner können diese Skalierungswerte etwa im Bereich zwischen 2 und 3 angenommen werden.
Im Variationsbeispiel (Abbildung 19) wurden die Tortuositäten für beide Liner in den Stufen 2, 2.5 und 3 variiert (Details siehe Legende). Erwartungsgemäß ergibt sich für beide Liner eine schnellere Penetration für kleinere Tortuositäts- werte. Der Klebstoff kann dann schneller eindringen. Auch die Restmengen sind dann für kleine Werte (Fall 3: 2 – 2, grüne Kurven) kleiner als für große Werte (Fall 5: 3 – 3, rosa Kurven).
Die Diagrammkurven zeigen vor allem die qualitativen Unterschiede bezüglich der Eindringtiefen und der Restmengen bei diesen Abstufungen der Tortuosität.
