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M. Klein: Streichrohpapier-Glättbarkeit 1

PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de 05.05.2003

Optimierung von Strichqualität und Bedruckbarkeit von LWC-Papieren für den Tief-druck durch Verbesserung der Glättbarkeit M. Klein Zusammenfassung Die Oberflächenveredelung durch Streichen ermöglicht eine Funktionsteilung zwischen Roh-papier und Strich. Das Rohpapier als Träger der Beschichtung bringt die geforderten physi-kalischen Eigenschaften, wie z.B. Festigkeit, Steifigkeit, Volumen und durch den Strich wer-den die Anforderungen an die Oberfläche erfüllt. Der jeweilige Verwendungszweck, d.h. auch der Druckprozess und die Weiterverarbeitung, bestimmt weitgehend die mechanischen Anforderungen an das gestrichene Papier und da-mit v.a. an das Streichrohpapier. Schwerpunkt des Forschungsprojektes waren Untersuchungen zu den Einflüssen von Füll-stoffart und Füllstoffmenge auf die Glätte von Streichrohpapieren und die Auswirkungen auf die Strichqualität und Bedruckbarkeigenschaften von LWC-Papieren. Die experimentellen Untersuchungen zu den Einflüssen von Art und Menge der Füllstoffe auf die Rohpapierqualität wurden an einer Versuchspapiermaschine vorgenommen. Als Füllstof-fe wurden Kaolin, Talkum, natürliches (GCC) und gefälltes Calciumcarbonat (PCC) in unter-schiedlichen Mengenanteilen eingesetzt. Schon durch eine geringfügige Erhöhung des Füll-stoffanteils konnten der Weißgrad und die Glätte des Rohpapiers gesteigert werden. Raster-elektronenmikroskopische Aufnahmen zeigen, dass die Oberflächen der höher gefüllten Pa-piere wesentlich geschlossener sind. Weiterhin wird die Qualität des Rohpapiers nicht uner-heblich vom Dispergierungsgrad und der Verteilung der Füllstoffe an den Papieroberflächen beeinflusst. Der durch Füllstoffeinsatz eintretende Festigkeitsverlust konnte durch Zusatz von Stärke weitgehend kompensiert werden. Summary Surface upgrading by coating allows a division of functions between the base paper and the coating. As the substrate for the coating, the base paper provides for the desired physical properties, e.g. strength, stiffness and bulk, whereas the coating satisfies the requirements on the surface quality of the paper. The mechanical requirements on the coated paper - and, thus, primarily on the base paper used - are largely determined by its intended use, i.e. also by the printing process and further converting operations. The main focus of this research project was on examining the influences of filler types and shares on the smoothness of coating base papers. In addition, the effects of fillers on coat quality and the printability of LWC papers were of interest. Experimental studies into the influences of filler types and shares on the base paper quality were conducted using a pilot paper machine. Kaolin, talcum, ground calcium carbonate (GCC) and precipitated calcium carbonate (PCC) were used as fillers, and added in different dosage quantities. One important finding from the experiments was that even a minor increase in filler content results in brightness and smoothness gains of the base paper. Scanning electron microscope (SEM) images showed that the surface of papers containing higher shares of fillers appears



significantly more closed. Furthermore, the base paper quality (strength, stiffness, bulk) is influenced considerably by the distribution and degree of dispersion of fillers in the paper surface. The strength losses caused by the fillers could largely be compensated for by starch additions. 1 Einleitung Die Erzeugung von gestrichenen Papieren und Kartons hat in den letzten Jahren stark zuge-nommen und auch in Zukunft werden für diese Produktgruppen weltweit hohe Wachstumsra-ten erwartet. So stieg die Produktion von gestrichenen Papieren in Deutschland seit 1963 um ca. 9 % jährlich und erreicht im Jahr 2000 einen Anteil von 30°% bezogen auf die Gesamt-produktion /1/. Der härtere Wettbewerb, dem Produkte aus gestrichenen Papieren nicht zuletzt deshalb ausgesetzt sind, weil der werbenden Industrie verstärkt auch andere Medien als der Druck zur Verfügung stehen, zwingt die Hersteller gestrichener Papiere zur weiteren Senkung ihrer Produktionskosten, wobei das eingeführte Qualitätsniveau zu halten bzw. noch zu verbes-sern ist. Ziel des Forschungsvorhabens war es, durch eine Vergleichmäßigung der Oberflächentopo-graphie von holzhaltigem Streichrohpapier eine bessere Glättbarkeit des Streichrohpapiers vor dem Streichen zu erreichen. Durch die Erhöhung der Glätte sollte die Strichqualität und als Folge hiervon das Bedruckbarkeitsergebnis im Tiefdruck positiv beeinflusst werden. Ein Schwerpunkt dieses Forschungsprojektes waren Untersuchungen zum Einfluss der Füll-stoffart und -menge auf die Glättbarkeit des Streichrohpapiers und auf die Qualität des ge-strichenen Endprodukts. Zur Kompensation des Festigkeitsabfalls wurden Untersuchungen mit festigkeitssteigernden Additiven durchgeführt. Ein weiterer Arbeitsschritt zur Optimierung der Glätte der Streichrohpapiere waren Untersu-chungen zum Einfluss der Glättbarkeitsbedingungen (Einsatz von Maschinenglättwerken und Kalandern) auf die Rohpapiereigenschaften und auf das gestrichene Endprodukt. Als letzter Schritt schlossen sich Streichversuche auf Praxispapieren mit veränderten Tief-druckrezepturen (Einsatz von Bentonit) auf einer Laborstreichanlage an. 2 Anforderungen an LWC-Papiere LWC- Papiere sind meist holzhaltig und werden mit einer flächenbezogene Masse von 51 bis 72 g/m2 bei einer Rohpapierflächenmasse größer 30 g/m2 und einem Strichgewicht von 7-15 g/m2 gefertigt /2/. Trends wie die Erhöhung der Produktionsgeschwindigkeiten von Papiermaschinen und Streichanlagen, die Senkung der flächenbezogenen Masse und der steigende Altpapierein-satz im Streichrohpapier führen nicht nur zu erhöhten Anforderungen an die Prozessführung, sondern auch an das Rohpapier. Wie Untersuchungen in mehreren Papierfabriken zeigten, ist bei der Produktion von LWC-Papieren die Qualität des Rohpapiers von entscheidender Bedeutung, da sie einen wesentli-chen Einfluss auf die Qualität des gestrichenen und bedruckten Endproduktes hat. Auftre-tende Störungen und Fehler im Rohpapier werden häufig trotz moderner Messsysteme nicht rechtzeitig erkannt und sind deshalb schwer korrigierbar. Dies kann zu Produktionsausfällen und Reklamationen und somit zur Verminderung der Wirtschaftlichkeit führen /2/.



Die Anforderungen an Streichrohpapiere und ihre Qualitätsmerkmale sind sehr unterschied-lich. Bei den holzhaltigen Streichrohpapieren für den Tiefdruck, die im allgemeinen ungeleimt zum Einsatz kommen, geht man von folgenden speziellen Anforderungen aus: • ebenmäßiges Längs- und Querprofil, • hohes Volumen für gute Kompressibilität, • ausreichende Glätte, • gute Saugfähigkeit der Oberfläche zur gleichmäßigen Druckaufnahme, • gute Festigkeiten längs und quer (möglichst 1:3), • hohe Weiterreißarbeit. Konstanz und Gleichmäßigkeit der Rohpapierparameter in Längs- und Querrichtung, wie homogene Dicke, Rauhigkeitsprofile, Porosität und Blattdichte gewährleisten in den weiteren Produktionsschritten Streicherei und Satinage, dass die geforderten Standardwerte eingehal-ten werden. In holzhaltigen Rohpapieren werden neben langfaserigen Zellstoffen mecha-nisch aufgeschlossene Holzfasern (Holzschliff) oder auch TMP „Thermo Mechanical Pulp“ und CTMP „Chemo Thermo Mechanical Pulp“ eingesetzt. Der Holzschliffanteil variiert im Bereich von 40-60 % bezogen auf den Faserstoffeinsatz. Beim Einsatz von TMP und CTMP verringert sich der Zellstoffanteil/3,4,5,6/. Besonders in Mitteleuropa werden dem holzhalti-gen Rohpapier auch Recyclingfasern und gestrichener Ausschuss zugesetzt. Der Altpapier-anteil beträgt heute ca. 15-35 % und soll noch gesteigert werden. Holzhaltige Streichrohpapiere weisen heute in der Regel einen Füllstoffgehalt von 8 % bis max. 15 % auf. In der Steigerung des Füllstoffgehaltes wird deshalb noch ein Potenzial zur Kostenreduzierung und zur Verbesserung ausgewählter Qualitätseigenschaften (insbeson-dere der Glätte) gesehen. Bekanntermaßen nehmen die Festigkeitseigenschaften von Papier mit steigendem Füllstoff-gehalt bei konstanter flächenbezogener Masse ab. Gleichzeitig können jedoch eine Verbes-serung der Oberflächengüte (Glätte, Glanz) und meist auch eine bessere Bedruckbarkeit erzielt werden. Holzhaltige LWC-Rohpapiere enthalten als anorganische Bestandteile neben Füllstoffen hauptsächlich Streichpigmente. Diese resultieren aus der Wiederverwendung von Streiche-reiausschuss und dem Einsatz von Altpapier bei der Streichrohpapierproduktion. Meist han-delt es sich um Mischungen aus Kaolin, Calciumcarbonat und Talkum. Zur Einebnung der Oberfläche und Erzielung von Glanz und Glätte werden die gestrichenen Papiere u.a. geglättet /7,8/. Dafür werden heute unterschiedliche Glättetechnologien einge-setzt. 3 Problemfälle bei LWC- Papieren Die Oberfläche eines Streichrohpapiers ist niemals ideal eben, d.h. sie weist „Erhöhungen“ und „Vertiefungen“ auf. Bei Papieren mit niedrigen Strichauftragsgewichten, u.a. auch bei LWC-Papieren, werden teilweise die Inhomogenitäten des Rohpapiers durch den Strich nicht vollständig ausgeglichen. Eine ungenügende Abdeckung der Fasern kann beim Druckpro-zess zum Abheben der Fasern (Lifting) und somit zu Qualitätsmängeln führen. Lifting lässt sich durch Optimierung des Rohpapiers und des Streichprozesses reduzieren /9/. Durch den Einsatz von Glättwerken kann die Oberflächenmorphologie der Rohpapiere ver-bessert werden /10/. In der Praxis werden teilweise vor den Streichwerken bei On-line-Streichmaschinen, bzw. vor der Aufrollung der Papiermaschine bei Off-line-Strich Hardnip-Glättwerke eingesetzt. Das Papier darf aber nicht zu glatt sein, da es sonst beim Streichpro-zess zum Schaberüberkochen (Aufbauerscheinungen von Streichfarbe an der Oberkante



des Blades) bzw. zu Rakelstreifen (Längsstreifen, verursacht durch Ablagerungen am Blade) im Papier kommen kann /6/. Ein weiteres Problem bei der Veredlung von holzhaltigen Streichrohpapieren ist, dass es aufgrund des Quellvermögens der holzhaltigen Fasern bei Kontakt mit der Streichfarbe zum Aufstellen der Fasern (Fiber Rising) kommen kann /11/. Fiber Rising tritt auf, wenn lange Fasern durch den Press- bzw. Glättvorgang mechanisch verformt und anschließend fixiert werden Die Fasern erhalten dadurch Eigenspannung. Durch die Rückbefeuchtung beim Streichprozess können sich die Fasern aufgrund ihrer Eigenspannung wieder aufrichten. Dieser Effekt wirkt sich negativ auf die Oberflächenglätte und die Strichqualität aus und kann die Weiterverarbeitbarkeit des Papiers erheblich stören. 4 Durchgeführte Untersuchungen und Versuchsergebnisse 4.1 Untersuchungen zum Einfluss verschiedener Füllstoffe und Glättbedingungen auf die

Rohpapierqualität 4.1.1 Versuchsbedingungen In diesem Arbeitsschritt wurden der Einfluss der Füllstoffart im Streichrohpapier auf die Glättbarkeit und die für gestrichene Tiefdruckpapiere wichtigen Papiereigenschaften im La-bor- und im halbtechnischen Maßstab ermittelt. Der ansonsten aus Streichereiausschuss resultierende, meist aus Gemischen bestehende Füllstoffanteil, wurde durch ausgewählte Pigmente ersetzt. Um deren Einfluss identifizieren zu können, wurden die Pigmente nicht gemischt. Es wurden jeweils 15 % bezogen auf otro Faserstoff natürliches Calciumcarbonat (Versuch 1), Talkum (Versuch 3), Kaolin (Versuch 5), und gefälltes Calciumcarbonat (Ver-such 7) zugegeben. Bei den Versuchen V2 (nat. Calciumcarbonat), V4 (Talkum), V6 (Kaolin) und V8 (PCC) wurde der Anteil der eingesetzten Pigmente zusätzlich geringfügig um 5 % otro erhöht. Der Faserstoff für die Versuche 1 bis 9 war ein Gemisch aus Kiefernsulfatzellstoff und Holz-stoff. Im Versuch 9 wurde zusätzlich gestrichener Ausschuss (Simulation einer AP-haltigen Variante, Pigmentgemisch) verwendet. Es wurden Papiere mit einer flächenbezogenen Mas-se von 50 g/m2 auf einer Versuchspapiermaschine hergestellt. Zur Beurteilung der Einflusses der Glättbedingungen bei der Streichrohpapierherstellung auf die Strichqualität wurden ungeglättete, maschinenglatte und auf einem Laborkalander geglät-tete Papiermuster erzeugt. 4.1.2 Versuchsergebnisse Die vorgegebene flächenbezogene Masse wurde bei allen Versuchen, außer beim Einsatz von GCC als Füllstoff, annähernd eingehalten. Bei den mit GCC gefüllten Papiere weicht sie um ca. 10 g/m2 nach oben ab. Was bei den Versuchen 1 und 2 zwangläufig auch zu einem Anstieg der Dicke (Abb. 1) führte. Die Reduktion der Dicke durch die Papierglättung mittels Maschinenglättwerk bzw. Laborka-lander kann ebenfalls Abb. 1 entnommen werden. Im Mittel wurden durch das Maschinen-glättwerk Dickeabsenkungen von 17 µm erzielt. Die Satinage führte zu einer weiteren Ab-nahme in der Größenordung von 30 µm.



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V1 15% otro GCC V3 15% otro Talkum V5 15% otro Kaolin V7 15% otro PCCV2 20% otro GCC V4 20% otro Talkum V6 20% otro Kaolin V8 20% otro PCCV9 gestrichener Ausschuss

Abb. 1: Dicke der Rohpapiere Zur Ermittlung des Einflusses der Füllstoffart auf die Qualität des Rohpapiers und des ferti-gen LWC-Papiers wurden auf der Versuchspapiermaschine Rohpapiere mit unterschiedli-chen Füllstoffen bei zwei Füllstoffgehalten gefertigt. Ziel war die Einstellung von annähernd praxisrelevanten Füllstoffgehalten von ca. 8 % - 15 %. Infolge der unterschiedlichen Retenti-on wurden Füllstoffgehalte von ca. 8 % (helle Säulen) und 11 % (dunkle Säulen) erreicht, wie Abb. 2 verdeutlicht. Weiterhin aufgenommen wurde in diesen Vergleich ein Papier, das auf der Basis von Fabrikationsauschuss (gestrichenes LWC-Papier) hergestellt wurde und einen Füllstoffgehalt von 6 % (schwarze Säule) aufwies. Im allgemeinen ist die Retention bei den flächigen Füllstoffpartikeln (Kaolin, Talkum) besser als bei rhomboedrischen (GCC) und den skaleoederförmigen (PCC), was mit Ausnahme des GCC’s bei den Versuchen auch eindeu-tig bestätigt wurde.

Abb. 2: Füllstoffgehalt der Rohpapiere In der Abb. 3 werden die Einflüsse von Art und Menge der Füllstoffe auf die Oberflächenrau-higkeit (Glätte nach Parker Print Surf) der ungeglätteten und geglätteten Rohpapiere gezeigt. In der Regel nimmt die Papierglätte mit steigendem Füllstoffgehalt und zunehmender Teil-chenfeinheit zu. Neben der Teilchengröße ist für die Glättbarkeit auch die morphologische Struktur (Form) der Partikel von großer Bedeutung. Mit plättchenförmigen Füllstoffen können höhere Glättewerte erreicht werden.

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Abb. 3: Rauhigkeit (PPS) der Rohpapiere Im Vergleich zum Einfluss des Füllstoffgehalts und der Füllstoffart ist der Einfluss der Glät-tungsbedingungen sehr viel größer. Etwas glattere Oberflächen weisen die Papiere mit Tal-kum und PCC auf. Bei ungestrichenen Papieren kommt es mit zunehmender Teilchenfeinheit, aber vor allem durch Zunahme der Plättchenstruktur, zur stärkeren Verdichtung des Papiers beim Glätten und Satinieren, die Luftdurchlässigkeit wird verringert, die Porosität nimmt ab und es ergibt sich eine geschlossenere Oberfläche. Die ermittelten Weißgrade (R457) der Rohpapiere sind in der Abb. 4 dargestellt. Im Vergleich zu den Praxisrohpapieren, die Weißgrade zwischen 69 % und 70 % aufweisen, sind die Wer-te der Versuchspapiere relativ niedrig (52 % bis 57 %), was im Einsatz der ungebleichten Holzstoffkomponente begründet ist. Erwartungsgemäß nimmt der Weißgrad des Papiers mit steigendem Gehalt an Füllstoffen aufgrund deren im Vergleich zu dem der Faserstoffen hö-heren Streuvermögens zu. Die höchsten Weißgrade wurden beim Einsatz von GCC (85,1 %) und PCC (95,6 %) aufgrund der hohen Eigenweiße erreicht. Die niedrigsten Weißgradwerte besitzen die mit Talkum gefüllten Papiere (niedrige Eigenweiße, monokline plättchenförmige Struktur) trotz relativ hohem Füllstoffgehalt.

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Abb. 4: Weißgrad der Rohpapiere Im allgemeinen geht mit der Glätteerzeugung infolge der Blattverdichtung (Abnahme des Streuvermögens) eine geringfügige Weißgradabnahme einher. Diese Tendenz konnte bei den vorliegenden Laborversuchen allerdings nicht eindeutig nachgewiesen werden.



LWC-Rohpapiere, die in der Praxis mit relativ niedrigen flächenbezogenen Massen gefertigt werden, müssen zur Erzielung eines guten Laufverhaltens in der Streichmaschine und später beim Bedrucken in der Druckmaschine ein hohes Festigkeitspotenzial sowie ein entspre-chendes Längs-/Querverhältnis der Festigkeitseigenschaften aufweisen. Besonders wichtig ist dies unter dem Aspekt der steigenden Geschwindigkeiten von Papier-, Streich- und Druckmaschinen. Der Einsatz von Füllstoffen führt generell zu einer Festigkeitsreduzierung. Der Gradient die-ser Abnahme wird entscheidend von der absoluten Menge des Füllstoffs bestimmt. Aber auch wesentliche Füllstoffeigenschaften, wie Partikelgröße und Teilchenform, haben einen Einfluss. Wie die Abb. 5 und Abb. 6 zeigen, nimmt die Reißlänge vom Talkum über das Kaolin und GCC zum PCC hin ab (zur Ermittlung der Rangfolge wurden die in Abb. 5 und Abb. 6 dargestellten Messwerte unter der Annahme einer linearen Abhängigkeit der Reiß-länge vom absoluten Füllstoffgehalt auf einen mittleren Gehalt von 7,4 % korrigiert). Das un-ter Zugabe von Fabrikationsausschuss gefertigte Papier ordnete sich in der Größenordnung des mit GCC gefüllten Papiers ein. Mit diesen Messergebnissen werden die Erkenntnisse in der Literatur bestätigt. Carbonate beeinflussen die Reißlänge im allgemeinen ungünstig, da hier einerseits die bei Kaolin vorhandenen Silanol-Gruppen zur Festigkeitserhöhung fehlen und zum anderen eine leichte Abhängigkeit von der Korngröße existiert. Beim Einsatz von Füllstoffen werden die festigkeitsverleihenden Faser-Faser-Bindungen durch die sich einla-gernden Füllstoffpartikel geschwächt bzw. verhindert. Es gilt die Aussage, dass die Zahl der blockierten Wasserstoffbrückenbindung mit feiner werdenden Teilchen ansteigt, was mit ei-ner entsprechenden Abnahme der Festigkeitseigenschaften verbunden ist. Das Längs-/Querverhältnis der statischen Festigkeiten der auf der Versuchspapiermaschine hergestellten Papiere lag im Bereich von 1,95...2,35 : 1 (Mittel: 2,15 : 1) etwas unter dem der vermessenen Praxispapiere (3 : 1).

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V1 15% otro GCC V3 15% otro Talkum V5 15% otro Kaolin V7 15% otro PCCV9 gestrichener Ausschuss

Abb. 5: Reißlänge in Längsrichtung



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V1 V3 V5 V7 V9

Rei

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m


V1 15% otro GCC V3 15% otro Talkum V5 15% otro Kaolin V7 15% otro PCCV9 gestrichener Ausschuss

Abb. 6: Reißlänge in Querrichtung Durch die Glättung mittels Maschinenglättwerk und Kalander wird die Reißlänge geringfügig reduziert. Der mittlere, korrigierte Weiterreißarbeitsindex nach Brecht-Imset (lineare Korrektur der Messdaten auf einen durchschnittlichen Füllstoffgehalt von 7,4 %) ist in Abb. 7 dargestellt. Die höchste Weiterreißarbeit wurde für die GCC-gefüllten Papiere, gefolgt von Talkum, Kao-lin und PCC, ermittelt.

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RP ungelättetRP mglRP sat

Abb. 7: Weiterreißarbeitsindex nach Brecht-Imset (auf identischen Füllstoffgehalt korrigierte

Mittelwerte aus Längs- und Querrichtung) Wie Untersuchungen zeigen, haben der Agglomerationsgrad und die Pigmentverteilung an den Papieroberflächen bzw. im Papierquerschnitt einen wesentlichen Einfluss auf die Pa-pierqualität. Mittels rasterelektronenmikroskopischer Aufnahmen im Rückstreuelektro-nen(RE)-Modus konnten Aussagen zum Dispergierungsgrad und zur Verteilung getroffen werden. Über RE-Aufnahmen wurde eine Differenzierung von Faser- und Füllstoffmaterial vorgenommen. Die RE-Aufnahmen der Oberflächen und der Querschnitte zeigen bei den mit GCC, Kaolin und PCC gefüllten Papieren eine gute homogene Pigmentverteilung an den Papieroberflächen und in z-Richtung. Das bei den Versuchen eingesetzte relativ grobe Tal-kum neigt dagegen zur Agglomeratbildung. Größere Agglomerate sind auch bei der Variante mit Streichereiausschuss sichtbar.



Die Morphologie der Papieroberfläche wurde mittels REM-Aufnahmen visuell beurteilt. Die Aufnahmen zeigten signifikante Unterschiede hinsichtlich der Geschlossenheit der Papier-oberfläche. Durch eine Satinage wird bei allen Papieren die Oberfläche geschlossener. 4.2 Untersuchungen zum Einfluss verschiedener Füllstoffe und Glättbedingungen

auf die Strichqualität 4.2.1 Versuchsbedingungen Um den Einfluss des veränderten Füllstoffeinsatzes im Streichrohpapier bzw. der Glättbedin-gungen auf die Qualität des Strichauftrages zu beurteilen, wurden die Papiere im Labormaß-stab mittels Handrakel gestrichen. Bei den Streichversuchen wurde eine typische Tiefdruck-streichfarbenrezeptur auf die Oberseite der Versuchspapiere mittels motorisiertem Handrakel aufgebracht. Die Strichrezeptur setzte sich folgendermaßen zusammen: • 80 Teile Tiefdruckkaolin, • 20 Teile Talkum, • 5 Teile Binder, • 0,8 Teile Gleitmittel. Das Auftragsgewicht betrug ca. 13 g/m2. Aufgrund der hohen Saugfähigkeit der Versuchspa-piere war die angestrebte Auftragsmenge von 10 g/m2 nicht realisierbar. Die gestrichenen Papiere wurden mittels Laborkalanders geglättet und mit dem Farbprüfge-rät C.P. 90/60 der Firma Saueressig bedruckt. Die Auswertung der Andrucke erfolgte visuell über den paarweisen Vergleich und durch die Messung der Druckfarbendichte mittels Densitometer. 4.2.2 Versuchsergebnisse Die Rauhigkeitswerte nach PPS der handgerakelten Papiere liegen in einem Bereich von 2,4 µm bis 3 µm (Abb. 8) und damit um 3,5 bis 4 µm niedriger als die der Rohpapiere. Ein signifikanter Einfluss der unterschiedlichen Rohpapiere auf die Glätte des gestrichenenn satinierten LWC-Papiers war nicht nachweisbar, d.h. Strich und anschließende Glättung sind bezüglich des Einflusses auf die Glätte des fertigen Papiers dominant.

Abb. 8: Rauhigkeit nach Parker-Print-Surf der mittels „Handrakel“ gestrichenen Papiere

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Rau

higk

eit P

PS in

µm

,

Rohpapier ungeglättet

Rohpapier maschinenglatt


Papiere mit Handrakel gestrichen und mit Laborkalander geglättet



In Bezug auf die optischen Eigenschaften der gestrichenen Papiere sind Unterschiede zwi-schen den verschiedenen Versuchsrohpapieren feststellbar. Die gemessenen Weißgrade schwanken um ca. 1 %. Gegenüber den ungestrichenen Rohpapieren ist eine starke Weiß-graderhöhung von 52-56 % auf 70-71 % zu verzeichnen, d.h. der geringe absolute Weißgrad der Rohpapiere sowie die Differenzierungen zwischen den Varianten werden fast vollständig vom Strich nivelliert. Die Werte der Glanzmessung nach DIN mittels Lehmann-Glanzmessgerät sind in der Abb. 9 grafisch dargestellt. Die Ergebnisse schwanken zwischen 2,1 % bis 2.6 % bei den ungeglät-teten Varianten und zwischen 3,5 % und 3,6 % bei den maschinenglatten Versuchspapieren. Äquivalent zum Weißgrad kann festgestellt werden, dass die Art und Menge der Füllstoffe keinen Einfluss auf die Glanzwerte der handgerakelten, geglätteten Papiere haben, sondern der Strich und insbesondere die Glanz- bzw. Glätteerzeugung bestimmend sind. Hinsichtlich der Glättung des Rohpapiers zeigte sich, dass die Papiere mit höherer Glätte die höheren Glanzwerte aufweisen. Dies ist in der Verdichtung des Rohpapiers und der Einebnung der Oberfläche begründet.

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Gla

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in %

Rohpapier ungeglättetRohpapier maschinenglatt



Abb. 9: Glanz nach Lehmann der mittels „Handrakel“ gestrichenen Papiere Die Druckdichten der handgerakelten, kalandrierten und bedruckten Papiere sind in Abb. 10 aufgetragen und mit Ausnahme der Probe 2 (20 % otro GCC, Rohpapier maschinenglatt) und 8 (20 % otro PCC) relativ ähnlich.

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Versuchsnummer

Dru

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Rohpapier ungeglättetRohpapier maschinenglatt



Abb. 10: Druckdichte der mittels „Handrakel“ gestrichenen Proben



4.3 Untersuchungen zum Einfluss eines erhöhten Füllstoffgehaltes beim Einsatz aus-

gewählter Pigmente auf die Streichrohpapierqualität 4.3.1 Versuchsbedingungen In diesem Versuchsschritt wurde der Einfluss einer erhöhten Füllstoffmenge auf die Glättbar-keit untersucht. Die eingesetzten Füllstoffmengen wurden von 15 auf 30 % otro erhöht. Als Pigmente wurden natürliches Calciumcarbonat (Versuche a und b) sowie verschiedene ge-fällte Calciumcarbonate unterschiedlicher Teilchengröße und Teilchenform eingesetzt (Ver-suche Vc bis Vf). Wie die Praxiserfahrungen und die Ergebnisse der vorangegangenen Untersuchungen zeig-ten, wurden die Festigkeiten mit steigendem Füllstoffanteil teilweise reduziert. Durch den Einsatz festigkeitssteigender Additive sollten in den Versuchen Vg, Vh und Vi die Bindekräfte zwischen den Fasern und zwischen den Fasern und Füllstoffen erhöht werden. Bei den Ver-suchen wurde kationische Kartoffelstärke zugesetzt, die in Vorversuchen (Laborblätter) gute Ergebnisse hinsichtlich der Festigkeitssteigerung erbracht hatte. 4.3.2 Versuchsergebnisse Es wurden Papiere mit einer flächenbezogenen Masse von 50 g/m2 erzeugt. Die flächenbe-zogenen Masse differierte bei den Füllstoffvarianten um ca. 2 g/m2 – Ausnahme Variante e. Betrachtet man den Füllstoffanteil der Papiere (Abb. 11), so wird deutlich, dass beim Einsatz von 15 % otro Füllstoff ca. 10 % und bei 30 % ca. 17 bis 20 % im Papier verbleiben. Durch 1 %-igen Stärkeeinsatz zu den 30 % otro GCC bzw. PCC wurde eine Steigerung des Füll-stoffgehalts um 4-5 % absolut erzielt. V0 bezeichnet das ungefüllte Rohpapier.

0

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V 0 V a V b V c V d V e V f V g V h V i

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%

Va 15% otro GCC Vc 15% otro PCC grob Ve 15% PCC fein Vg 30% GCC+StärkeVb 30% otro GCC Vd 30% otro PCC grob Vf 30% PCC fein Vh 30% PCC grob+StärkeV0 Rohpapier Vi 30% PCC fein +Stärke

Abb. 11: Füllstoffgehalt der Rohpapiere Die Rauhigkeit der Papiere (Abb. 12) wird sowohl von der absoluten Füllstoffmenge als auch von der Füllstoffart beeinflusst. Mit steigender Füllstoffmenge wird die Rauhigkeit für alle Füllstoffarten signifikant gesenkt, was in einer geschlosseneren Papieroberfläche der höher gefüllten Papiere begründet ist. Aber auch die Teilchengröße und –form wirken sich auf die Rauhigkeit aus. Mit einer Verringerung der Partikelgröße geht im allgemeinen eine Glätte-steigerung einher, was nachgewiesen werden konnte. Bezüglich der Teilchenform konnten die Literaturangaben bestätigt werden, dass nadelförmige Füllstoffe (Vc-Vf) hinsichtlich der Rauhigkeitsabsenkung den rhomboedrischen überlegen sind. Diese Aussagen wurden auch



durch die REM-Aufnahmen bestätigt. Der Einsatz von Stärke führt zu einer Verbesserung der Retention und beim natürlichen Calicumcarbonat zu einem Anstieg der Glätte. Die Rau-higkeitswerte des mit PCC gefüllten Papiers werden durch den Stärkeeinsatz nicht signifikant verändert.

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Rau

higk

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PPS)

in µ

m


maschinenglatt

Abb. 12: Rauhigkeit nach Parker Print Surf der Rohpapiere Die Ergebnisse der Rauhigkeitsmessung nach Bendtsen weisen die gleiche Tendenz auf (Abb. 13).

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Rau

higk

eit B

endt

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[ml/m

in]


Abb. 13: Rauhigkeit nach Bendtsen der Rohpapiere PMV 2 Die Abb. 14 stellt die verschiedenen Carbonate im Hinblick auf die Entwicklung des Weiß-grades dar. Die PCC-Typen erreichen höhere Werte als die GCC-Typen. Dabei ist die Ab-hängigkeit sowohl von der Eigenweiße als auch von der Teilchenform erkennbar. Mit dem rhomboederförmigen GCC wird ein geringerer Weißgrad erhalten als mit dem skaleoedri-schen (PCC).



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Wei

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d in

%


FüllstoffweißgradGCC 85,1 %PCC 97,0 %

Abb. 14: Weißgrad der Rohpapiere PMV 2 In der Regel ist die Füllstoffzugabe durch die damit verbundene Festigkeitsabnahme im Pa-pier begrenzt. Die Festigkeit im Papierblatt wird durch Wasserstoffbrückenbindungen zwi-schen Hydroxylgruppen an der Oberfläche benachbarter Cellulosefibrillen bestimmt. Mit der Zunahme des Füllstoffgehaltes werden diese Bindungen blockiert und es kommt zum Festig-keitsverlust. Die Reißlänge (Abb. 15) und die Weiterreißarbeit sinken mit höherem Füllstoff-anteil. Deutlich herausgearbeitet werden konnte die Absenkung der statischen Festigkeit durch die Erhöhung des Füllstoffgehaltes von ca. 10 % auf 17-20 %. So verringerte sich die Reißlänge bei GCC um etwa 10 %, bei PCC (grob) um 21 % und bei feinem PCC um ca. 32 %. Neben der absoluten Füllstoffmenge zeigt sich der Einfluss der Feinheit der Füllstoffe (Teilchengröße) auf die Festigkeitsabnahme, wie die Differenz der Reißlängenabnahme von grobem zu feinem PCC von 11 % verdeutlicht.

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km

längsquermittel


Abb. 15: Reißlänge der Rohpapiere PMV 2 Durch Einsatz von kationischer Stärke werden die Bindekräfte zwischen den Fasern und zwischen Faser und Füllstoff verbessert. Dadurch wird in der Regel eine deutliche Steige-rung der Oberflächenfestigkeit und der inneren Festigkeit erreicht. Eine Zugabe von kationi-scher Stärke bewirkte einen Anstieg der Reißlänge. Er lag für GCC bei 9 %, bei grobem PCC bei 25 % und bei feinem PCC bei 5 %. Deutlich wird jedoch auch die Absenkung der dynamischen Festigkeit durch den Füllstoffein-satz, wobei sowohl der Einfluss der Füllstoffmenge als auch der Füllstoffart nachweisbar ist. Vom GCC über das grobe PCC hin zum feinen PCC wurden prozentuale Abnahmen des



Weiterreißarbeitsindexes von 5,7 %, 16,5 % auf 26,0 % ermittelt, d.h. die Feinheit des Füll-stoffes und die Teilchenform sind bedeutungsvoll für die Festigkeitsreduzierung. Bezüglich des Stärkeeinsatzes auf die Weiterreißarbeit wurden keinen eindeutigen Tenden-zen erhalten. Bei GCC wurde eine Abnahme ermittelt, während der Stärkeeinsatz bei den PCC-Produkten eine Steigerung der Weiterreißarbeit ergab. 4.4 Untersuchungen zum Einfluss verschiedener Füllstoffe und Glättbedingungen

auf die Strichqualität 4.4.1 Versuchsdurchführung Ausgewählte Papiere (Versuch a -15 % otro GCC; Vg – 30 % otro GCC; Vh – 30 % PCC grob mit Stärke und Vi - 30 % PCC fein mit Stärke) wurden unter praxisnahen Bedingungen an einem schnelllaufenden Laborcoater (Helicoater 2000, Fa. ECC) gestrichen. Der Helicoa-ter wird als Versuchsstreichmaschine zum Aufbringen von Einfach- und Doppelstrichen mit-tels Blade sowie zur Untersuchung der Verarbeitbarkeit von Streichfarben eingesetzt. Die verwendete Streichfarbe setzte sich folgendermaßen zusammen: Kaolin 80 Teile Talkum 20 Teile Synthetische Binder 4,8 Teile Gleitmittel 4,8 Teile Synthetischer Verdicker 0,5 Teile Weiterhin wurde untersucht, ob holzhaltige LWC-Papiere für den Tiefdruck auch mit der Film-presse veredelt werden können. Zur Durchführung der Untersuchungen an der „Labor-Filmpresse“ wurde der im Technikum der Forschungsstelle vorhandene Versuchsstand ge-nutzt. Die Strichrezeptur war mit der der Helicoaterversuche identisch. Der Strich erfolgte einseitig auf der Oberseite des Rohpapiers. Die Trocknung wurde bei 120 °C (Temperatur der Tro-ckenzylinder) vorgenommen. Anschließend wurden die auf dem Helicoater bzw. mit der „Filmpresse“ beschichteten Papiere auf einem 2-Walzen-Laborkalander der Firma Kleinewe-fers satiniert und bei einem Druckfarbenhersteller an einer Testacolor–Probedruckmaschine mit einer Toluolfarbe bedruckt. Die Auswertung der Andrucke bezüglich Glanz, Druckdichte, Aufliegen und Missing Dots erfolgte durch Druckexperten. Ausgewählte Proben wurden zu-sätzlich bildanalytisch mittels DOMAS-System bzgl. Missing Dots und Druckungleichmäßig-keit beurteilt. 4.4.2 Versuchsergebnisse Im Mittel wurden mit der Filmpresse ca. 6 g/m² und mit dem Heliocoater etwa 8 g/m² aufge-tragen, was praxisüblichen Werten entspricht. Die Weiße der gestrichenen, satinierten Papiere ist in der Abb. 16 aufgezeigt. Durch die An-wendung unterschiedlicher Streichtechnologien ergeben sich hinsichtlich der Weiße des ge-strichenen Papiers geringfügige Unterschiede. Im allgemeinen weisen die filmpressengestri-chenen Papiere infolge der Konturanpassung gegenüber dem nivellierenden Bladestrich etwas höhere Weißgrade auf. Die mit PCC gefüllten Papiere besitzen aufgrund der etwas höheren Ausgangswerte des Rohpapiers die höheren Weißgrade. Auch die mit Stärke er-zeugten Proben sind hinsichtlich der Weißewerte ausreichend. Dieser Trend ist ebenso bei den Opazitätswerten zu verzeichnen.



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V a FP

V a HC

V b FP

V c FP

V d FP

V e FP

V f FP

V g FP

V g HC

V h FP

V h HC

V i FP

V i HC

Wei

ßgra

d in

%

FP FilmpresseHC Helicoater

Va 15% otro GCC Vc 15% otro PCC grob Ve 15% PCC fein Vg 30% GCC+StärkeVb 30% otro GCC Vd 30% otro PCC grob Vf 30% PCC fein Vh 30% PCC grob+Stärke Vi 30% PCC fein +Stärke

FüllstoffweißgradGCC 85,1 %PCC 97,0 %Rohpapier ca. 70 %

Abb. 16: Weißgrad der mittels „Filmpresse“ und Helicoater gestrichenen Papiere In der Abb. 17 sind die Rauhigkeitswerte der halbtechnisch gestrichenen Versuchsmuster dargestellt. Die Rauhigkeit nach Parker Print Surf wird durch den Auftrag von Streichfarbe um 4 bis 5 µm (Helicoaterstrich - Nivellierstrich) und um ca. 3 µm beim Einsatz der Filmpres-se gegenüber dem Rohpapierreduziert. Eine Füllstofferhöhung in Rohpapier wirkt sich geringfügig auf die Rauhigkeit des gestriche-nen Papier aus, wobei alle eingesetzten Füllstoffe die selbe Tendenz aufweisen. Durch Zu-satz von Stärke im Rohpapier wird die Rauhigkeit des gestrichenen Endprodukts nochmals signifikant verringert. Diese Tendenz wird durch die ermittelten Glättewerte nach Bekk und Bendtsen bestätigt.

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0.5

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V a FP

V a HC

V b FP

V c FP

V d FP

V e FP

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V g HC

V h FP

V h HC

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V i HC

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Va 15% otro GCC Vc 15% otro PCC grob Ve 15% PCC fein Vg 30% GCC+StärkeVb 30% otro GCC Vd 30% otro PCC grob Vf 30% PCC fein Vh 30% PCC grob+Stärke Vi 30% PCC fein +Stärke

Abb. 17: Rauhigkeit nach PPS der mittels „Filmpresse“ u. Helicoater gestrichenen Papiere Die Ergebnisse der Glanzmessung nach Lehmann sind in Abb. 18 grafisch dargestellt. Die Glanzwerte der mittels Filmpresse gestrichenen Papiere sind relativ niedrig, was die Diffe-renzierung der Messergebnisse geringfügig einschränkt. Da diese Messungen jedoch alle unter gleichen Bedingungen erfolgten, ist eine Vergleichbarkeit gegeben. Die mit 30 % otro Füllstoff und die zusätzlich mit Stärke gefertigten Papiere weisen dabei die höchsten Glanz-werte auf. Durch Einsatz des Helicoaters als Streichaggregat kommt es zu einer deutlichen Anhebung des Glanzes.



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V a FP

V a HC

V b FP

V c FP

V d FP

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V g FP

V g HC

V h FP

V h HC

V i FP

V i HC

Gla

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ehm

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Va 15% otro GCCVb 30% otro GCCVc 15% otro PCC grobVd 30% otro PCC grob Ve 15% PCC fein Vf 30% PCC fein Vg 30% GCC+StärkeVh 30% PCC grob+Stärke Vi 30% PCC fein+Stärke


Abb. 18: Glanz nach Lehmann der mittels „Filmpresse“ und Helicoater gestrichenen Proben Die REM-Aufnahmen verdeutlichten ebenso, dass die mittels Helicoater aufgetragen Strich-schichten wesentlich gleichmäßiger sind, als die der Leimpresse. Weiterhin ist aus den Auf-nahmen ersichtlich, dass eine Füllstofferhöhung im Rohpapier zu einer besseren Strichquali-tät führt. Der Strichauftrag wird gleichmäßiger und das Rohpapier wird homogener abge-deckt. Die Ergebnisse zur Beurteilung der Druckqualität der mittels Versuchspapiermaschine und Filmpresse hergestellten gestrichenen Papiere zeigen, dass der Druckglanz bei allen 9 Pa-pieren gegenüber Praxispapieren relativ niedrig ist. Gründe dafür können u.a. die nicht ver-gleichbaren Satinagebedingungen sein. Die Muster unterscheiden sich bezüglich der opti-schen Dichte und des Aufliegeverhaltens nicht signifikant. Das Aufliegen der Druckfarbe auf den Papieren wird als gut bewertet. Das Ausdruckverhalten ist für die vorliegende Papier-qualität bei allen Mustern ausreichend. Eine Auswertung hinsichtlich Abrisszonen ist nicht möglich, da bei der Versuchsdurchführung kein „Abreißen“ auftrat. Bei allen Papieren, außer bei den Versuchen g (30 % otro GCC +Stärke) und h (30 % PCC grob + Stärke), sind relativ viele Missing Dots vorhanden.

Die Bewertung der mittels Helicoater gestrichenen Papiere bezüglich ihrer Bedruckbarkeits-eigenschaften ergab, dass bei allen Papieren der Glanz höher ist als bei den vergleichbaren Varianten der Filmpresse. Die optische Dichte der Muster ist fast gleich und das Aufliegen kann als gut bewertet werden. Außer bei Versuch i (starke Streifenbildung) ist das Ausdruck-verhalten ebenfalls gut. Missing Dots sind außer bei der Probe i (30 % otro PCC fein + Stär-ke) nur geringfügig vorhanden. Zusammenfassend kann aus der Druckbewertung abgeleitet werden, dass die mittels Heli-coater gestrichenen Versuchspapiere signifikant besser für den Tiefdruck geeignet sind als die Filmpressenpapiere. Dies wird auch durch die in (Abb. 19) gezeigten Aufnahmen deut-lich



Versuch h - Helicoaterstrich Versuch h - Filmpressenstrich Abb. 19: Scanneraufnahmen der gestrichenen Proben Ausgewählte Druckmuster wurden zusätzlich mittels Bildanalyse hinsichtlich Missing Dots und Druckungleichmäßigkeit bewertet. In der Abb. 20 ist eine Zusammenstellung der Dru-ckungleichmäßigkeitsindizes wiedergegeben. Es wurden sowohl die PTS–Methode als auch die Powerspektrums-Analyse herangezogen. Danach ist die Gleichmäßigkeit des Druckbil-des umso besser, je kleiner der Druckungleichmäßikeitsindex ist. Von beiden Methoden werden die Proben a (15 % otro GCC) und i (30 % otro PCC fein) als die Gleichmäßigsten beurteilt, wobei die Unterschiede nicht gravierend sind.

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0.5

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V a V g V h V iProbenbezeichnung

Inde

x

PTS - MethodePowerspektrum

Va 15% otro GCC Vg 30% GCC+StärkeVh 30% PCC grob+Stärke Vi 30% PCC fein +Stärke

Abb. 20: Bewertung der Druckungleichmäßigkeit mittels DOMAS-System Die Darstellung der Gesamtheit der fehlenden Flächenanteile der Dots bezogen auf ein idea-les Druckbild in Prozent enthält Abb. 21. Mit Ausnahme der Probe i weisen alle Proben Fehl-flächenanteile von ca. 32,5 bis 34,1 % auf. Dieses Ergebnis bestätigt die Aussage des visuellen Vergleichs.



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V a /HC V g/ HC V h /HC V i /HC

Teilf

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Va 15% otro GCC Vg 30% GCC+StärkeVh 30% PCC grob+Stärke Vi 30% PCC fein +Stärke

Abb. 21: Auswertung der Teilfehlflächen mittels DOMAS 4.5 Untersuchungen zum Einfluss der Strichrezeptur auf die Strichqualität 4.5.1 Versuchsbedingungen Wie bereits erwähnt, bestimmen die Streichfarbe und die Streichtechnologie neben dem Rohpapier maßgeblich die Oberflächeneigenschaften der gestrichenen Papiere. In diesem Versuch wurden deshalb einige Veränderungen in der für LWC-Papiere typischen Strichre-zeptur für Tiefdruck (Kaolin und Talkum) vorgenommen. Der Streichfarbe wurde sauer akti-vierter Bentonit zugegeben. Ziel dieser Versuche war, den Einfluss der Streichfarbenzu-sammensetzung auf ausgewählte Oberflächeneigenschaften, z.B. Glätte und spezifische Oberfläche, im Hinblick auf eine verbesserte Bedruckbarkeit zu untersuchen. Streichbentonit ist, im Gegensatz zum plättchenförmigen Kaolin, ein Dreischichtmineral, in dem die Alumini-um-Oktaederschicht zwischen zwei Silicium-Tetraederschichten liegt. Aufgrund seiner Mikro-struktur und der Möglichkeit zur Ausbildung relativ vieler Wasserstoffbrückenbindungen be-sitzt der Streichbentonit eine sehr gute Affinität zur Papierfaser. Die Streichversuche wurden auf dem Helicoater durchgeführt. Als Rohpapier diente ein holzhaltiges, ungeleimtes LWC-Rohpapier mit einer flächenbezogenen Masse von 48 g/m2. Das Rohpapier wurde einseitig mit 8 g/m2 pro Seite bei 600 m/min mit folgenden Streichfarben veredelt: Versuch 1 Tiefdruckfarbe (80 % Kaolin und 20 % Talkum) Versuch 2 Tiefdruckfarbe +1,5 % Bentonit Versuch 3 Tiefdruckfarbe +3,0 % Bentonit Versuch 4 Tiefdruckfarbe +3,0 % Bentonit + 0,3% PEG Nach dem Streichen wurden die Papiere auf einem Laborkalander geglättet. 4.5.2 Versuchsergebnisse Die Opazität und die Weiße des verwendeten Streichrohpapiers und der gestrichenen, sati-nierten Papiere sind in den Abb. 22 und Abb. 23 dargestellt. Der Vergleich zeigt, dass sich die Opazitätswerte und Weißgrade der gestrichenen Papiere mit den Strichrezepturen 1, 2 und 4 nicht signifikant unterscheiden. Lediglich bei der Probe mit 3 % Bentonit (Strich 3) sind die Opazität und der Weißgrad geringer. Die Ursache dafür ist darin zu sehen, dass beim erhöhten Bentoniteinsatz die Hohlräume des Pigmentstriches verringert werden und sich die Streuungsbedingungen verändern /12/.



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Rohpapier Strich1 Strich 2 Strich 3 Strich 4

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UV

in %

Strich1 TD-FarbeStrich 2 TD-Farbe + 1,5 % BentonitStrich 3 TD-Farbe + 3 % BentonitStrich 4 TD-Farbe + 3 % Bentonit + PEG

Abb. 22: Weißgrad des Rohpapiers und der gestrichenen Papiere

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Rohpapier Strich1 Strich 2 Strich 3 Strich 4

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t in

%


Abb. 23: Opazität des Rohpapiers und der gestrichenen Papiere Betrachtet man die Glanzwerte (Abb. 24) und die Glättewerte nach Bekk (Abb. 25), so kön-nen zwischen den mit verschiedenen Streichfarben beschichteten Papieren Unterschiede erkannt werden. Durch den Einsatz von Bentonit in der Streichfarbe kommt es zur minimalen Glanzsteigerung, während die Glättewerte nach Bekk deutlich zunehmen.

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Strich1 Strich 2 Strich 3 Strich 4

Gla

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Abb. 24: Glanz nach Lehmann der gestrichenen Papiere



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Strich1 Strich 2 Strich 3 Strich 4

Glä

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Abb. 25: Glätte nach Bekk der gestrichenen Papiere Die in der Glättebewertung nach Bekk gewonnenen Erkenntnisse spiegeln sich in den Rau-higkeitsmesswerten nach Parker Print Surf wider. Zusammenfassend zeigen die Ergebnisse, dass die Oberflächenmorphologie (u.a. die Glät-te) durch eine gezielte Pigmentauswahl in der Streichfarbe positiv beeinflusst wird. Die Bedruckbarkeitsbewertung ergab, dass alle gestrichenen Musterpapiere hinsichtlich Druckglanz und Missing Dots gute Ergebnisse erbrachten. Auffällig ist, dass bei den Papie-ren mit Bentonit im Strich der Druckglanz höher ist und weniger Missing Dots auftreten. Es konnte herausgearbeitet werden, dass durch Zugabe von Bentonit in der Tiefdruckstreich-farbe eine Verbesserung der Strich- und der Bedruckbarkeitsqualität erzielt wird. Dies wird auch durch die REM-Aufnahmen bestätigt. Verarbeitungstechnisch ergeben sich keinerlei Nachteile, wenn der Bentonitanteil die durch die Rheologie gesetzten Grenzen nicht über-schreitet.



5 Schlussbetrachtungen Die experimentellen Untersuchungen zum Einfluss der Füllstoffart und -menge auf die Roh-papierqualität erfolgten im Labor und im halbtechnischen Maßstab (Blattbildner und Ver-suchspapiermaschine). Die Versuche wurden so durchgeführt, dass andere Einflüsse, wie z.B. die Mahlung oder die Faserstoffauswahl keine Rolle spielen konnten. Im Verlaufe der Untersuchungen stellte sich heraus, dass die Teilchenform, die Teilchengrö-ße und der Zustand des Füllstoffs (Frischfüllstoff oder Füllstoff aus gestrichenen Ausschuss) einen signifikanten Einfluss auf die optischen Eigenschaften und Festigkeitseigenschaften ausüben. Die Ergebnisse zeigen, dass ein erhöhter Füllstoffgehalt im Streichrohpapier einen positiven Einfluss auf die Oberflächengeschlossenheit hat und zur Senkung der Oberflächenrauhigkeit führt. Dabei spielen der Dispergierungsgrad und die Verteilung der Füllstoffe eine große Rol-le. Mittels rasterelektronenmikroskopischer Aufnahmen konnte dies bestätigt werden. Die füllstoffbedingte Rauhigkeitsreduzierung sowie die Erhöhung der Glätte des Rohpapiers durch Maschinenglättwerk- bzw. Softglättwerkeinsatz beeinflussen die Glätte und den Glanz des gestrichenen Papiers nicht signifikant. Die Streichfarbe wird bei hochgefülltem und ge-glättetem Rohpapier jedoch gleichmäßiger aufgetragen. Dies beeinflusst die Druckqualität des gestrichenen Papiers positiv. Außerdem wird die Anzahl der abstehenden Fasern (fibre rising) reduziert. Somit ist neben den wirtschaftlichen Aspekten auch im Hinblick auf die Pa-pierqualität eine Erhöhung des Füllstoffgehalts im Rohpapier zu befürworten. Die Steigerung des Füllstoffgehalts ist jedoch erwartungsgemäß mit einer Festigkeitsredukti-on verbunden, wobei hier neben der Füllstoffmenge auch die Größe und die Form der Teil-chen einen entscheidenden Einfluss haben. Je feinteiliger die Füllstoffpartikel sind, um so größer ist der Festigkeitsverlust im Streichrohpapier. Durch den Zusatz von Stärke konnte dieser kompensiert werden. Untersuchungen an Rohpapieren aus der Praxis haben darüber hinaus gezeigt, dass neben der Füllstoffmenge eine gleichmäßige Füllstoffverteilung an den Papieroberflächen und im Papierquerschnitt (z-Richtung) die Blattformation und Zweiseitigkeit der Papiere wesentlich verbessert. Da LWC-Papiere in der Praxis beidseitig gestrichen werden, ist deshalb der Ein-satz von Doppelsiebmaschinen empfehlenswert. Mit diesem Forschungsvorhaben wurden Wege aufgezeigt, um die Rohstoffkosten durch erhöhten Füllstoffeinsatz zu verringern und ausgewählte Qualitätseigenschaften (Glätte, Weißgrad, Opazität) von holzhaltigen Streichrohpapieren zu verbessern. Durch gute Ab-stimmung der entwickelten Rohpapierqualität mit der eingesetzten Strichrezeptur wird auch die Qualität des gestrichenen Endproduktes erhöht. Dieses kann sich in einer deutlich redu-zierten Reklamationsquote des fertigen Endproduktes und in der Erhöhung der verkaufbaren Menge niederschlagen. Insbesondere durch die Nutzung der Filmpresse, bei Sicherung der Qualität der TD-Papiere, ist eine weitere Anhebung des Füllstoffanteiles im Streichrohpapier denkbar. Dazu sind je-doch noch weitere Optimierungsschritte am Rohpapier notwendig. Weiterhin wird durch die Verbesserung der Streichrohpapierqualität und der Strichqualität eine Reduzierung des Strichauftrages erwartet.



Danksagung Für die Förderung des Forschungsvorhaben AiF 12571 aus Haushaltsmitteln des Bundesmi-nisteriums für Wirtschaft und Arbeit über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungs-vereinigungen „Otto von Guericke“ e.V. (AiF) sei an dieser Stelle gedankt. Weitere Informationen: [email protected] Ansprechpartner: M. Klein PTS Heidenau Pirnaer Str. 37 01809 Heidenau/Sa. Tel. 03529 - 551661 Fax 03529 - 551899



5 Literaturverzeichnis /1/ N.N. Papier 2000. Ein Leistungsbericht Stand: Mai 2000. Verband Deutscher Papierfabriken (Hrsg.) /2/ KOGLER, W.

Technologische Anforderungen an Streichrohpapiere, Pigmente und Additive; Abstim-mung und Optimierung

PTS-Seminar: SR-SE 34 151 MUC (2001) Vortrag 3 /3/ LIIMATAINEN, H., HAIKKALA, P. u. TUOVINEN Auf Doppelsiebformern mit Druckschliff und TMP hergestelltes LWC-Papier International Mechanical Pulping Conference 09.1997; Stockholm /4/ HALLAMAA, T., HEIKKURINEN, A. u. U. FORSSTROEM Einfluss der Fasereigenschaften auf Struktur und Bedruckbarkeit von LWC-Papier TAPPI Press 1999, S. 57-63 /5/ WEIGL, J., VÖLKEL H.-G. und R. GRENZ Erhöhung des Holzstoff- bzw. Füllstoffgehaltes von LLWC-Streichrohpapier ohne Fes-

tigkeitsverlust Wochenblatt für Papierfabrikation 122 (14), 562-569 (1994) /6/ Technologische Anforderungen an Streichrohpapiere, Pigmente und Additive; Abstim-

mung und Optimierung PTS-Seminar: SR-SE 34 151 MUC (2001) /7/ ECKERT, K. Glanz- und Glätteerzeugung- Betriebserfahrungen mit hh Naturpapieren Wochenblatt für Papierfabrikation 121 (3), 87-94 (1993) -128 (1994) /8/ SIMON, H. Glanz- und Glätteerzeugung – Betriebserfahrungen mit LWC-Papieren Wochenblatt für Papierfabrikation 121 (4), 128-130 (1993) /9/ JENNEKENS, M. u. J. PIJLS Fiber coverage and fiber lifting in LWC Tappi Press 1998, Coating/Papermakers Conference, Book 2, 991-997 /10/ GROEN, J. und AHLROOS, J.

Influence of base-paper filler content and precalendering on metered film press coat-ing-paper Part I

TAPPI Coating/Papermakers Conference 1998 in New Orleans /11/ ASPLER, J. S. u. M.-C. BELAND A review of fibre and surface roughening effects in paper Journal of pulp and paper science, VOL. 20 1(1994) J27-J32 /12/ LEYERER, H.

Verbesserung der Ver- und Bedruckbarkeit von halbmatt und matt gestrichenen Tief-druck- und Rollenoffsetdruckpapieren durch quellfähige Schichtsilikate

PTS-Forschungsbericht PTS-FB 27/99



Verzeichnis der Abbildungen Abb. 1: Dicke der Rohpapiere Abb. 2: Füllstoffgehalt der Rohpapiere Abb. 3: Rauhigkeit (PPS) der Rohpapiere Abb. 4: Weißgrad der Rohpapiere Abb. 5: Reißlänge in Längsrichtung Abb. 6: Reißlänge in Querrichtung Abb. 7: Weiterreißarbeitsindex nach Brecht-Imset (auf identischen Füllstoffgehalt korrigierte

Mittelwerte aus Längs- und Querrichtung) Abb. 8: Rauhigkeit nach Parker-Print-Surf der mittels „Handrakel“ gestrichenen Papiere Abb. 9: Glanz nach Lehmann der mittels „Handrakel“ gestrichenen Papiere Abb. 10: Druckdichte der mittels „Handrakel“ gestrichenen Proben Abb. 11: Füllstoffgehalt der Rohpapiere PMV 2 Abb. 12: Rauhigkeit nach Parker Print Surf der Rohpapiere PMV 2 Abb. 13: Rauhigkeit nach Bendtsen der Rohpapiere PMV 2 Abb. 14: Weißgrad der Rohpapiere PMV 2 Abb. 15: Reißlänge der Rohpapiere PMV 2 Abb. 16: Weißgrad der mittels „Filmpresse“ und Helicoater gestrichenen Papiere Abb. 17: Rauhigkeit nach PPS der mittels „Filmpresse“ u. Helicoater gestrichenen Papiere Abb. 18: Glanz nach Lehmann der mittels „Filmpresse“ und Helicoater gestrichenen Proben Abb. 19: Scanneraufnahmen der gestrichenen Proben Abb. 20: Bewertung der Druckungleichmäßigkeit mittels DOMAS-System Abb. 21: Auswertung der Teilfehlflächen mittels DOMAS Abb. 22: Weißgrad des Rohpapiers und der gestrichenen Papiere Abb. 23: Opazität des Rohpapiers und der gestrichenen Papiere Abb. 24: Glanz Lehmann der gestrichenen Papiere Abb. 25: Glätte nach Bekk der gestrichenen Papiere

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Optimierung von Strichqualität und Bedruckbarkeit von LWC ...€¦ · LWC- Papiere sind meist holzhaltig und werden mit einer flächenbezogene Masse von 51 bis 72 g/m2 bei einer