PTS-FORSCHUNGSBERICHT IGF 16792 TRÄGERPAPIERLOSE … · 2017-08-16 · ger Lösungsa n-sätze . Aufgrund der Nachteile, die sich durch den Einsatz eines Trennpapiers er ge- ... was

PTS-FORSCHUNGSBERICHT IGF 16792TRÄGERPAPIERLOSE SELBSTKLEBEETIKETTEN DURCH DEN EINSATZ EINER INDUKTIONSAKTIVIERTEN KLEBSCHICHT

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R. Gericke, D. Weinzierl, P. Bitomsky, R. Metz: INDUKLEB 1 (59)

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Titel TRÄGERPAPIERLOSE SELBSTKLEBEETIKETTEN DURCH DEN EINSATZ EINER INDUKTIONSAKTIVIERTEN KLEBSCHICHT R. Gericke, D. Weinzierl, P. Bitomsky, R. Metz

Inhalt Seite

1 Zusammenfassung.......................................................................................................... 2

2 Abstract ............................................................................................................................ 4

3 Einleitung ......................................................................................................................... 6

4 Versuchsdurchführung ................................................................................................. 14

5 Rohstoffrecherche und –auswahl ................................................................................ 17

6 Entwicklung und Formulierung induktiv aktivierbarer Dispersionsklebstoffe + Evaluierung .................................................................................................................... 18

7 Entwicklung der Auftragstechnik für Dispersionsklebstoffe sowie Evaluierung deren Eigenschaften der Klebschichten ..................................................................... 24

8 Entwicklung eines Auftragskonzepts .......................................................................... 33

9 Optimierung der Induktionsparameter ........................................................................ 41

10 Funktionstest ................................................................................................................. 43

11 Verarbeitbarkeit ............................................................................................................. 45

12 Rezyklierbarkeit ............................................................................................................. 50

13 Wirtschaftlichkeitsbetrachtung & Resümee ............................................................... 55

Literaturverzeichnis ................................................................................................................ 58



1 Zus ammenfas s ung

Zielstellung Ziel des Forschungsprojektes war es, eine neue, ökonomische und energieeffi-ziente Technologie auf Basis von induktionsaktivierbaren Klebstoffen für das Verleimen von Etikett und Substrat zu nutzen, ohne jedoch Trägerpapiere wie Silikonrohpapier einsetzen zu müssen, und somit das Potential der induktiven Erwärmung auf den Bereich von Selbstklebeetiketten auszuweiten.

Ergebnisse Das Verfahren der Induktion ist bereits industriell etabliert, wie die Beispiele Coil Coating und induktives Heißsiegeln von Lebensmittel- und Pharmaverpackun-gen zeigen, wobei elektrisch leitende Materialien wie beispielweise Aluminium-folien vorausgesetzt werden. In Gegenwart von Nanoferriten ist es gelungen dieses Prinzip auf Papiersubstrate zu übertragen, wobei die sich die nanoparti-kulär vorliegenden superparamagnetischen Eisenoxidpartikel als Bestandteil von Heißsiegelklebstoffformulierungen erwärmen und die ursprünglich blockfrei applizierte Klebschicht thermisch aktivieren und so ein Bekleben von zum Bei-spiel Glas- und Kunststoffsubstraten erlauben. Auf diese Weise sind Klebetiket-ten zugänglich, welche ohne die sonst erforderlichen Silikontrennpapiere bei permanent klebrigen Systemen auskommen. Ein weiterer Vorteil im Vergleich zu alternativen Wärmeübertragungen, wie zum Beispiel der Konvektion ist die Schonung Temperatur sensitiver Substrate und Maschinenumgebungen, da sich die Klebschicht aus sich heraus erwärmt. Zusammen mit dem Wegfall des Trennpapieres ergibt sich ein Einsparpotential, welches von der angesproche-nen Industrie wegen der noch zu entwickelnden Ettiketiertechnik mittel- bis langfristig genutzt werden kann, aber die vorliegenden Projektergebnisse auf kommerziell zugänglichen Klebrohstoffen basieren, deren Verträglichkeit unter-einander und in Gegenwart der innovativen Nanoferrite sichergestellt werden konnte. Darüber hinaus sind die blockfreie maschinelle Klebstoffapplikation und die klebtechnischen Eigenschaften gewährleistet. Die induktive Erwärmung der Papiere konnte ebenfalls nachgewiesen werden, wobei der Abstand der Kleb-schicht zur Induktionsspule, neben der Klebstoffschichtdicke, eine bedeutende Einflussgröße darstellt und sich umgekehrt proportional zu thermischen Auf-heizrate verhält. Ohne dass der Abstand im Rahmen des Projektes auf ein Mi-nimum hätte reduziert werden können, wurden bereits Heizraten bis zur Min-destaktivierungstemperatur von unterhalb einer Sekunde erzielt, so dass die zukünftige Realisierung einer industriellen Anwendung möglich ist.

Schluss-folgerung

Die Ergebnisse haben gezeigt, dass heißsiegelfähige Klebschichten auf Papier mit Hilfe von Nanoferritpartikeln induktiv aktiviert werden können.

Das Verfahren ist ohne Silikonpapiere als potentieller Ersatz für permanent selbstklebende Haftetiketten nutzbar.



Danksagung Das Forschungsvorhaben IGF 16792 N der AiF-Forschungsvereinigung PTS wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages geför-dert. Dafür sei an dieser Stelle herzlich gedankt.

Unser Dank gilt außerdem den beteiligten Firmen der Papier- und Zulieferin-dustrie für die Unterstützung der Arbeiten.



2 Abs tract

Objective The objective of the research project was to use a novel, economical and ener-gy-efficient technology based on induction-activatable adhesives for gluing la-bels and substrates without having to use backing paper such as silicone base paper, thus expanding the potential of inductive heating to the field of self-adhesive labelling.

Results The process of induction is already an industrial standard as illustrated, for ex-ample, by coil coating and the inductive heat sealing of food and pharmaceuti-cal packaging. The prerequisite is that electrically conducting materials such as aluminium foil be used. This principle has been successfully transferred to pa-per substrates in the presence of nano ferrites. In this case, the superparamag-netic iron oxide particles in the form of nano particles are heated as the compo-nent of hot sealing adhesive formulation and thermally activate the originally non-tacky adhesive layer, thus making it possible to glue glass and plastic sub-strates, for example. This makes adhesive labels accessible which get by in permanent adhesive systems without the necessary silicone release liner. An-other advantage compared to alternative thermal transfer processes such as convection, for instance, is the protection of temperature-sensitive substrates and machine environments, since the adhesive layer heats itself up from the in-side out, so to speak. Together with the elimination of the backing sheet, there is a potential savings which can be utilised in the middle- and long-term by the relevant industry due to the labelling technology that is still to be developed. The existing project results are based on commercially available adhesive raw mate-rials whose compatibility with other adhesive raw materials and with the pres-ence of the innovative nano ferrites has been validated. In addition, the non-tacky mechanical adhesive application and the adhesive-related properties are guaranteed. The inductive heating of the paper was also able to be validated. The spacing between the adhesive layer and induction coil, in addition to the thickness of the adhesive layer, constitute a significant contributing factor and behave inversely proportional to the thermal heating rate. Without having to re-duce the spacing to a minimum within the framework of the project, heating rates of less than a second to the minimum activation temperature have none-theless been achieved so that the future realisation in an industrial application is possible.

Conclusions The results have shown that heat-sealing adhesive layers can be inductively ac-tivated on paper with the help of nano ferrite particles.

The process uses no silicon paper and can be employed as a potential substi-tute for permanent self-sealing adhesive labels.



Acknowledge-ments

Research project IGF 16792 N of the PTS Paper Technology Research Associ-ation (AiF) was funded by the German Federal Ministry of Economics and Technology through the German Federation of Industrial Cooperative Research Associations (AiF) within the scope of the "Industrial Co-operative Research" (IGF) promotion programme based on a decision of the Lower House of Ger-man Parliament (Bundestag). We would like to express our gratitude for this support.

We would also like to express our thanks to the involved companies for provid-ing proper samples as well as for supporting project performance.



3 E inleitung

Effizientere Technologie

Die Selbstklebeetikettierung wird in vielfältigen Anwendungsgebieten einge-setzt. Da die SK-Etiketten (Selbstklebeetiketten) stets klebrig sind, besitzen sie ein silikonbeschichtetes Trennpapier. Das sogenannte Releasepapier verur-sacht jedoch verschiedene Nachteile. Einerseits werden Gewicht und Volumen einer Etikettenrolle erhöht, was neben den Herstellungskosten unnötige Kosten bei Transport und Lagerung und Entsorgung für das Releasepapier bedeutet. Nach der Applikation der SK-Etiketten muss das Trennpapier aufgewickelt und entsorgt werden. Dies verursacht weitere Kosten. Ferner sind die als Müll anfal-lenden silikonisierten Papiere ökologisch bedenklich.

Durch den Einsatz induktiv erwärmbarer Klebstoffe können bei Raumtempera-tur nicht klebende, induktiv aktivierbare SK-Etiketten hergestellt werden. Dadurch kann das nachteilige Trennpapier eingespart werden, wodurch die oben genannten Nachteile entfallen. Die Wärmeaktivierung des Klebstoffs kann durch die Induktionstechnik effektiv und effizient erzielt werden.

Defizite bisheri-ger Lösungsan-sätze

Aufgrund der Nachteile, die sich durch den Einsatz eines Trennpapiers erge-ben, finden sich in der Literatur bereits verschiedene Lösungsansätze trennpa-pierfreie SK-Etiketten herzustellen. Alle in der Literatur beschriebenen Ansätze bringen aber auch mehr oder weniger gravierende Nachteile mit sich, so dass diese Lösungsansätze nicht oder nur in Nischenanwendungen zum Tragen kommen.

Durch den Einsatz induktiv aktivierbarer Klebstoffschichten für SK-Etiketten kann das Trennpapier eingespart werden, ohne dabei die Nachteile bisheriger Lösungen mit sich zu bringen.

induktionsaktivierbare Etiketten

Induktionsaktivierbare Etiketten vereinen die wirtschaftlichen Vorteile eines trennpapierlosen Etiketts und die effiziente Energieübertragung der Induktions-technik, so dass trennpapierlose Etiketten auch als ökologisch sinnvolle Alter-native zu den heutigen SK-Etiketten entwickelt werden kann.

3.1 S elbs tklebeetiketten und deren E ins atzgebiete

Selbstklebeetikettierung

SK-Etiketten ermöglichen vielfältige und hochwertige Ausstattungen. Es sind aber auch die technischen Eigenschaften, die sie interessant machen. Sie sind strapazierfähig, wasser- und rutschfest. So wird z. B. bei der Ausstattung von Champagnerflaschen das Selbstklebeeti-kett nicht nur wegen seiner hochwertigen Anmutung gewählt, sondern weil es noch zusätzlich schwitz- und eiswasserfest sein muss.

Für SK-Etiketten werden ausschließlich Haftklebstoffe verwendet. Diese sind bei Raumtemperatur selbstklebend und bleiben es auch, was ein silikonisiertes Trennpapier erfordert. Eingesetzt werden die Selbstklebeetiketten wiederum für alle gängigen Behälter- und Gebindematerialien wie Glas, Kunststoff, Karton oder Metall. Die Leistung ist abhängig von der Etikettenlänge, die verarbeitet werden soll. In



der Praxis erreichen Maschinen Leistungen von 1.000 bis 42.000 Behälter/h.

3.2 P apierbas ierte E tiketten

Aufbau eines SK-Etiketts

Ein selbstklebendes Etikett besteht in der Regel aus drei Grundelementen: dem Obermaterial, der Klebstoffschicht auf seiner Rückseite und dem Abdeck- oder Trägermaterial (Silikonpapier), auf dem das Etikett so lange verbleibt, bis es vor Gebrauch abgezogen wird. Die Etikettiermaschine zieht das Etikett an der Spendekante vom Trägermaterial ab und klebt es mit dem am Etikett anhaften-den Klebstoff auf den Behälter.

Vorteile der SK-Etiketten sind ge-fragt

Selbstklebende Etiketten haben Vor- und Nachteile, welche auch vom Anwen-dungsfeld abhängen. Ein großer Vorteil besteht darin, dass sie oftmals effekti-ver gehandhabt werden können als Nassetiketten, vor allem wenn sehr kleine Etiketten eingesetzt werden. Zudem nimmt die Kosteneffizienz von SK-Etiketten mit abnehmender Etikettengröße zu [1].

Zusätzlich ist in der Weinbranche der Trend weg vom Nassleim hin zum Selbst-klebeetikett unverkennbar. Die Vielfalt, der genaue Sitz und das saubere Er-scheinungsbild der SK-Etiketten wiegen den Nachteil der höheren Beschaf-fungskosten vor allem bei kleineren Auflagegrößen auf. Auch aus maschinen-technischer Sicht haben die SK Etiketten zahlreiche Vorteile wie geringer Platz-bedarf, einfache Bedienbarkeit, geringer Reinigungsaufwand und rasche Ver-fügbarkeit.

Selbstklebeetiketten haben viele verschiedene Anwendungen. Sie werden we-gen ihrer Flexibilität und ihrem gutem Druckbild in einer Vielzahl von Etikettier-aufgaben verwendet. Lag der Verbrauch 2005 noch bei 22 Mrd. m²/Jahr [2] so wurden bereits 2006 insgesamt 30,5 Milliarden m² Trennpapier verbraucht; da-von wurden 50% für Etiketten genutzt [3]. Die Wachstumsrate der Trennpapiere beträgt weltweit 9,9%; in Europa geht man von einer Wachstumsrate zwischen 4 bis 6% aus [4; 5]. Über 80% der Träger für Silikonpapiere sind auf Papierba-sis. Der Folienanteil als Trägermaterial für die Trennschicht wächst dabei stär-ker als in den nächsten Jahren als der auf Papierbasis [3; 6].

Nachteile der SK-Etiketten

Der Nachteil von SK-Etiketten liegt jedoch in der Notwendigkeit eines relativ vo-luminösen Trägerpapiers, das die Etiketten in aufgerollter Form vor dem Verb-locken der Rolle schützt. Die Verwendung eines Trägerpapiers verursacht un-nötige Kosten bei Transport, Lagerung und Handhabung und letztendlich fällt das Trägerpapier nach dem Etikettiervorgang als Abfall an, der kostenintensiv entsorgt werden muss und zudem ökologisch bedenklich ist.

Beim Applizieren des Ettiketts ist ein eigener Schritt zur Entfernung des Trä-germaterials nötig. Dadurch ist die Produktivität und workability der SK-Etiketten



mit Träger gering.

Die Herstellungskosten sind nicht nur wegen der Kosten für den Träger, son-dern auch wegen der Ausgaben zur Behandlung des Trägers hoch. Insgesamt ist die Verwendung eines Trägerpapiers daher sowohl ökologisch als auch öko-nomisch insgesamt als kritisch zu bewerten.

Werden SK-Etiketten zur Kennzeichnung von Gütern verwendet, erweist sich meistens das Ablösen der „alten“ Etiketten, das vor jedem neuen Auftrag not-wendig ist, als mühsam. Mängel in der Etikettierung verursachen bei SK-Etiketten hohe Kosten, da bei einer Fehletikettierung nicht nur das Etikett verloren ist, sondern auch der Be-hälter auszuleiten ist, da das Etikett meist nicht mehr zu entfernen ist.

3.3 Trägerlos e E tiketten

Andere Ansätze Um die Nachteile der SK-Etiketten, vor allem den Einsatz eines teuren Träger-papiers zu vermeiden, wurden in der Technik bereits Anstrengungen unter-nommen. Keine dieser Ansätze konnte das Problem aber zufrieden stellend lö-sen, so dass SK-Etiketten mit Trägerpapier am Markt eine hohe Akzeptanz er-reicht haben und bislang nicht durch Alternativen verdrängt werden konnten. Die wichtigsten Lösungsansätze werden im Folgenden kurz erläutert:

Silikonersatz we-gen Umweltprob-lematik [7]

Die Problematik der als Abfall anfallenden, silikonbeschichteten Trennpapiere zeigen auch die Anstrengungen, silikonfreie Release-Beschichtungen zu entwi-ckeln. So entwickelten z. B. Bafford et al. [7] auf Vinylacetat basierende Emulsi-onspolymere für den Ersatz des Silikons in Trennpapierbeschichtungen.

Ebenso gibt es Bemühungen die Trennpapiere wiederzuverwenden oder um-weltfreundlicher zu entsorgen bzw. in neue Produkte umzuwandeln.

Mehr oder weni-ger erfolgreiche Ansätze

In der Literatur sind bereits einige Ansätze für trägerpapierlose SK-Etiketten zu finden. Diese werden im Folgenden kurz beschrieben:

Mikroverkapselter Klebstoff

Linerless labels mit Releasebeschichtung

Lösungsmittelaktiviertes Kleben

Wärmeaktivierte Klebeetiketten

Mikroverkapselter Klebstoff

Im Patent [8] wird der Einsatz eines drucksensitiven Klebstoffs in Mikrokapsel-form in der Klebschicht vorgeschlagen, wobei zur Lagerung ein Trennpapier benötigt wird. Diese drucksensitiven Klebschichten liefern jedoch nicht genü-gend Klebekraft. Zudem können sie auf Grund der Druckempfindlichkeit nicht mit variablen Beschriftungen bedruckt werden. Deshalb sind diese Vorschläge noch nicht in praktischem Gebrauch. Empereur et.al [9] stellen trägerpapierlo-se, druckempfindliche SK-Etiketten durch den Einsatz von mikroverkapseltem Klebstoff her. Es zeigte sich aber, dass die Klebekraft unzureichend war und nur maximal 68% im Vergleich zum unverkapselten Klebstoff betrug.



„Linerless“ Eti-ketten [10, 11, 12]

Trennpapierfreie Haftetiketten, sog. „linerless labels“ sind drucksensitive Etiket-ten, die kein Trägerpapier besitzen. Die Etikettenkonstruktion wird typischer-weise durch das Aufbringen einer Klebschicht auf der einen Seite und einer Re-leasebeschichtung auf der anderen Seite des Substrats hergestellt. Die Klebe- und Releaseschicht werden nach dem Bedrucken aufgebracht. Die Etiketten-bahn wird aufgerollt und die Releaseschicht kommt gegenüber der Klebschicht zum Liegen. Dies verhindert das Verkleben der einzelnen Bahnen und ermög-licht ein Wiederabrollen.

Nachteile der „li-nerless labels“ [13]

Für viele Anwendungen ist es erstrebenswert, variable Beschriftungen oder An-zeigen auf die Vorderseite des Etiketts zu drucken, wie z. B. (Haltbarkeits-Datum, Barcode etc.). Hierbei kommen z. B. Inkjet-, Thermotransfer- oder Flexodruck zum Einsatz. Die Anwesenheit einer Releaseschicht auf der gegen-überliegenden Seite der Klebschicht (=Oberseite des Etiketts) verhindert jedoch das Bedrucken des Etiketts.

Die Oberflächenspannung der Releasebeschichtung verhindert das Anhaf-ten/Aufbringen von Tonern, Tinten und Beschichtungen. Die Releaseschicht hat keine oder eine sehr geringe Porosität, so dass Tinten nur schlecht absorbiert und verankert werden können. Mit konventionellen „linerless labels“ kann der Druck abgewischt oder verschmiert werden, so dass das Etikett nicht bedruckt werden kann. Daneben leiden konventionelle Etiketten daran, dass die Releaseschicht sehr glänzend ist und die Barcodescanner dadurch gestört werden können. Zudem leidet die Klebekraft der Etiketten durch die Übertragung von Trennmit-tel der Releaseschicht auf die Klebefläche, so dass dadurch immer wieder Haftprobleme entstehen.

Lösungsmittelaktiviertes Kleben

Es hat auch Bestrebungen gegeben, durch Überschichten der Klebschicht de-ren Klebeeigenschaft zu stören. Dabei wird die Klebefähigkeit nicht durch eine Schutzschicht maskiert, sondern der Klebstoff wird nicht-klebend ausgerüstet und erst durch den Einsatz eines Lösungsmittels oder Wasser wird die Klebefä-higkeit reaktiviert.

Nachteile Lö-sungsmittelakti-vierter Kleb-schichten

Die Verwendung von Lösungsmitteln während der Etikettierung birgt aber Prob-leme wie Schaumbildung, Entflammbarkeit und Entsorgungsprobleme. Zudem ist das Verfahren zeit- und kostenaufwändig, vor allem auf Grund des zusätzli-chen Trocknungsschritts. Mit wasserlöslichen Blockern gibt es zudem Probleme mit Haltbarkeit und Trocknung.

Wärmeaktivierte Klebeetiketten

Für wärmeaktivierte Klebeetiketten werden Klebstoffe eingesetzt, die bei Raum-temperatur nicht klebend sind und direkt auf dem Substrat aufgebracht werden können, ohne dass ein Trennpapier nötig ist.

Das Patent EP 0 788 972 [14] beschreibt ein thermosensitives Klebeetikett, das aus einem Träger und einer thermosensitiven Klebschicht (Hotmelt-Klebstoff) besteht. Das Etikett wird ohne ein Trennpapier gebildet und ist bei Raumtempe-ratur nicht klebend. Die thermosensitive Klebschicht wird durch Wärme klebrig, wobei die Wärmeübertragung durch den Kontakt des Etiketts mit der Oberflä-



che eines wärmenden Werkzeugs erfolgt.

In weiteren Patenten werden verschiedene andere Verfahren zur Aktivierung der thermosensitiven Klebschicht vorgeschlagen, wie z. B. Heißluft oder Infra-rotstrahlung, Xenonblitz oder Halogenlampe [15,16,17,18,19].

Nachteile wär-meaktivierter Klebeetiketten

Die oben vorgestellten Hitzeaktivierungsmethoden bergen Defizite, so dass sie noch nicht praktisch umgesetzt wurden. Für den Fall, dass dem thermosensiti-ven Klebstoff die Wärme durch einen elektrischen Heizer oder eine Halogen-lampe zugeführt wird, ist es schwierig die Wärme effizient auf die thermosensi-tive Klebstoffschicht zu übertragen. Dabei kann es zu Überhitzungsproblemen kommen und die Schwierigkeit der effizienten Nutzung der thermischen Energie führt zu hohen Energiekosten [20]. Um die Energiekosten in Grenzen zu halten, werden Klebstoffe mit niedrigerem Schmelzpunkt verwendet, die zum Verblocken (Verkleben) beim Aufrollen nei-gen. Es gab Bestrebungen, dieses Problem zu lösen [21,22], allerdings noch ohne nennenswerten kommerziellen Erfolg.

Berücksichtigt man auch Sicherheits- und Kostenaspekte, so ist anzunehmen, dass ein thermisches Heizgerät durch eine Abdeckung gesichert sein muss. In einem solchen Fall ist es unmöglich, kompakte, kostengünstige Geräte zu ent-werfen. Für den Fall, dass die Erwärmung erreicht wird, indem die thermosensitive Klebschicht mit einem Heizaggregat in Kontakt gebracht wird, z. B. in einer Heiztrommel, einer Heizwalze oder einem beheizten Riemen, muss die Wär-meeinheit ständig in geheiztem Zustand bereit stehen, um eine schnelle Wär-meaktivierung der Klebschicht zu gewährleisten. Dies führt zu Sicherheitsprob-lemen, und ist mit Energieverlusten verbunden.

Daneben kann es bei direktem Kontakt des Heizelements zur Klebstoffschicht beim Aufheizvorgang zu einer (teilweisen) Übertragung des Klebstoffs auf das Heizaggregat kommen. Auch können Etiketten am Heizelement anhaften und sich um das Heizgerät wickeln. Beides bedeutet weitere Sicherheitsprobleme (Feuergefahr), wobei die Qualität der Klebschicht des Etiketts und die Maschi-neneffizienz leiden. Deshalb ist eine berührungslose Erwärmung vorzuziehen.

Trägerpapierlose SK-Etiketten konnten sich bisher nicht durchsetzen [1]

Die oben vorgestellten trägerpapierlosen Etiketten, die die Klebekraft durch die Aktivierung durch Hitze oder den Einsatz von Lösungsmitteln erzeugen, sind seit vielen Jahren bekannt. Eine automatische Etikettierung mit diesen Labels wird jedoch noch immer nicht im industriellen Maßstab durchgeführt. Dies hat sowohl technische als auch kommerzielle Gründe. In der Tat entwickelte die Firma KRONES eine automatische Etikettieranlage für thermoaktivierte Etiket-ten. Es zeigte sich aber, dass dafür kein Markt besteht, da die Kosten für Etiket-ten und Energie zu hoch und die Etiketten dadurch nicht konkurrenzfähig wa-ren.

Könnten trägerpapierlose Etiketten ökonomisch sinnvoll hergestellt werden und dabei die technischen Ansprüche moderner, automatischer Hochgeschwindig-keitsetikettiermaschinen erfüllen, so gäbe es bei den heutigen vielfältigen Etiket-tierungsansprüchen sicher viele Anwendungen, für welche diese Etiketten eine exzellente Lösung darstellen würden.



3.4 Induktions klebetechnik

Induktionshärtung

Elektrisch leitende Materialen heizen in Gegenwart eines oszillierenden Mag-netfeldes in Reichweite einer mit hoher Wechselstromfrequenz betriebener Spule rasch auf, indem das Magnetfeld Wechselströme im Material induziert, welches auf Grund seines ohmschen Widerstandes Wärme freisetzt. Diese Me-thode wird seit langem zum Aufheizen und Schmelzen von Metallen eingesetzt, da auf diesem Weg hohe Heizraten auf kleinem Raum konzentriert werden können, ohne dass der direkte Kontakt zwischen Heizelement und Werkstück erforderlich ist.

Induktives Coil Coating

Im industriellen Bereich wird die Induktionshärtung unter anderem für die Trocknung von Lacken auf metallischen Werkstücken (z. B. Stahlblechen) ein-gesetzt. Zur Härtung wird in kurzem Abstand vom Werkstück eine Induktions-spule angebracht, die mit hochfrequentem Wechselstrom (100 – 500 kHz) ar-beitet.

Wegen des schnellen Energieeintrages findet die induktive Härtung Anwendung im Coil Coating Verfahren, bei dem die Beschichtung bei Temperaturen von 180 – 260°C auf ein Metallband (Coil) eingebrannt wird.

Induktives Heiß-siegeln

Auch im Bereich der Verpackungstechnologie ist die Induktionshärtung etab-liert. In diesem speziellen Fall spricht man vom induktiven Heißsiegeln von Le-bensmittel- und Pharmaverpackungen. Hierbei wird mit einem Heißsiegelkleb-stoff beschichtete Aluminiumfolie nach induktiver Erwärmung des Metalls unter Druck mit dem Behälterrand eines Kunststoff- oder Glasgebindes verbunden. Bei diesem Verfahren wird der bei Raumtemperatur nicht klebriger Heißsieg-klebstoff indirekt über die Aluminiumfolie thermisch aktiviert und bindet nach dem Fügen mit dem Behälterrand durch Erkalten ab. Am Ende sind die Behäl-teröffnungen mit einem Aluminiumdeckel versiegelt.

MagSilica als in-novativer Kle-brohstoff

Wie oben beschrieben, war die Induktionshärtung bisher auf elektrisch leitende Werkstücke beschränkt, wobei Substrate aus Kunststoffen, Glas, Keramik so-wie Papier und Pappe ausgeschlossen blieben. Mit der Einführung von MagSili-ca der Evonik Degussa ist es gelungen die induktive Härtung von Beschichtun-gen und Klebstoffen auch auf nicht metallische Substrate zu übertragen, indem superparamagnetische Eisenoxid – Partikel als Klebrohstoffe verarbeitet wer-den. MagSilica enthält nanoskalige (5 bis 25 nm) magnetische Bereiche, die in einer Silizium – Matrix (< 40 nm) auf Basis pyrogener Kieselsäuren gebettet sind (siehe Abbildung 1) und innerhalb eines wechselnden Magnetfeldes zum Aufheizen der Nanopartikel führen.



Abbildung 1: Links: Schematische Darstellung Rechts: TEM Aufnahme eines mit des Aufbaus eines MagSilica MagSilica induktiv gehärteten Partikels Epoxidklebstoffes

Die erzeugte Wärme wird auf Grund der sehr kleinen Partikelgröße sehr schnell an die umgebende Polymermatrix abgegeben, was zum direkten Erwärmen des Klebstoffes im Magnetfeld der Induktionsspule führt

Umgekehrt kann in einem Debonding – Prozess der induktive Wärmeeintrag genutzt werden, um thermoplastische Klebstofffugen bis zum Versagen der Klebfestigkeit in Folge des Kohäsionsabbaus zu erweichen.

IFAM Vorarbeiten In Zusammenarbeit der Evonik Degussa mit dem Fraunhofer IFAM konnte die-ses Verfahren bereits erfolgreich zum Härten ein- und zweikomponentiger Epo-xidklebstoffe genutzt werden [23, 24, 25]. Dabei hat sich gezeigt, dass sich MagSilica auf Grund seiner chemischen Basis ähnlich wie pyrogene Kieselsäu-ren als Klebrohstoff verarbeiten lässt und hohe Aufheizraten in Abhängigkeit der eingesetzten MagSilica – Typen und Mengen erzielt werden. Neben der Rezep-tur fließen auch äußere Randbedingungen wie die Wärmeleitfähigkeiten und Wärmekapazitäten der Substrate und des Klebstoffes, die Auftragsmenge des Klebstoffes sowie die Auslegung der Induktionsspule hinsichtlich ihrer Leistung, Frequenz und Geometrie sowie ihres Abstandes und ihrer Anordnung zur Kleb-schicht eine entscheidende Rolle. Unter Berücksichtigung der genannten Ab-hängigkeiten ist es gelungen die Aushärtungsdauer vom zweistelligen Minuten-bereich bei konventioneller Härtung im Ofen auf den zweistelligen Sekundenbe-reich zu reduzieren, ohne dass die Spulenparameter für den genannten An-wendungsfall optimiert wurden.

Umgekehrt kann in einem Debonding – Prozess der induktive Wärmeeintrag genutzt werden, um thermoplastische Klebstofffugen bis zum Versagen der Klebfestigkeit in Folge des Kohäsionsabbaus zu erweichen.

3.5 F ors chungs bedarf

„debond on command“ hilft Kosten zu sparen

Durch den Einsatz von induktionsaktivierten Klebstoffen entfällt bei der Entwick-lung der neuartigen Etiketten die Herstellung, Verarbeitung und Entsorgung des mit Silikon beschichteten Trennpapiers.



Alte SK-Etiketten sind bei Mehrwegbehältern nur schwer zu entfernen und bei der Fehletikettierung entstehen hohe Kosten. Es ist also nötig, dass sich die Etiketten nicht nur automatisch und schnell aufspenden, sondern auch automa-tisch und schnell wieder entfernen lassen. Dies kann mit einer induktionsaktivierten Klebschicht („debond on command“) erreicht werden.

INDUKLEB Wärmeaktivierte Klebeetiketten stellen einen viel versprechenden Weg dar, das Trägerpapier einzusparen. Bisher stellte dabei die effiziente Wärmeübertragung die größte technologische Hürde dar. An Stelle eines von außen wirkenden Wärmetransportes werden die Klebstoffe in Gegenwart von MagSilica per Induktion in der Klebschicht direkt erwärmt, ohne andere Werksstücke und temperaturempfindliche Substrate zuvor oder zeitgleich zu erwärmen. Der Wärmetransport erfolgt lediglich aus der Kleb-schicht heraus. Die Bildung von Hot Spots ist durch die nanoskalig vorliegenden und gleichmäßig dispergierten MagSilica-Partikel nicht gegeben. Die Wärmebildung erfolgt schnell, was einen hohen Etikettendurchsatz erlaubt. Durch Kombination der MagSilica Technologie mit dem induktiven Heißsiegeln besteht die Möglichkeit zur direkten Erwärmung der Klebschicht ohne Beisein von metallischen Substraten, um auf diese Art den trägerlosen Etiketten zum Durchbruch zu verhelfen.

Ausreichende Klebkraft

Im Gegensatz zu mikroverkapselten Klebstoffen oder den „linerless labels“ ist eine unzureichende Klebekraft nicht zu erwarten. Das Projekt kann auf Basis der ebenfalls im Verpackungsbereich etablierten thermoaktivierbaren Heißsie-gelklebstoffe aus wässriger Dispersion durchgeführt werden. Auf diese Weise kann das Risiko mangelnder klebtechnischer Eigenschaften nicht ausgeschlos-sen aber zumindest begrenzt werden.

Gute Bedruck-barkeit

Ebenso sind Probleme bezüglich der Bedruckbarkeit, die bei verkapselten Klebstoffen und linerless labels auftreten können nicht zu erwarten, da keine Releasebeschichtung benötigt wird.

In welcher For-mulierung ist MagSilica appli-zierbar?

Die thermoplastische Rohstoffbasis der Klebstoffe erlaubt einen ebenfalls per Induktion initiierten Debonding – Prozess am Ende des Lebenszyklus des Ge-brauchsgegenstandes. Bonding und Debonding thermoplastischer Klebstoffe sind prinzipiell reversible Prozesse, die damit auch helfen sollen, die Recyklier-barkeit der Etiketten zu verbessern.

Applikation von MagSilica auf Papier

Für die kostengünstige Herstellung der Etiketten ist es nötig, die Klebeschicht mit einem geeigneten Auftragsaggregat zu applizieren. Dazu sollen die wässri-gen Dispersionsklebstoffe, die mit MagSilica modifiziert wurden, mit in der Pa-pierindustrie gängigen Verfahren auf das Papier aufgebracht werden. Dabei sol-len zu erwartende technische Herausforderungen durch mehrlagige Schichtsys-teme gelöst werden.

Ist die Klebkraft Die hergestellten, modifizierten Klebschichten müssen verschiedene klebtech-



ausreichend? nische Anforderungen erfüllen. Bei der Übergabe des Etiketts vom Spendeaggregat auf das zu etikettierende Behältnis muss eine genügende Klebkraft („initial tack“) vorhanden sein, um ei-ne reibungslose Etikettierung zu gewährleisten. Daneben sollte der klebende Zustand der Etiketten möglichst schnell erreicht werden, um lange Vorheizstre-cken zu vermeiden. Dies ist sowohl maschinenbaulich als auch wegen der Energiekosten erstrebenswert. Nicht zuletzt ist es entscheidend, dass die modi-fizierten Klebstoffe ein ausreichendes, dauerhaftes und finales Niveau der Klebkraft erreichen, um die Anforderungen an die Haftung von Etiketten zu er-füllen.

Diese klebtechnischen Voraussetzungen sind bei der Formulierung der Kleb-stoffe und beim Auftrag der Klebschicht zu beachten:

Initial tack

Kinetik der Klebkraftentwicklung

Niveau der finalen Klebkraft

Forschungsziel Ziel des Forschungsprojektes war es, eine neue, ökonomische und energieeffi-ziente Technologie auf Basis von induktionsaktivierbaren Klebstoffen für das Verleimen von Etikett und Substrat zu nutzen, ohne jedoch Trägerpapiere wie Silikonrohpapier einsetzen zu müssen.

4 Vers uchs durchführung

Überblick - Lösungsweg

Im Rahmen dieses Projektes werden zwei Projektteile bearbeitet - das der Klebstoffentwicklung und das der Klebstoffapplikation, die in einer gemeinsa-men Bewertung hinsichtlich Funktionstest der trägerpapierlosen Etiketten, de-ren Verarbeitbarkeit sowie Untersuchungen zum Recycling münden.

Zunächst wurden auf Grund einer Rohstoffrecherche geeignete Materialien für die Untersuchungen ausgewählt. Daraufhin erfolgte die Entwicklung und For-mulierung induktiv aktivierbarer Dispersionsklebstoffe und deren Evaluierung. Des Weiteren wurde eine geeignete Auftragstechnik für die Dispersionsklebstof-fe entwickelt und die Eigenschaften der Klebeschichten evaluiert.

Darauf folgte die Entwicklung von Auftragskonzepten, die für die Anwendung geeignet erschienen. Eine Optimierung der Induktionsparameter für die Klebe-schichten sowie ein Funktionstest wurden durchgeführt. Die Kriterien der Verar-beitbarkeit und der Rezyklierbarkeit wurden letztendlich überprüft.



Papieranalytische Normverfahren

Die folgenden Messverfahren wurden angewandt:

Tabelle 1: angewandte standardisierte Messverfahren

Parameter Messmethode

flächenbezogene Masse DIN EN ISO 2286-2

Reflexionsfaktor (Weißgrad) DIN 54145

Opazität DIN 53146

Farbmessung (L-a-b-Werte) ISO 5631

Viskosität (Brookfield) DIN EN ISO 2555

Verschleißwirkung von Pigmenten (Abrasion) ZM V/27.7/90

Schälkraft (Klebkraft) FINAT-Testmethode Nr. 1

Auftragen der Klebstoff-schichten

Die Klebstoffmassen wurden mit Hilfe eines Drahtrakelgerätes (Control Coater der Firma Erichsen GmbH & Co. KG, siehe Abbildung 2) auf den Karton aufge-tragen. Zum Auftragen wurde das Etikettenpapier in eine dafür vorgesehene Halterung geklemmt.

Abbildung 2: Halbautomatisches Drahtrakelgerät für Streich- und Beschich-tungsversuche im Labor

Je nach gewünschtem Strichgewicht wurde ein geeignetes Rakel (Rakel 1 bis 8 mit abgestufter Drahtstärke bzw. Tiefe der gefrästen Rille) ausgewählt und die dafür passende Geschwindigkeit (Geschwindigkeit 1 bis 10) ermittelt. Wenn nicht anders erwähnt, wurden die Papiermuster nach dem Beschichten an der Luft bei Raumklima getrocknet.

Für die Beschichtungen wurden die Rakelnummern 3, 5 und 7 verwendet, was



eine Nassschichtdicke von 24 µm, 50 µm bzw. 75 µm ergab. Beschichtet wur-den jeweils die Rückseiten der Etikettenpapiere.

Jagenberg-Coater (Bladeauf-trag)

Die Beschichtungsversuche wurden im kleintechnischen Maßstab an einer halbtechnischen Anlage durchgeführt. Dabei handelte es sich um eine Be-schichtungsmaschine der Fa. Jagenberg.

Eine Übersicht über die technischen Möglichkeiten der Jagenberg-Anlage gibt folgende Tabelle.

Tabelle 2: Technische Daten des eingesetzten Jagenberg-Coaters

Parameter Bereich/Spezifikation

Arbeitsbreite 300 mm

Betriebsgeschwindigkeit 0 - 60 m/min

Basispapier 40 - 300 g/m²

Rollendurchmesser max. 400 mm

Hülseninnendurchmesser 76 mm

Auftragswerke 1 Filmpresse

Auftragswerke 2 Auftragswalze mit Stahlblade

Trocknung Infrarot-Trockner der Fa. Heraeus (4 Radiato-ren auf einer Fläche von 250 x 500 mm)

Abbildung 3: Bild der kleintechnischen Beschichtungsanlage der Fa. Jagenberg



Bedruckbarkeit (Probedrucke)

Für die Beurteilung der Bedruckbarkeit hinsichtlich Wegschlagverhalten, Rupfen und Mottling wurde ein Mehrzweck-Probedruckgerät verwendet.

Abbildung 4: Mehrzweck-Probedruckgerät MZ II der Prüfbau Dr.-Ing. H. Dürner GmbH

Material und Methoden

Die mehrfach eingesetzten Materialien sind im Kap. 5 beschrieben. Speziell eingesetzte Materialien und Methoden sind im Vorfeld der jeweilig durchgeführ-ten Untersuchung aufgeführt.

5 R ohs toffrecherche und –aus wahl

Vorgehen zur Rohstoffauswahl

Auswahl wässriger Heißsiegelklebstoffe, die kommerziell verfügbar sind und hinsichtlich der rheologischen Eigenschaften, der Verblockungsnei-gung der beschichteten Etiketten und der Mindestaktivierungstempera-tur mit Blick auf eine schnelle Etikettierbarkeit geeignet sind.

Auswahl potentiell geeigneter Klebrohstoffe zur Formulierung von Kleb-stoffen mit bekannter Zusammensetzung. Als Klebrohstoffe kommen wässrige Polymerdispersionen auf unterschiedlicher Polymerbasis (z.B. EVA, PU), Wachs- und Harzdispersionen sowie Füllstoffe in Fra-ge.

Die unterschiedlichen MagSilica – Qualitäten sind festgelegt und dienen zur an-teiligen Formulierung der Klebstoffe.

Etiketten Hier wurden die Rohstoffe für den weiteren Projektverlauf recherchiert und aus-gewählt. Es kamen drei einseitig gestrichene Etikettenpapiere zum Einsatz:

• P1 (einseitig gestrichenes Etikettenpapier 80g/m²),

• P2 (einseitig gestrichenes Etikettenpapier 130 g/m²) und

• P3 (einseitig gestrichenes Etikettenpapier 220 g/m²).

Die ausgewählten Muster kamen im DIN A4-Format zum Einsatz.



Da auf Grund der gefärbten Klebschicht Probleme bei den optischen Eigen-schaften erwartet wurden und eine thermische Abschirmung als günstig erwar-tet wurde, wurden folgende Zusatz-„Pigmente“ für eine Opazitäts- bzw. Ther-moschicht ausgewählt:

• SP 1 - Latexhohlpigmente

• SP 2 - Blähglasprodukt, Körnung 0,1 – 0,4mm

• SP 3 / Sp 4 - Calciumsilikat-Hydrat (Pigment als Pulver und Slurry)

Zur Formulierung streichfähiger Dispersionen auf Basis von Klebstoffdispersio-nen und für die Streichfarbeherstellung wurden weitere Additive je nach Bedarf eingesetzt.

Klebstoffdispersionen

Auf Empfehlung des projektbegleitenden Ausschusses sollten die Klebstoffsys-teme vorzugsweise auf teilkristallinen EVA- oder PUR- Polymeren basieren, weil dadurch längere offene Wartezeiten gehalten werden können und geringe-re Viskositäten der Klebeschicht eine bessere Benetzung erlauben. Ferner be-stand die Möglichkeit verschiedene Dispersionen anteilig zu mischen bzw. ei-nen Schichtauftrag mit teilkristalliner Basis und amorpher Deckschicht zu wäh-len. Bei den amorphen Systemen kamen kostengünstige Acrylatdispersionen mit Glasübergangstemperaturen ab 50 °C in Frage.

Die niedrigschmelzende Basis sollte beim Aufheizen mit der höherschmelzen-den Deckschicht interpenetrieren und somit Tack aufbauen. Neben der Benet-zung nach erfolgter Thermoaktivierung war die Blockfreiheit der Klebschicht (bis 50 °C - nach Standardtest der PTS) vor der Aktivierung essentiell.

Dispersionen auf Basis von PUR und auf Basis von EVA wurden von zwei ver-schiedenen Herstellern zur Verfügung gestellt. Im Fall der EVA-Dispersion han-delt es sich um einen bereits fertig eingestellten Heißsiegelklebstoff vertrauli-cher Zusammensetzung mit einer Mindestaktiviertemperatur von 90 °C. Bei den Polyurethandispersionen können neben teilkristallinen Polymeren mit verschie-denen Molmassenverteilungen auch amorphe Systeme eingesetzt oder ge-mischt werden. Auf diese Weise liesen sich Substratbenetzungen und offene Zeiten einstellen. Bei unzureichenden Hafteigenschaften, mussten den Basis-dispersionen Harzseifen oder Harzesterdispersionen zugesetzt werden. Hierbei war auf die gleiche Stabilisierung im wässrigen Medium zu achten, um Unver-träglichkeiten zu vermeiden.

6 E ntwicklung und F ormulierung induktiv aktivierbarer Dis pers ions klebs toffe + E valuierung

Ziele: Formulie-rung und physi-kalische Eigen-schaften

Kommerziell verfügbare Heißsiegelklebstoffe wurden mit verschiedenen MagSi-lica-Qualitäten abgemischt und anschließend Formulierungen auf Basis von geeigneten Klebrohstoffen entwickelt.

Die Evaluierung der Formulierungen erfolgte mit Bezug auf den Etikettenauf-trag.



Ziele: Evaluie-rung der Er-wärmbarkeit

Die induktive Aufheizrate und der Hot Tack wurde in Abhängigkeit der gewähl-ten Formulierung ermittelt. In entsprechender Weise wurden die klebtechni-schen Eigenschaften der geklebten Etiketten untersucht.

Rheologische Ei-genschaften

Sowohl die auf EVA- Basis verwendete Heißsiegelklebstoffdispersion als auch weiterer PUR- Dispersionen ließen sich mit dem Propellerrührer oder dem Pla-netenmischer bei Raumtemperatur mit dem Nanoferrit homogenisieren. Ohne dass das vorheriges Sieben der Nanoferrite erforderlich gewesen wäre, zerfal-len auch größere Teile durch das Scheren in den Dispersionen. Nach dem Mi-schen blieb das EVA – System stabil, wobei die Viskosität im Vergleich zur Rohdispersion mit 1.150 mPas konstant war und der Nanofüllstoff nicht reag-glomeriert, so dass die fertigen Dispersionen für erste anwendungstechnische Untersuchungen eingesetzt werden konnten und auch für die spätere Verarbei-tung geeignet schienen.

Die PUR – Systeme verhielten sich hinsichtlich ihrer rheologischen Eigenschaf-ten indifferent. Die meisten Typen neigen zur Bildung von Agglomeraten. Aus-nahme war nur ein Typ, der als rein amorphes (nicht teilkristallines) Polyurethan für weiterführende Versuche nicht in Frage kam. Um die Ursache der Agglome-rationen zu klären wurden Zeta-Potentialmessungen durchgeführt, mit dem Ziel die elektrostatische Stabilität der Dispersionen zu untersuchen.

Abbildung 5: Mischungen von Magsilica mit PU-Dispersionen (Typ 1, 2 und 3)

Zeta-Potential-Messungen

Durch Zeta-Potential-Messungen wurde die Oberflächenladung der MagSilica Partikel und der Polymertröpfchen in den Polyurethan-Dispersionen bestimmt. Inder folgender Tabelle werden die entsprechenden Untersuchungsergebnisse wiedergegeben:

Tabelle 3: Zeta-Potential Messung (Malvern Zetasizer 2000 mit Kapillar-Messzelle, T=25 °C)

Material Verdünnung Zetapotential [mV]

Magsilica 300 (Nanoferrit)

20 mg / 100 ml deion. Wasser -79 ± 6

PU-Dispersion 1 35 mg / 100 ml deion. Wasser -66 ± 4



Im Rahmen der experimentellen Genauigkeit wiesen alle untersuchten PUR-Dispersionen die gleichen Zetapotentiale (ca. -70 mV) auf. Die Partikeloberflä-



chen waren also negativ geladen. Der Betrag des Zetapotentials war ausrei-chend hoch, um eine Ladungsstabilisierung der Dispersionen gegen Agglome-ration zu gewährleisten. Die Magsilica-Partikel waren mit ca. -80 mV ebenfalls negativ geladen. Elektrostatische Anziehungskräfte zwischen ungleichnamig geladenen Partikeln scheiden also als Ursache für die beobachtete Agglomera-tion aus. Die höhere Toleranz der PU-Dispersion Typ 1 gegen Zusatz von Magsilica wird durch die Zetapotentialmessungen ebenfalls nicht erklärt.

Stabilisierung durch nicht ioni-sche Tenside

Durch den Zusatz von nicht ionischen Tensiden auf der Basis von ethoxylierten Fettalkoholen ließen sich die Dispersionen jedoch erfolgreich stabilisieren. Al-lerdings sedimentierten die Füllstoffe, was durch Zugabe eines Verdickers auf PUR Basis eingeschränkt werden konnte. Die abschließend erhaltenen Formu-lierungen bleiben stabil, mussten jedoch vor der Verarbeitung aufgerührt wer-den. Die Gesamtfestkörper der fertigen Dispersionen aus den nicht flüchtigen Bestandteilen variierten zwischen 49% bis 54%, dabei unterscheiden sich die Dispersionen neben den eingesetzten Basisdispersionen in der Menge der Na-noferrite, welche in Anteilen von 5%, 10% bzw. 20% bezogen auf den Festkör-per zugegeben wurden. Höhere Anteile ließen sich auf Grund thixotropierender Eigenschaften nicht realisieren. In folgenden Tabelle sind beispielhaft erste ver-trägliche Klebstoffrezepturen aufgeführt:

Tabelle 4: Stabile Klebstoffrezepturen

Polymerdispersion Nanoferrit im FK Tensid im FK Verdicker im FK

EVA 5, 10, 20 Gew.% - -

PU Typ 2 10 Gew.% 1,5 Gew.% 1 Gew.%

PU Typ 3 10 Gew.% 1,5 Gew.% 1 Gew.%

Klebstoffauftrag Die EVA-Dispersion wurde mit Spiralrakeln in Nassschichtdicken von 100, 200 und 300 µm auf Etikettenpapier aufgetragen. Die angegebenen Schichtdicken korrespondierten bei einem Füllstoffgehalt von 10 % mit Auftragsmengen von ca. 20, 55 bzw. 90 g/m2. Nach dem Ablüften bei Raumtemperatur wurden gene-rell wellige tackfreie Oberflächen erhalten, die bei höheren Schichtdicken spezi-ell bei der EVA–Dispersion zur Rissbildung neigten.

Induktive Auf-heizraten

Einleitende Untersuchungen zu den induktiven Aufheizraten wurden am Bei-spiel verschiedener EVA–Dispersionen durchgeführt. Generell ließen sich die untersuchten Heißsiegelschichten auf die erforderlichen Mindestaktiviertempe-raturen von 80 bis 90 °C erwärmen.

Zur Bestimmung der Aufheizraten wurden zwei alternative Messaufbauten ge-wählt. Bei der Bestimmung der dynamischen Aufheizrate wurde ein klebstoffbe-schichtetes endlos Papierband mit definierter Bandgeschwindigkeit durch eine Zylinderspule geführt. Über die Bandgeschwindigkeit kann die entsprechende Verweilzeit im Bereich der Spule eingestellt werden. Im Gegensatz dazu wurde bei der statischen Induktion das beschichtete Papier in Ruhe gehalten und mit definierten Abstand zu einer Tellerspule aufgeheizt. Beide Aufbauten sind in den folgenden Bildern wiedergeben.



Spule und Spulengenerator geben die weiteren Randbedingungen vor. Der Ge-nerator „M2260S“ von STS liefert eine max. Leistung von 6 kW. Beim Einsatz der Zylinderspule ist die Arbeitsfrequenz mit 323 kHz vorgegeben. Beim stati-schen Aufbau erlaubt die verwendete Tellerspule eine Frequenz von 253 kHz. Temperaturprofile und Zeiten wurden mit Hilfe der Wärmebildkamera „Vario-Cam hv Research 465 S“ von InfraTec erfasst.

Messaufbauten

Abbildung 6: Links: Dynamischer Messaufbau Rechts: Statischer Aufbau mit Wärmebildkamera (das beschichtete Papier verdeckt die Tellerspule)

Ergebnisse mit dynamischem Aufbau

Mit diesem Aufbau soll die automatische Etikettenzuführung modellhaft wieder-gegeben werden. Im folgenden Diagramm werden die erreichbaren Temperatu-ren in Abhängigkeit der Verweilzeiten (Durchlaufzeiten im Spulenkanal) darge-stellt. Man erkannt, dass mit dem gewählten Versuchsaufbau Temperaturen in dem für die thermische Reaktivierung erforderlichen Bereich innerhalb von Se-kunden erreicht werden können.



Temperatur in Abhängigkeit der Verweilzeit

Abbildung 7: Temperatur in Abhängigkeit der Verweilzeit bei einem Auftrags-gewicht von 57 g/m2 und 10 Gew.% Nanoferritanteil im Festkör-per

Ergebnisse mit dynamischem Aufbau

Neben der Verweilzeit nimmt die eingesetzte Nanoferritmenge Einfluss auf die zugänglichen Temperaturniveaus. Entsprechende Ergebnisse bei vorgegebe-ner Verweilzeit werden nachfolgend graphisch gezeigt. Die Nanoferritmenge kann dabei über das Auftragsgewicht des Klebstoffes und den prozentualen An-teil des Füllstoffes eingestellt werden.

Temperatur in Abhängigkeit der Nanoferritmenge

Abbildung 8. Temperatur in Abhängigkeit der Nanoferritmenge bei einer Ver-weilzeit von 3,7 Sekunden



Ergebnisse mit statischem Auf-bau

Der statische Versuchsaufbau wurde gewählt, um weitere Einflüsse, wie die Leistung des Generators und den Abstand der Spule zur aktivierbaren Kleb-schicht zu untersuchen. Bei der leistungsabhängigen Aktivierung wurden Ab-stand, Auftragsgewicht und Nanoferritanteil konstant gehalten. In nachfolgender Abbildung 9 ist die Leistungsabhängigkeit deutlich erkennbar. Im Vergleich da-zu ist der in der darauffolgenden Abbildung 10 dargestellte Spulenabstand so-gar noch bedeutender. Mit Bezug auf eine definierte Aktivierungszeit verhält sich der Abstand umgekehrt proportional zum Temperatursprung ΔT. Für den Fall, dass es applikationstechnisch möglich ist, die Abstände weiter zu verrin-gern, können auf diese Weise die Heizraten ohne weiteren Energieaufwand op-timiert werden.

Leistungsabhängige Erwärmung

Abbildung 9. Leistungsabhängige Erwärmung bei einem Auftragsgewicht von 91 g/m2 und 10 % Nanoferritanteil (100 % Leistung entsprechen 6 kW)

Erwärmung bei variierendem Ab-stand zur Spule

Abbildung 10. Erwärmung bei variierendem Abstand zur Spule einem Auftrags-gewicht von 91 g/m2 (300 µm Rakel) und 10 % Nanoferritanteil



Fazit Im Rahmen der Untersuchungen konnte die prinzipielle Machbarkeit der induk-tiven Erwärmung am Beispiel von mit Nanoferrit gefüllten EVA- Dispersionen demonstriert werden.

Zur Bestimmung der klebtechnischen Eigenschaften wurde eine mit 10% Nano-ferrit gefüllter EVA–Klebstoffschicht auf unterschiedliche Weise (Konvektion, Inf-rarotstrahler und Mikrowelle bei 800 W / 30 bis 120 sec.) bis zur Mindestakti-viertemperatur von 90°C und darüber erhitzt. Auf Grund organisatorischer Um-stände wurde in diesem Fall auf das induktive Erwärmen verzichtet. Dies ist grundsätzlich zulässig, da die klebtechnischen Eigenschaften unabhängig von der Art der Wärmequelle sein sollten. Zusammenfassend waren die Haftungen der Klebschicht auf Glas unbefriedigend, was auf eine mangelnde Benetzung in Folge der Abkühlung zurückgeführt wurde.

7 E ntwicklung der Auftrags technik für Dis pers ions klebs toffe s owie E valuierung deren E igens chaften der K lebs chichten

Zielstellung In diesem Arbeitspaket wurden die mit MagSilica modifizierten Klebstoffe zu streichfähigen Rezepturen entwickelt, um bei Kenntnis der genauen Zusam-mensetzung das Eigenschaftsprofil in den weiteren Projektphasen anwen-dungsspezifisch optimieren zu können. Hierzu wurden die Formulierungen im Labormaßstab auf Etikettenrohpapier aufgetragen sowie die Klebstoffrheologie bestimmt.

Die Modellklebstoffe waren bereits applikationsfähig und konnten mit einem La-borcoater mit Rakelstab auf die Versuchspapiere aufgetragen werden.

Evaluierung der Eigenschaften der Klebstoff-schichten und Etiketten

Bei den evaluierten Eigenschaften der Klebstoffschichten handelt es sich um:

die Verblockungsneigung der applizierten Klebschichten,

das Heißsiegelverhalten während der Etikettierung und

die Klebfestigkeiten der beschichteten Etiketten auf unterschiedlichen Substraten wie Papier und Pappe sowie Kunststoffen (PET, PE, PS) und Glas (Quick-Stick, Peel-Adhesion / Schälwiderstand, Messung der Kohäsion Jeweils nach bzw. in Anlehnung an FINAT Methoden (Fédération International des Fabricants et Transformateurs d`Adhésifs et Thermocollans sur Papiers et autre Supports, Den Haag)

Bestimmung der Verblockungs-neigung der ap-plizierten Kleb-schichten

Zur Bestimmung der Blockneigung wurden Proben mit den Abmessungen 50 mm x 50 mm aus den beschichteten Mustern geschnitten und paarweise je-weils mit der Vorder- gegen die Rückseite zueinander gelagert. Die Lagerbe-dingungen wurden wie folgt gewählt: • Lagertemperatur: 23°C und 50°C • Lagerzeit: 24 h • Pressdruck: ca. 13 kPa

Nach Ablauf der Lagerzeit wurden die Probenpaare manuell getrennt und auf



etwaiges Blocken hin beurteilt.

Bei den bei 23°C gelagerten Proben war nur ein Aneinanderhaften der Flächen festzustellen. Die Proben hafteten zwar aneinander, konnten aber weitestge-hend ohne Beschädigung der Oberfläche voneinander getrennt werden.

Die Proben die bei 50°C gelagert wurden, zeigten ein Verblocken, sie konnten nicht ohne Beschädigung der Oberflächen getrennt werden.

Dabei war kein Einfluss der Schichtdicke der Klebstoffbeschichtung oder der flächenbezogenen Masse des Etikettenpapiers zu erkennen.

Heißsiegel-verhalten

Zur Bestimmung des Heißsiegelverhaltens der beschichteten Papiere wurde das Heißsiegelgerät HSG/ETK der Fa. Brugger, München, verwendet. Dabei wurden ebene Siegelbacken mit den Abmessungen 10 mm x 150 mm (teflon-beschichtet) verwendet. Nur eine Siegelbacke – die von der Papierseite her – war beheizt. Gesiegelt wurde gegen eine Acetatfolie. Lagerung der Proben und Prüfung erfolgten im Normklima 23°C und 50% rel. Luftfeuchte.

Siegelbedingungen:

Siegeltemperatur: 80°C bis 160°C, in 20°C Schritten

Siegelzeit: 3s bis 5s, in 1s Schritten

Siegeldruck: 300kPa

Nach Abkühlen der Siegelfläche wurde diese durch manuelles Aufschälen ge-prüft und dabei das Trennflächenaussehen beurteilt.

Die Ergebnisse der Siegelversuche können für die EVA-Dispersion wie folgt zu-sammengefasst werden:

• Es ist ein starker Einfluss der Kleberschicht und der flächenbezogenen Masse des Etikettenpapiers auf die notwendigen Siegelbedingungen (Temperatur und Siegelzeit) zu sehen. Allerdings liefert die Kleber-schicht bei richtiger Wahl der Siegelbedingungen immer eine gute Ver-bindung zur Acetatfolie.

• Bei dünnen Kleberschichten und dünnem Papier (80 g/m²) ist ab einer Temperatur von 100°C eine Siegelung möglich. Die Papiere mit höhe-ren Flächengewichten benötigen auch höhere Siegeltemperaturen und längere Siegelzeiten von bis zu 5s.

• Bei höheren Beschichtungsmengen (50µm und 80 µm) siegeln die dün-nen Papiere bereits ab 80°C und 3 s Siegelzeit.

• Bei dem Papier mit hoher flächenbezogenen Masse geben die dünnen Kleberschichten erst mit sehr hoher Temperatur (160°C) und langer Siegelzeit (5s) eine gute Verbindung zur Acetatfolie. Mit dickeren Kle-berschichten können die Temperaturen und die Siegelzeit verringert werden.

Die PU-Dispersion zeigte insgesamt ein etwas besseres Heißsiegelverhalten als die EVA-Dispersion, d.h. eine gute Verbindung zur Acetatfolie konnte im Vergleich zur EVA-Dispersion bei geringeren Temperaturen und/oder kürzeren Kontaktzeiten erreicht werden.



Prüfung der Kle-befestigkeit

In der Forschungsstelle war keine labormäßige Induktionsaktivierung der Kleb-stoffschichten möglich. Deshalb wurden zur Überprüfung der Klebeeigenschaf-ten der Versuchsbeschichtungen drei unterschiedliche Wärmeaktivierungen vorgenommen.

1. Trockenschrankverfahren: Die beschichteten Proben wurden im Trockenschrank bei vorgegebe-nen Temperaturen erwärmt.

2. Mikrowellenverfahren: Die beschichteten Proben wurden mit Hilfe eines Mikrowellenofens (Leistung 800W) aktiviert.

3. Heißluft: Die beschichteten Proben wurden in einem Trockenkanal mit drei Tem-peraturzonen (FOGRA-Heatset-Trockner) mit Heißluft erwärmt (Tempe-raturprofil: Zone 1 ca. 280°C; Zone 2 ca. 220°C; Zone 3 ca. 100°C; v=10 cm/s).

Die weitere Vorgehensweise nach der Wärmeaktivierung war in allen drei Fäl-len identisch. Nach der Aktivierung wurden die Proben unmittelbar aus der Vor-richtung entnommen und auf den Haftgrund appliziert. Dabei betrug die offene Zeit ca. 5 – 10 s. Zum Anpressen der Proben wurde die FINAT-Standardrolle eingesetzt. Als Haftgründe wurden zum einen Standardglasplatten (nach FI-NAT) und zum anderen ein handelsüblicher Faltschachtelkarton GD2 (unbe-druckt) verwendet.

Klebefestigkeit der Klebstoffre-zeptur 1 (EVA-Dispersion)

Eine Erhöhung der Klebeschichtdicke bringt eine leichte Verbesserung der Haf-tung, die aber noch nicht als ausreichend bezeichnet werden kann.



Klebefestigkeit der Klebstoffre-zeptur 2 (EVA-Dispersion)

Höhere Schichtdicken der Klebeschicht verbessern auch das Klebeergebnis bis hin zum Kohäsionsbruch im Etikettenpapier (Faserriss).

Klebefestigkeit der Klebstoffre-zeptur 3 (PU-Dispersion)

Eine Schichtdicke von mindestens 50µm (Nassauftrag) ergibt bereits ein gutes Klebeergebnis mit Faserriss.

Bei einer Kleberschichtdicken von 50µm liegt die Aktivierungstemperatur bei ca. 80°C und einer Schichtdicke von 75µm bei ca. 60°C. Das bedeutet die Wärme-kapazität, die in der Kleberschicht eingebracht wurde, kann durch die höhere Schichtdicke besser konserviert werden. Somit bleibt eine längere offene Zeit zur Verfügung, in der die Applikation des Etiketts erfolgen kann. Die nachfol-gende Tabelle zeigt die Detailergebnisse hinsichtlich der notwendigen Aktivie-rungstemperatur.



Optische Bewer-tung der Etiket-ten

Da das eingesetzte MagSilica eine deutliche Eigenfärbung aufweist, war vor diesem Hintergrund das Durchscheinen sowie die Eindringtiefe der Klebstoff-formulierung in das Papier (Penetration) zu bewerten. Hierzu wurden einerseits Weißgrad und Farbort der Oberseite des Etiketts im Vergleich zum unbehandel-ten Muster bewertet.

Die optischen Eigenschaften Weißgrad (Reflexionsfaktor) und Farbort bzw. Farbdifferenz wurden mit einem Elrepho im Vergleich zwischen unbeschichte-ten und beschichteten Papier ermittelt. Die Messung des Reflexionsfaktors er-folgte sowohl mit als auch ohne Berücksichtigung des UV-Anteils, um die Wir-kung des optischen Aufhellers bewerten zu können. In Tabelle 5 sind die Er-gebnisse der optischen Eigenschaften zusammengestellt.

Tabelle 5: Optische Eigenschaften der Etikettenpapiere mit und ohne Kleberbeschichtungen

Reflexionsfaktor Papier 1 Papier 2 Papier3 Papier 1 Papier 2 Papier3 Papier 1 Papier 2 Papier3 Papier 1 Papier 2 Papier3

mit UV-Anteil 97,99 87,72 97,02 25,95 21,42 17 3,52 3,45 6,66 3,41 3,36 4,87

ohne UV-Anteil 86,99 80,79 85,46 23,8 20,34 15,77 3,53 3,46 6,39 3,41 3,37 4,73

Farbort (L*a*b*)

L* 94,77 94,02 94,58 65,55 62,85 56,06 28,08 28,47 40,58 26,63 26,57 35,58

a* 1,56 0,74 2,16 12,17 12,52 13 11,56 12,56 15,41 9,47 9,71 15,33

b* -7,86 -1,61 -7,67 13,33 16,76 13,79 10,51 11,67 16,75 8,73 8,91 16,13

ohne Beschichtung 25µm Schicht 50µm Schicht 75µm Schicht



Reflexionsfaktor Die nachfolgende Abbildung 11 zeigt den Rückgang des Reflexionsfaktors durch die Kleberschicht am Beispiel von Papier 1.

Abbildung 11: Einfluss der Kleberschicht auf den Reflexionsfaktor (Weißgrad) bei Papier 1 (mit und ohne UV-Anteil)

Weißgrad und Farbort

Der Weißgrad der Papiere 2 und 3 zeigen im Wesentlichen einen analogen ab-hängig von der Dicke der Kleberschicht. Daraus ist zu erkennen, dass die durchscheinende Kleberschicht die optischen Eigenschaften der Papiere erheb-lich beeinträchtigt. Dies ist auch in Abbildung 12 zusehen, in der die Verschie-bung des Farbortes (Färbung) durch die Kleberschicht dargestellt wird.

Es ist zu erkennen, dass die unbeschichteten Papiere sehr nahe an der vertika-len Nulllinie liegen, also nahe am unbunt Bereich sind. Die Verschiebung der Papiere 1 und 3 in Richtung Blau zeigt den Einfluss des optischen Aufhellers. Diese Verschiebung ist bei Papier 2 nicht so stark gegeben. Das bestätigt auch der niedrigere Weißgrad bei diesem Papier (vgl. Tabelle 5).



Abbildung 12: Verschiebung des Farbortes der Etikettenpapiere in Abhängigkeit der Kleberschichtdicke

Penetration Eine Penetration der Feststoffbestandteile einer Dispersion in die Poren bzw. Kapillaren des Etikettenpapiers kann weitestgehend ausgeschlossen werden, weil durch den Entwässerungsprozess (Phasentrennung) zwar die flüssige Phase (Dispergiermittel Wasser) in das Kapillarsystem wegschlagen kann, je-doch die feste Phase (Polymere und MagSilika) dem Oberflächenprofil des Pa-piers folgt. Obwohl die Polymerpartikel in der Regel einen kleineren Durchmes-ser haben als der mittlere Kapillardurchmesser der Papierporen ist, werden dennoch nur ein zu vernachlässigend geringer Anteil in das Papier wegschla-gen, was die nachfolgende Abbildung verdeutlichen soll.

Hierbei spiel auch die Viskosität der Dispersion eine entscheidende Rolle: je höher die Viskosität, umso geringer wird der penetrationsfähige Klebstoffanteil sein. Dies wird aus folgender Formel zur Berechnung des wegschlagenden Flüssigkeitsvolumens deutlich.

Lr

dLdV l

⋅⋅⋅⋅⋅

=η

δσπ4

cos³



Dabei ist:

r = repräsentativer Durchmesser der Kapillaren L = Länge der Kapillaren σL = Oberflächenspannung der Flüssigkeit η = Viskosität der Flüssigkeit δ = Kontaktwinkel

.

Abbildung 13: Bei Dispersionsklebstoffen kommt es zur Phasentrennung an der Papierkante; Wasser penetriert in das Papiervolumen (heller Be-reich), die disperse Phase bildet einen Film (dunkler Streifen)

Fazit Nachdem die Penetration des Klebstoffes, beziehungsweise dessen Feststoff-bestandteile ins Papier nicht gegeben ist, bedingt das nicht den zwangsläufigen Ausschluss von Blade- bzw. Rakelauftragsverfahren.

Einfluss der of-fenen Zeiten auf die klebetechni-schen Eigen-schaften

Da die Rekristallisationsgeschwindigkeiten der teilkristallinen Polymere die offe-nen Zeiten zur Benetzung und zum Bekleben von Oberflächen unmittelbar be-einflussen, wurde das Freisetzen der Kristallisationswärmen messtechnisch mit der dynamischen Differenzkalorimetrie (DSC) bestimmt. Die Ergebnisse lassen den Schluss zu, dass das EVA–System unmittelbar nach dem Abkühlen bei ca. 55 °C kristallisiert, während die unterschiedlichen PUR-Systeme erst zwischen +7°C bis -4°C kristallisieren. Zur Veranschaulichung sind die DSC-Diagramme zweier PUR–Dispersionen und der EVA–Dispersion übereinandergelegt.



Kristallisationswärmen

53.93°C

-3.66°C

6.62°C

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

Heat

Flo

w (W

/g)

-20 0 20 40 60 80 100Temperature (°C)

eva euhalin 6500 vs.001––––––– u 53.001––––––– uxp 2682.002–––––––

Exo Up Universal V4.1D TA Instruments

Abbildung 14: Vergleich der einsetzenden Kristallisationswärmen zwischen der EVA-Dispersion und zweier PUR - Dispersionen

Viskosität im Temperaturbe-reich der Kristal-lisation

Dieses Phänomen wirkt sich entsprechend auf die klebtechnischen Eigenschaf-ten aus. Die resultierende schlechte Substratbenetzung der EVA-Dispersion korrespondiert mit einer sprunghaft ansteigenden Viskosität im Temperaturbe-reich der Kristallisation bzw. der einsetzenden Verfestigung. Im Vergleich dazu steigt die Viskosität der PUR–Dispersion stetig aber nicht sprunghaft an. Die entsprechenden Viskositäts-Temperaturrampen zwischen 120 °C bis 45 °C sind für beide Polymertypen nebeneinander gestellt. Die rheologischen Daten wur-den mit einem Rheometer im Oszillationsmodus aufgenommen.

Rheologische Daten

Abbildung 15. Viskositäts - Temperaturrampen Links: PU-Dispersion Typ 3 Rechts: EVA-Dispersion

Einsatz von Weichmachern bzw. Harzen

Da die Viskosität über einen weiten Temperaturbereich konstant niedrig ver-läuft, was der Benetzung grundsätzlich zuträglich ist, wurden Versuche unter-nommen die einsetzende Kristallisation des EVA-Systems durch getrennte Zu-sätze von jeweils drei verschiedenen Weichmachern bzw. Harzen zu verzögern



und die offene Zeit zu steigern. Außerdem wurden unterschiedliche Zugabe-mengen gewählt, so dass in Summe sechs Rohstoffe in Mengen von jeweils 5, 10 und 20 Gew.% untersucht wurden. Tatsächlich war der gewünschte Effekt durch weiterführende DSC–Analysen nachweisbar, wenn auch nur im begrenz-ten Ausmaß. Durch Zusatz von 20 Gew.% von Harz konnte die ursprünglich bei 54 °C einsetzende Kristallisation lediglich um 3 °C reduziert werden. Der Effekt auf die EVA-Dispersion war vernachlässigbar, so dass die weiteren Arbeiten mit den unkritischen PUR-Dispersionen durchgeführt wurden.

Ziel

Weitere Optimie-rung der kleb-technischen Ei-genschaften

Für die weitere Optimierung der klebtechnischen Eigenschaften wurde das stabile PUR–System auf Basis von PU Typ 3 mit 10 Gew.% Nanoferrit“ ge-wählt, dessen Haftkraft auf Glas jedoch anfangs nicht ausreichend war. Aus diesem Grunde wurde mit dem Zusatz von Harzdispersionen experimentiert, was letztendlich zum Erfolg führte. In der folgenden Tabelle wird die Rezeptur wiedergeben, welche im späteren Projektverlauf im größeren Maßstab anlage-technisch auf Papier appliziert werden konnte.

Tabelle 6: Klebtechnisch optimierte induktiv aktivierbare Klebstoffrezeptur

Bestandteile Anteile im Festkörper [Gew.%]

PUR 70,12

Nanoferrit 9,86

Emulgator 1,48

Verdicker 1,01

Harz 17,53

8 E ntwicklung eines Auftrags konzepts

Ziel Die bislang erarbeiteten Erkenntnisse zu den Zusammenhängen zwischen der Klebstoffzusammensetzung und -schichtdicke sowie der optischen bzw. klebe-technischen Eigenschaften dienten als Basis, um nun ein Strichkonzept / Auf-tragskonzept für die induktionsaktivierbare Klebstoffschicht zu entwickeln.

Hierfür wurden zunächst im Labormaßstab mittels Handrakel entsprechende Strichschichten aufgetragen und im Anschluss papiertechnisch charakterisiert.

Formulierung des Rückseiten-strichs

Obwohl die induktive Erwärmung nur spezifisch den ferrithaltigen Klebstoff er-wärmt, kommt es durch Wärmeleitung auch zu einer Erwärmung des Trägerpa-piers. Um diesen Wärmeverlust, verbunden mit einer Vergilbungsgefahr, für das Etikett zu minimieren und somit das Erwärmungsverhalten zu optimieren, wurde auf das einseitig gestrichene Etikettenpapier ein weiterer Rückseitenstrich auf-gebracht. Dieser sollte durch eine Auswahl geeigneter Pigmente sowohl Wär-meleitfähigkeit ins Papier verringern als auch einen Opazitätsgewinn erreichen (Lufteinschlüsse als Streuzentren und als Wärmeisolator). Für die Formulierun-gen des Rückseitenstrichs wurden die Zusatz-„Pigmente“ SP 1 bis SP 4 in eine Standardstreichfarbenformulierung eingearbeitet. Die Grundformulierung ist



nachfolgend aufgeführt.

Tabelle 7: Rezepturvarianten für Rückseitenstrich für Wärmeisolations- und Opazitätsschicht

Pigment GCC (CaCO3; 90) 100 bis 0 Teile

Zusatz-Pigment SP 1 bis SP 4 0 bis 100 Teile

Binder Styrol-Acrylat-Nitril-Basis 12 Teile

Co-Binder PVA + CMC 0,4 / 0,3 Teile

Additive OBA 0,3 Teile

Der Anteil der Zusatz-Pigmente wurden sukzessive bei den Rezepturen bis maximal 100 Teile erhöht bzw. bis zu einem Grad an dem die Streichfarbe nicht mehr verarbeitungsfähig war. Entsprechend der Zugabe des Zusatz-Pigments wurde der Anteil des Standardpigments (CaCO3) verringert, so dass immer ins-gesamt 100 Teile Pigment eingesetzt wurden.

Der Rückseitenstrich wurde mittels eines Laborcoater mit einer Auftragsmasse von ca. 60 g/m² bis 90 g/m² - je nach zugegebenem Zusatz-Pigment - auf das Etikettenpapier appliziert. Für die Laborversuche wurde aus Gründen der Di-mensionsstabilität das Etikettenpapier P3 (220g/m²) eingesetzt.

Aufnahmen von Rückseitenstri-chen

An den gestrichenen Rückseiten wurden mit Hilfe eines Stereo-Lichtmikroskops die Oberflächentopografien untersucht und beurteilt, in wie fern sich diese durch die Zugaben der Zusatz-Pigmente verändern.

Eine Auswahl der Aufnahmen der Oberflächentopografien der Rückseitenstri-che mit den Zusatz-Pigmenten SP 1 und SP 2 zeigen Abbildung 16 und Abbil-dung 17.

Es ist darin zu erkennen, dass sich bei SP 1 bei geringem Anteil des Zusatz-Pigments eine Art Hohlkörperstruktur in der Oberfläche ausbildet. Bei höherer Zugabe bildet sich dann eine zunehmend geschlossene Polymerschicht.

Beim Zusatz-Pigment SP2 ist zu sehen, dass die Pigmentpartikel von der Strichschicht nicht vollständig eingebettet werden. Dies ist im mittleren Partikel-durchmesser des Zusatz-Pigments SP2 von ca. 100 µm begründet. Durch die Partikel an der Oberfläche erhält der Strich eine stark abrasive Eigenschaft. Bei einem Anteil von mehr als 50 Teilen SP 2 war die Streichfarbe nicht mehr ver-arbeitungsfähig.



Abbildung 16: Oberflächentopografien der Rückseitenstriche mit ansteigenden Anteilen des Zu-satz-Pigments SP 1

Abbildung 17: Oberflächentopografien der Rückseitenstriche mit ansteigenden Anteilen des Zu satz-Pigments SP 2

Bei den Zusatz-Pigmenten SP 3 und SP 4 waren keine Veränderungen in der Oberflächentopografie zu erkennen und deshalb wird hier auf eine Darstellung verzichtet.



Auswirkungen des Rückseiten-strichs auf die Opazität

Aufgrund der intensiven Färbung des MagSilica traten durch den Auftrag der Klebschicht Beeinträchtigungen der optischen Eigenschaften der Vorderseite auf (vgl. Arbeitspaket 3). Deshalb sollte ein Durchscheinen der farbigen Kleb-schicht auf die Vorderseite des Etiketts durch eine Opazitätsschicht verhindert werden. Die Opazitätsentwicklung bei Zugabe von Zusatz-Pigmenten mit unter-schiedlichen Mengenanteilen ist in folgender Abbildung 18 dargestellt.

Zur besseren Orientierung über die Wirkung der Zusatzpigmente auf die Opazi-tätserhöhung sind in Abbildung 18 auch die Opazitätswerte des Basispapiers (Base P3) ohne dem Rückseitenstrich bzw. mit einem Standardstrich ohne Zu-satzpigment (Standard) aufgeführt.

Abbildung 18: Opazitätsentwicklung bei Zugabe von Zusatz-Pigmenten mit un-terschiedlichen Mengenanteilen

Die Zugabe von Zusatz-Pigmenten bewirkt eine weitere Erhöhung der bereits auf hohem Niveau liegenden Opazität des Etikettenpapiers.(P3). Außerdem ist zu sehen, dass der mengenmäßige Anteil des zugefügten Zusatz-Pigmentes für die Opazitätswirkung einen Einfluss hat, ausgenommen bei dem Pigment SP2. Hier ist keine signifikante Opazitätssteigerung, im Vergleich zum Standardstrich ohne Zusatz-Pigment, zu erkennen. In Abbildung 19 sind die Opazitätsergeb-nisse für das Zusatz-Pigment SP2 im Detail nochmal dargestellt.



Abbildung 19: Opazitätsentwicklung bei Zugabe von Zusatz-Pigment SP2

Natürlich hat auch die Opazität des Etikettenpapiers einen wesentlichen Ein-fluss auf das Durchscheinen der farbigen Klebeschicht. Bei einem relativ dicken Papier, wie dem Basispapier P3, liegt der Opazitätswert bereits auf einem ho-hen Niveau. Jedoch bei dünneren Etikettenpapieren, wie beispielsweise dem Papier P1, wird auch die Opazitätserhöhung durch einen rückseitigen Zusatz-strich besser sein.

Abbildung 20: Opazitätsentwicklung von Etikettenpapier P1 bei Zugabe von Zu-satz-Pigment SP3

Hier ist bereits durch den Standardstrich der Opazitätsgewinn mit 10 Punkten wesentlich größer als bei Papier P3 mit ca. 1 Punkt. Allerdings ist der Opazi-tätsgewinn durch weitere Zugabe des Pigmentes nicht mehr nennenswert.



Fazit Durch die Zugabe von Zusatz-Pigmenten kann eine Opazitätserhöhung durch-aus erreicht werden. Allerdings bewirkt bereits eine Strichschicht mit einer her-kömmlichen Standardrezeptur einen deutlichen Opazitätsgewinn auch ohne Zusatz-Pigment. Weiterhin ist natürlich auch die Dicke des Etikettenpapiers selbst mitentscheidend, Papiere mit höherem Volumen sind hier günstiger ge-gen das Durchscheinen.

Messung der Wärmeleitfähig-keit der gestri-chenen Papiere

Die Messung der Wärmeleitfähigkeit erfolgte in Anlehnung an ASTM E1530.

Für die Ermittlung der Wärmeleitung wurden aus den gestrichenen Musterpa-pieren kreisrunde Proben mit einem Durchmesser von 25 mm gestanzt. Der Prüfungsablauf war wie folgt:

• Die Eichung der Messapparatur wurde vor Versuchsbeginn mit einer Refe-renzprobe überprüft.

• Die Probe wurde mit 25 mm Durchmesser ausgestanzt. • Die Dicke der Probe wurde in der Probenmitte beim Anpressdruck von 0,4

bar ermittelt (Durchmesser des Dickentasters: ca. 10 mm). • Die Probe wurde in die Messapparatur eingelegt. Anpressdruck der Mess-

flächen: 0,4 bar. • Der Wärmewiderstand wurde gemessen und daraus die Wärmeleitfähigkeit

über die Probendicke berechnet.

Messanordnung (Prinzip)

Abbildung 21: prinzipielle Messanordnung zur Ermittlung der Wärmeleitfähigkeit von Papier

Die Probe wird zwischen zwei Metallplatten gegeben. Die obere Metallplatte ist beheizbar und wird mit einem festgelegten Temperaturgradienten aufgeheizt. An der unteren Metallplatte wird die ankommende Temperatur gemessen und aus dem Temperaturunterschied der Wärmewiderstand bestimmt. Daraus kann die Wärmeleitfähigkeit λ der Probe in W / (m•K) errechnet werden.

Wichtig bei dieser Messung ist der einwandfreie Kontakt zwischen der Probe und den Metallplatten. Luftpolster in den Kontaktflächen, z.B. auf Grund von Rauheit bzw. Oberflächenkonturen der Proben, können das Messergebnis er-heblich beeinträchtigen. Deshalb kann in diesen Fall in die Kontaktfläche eine Wärmeleitpaste eingebracht werden, wobei jedoch wieder der Nachteil entsteht, dass die Paste in die Poren der Probe eindringen und somit den Wärmewider-stand verändern kann. Die Messungen in diesem Projekt wurden mit beiden



Varianten durchgeführt.

Wärmeleitfähig-keiten rückseitig gestrichener Eti-kettenpapiere

In den nachfolgenden Abbildungen sind die gemessenen Wärmeleitfähigkeiten der gestrichenen Papiere (Basispapier P3) dargestellt.

Abbildung 22: Wärmeleitfähigkeit λ (W/m•K) von Etikettenpapier in Abhängig-keit von Anteil Zusatz-Pigment im Rückseitenstrich

Abbildung 23: Wärmeleitfähigkeit λ (W/m•K) von Etikettenpapier in Abhängig-keit von Anteil Zusatz-Pigment im Rückseitenstrich

Es ist festzustellen, dass grundsätzlich die gemessenen Wärmeleitfähigkeiten mit der Wärmeleitpaste höher ausfallen als ohne. Dies deutet darauf hin, dass sich offenbar ein Luftpolster zwischen den Proben und den Metallplatten befun-



den hat. Insbesondere bei Zusatz-Pigment SP 2, das auf Grund der Partikel in der Oberfläche eine hohe Rauhigkeit besitzt, ist der Einfluss der Wärmeleitpas-te sehr stark ausgeprägt. Insgesamt ist aber auch festzustellen, dass die Wär-meleitfähigkeit der Papiere durch die Zugabe der Zusatz-Pigmente nicht we-sentlich erhöht werden konnte. Der erkennbare Anstieg bei Zusatz-Pigment SP2 mit Wärmeleitpaste, ist mit hoher Wahrscheinlichkeit auf den Einfluss der Wärmeleitpaste zurückzuführen und somit nicht signifikant.

Konzentrationsgradienten

Bei der induktiven Erwärmung der Klebschicht kommt es vor allem an der Ober-fläche zu Wärmeverlusten, die die Aufheizzeit verlängern. Um diese Wärmever-luste an der Oberfläche auszugleichen, sollte ein mehrschichtiger Klebstoffauf-trag mit einem Konzentrationsgradienten an MagSilica aufgebracht werden. Durch die zur Oberfläche hin steigende MagSilica Konzentration sollte dadurch der Energieeintag erhöht und der Wärmeverlust durch die Oberfläche ausgegli-chen werden. Wie die Eignungstests der Beschichtungsmassen an der For-schungsstelle 2 zeigten, lag der Anteil von Nano-Ferrit in der Beschichtungs-masse für eine Aktivierung durch Induktion bei ca. 10% des Festkörperanteils. Bei einem geringeren Anteil war die Erwärmungsleistung nicht ausreichend und bei einer höheren Einsatzmenge war der Funktionsgewinn nicht mehr nen-nenswert weiter zu steigern. Außerdem war die Induktionsaktivierung auch sehr von der Schichtdicke der Beschichtung abhängig. Somit wäre bei dem Konzept des Konzentrationsgradienten eine übermäßige Gesamtschichtdicke notwendig und gleichzeitig der Gewinn der Erwärmungsleistung durch Induktionsaktivie-rung nicht weiter steigerungsfähig. Außerdem sind bei diesem Konzept auch die Kosten des Nano-Ferrit-Pigmentes ein erheblicher Faktor, der zu berücksichti-gen wäre.

Aus den genannten Gründen wurde dieser Lösungsansatz nicht weiter verfolgt.

Überprüfung des Einsatzes für Blade- und Cur-tain-Coating

Für die Beschichtung von Papieren im Blade- und Curtain-Coating-Verfahren sind bestimmte Voraussetzungen an die Beschichtungsmasse zu stellen. Eine wichtige Voraussetzung sind die rheologischen Eigenschaften. Für den Wal-zenauftrag beim Blade- bzw. Rakelcoating ist eine optimale Auftragsviskosität bei etwa 1 bis 1,5 Pas. Beim Beschichten im Curtain-Verfahren liegt das opti-male Viskositätsfenster bei etwa 0,4 bis 0,5 Pas.

Bei der zu erprobenden Klebstoffdispersion lag eine Viskosität von ca. 0,2 Pas vor. Eine höhere Viskosität konnte nur durch den zusätzlichen Einsatz von Ver-dickern erreicht werden, was sich jedoch nachteilig auf die Klebeeigenschaften auswirkte. Aus diesem Grund wurde die Beschichtungsmasse trotz der niedri-gen Viskosität verarbeitet und als Nachteil in Kauf genommen, dass die erfor-derlichen Schichtdicken nicht durch einen einmaligen Auftrag erreicht werden konnten.

Abrasion Eine weitere wichtige Eigenschaft für die Applikationsfähigkeit von Beschich-tungsmassen ist das Abrasionsverhalten. Wenn eine hohe Abrasivität des Pig-mentes vorliegt, kann es zu erhöhtem Verschleiß an den Auftragsaggregaten kommen. Dazu wurde mit dem Nano-Ferrit-Pigment eine Untersuchung der Verschleißwirkung (Abrasion) in wässriger Suspension nach Breunig (Zellche-ming-Merkblatt ZM V/27.7/90) durchgeführt. Die Verschleißwirkung eines Pig-



ments nach Breuning wird durch den Gewichtsverlust in g/m² definiert, den ein Standardprüfsieb aus Bronze mit einer Prüffläche von 305 mm² in einer wässri-gen Suspension des Pigments durch die Gleitbeanspruchung mit einem zylind-rischen Standarddrehkörper nach einer bestimmten Anzahl von Umläufen erlit-ten hat.

Mit dem Nano-Ferrit-Pigment (Slurry) wurde ein Abrieb an dem Bronzesieb von ca. 160 - 170 g/m² ermittelt, was im Vergleich zu den üblicherweise eingesetz-ten Streichfarben- und Füllstoffpigmenten (ca. 40 – 50 g/m²) um einen Faktor 3 - 4 höher liegt. Es ist deshalb bei der eingesetzten Beschichtungsmasse mit ei-nem erhöhten Abrieb (Verschleiß) an den Auftragsaggregaten zu rechnen.

Probelauf an ei-nem Labor-Curtain-Cater

An der Forschungsstelle steht ein Curtain-Coater für den Labormaßstab zur Verfügung. Damit wurde die Tauglichkeit der Beschichtungsmassen für das Curtain-Coating überprüft.

Abbildung 24: Labor-Curtain-Coater im Versuchsbetrieb

Die untersuchten Beschichtungsmassen erwiesen sich als nicht geeignet für das Curtain-Coating. Durch das in der Beschichtungsmasse verteilte Nano-Ferrit-Pigment setzten sich sowohl die in der Pumpvorrichtung installierten Filter als auch die Pumpen selbst zu, so dass diese sich fest setzten und nicht mehr funktionsfähig waren. Der Labor-Curtain-Coater musste nach dem gescheiter-ten Versuchslauf repariert werden. Um weiteren Schaden an Versuchsanlagen zu vermeiden, wurde auf weitere Versuchsläufe, auch auf der Pilotanlage, ver-zichtet.

9 Optimierung der Induktions parameter

Vorgehen Bestimmung der induktiven Aufheizraten ausgewählter Klebstoffrezepturen in Abhängigkeit der Klebschichtdicke und der bekannten Induktionsparameter (Leistung, Frequenz und Geometrie sowie der Abstand und die Anordnung zur



Klebschicht). Bei einem Projektpartner wurden hierzu Versuche mit unter-schiedlichen Spulen und Geometrien durchgeführt, so dass für die nachfolgen-den Arbeitspakete zu Verarbeitbarkeit und Funktionstest aussagekräftige Er-gebnisse zur Verfügung stehen.

Anlagenspezifische Untersuchung der induktiven Aufheizraten

Die anlagenspezifische Untersuchung der induktiven Aufheizraten wurde am Beispiel einer EVA–Dispersion mit einem Anteil von 10 Gew.% Nanoferrit durchgeführt. Die Ergebnisse stehen auch stellvertretend für die PUR–Dispersionen und eventuell weitere Polymere, da bei allen Alternativen die zu erwartenden Ergebnisse auf Grund ähnlicher Wärmekapazitäten und Wärme-leiteigenschaften in guter Näherung vergleichbar sind. Nachdem der Einfluss unterschiedlicher Nanoferritbeladungen und des Abstandes der beschichteten Papiere zur Spule bereits im Vorfeld untersucht worden war, wurden die weite-ren analgenspezifischen Parameter am Beispiel von drei verschieden Indukti-onsanlagen hinsichtlich ihrer unterschiedlichen Klemmleistungen und Arbeits-frequenzen geprüft. Dabei kamen wiederum Zylinder- und Tellerspulenanord-nungen zum Einsatz. Generell lassen sich die untersuchten Heißsiegelschich-ten auf die erforderlichen Mindestaktiviertemperaturen von 80 °C in kurzer Zeit erwärmen. Hohe Leistungen und Arbeitsfrequenzen bedingen generell schnel-lere Aufheizraten. Anordnungen bei denen das Papier durch die Spule (Zylin-derspule) hindurch gelenkt wird, sind günstiger als solche, bei denen das Papier außerhalb der Spule (Tellerspule) geführt wird. Mit den oben beschriebenen Va-rianten können Aufheizraten zwischen 0,8 bis 12 sec. erreicht. Der Übersicht halber sind die Ergebnisse graphisch und tabellarisch zusammengefasst:

Aktivierungszeit

Abbildung 25. Induktionserwärmung von Klebschichten unterschiedlicher Dicke bis zur Aktivierungstemperatur von 80 °C (100 µm ~ 20 g/m2; 300 µm ~ 90 g/m2)



Tabelle 8: Anlagenspezifische Parameter

Leistung Frequenz Spulengeometrie Aktivierungszeit bis 80 °C

Aufbau 1 6 kW 1,6 MHz Zylinderspule Ø ~ 1 cm; Zylinder-tiefe 5cm

100 µm: 3,54 sec. 300 µm: 0,82 sec.

Aufbau 1 6 kW 1,05 MHz Tellerspule Ø ~ 8 cm

100 µm: 11,74 sec. 300 µm: 1,70 sec.

Aufbau 2 10 kW 470 kHz Tellerspule Ø ~ 8 cm

100 µm: 5,58 sec. 300 µm: 3,66 sec.

Aufbau 3 25 kW 675 kHz Tellerspule Ø ~ 8 cm

100 µm: 1,34 sec. 300 µm: 0,82 sec

Fazit Der Abstand des Substrates zur Spule sollte möglichst gering gewählt werden und 5 mm nicht übersteigen. Insgesamt stehen für unterschiedliche Anforde-rungsprofile geeignete technische Rahmenbedingungen zur Verfügung.

10 F unktions tes t

Jagenberg-Coater (Bladeauf-trag)

Die Beschichtungsversuche wurden im kleintechnischen Maßstab an einer halbtechnischen Anlage durchgeführt. Dabei handelte es sich um eine Be-schichtungsmaschine der Fa. Jagenberg (Beschreibung siehe Kap. 4).

Mit diesem Beschichtungsverfahren wurden Musterrollen hergestellt, wobei auch Rollen beschichtet wurden, die zuvor noch mit einem Rückseitigen Zu-satzstrich ausgerüstet wurden. Für diesen Rückseitenstrich wurde die Stan-dardrezeptur (siehe AP 4) eingesetzt.

Als Basispapier wurde das Etikettenpapier P1 verwendet. Die Papiervorderseite war bereits vom Papierhersteller entsprechend ausgerüstet (gestrichen, sati-niert) worden, somit musste diese nicht mehr beschichtet werden.

Trocknung Da die Klebschichten wärmeaktivierbar sind, musste ein Auftrags- und Tro-ckenkonzept so gewählt werden, dass der Klebstoffauftrag bei hohen Ge-schwindigkeiten noch möglich ist, ohne dass dabei die fertigen Etiketten nach der Trocknung im noch warmem Zustand verblocken. Trocknungs- und Küh-lungsprobleme bei der Klebeschicht führten jedoch dazu, dass die Musterrollen in der Aufrollung zu starkem Verblocken und Verkleben neigten. Deshalb muss-te die Anlage mit einer geringen Auftragsmenge (ca. 10 – 15 g/m²) und mit einer minimalen Geschwindigkeit (ca. 2 - 3 m/min) gefahren werden.

Klebeeigen-schaften

Die Überprüfung der Klebeeigenschaften der Versuchsbeschichtungen wurde analog zu Kap. 7 durch zwei der beschrieben Wärmeaktivierungen vorgenom-men,

1. dem Trockenschrankverfahren und



2. dem Mikrowellenverfahren.

Die Ergebnisse der Klebeversuche sind wie folgt zusammengestellt:

Auf Grund der geringen Schichtdicken, die mit dem Jagenberg-Coater erzielt werden konnten, waren die Klebeergebnisse der beschichteten Papiere nicht befriedigend. Dabei war der Einfluss durch den rückseitigen Vorstrich sogar noch mit negativ zu bewerten. Die Ursache dafür ist, dass mit Vorstrich eine dünnere Klebeschicht aufgetragen wurde als ohne Vorstrich. Deshalb wurden die beschichteten Papiere für weitere Klebeversuche nachträglich im Labor mit einem weiteren Klebeschichtauftrag versehen und anschließen analog zu oben geprüft.

Durch den zusätzlichen Auftrag der Klebeschicht konnte bei allen Prüfbedin-gungen eine zufriedenstellende Haftung sowohl gegen Glas als auch gegen Karton erzielt werden. Die verklebten Proben konnten nur noch mit Kohäsions-bruch im Papier bzw. Karton aufgetrennt werden.



Überprüfung des Debonding

Zur Überprüfung des Debonding, also auf Wiederablösen der applizierten Eti-kettenpapiere, wurden die beklebten Probenkörper erneut erwärmt. Die Wie-dererwärmung erfolgte im Wärmeschrank unterhalb der Aktivierungstemperatur bei ca. 60°C. Anschließend wurde versucht, die Etiketten von den Prüfoberflä-chen wiederabzulösen, wobei darauf geachtet wurde, dass kein Faserriss im Etikettenpapier eintritt.

Es war jedoch nicht möglich die Klebstoffschichten von den Oberflächen rück-standsfrei abzutrennen. Entweder verblieben auf der Oberfläche Rückstände der Kleberschicht (Kohäsionsbruch im warmen Kleber) oder es wurden Papier-rückstände in den abgelösten Klebeschichten gefunden (Faserausrisse). Diese Rückstände konnten nur durch geeignete Lösemittel bzw. durch mechanische Maßnahmen entfernt werden.

Das Debondingverhalten der Klebeschicht muss als nicht befriedigen bewertet werden, wenn davon ausgegangen wird, dass sich die Etiketten auch wieder rückstandsfrei von den Klebeflächen ablösen lassen sollten.

11 Verarbeitbarkeit

Verarbeitbarkeit der Etiketten

Da ein Einfluss der wärmeaktivierbaren Klebschicht auf die Weiterverarbeitbar-keit erwartet wurde, wurde untersucht, ob die Klebeschicht beim Stanzen und Schneiden der Etiketten zum Verkleben durch Reibungshitze führt. Die Verar-beitungseigenschaften in der Etikettiermaschine wurden durch Bestimmung der Haftungseigenschaften (initial tack, Klebekraft, Ablösearbeit) überprüft, zudem wurde die Debonding-Eigenschaft untersucht.

Am prüfbau Probedruckgerät wurden Druckversuche zur Bewertung der Be-druckbarkeit der Etikettenvorderseite für den Offsetdruck (Wegschlagverhalten, Rupfen, Mottling) durchgeführt.

Beurteilung der Stanz- und Schneidbarkeit

Mittels einer Technikums-Hubstanze der Firma Kies & Gerlach (Typ STA 7/0, siehe nachfolgende Abbildung) wurden in das Mustermaterial 5 cm breite Schnitte im Abstand von ca. 2 mm gestanzt. Als Werkzeug wurde ein Standard-Bandstahlschnittmesser mit einem Messerwinkel von 60 ° genutzt. Die Höhe des Bandstahlschnittmessers wurde bei Beginn des Versuchs sowie nach einer bestimmten Anzahl von Stanzungen (5000, 10000, 20000, …, 50000) mittels eines Höhentasters der Firma Mitutoyo (Typ digimatic) auf ± 1 µm genau ermit-telt. Als Ergebnis erhält man eine charakteristische Höhenabtragskurve als Funktion der Anzahl der Stanzungen. Die Hubstanze war mit einer Messdaten-erfassungssoftware, Typ Turbolab, ausgestattet. Mittels einer hinter dem Band-stahlschnittmessers platzierten Kraftmessdose, welche mit der Software ver-bunden war, war es möglich, den Stanzschnitt in seinem Stanzkraftverlauf auf-zuzeichnen und somit den optimalen Schnitt ohne Kontakt zur Gegenstanzplat-te einzustellen.



Messaufbau

Abbildung 26: Viersäulenhubstanze mit Bahnführung, Einspannung des Stanz-messers sowie der darüber positionierten Kraftmessdose

Höhenabtrag

Abbildung 27: Höhenabtrag des Stanzmessers in Bezug zur Anzahl der Stan-zungen

Die charakteristischen Höhenabtragskurven für das Rohpapier (blau), das mit Klebstoff beschichtete Papier („Klebstoff“, magenta) und das mit Klebstoff be-schichtete Papier mit zusätzlichem Vorstrich („VS+Klebstoff“, orange) sind in obiger Abbildung dargestellt. Das Diagramm zeigt, dass durch die Klebstoff-schicht kein erhöhter Messerverschleiß beim Stanzen auftritt. Die Messkurven für das Rohpapier und das mit Klebstoff beschichtete Papier verlaufen weitest-gehend gleich. Das Musterpapier, bei dem ein zusätzlicher Vorstrich aufge-



bracht wurde, zeigt hingegen einen deutlich stärkeren Höhenabtrag, d.h. einen erhöhten Messerverschleiß beim Stanzen. Die Ursache dafür ist im eingesetz-ten Pigment im zusätzlich aufgebrachten Vorstrich zu sehen.

Eine abrasive Wirkung des in den Klebstoffschichten eingesetzten Nano-Ferrit-Pigments wird offenbar durch die zusätzliche „Schmierwirkung“ der Polymere der Klebstoffschicht aufgehoben. Verschmierungen an den Messerflanken durch die Klebstoffschicht waren jedoch nicht zu erkennen.

Die Stanz- und Schneidbarkeit der eingesetzten Klebstoffschichten ist dadurch gewährleistet.

Bedruckbarkeit (Probedrucke)

Für die Beurteilung der Bedruckbarkeit hinsichtlich Wegschlagverhalten, Rupfen und Mottling wurde das Mehrzweck-Probedruckgerät MZ II der Fa. Prüfbau verwendet.

Wegschlagtest Das Wegschlagen der Druckfarbe beim Offsetdruck ist ein wichtiges Kriterium für die erreichbare Druckqualität. Druckfarbe und Papier sollten so aufeinander abgestimmt sein, dass die Druckfarbe kontinuierlich und gleichmäßig in das Rohpapier eindringt. Dies wurde untersucht, indem die optische Dichte eines Konterdruckes bewertet wird, der nach unterschiedlichen Zeiten in 4 Stufen er-folgt. Als Labordruckgerät wurde das Prüfbau-Gerät nach folgender Vorge-hensweise verwendet.

Das Papier wird bedruckt und das noch feuchte Papier nach bestimmten Zeiten gegen unbedrucktes Papier (APCO II/II 150 g/m², Firma Scheufelen) gepresst (gekontert). Dabei wird die bedruckte Probe mit dem oben aufliegenden Konter-streifen manuell durch das Druckwerk transportiert. Der frische Druck wird so auf dem Konterdruckstreifen abgeschmiert.

Die Auswertung erfolgt visuell und mit Densitometern, mit denen die optische Dichte des Konterdrucks nach dem Andruck ermittelt wird. Üblicherweise erfol-gen die Messungen nach 15, 30, 60 und 120 s. Je schneller die Farbe weg-schlägt, umso weniger färbt sich der Kontersteifen und umso geringer sind da-her die Zahlenwerte für die optische Dichte.

Die visuelle Auswertung des Wegschlagtests erlaubt auch Rückschlüsse auf das Ausdruckverhalten und die gleichmäßige Wiedergabe von Raster- und Voll-tonflächen von Bedruckstoffen.

Wegschlagverhalten

In der nachfolgende Abbildung 28 ist das Wegschlagen von Offsetdruckfarbe bei einem einseitig gestrichen Etikettenpapier P1 (80 g/m²) mit und ohne Klebe-schicht dargestellt.

Offenbar wird das Wegschlagen der Druckfarbe bzw. deren Mineralölbestand-teile ins Papier durch die Klebeschicht etwas verlangsamt. Die Ursache hierfür kann möglicherweise eine verminderte Penetrationsgeschwindigkeit der Mine-ralöle durch die Polymerschicht auf der Rückseite sein. Vielleicht sind auch nie-derviskose Anteile der Beschichtungsmasse in das Etikettenpapier von der Rückseite her eingedrungen, die die Penetration der Druckfarbe behindern. Insgesamt ist das Wegschlagen der Druckfarbe bzw. deren Mineralölbestand-



teile ins Papier immer noch ausreichend um eine gute Bedruckbarkeit im Offset zu gewährleisten.

Abbildung 28: Wegschlagverhalten von Etikettenpapier mit und ohne Klebe-schicht

Rupftest Für einen Rupftest werden die Papiere mit einer Testfarbe definierter Zügigkeit bedruckt. Ist die Festigkeit der Oberfläche zu gering, kommt es beim Druck zum Herausreißen von Teilen des Striches oder Fasergefüges, dem sog. Rupfen. Mit steigender Druckgeschwindigkeit steigt die Beanspruchung der Oberfläche.

Bei unbekannter Rupfneigung führt man einen Rupfversuch mit zunehmender Druckgeschwindigkeit durch. Hierbei erhöht sich die Druckgeschwindigkeit von Stillstand bis zu einer Endgeschwindigkeit von 3 m/s am Ende der Probe. Die Beschleunigung ist konstant und unabhängig von der eingestellten Druckkraft. Als Rupfgeschwindigkeit wird die Druckgeschwindigkeit bezeichnet, bei der ers-te Beschädigungen der Papieroberfläche auftreten. Der Rupfbeginn (erste Fehlstelle im Papier) muss visuell an der Probe festgestellt werden.

Die Etikettenpapiere mit und ohne Klebebeschichtung zeigten in keinem Fall ei-ne veränderte Rupfneigung.

Mottlingtest Der Mottlingtest wird an der Mehrzweck-Probedruckmaschine der Fa. Prüfbau nach folgendem Prinzip durchgeführt:

Die Papierprobe wird im ersten Druckwerk der Maschine mittels Gummidruck-form bedruckt. Nach einem definieren Zeitintervall wird dieser Andruck in Druckwerk 2 auf eine saubere Gummidruckform zurückgespalten. Nach dem Rückspalten erfolgt ein Konterdruck des rückgespalteten Druckes auf ein Stan-dardpapier.

In Tabelle 10 sind die Prüfbedingungen für den Mottlingtest aufgelistet und in Abbildung 29 sind beispielhaft die Ergebnisse für das Etikettenpapier P1 mit



und ohne Klebebeschichtung auf der Rückseite dargestellt.

Wenn nach diesem Auswerteverfahren der Druckungleichmäßigkeitsindex klei-ner ist, bedeutet das ein geringeres Mottling des Druckpapiers. Die Grafik zeigt, dass durch die Klebeschicht offenbar ein stärkeres Mottling auftritt. Dies könnte aber auch indirekt mit dem schlechteren Wegschlagen der Druckfarbe bei dem mit Klebeschicht versehenen Etikettenpapier zusammenhängen.

Abbildung 29: Mottling von Etikettenpapier P1 mit und ohne Klebeschicht

Fazit Die Klebeschicht beeinflusst offenbar etwas das Bedruckungsverhalten der Eti-kettenpapiere. Durch die Klebeschicht wird das Wegschlagen der Druckfarbe verlangsamt und auch das Mottling leicht erhöht, was aber durchaus auch im Zusammenhang zu sehen ist. Die Rupfneigung der gestrichenen Druckseite wird durch die Klebeschicht nicht beeinflusst. Dies gilt jedoch ausschließlich für das Offsetdruckverfahren. Insgesamt lassen die Ergebnisse dennoch auf eine gute Offsetbedruckbarkeit der mit Klebstoffschicht versehenen Etikettenpapiere schließen. Das tatsächliche Verhalten der beschichteten Etikettenpapiere in der Druckmaschine hängt aber auch sehr stark von den Maschinen- und Druckpa-rametern ab und muss durch Praxisversuche verifiziert werden.



Druckversuche bei PBA Mitglie-dern

Die an der Technikumsanlage erzeugten Etikettenmuster mit induktionsaktivier-barer Klebschicht wurden einem Funktionstest bei PBA-Mitgliedern unterzogen.

Die Druckversuche wurden mit zwei unterschiedlichen Druckverfahren (Offset- und Flexodruckverfahren) durchgeführt. Dazu wurden jeweils Versuchsrollen in unterschiedlichen bedruckt und sowohl die Runnability als auch die Printability beurteilt.

Bei den Druckversuchen wurde folgendes Verhalten festgestellt:

1. Das Material lässt sich grundsätzlich bedrucken.

2. Die Klebrigkeit der Lagen zueinander bei einer mehrere Wochen auf sich selbst gewickelten Rolle ist zu hoch.

3. Die Klebrigkeit der Lagen wird durch einen Umwickelvorgang wieder et-was entschärft, es bleib aber eine Restklebrigkeit vorhanden.

4. Es besteht eine Abhängigkeit des Verklebens zur herrschenden Umge-bungstemperatur.

5. Diese Klebrigkeiten führen letztendlich zu Bahnabrissen in der Druckma-schine.

Dies gilt im Prinzip sowohl für den Offsetdruck als auch für das Flexodruckver-fahren.

Bewertung der neuen Technolo-gie

Die Bewertung der neuen Technologie, trägerpapierlose Etiketten herzustellen, wurde anhand der erreichten Etiketteneigenschaften bewertet. Hieraus ergeben sich folgende Empfehlungen für welche Etikettieranwendung.

• Die Aktivierung der Klebeschicht dauert noch zu lange, um auf praxis-taugliche Verarbeitungsgeschwindigkeiten zu kommen.

• Der Tack (Anfangshaftung) der Klebeschicht ist zu gering, da die Ab-kühlphase der erwärmten Klebeschicht entsprechend Zeit benötigt bis die Klebeschicht belastbar ist.

• Applikationstechnologien sind derzeitig nicht verfügbar; die Etiketten müssten direkt beim Etikettieren auch Konfektioniert (gestanzt) werden bzw. Einzeletiketten aus einem Vorratsstapel entsprechend entnommen und während der Aktivierung bis zur Applikation geführt werden.

• Debonding (Wiederablösbarkeit) ist bislang noch nicht ausreichend ge-geben, d.h. die Beschichtung könnte nur für Permanentetiketten ver-wendet werden. Für wiederablösbare Etiketten ist das vorliegende Sys-tem in seiner jetzigen Form noch nicht geeignet.

12 R ezyklierbarkeit

Rezyklierbarkeit Da das eingesetzte Nano-Ferrit-Pigment wesentlich teurer ist als herkömmliche Streichpigmente, ist es von Interesse, die Materialien dem Produktionskreislauf zurückzuführen. Papier, Karton und Pappe können grundsätzlich stofflich wie-derverwertet werden. Die Vielfalt der Anforderungen, die die in der Weiterverar-



beitung erzeugten Fertigprodukte auf der Basis von Papier, Karton und Pappe erfüllen müssen, macht jedoch häufig die Kombination mit anderen Materialien und Hilfsmitteln erforderlich. Dadurch kann die grundsätzlich gegebene Rezyk-lierbarkeit des Produkts eingeschränkt oder gar unmöglich gemacht werden.

Hauptziel der stofflichen Verwertung von Erzeugnissen aus Papier, Karton und Pappe ist das Recycling der papiereigenen Stoffe. Der Schwerpunkt liegt dabei üblicherweise fast ausschließlich auf der Rückgewinnung der Faserstoffe. Füll-stoffe und Pigmente werden noch keinem aktiven Recycling unterzogen, sind aber im vorliegenden Fall zusammen mit dem eingesetzten Zellstoff Haupt-Komponenten der Faserstoffsuspension. Aufgrund des hohen monetären Wer-tes bzw. der Qualität dieser Komponenten besitzen sie einen hohen Stellenwert hinsichtlich der stofflichen Wiederverwertung als Bestandteil des Faserstoffes und stellen damit einen wertvollen Rohstoff dar.

Ziel des Recyclings war hier neben der Rückgewinnung der Faserstoffe auch eine vollständige Wiederaufbereitung der Nano-Ferrit-Partikel. In Labormaßstab wurde deshalb untersucht, inwieweit die hergestellten Papiere so wieder aufbe-reitet werden können (Zerkleinern und Lösen in Wasser), dass die Nano-Ferrit-Partikel abgetrennt werden können.

Methode Die Rezyklierbarkeit der an der Technikumsanlage hergestellten Etiketten er-folgte nach PTS-Methode PTS-RH: 021/97 „Kennzeichnung der Rezyklierbar-keit von Packmitteln aus Papier, Karton und Pappe sowie von grafischen Druckerzeugnissen“. Unter Rezyklierbarkeit im Sinne dieser Prüfmethode ist die Eigenschaft eines gebrauchten oder gebrauchsfähigen Produktes aus Papier, Karton oder Pappe zu verstehen, in einer den anerkannten Regeln der Technik entsprechenden Altpapieraufbereitungsanlage so aufbereitbar zu sein, dass der erzeugte Altpapierstoff die störungsfreie Herstellung eines qualitativ akzeptab-len, altpapierhaltigen Neupapiers erlaubt.

Die Kriterien, die zur Bewertung der Rezyklierbarkeit herangezogen werden, sind:

• stippenfreie Zerfaserbarkeit, • störungsfreie Blattbildung (Fehlen klebender Verunreinigungen und opti-

scher Inhomogenitäten (Schmutzpunkte)).

Rezyklierbarkeitsprüfung

Die Rezyklierbarkeit wird durch Prüfung der stippenfreien Zerfaserbarkeit des Probenmaterials und durch die Prüfung der störungsfreien Blattbildung (Blatt-klebetest, visuelle Beurteilung von Laborblättern des zerfaserten Stoffes auf vorhandene optische Inhomogenitäten) gekennzeichnet.

Bewertung der Rezyklierbarkeit

Etikettenpapier mit Klebeschicht ohne Vorstrich:

1. Stippenfreie Zerfaserbarkeit:

Die Probe ließ sich sehr gut zerfasern. Der Rückstand auf der Lochplatte war <1%.

2. Laborprüfblätter:

Prüfblätter aus dem Gesamtstoff:



Die aus dem Gesamtstoff hergestellten Prüfblätter zeigten beim Blattklebe-test Haftwirkung. Die Haftwirkung trat an den Stellen auf, an denen Kleb-stoffpartikel in das Blatt eingelagert waren.

Die Prüfblätter wiesen optische Inhomogenität (dunkelbraune Punkte) auf.

Prüfblätter aus dem Durchgangsstoff (Gutstoff) der Sortierung:

Die aus dem Durchgangsstoff hergestellten Prüfblätter zeigten beim Blatt-klebetest keine Haftwirkung.


Etikettenpapier mit Klebeschicht mit Vorstrich:

1. Stippenfreie Zerfaserbarkeit:

Die Probe ließ sich sehr gut zerfasern. Der Rückstand auf der Lochplatte war <1%.

2. Laborprüfblätter:

Prüfblätter aus dem Gesamtstoff:

Die aus dem Gesamtstoff hergestellten Prüfblätter zeigten beim Blattklebe-test Haftwirkung. Die Haftwirkung trat an den Stellen auf, an denen Kleb-stoffpartikel in das Blatt eingelagert waren.


Prüfblätter aus dem Durchgangsstoff (Gutstoff) der Sortierung:

Die aus dem Durchgangsstoff hergestellten Prüfblätter zeigten beim Blatt-klebetest keine Haftwirkung.


Gesamtbewer-tung

Aufgrund der durchgeführten Rezyklierbarkeitsprüfung und entsprechend den Kriterien der PTS-Methode PTS-RH: 021/97 werden die Etikettenpapiere mit Klebeschicht wie folgt bewertet: „Wegen optischer Inhomogenitäten im aufberei-teten Stoff nur bedingt rezyklierbar"

Die Qualitätsbeeinträchtigung durch die Schmutzpunkte kann gegebenenfalls durch eine wirksame Dispergierung reduziert werden.

Über eventuelle Abwasserbelastungen durch die Aufbereitung der Probe kön-nen keine Aussagen gemacht werden.

Wiedergewinnung MagSilca Parti-kel

Mit den Mustern aus den Technikumsversuchen wurde untersucht, ob die Mög-lichkeit besteht, die MagSilica-Partikel aus den Etiketten wiederzugewinnen. Hierzu wurde nach der Veraschung der Etiketten versucht, die magnetischen Partikel herauszulösen.



Reststoffrecycling – Zerfasern, Sortieren und Veraschen

Die mit der Klebeschicht beschichteten Papiere wurden in einem Standard-Desintegrator als eine Suspension (Wasser + Papierschnitzel, 40°C, 5% Stoff-dichte) bei einer Drehzahl von 3000 U/min 20 Minuten zerfasert. Anschließend wurden die aufgeweichten Suspensionen mittels eines 150µm-Filters abfiltriert. Die Filterkuchen wurden anschließend verascht, da eine vollständige Trennung zwischen Papierfasern und dem Nano-Ferrit-Pigmenten nicht zu erreichen war. Die abfiltrierten, wässrigen Phasen beinhalteten vermutlich ebenfalls noch Na-no-Ferrit-Pigmente, da das Filtrat eine leicht bräunliche Färbung aufwies. Es war jedoch nicht möglich, die magnetischen Nano-Ferrit-Pigmente unter Einsatz eines Dauermagneten aus der Lösung zurückzugewinnen. Eine weitere Alter-native durch Zentrifugieren der Lösung mit anschließendem Trocknen der se-dimentierten Nano-Ferrit-Partikel war ebenfalls nicht erfolgreich.

Einen Überblick über den Recycling-Prozess der beschichteten Papiermuster gibt Abbildung 30.

Abbildung 30: Überblick über den Recycling-Prozess von Nano-Ferrit-Partikeln

Untersuchung mit Rasterelekt-ronenmikroskop (REM / RMA)

Die nach der Zerfaserung aus dem Filterkuchen gewonnen Ascherückstände wurden in einem REM mittels Röntgenmikroanalyse (RMA) analysiert. Zum Vergleich wurde das eingesetzte Nano-Ferrit-Pigment analog untersucht. In den REM-Aufnahmen (vgl. Abbildung unten) ist zu erkennen, dass im Ascherück-stand überwiegend Streichfarben- bzw. Füllstoffpigmente enthalten sind und nur ein marginaler Anteil des Ascherückstands aus Nano-Ferrit-Pigmenten besteht. Dies wird auch durch die RMA-Spektren bestätigt (vgl. Abbildung). Die Spektren zeigen ein deutliches Übergewicht von Calcium (Ca) und etwas weniger von den Elementen Aluminium (Al) und Silizium (Si) im Ascherückstand. Dies ist ei-ne typische Anordnung für die Pigmente Calciumcarbonat und Kaolin. Der Ei-sen-Peak (FE) bei ca. 6,5 keV besitzt nur eine sehr geringe Intensität. Im Ge-gensatz dazu ist beim reinen Nano-Ferrit-Pigment natürlich ein sehr deutlicher Eisen-Peak (FE) und ein ausgeprägter Silizium-Peak (Si) zu erkennen. Das



spiegelt die Zusammensetzung der MagSilica®-Partikel wieder. Auf Grund des geringen Ferritgehalts im Glührückstand war eine Isolierung der Nano-Ferrit-Partikel mit den vorhandenen Labormethoden nicht möglich.

Abbildung 31: REM-Aufnahmen von Ascherückstand (links) und eingesetzten Nano-Ferrit-Pigment (rechts)

Abbildung 32: RMA-Spektren von Ascherückstand (links) und eingesetzten Na-no-Ferrit-Pigment (rechts; Au-Peaks für Gold sind auf die Proben-präparation zurückzuführen)

Ergebnis Die im Rahmen dieses Forschungsprojekts hergestellten mit Klebstoff beschich-teten Papiermuster wurden gemäß der obigen Beschreibung behandelt. Durch eine Kombination aus Veraschen, Zentrifugieren/Trocknen sowie magnetischer Trennung konnte das anfangs eingesetzte Nano-Ferrit-Pulver nicht zurück ge-wonnen werden. Die Vermischung mit den vorhandenen Streichfarbenpigmen-ten war auf Grund der relativ geringen Einsatzmenge des Nano-Ferrits (< 1% im beschichteten Papier) zu stark. Der Versuch der magnetischen Trennung, um das Nano-Ferrit-Pulver wieder zu isolieren und zurückzugewinnen, war nicht erfolgreich.



13 Wirts chaftlichkeits betrachtung & R es ümee

Kostensenkung durch Verwen-dung trägerloser Papiere [23]

United States Postal Service haben sich für die Installation neuer Etikettenappli-katoren entschieden, auf denen trägerlose Etiketten verarbeitet werden können. Bei der Verarbeitung fallen also nur noch Umverpackung und Hülse als Abfall an. Wegen der niedrigeren Entsorgungskosten und des generell geringeren Ma-terialeinsatzes geht man davon aus, dass es zu Einsparungen von bis zu 12 Mio US$ im Jahr kommen wird. Die zu erwartende Erhöhung der Produktivität wird auf nochmals ca. 6 Mio. US$ geschätzt.

Wertschöpfungskette

Den Projektpartnern und den angesprochenen Industriezweigen eröffnen sich neue Produkte bzw. Marktbereiche entlang der Prozesskette. Dabei handelt es sich um Klebrohstoffe, Klebstoffe, Etiketten (überwiegend KmU), Induktions- und Etikettieranlagen (überwiegend KmU).

Ökobilanz Durch den Wegfall von silikonhaltigem Releasepapier wird die Ökobilanz der SK-Etiketten deutlich verbessert. Gelingt es zudem die eingesetzten MagSilika-Pigmente wiederzuverwenden, verbessert sich die Ökobilanz der zu entwi-ckelnden induktionsaktivierbaren SK-Etiketten weiter.

Die zunehmende Sensibilisierung der Bevölkerung im Bereich der Ökobilanzen lässt derzeit für besonders effektive Technologien mit hoher Ressourcenscho-nung höhere Preise am Markt durchsetzen.

Etikettendrucker Dabei profitieren die Etikettendrucker (überwiegend KmU) überproportional von der neuen Technologie, da die Entsorgungskosten für das silkonhaltige Relea-sepapier konventioneller SK-Etiketten für deren Kunden entfallen.

Wirtschaftliche/ technische Er-folgs-aussichten

Die Forschungsergebnisse zeigen, dass sich je nach den erreichbaren Taktzei-ten für die Etikettierung unterschiedliche Anwendungsfelder für die induktions-aktivierbaren Etiketten ergeben. Es ist davon auszugehen, dass zunächst in hö-herwertigen Etikettieranwendungen die Technologie Einzug finden könnte. Da-für sind aber weitere Arbeiten zur Implementierung der Induktionsspulen in Eti-kettieranlagen notwendig.

Da das Projekt auf System- und Fertigungskomponenten beruht, die sich be-reits am Markt bewährt haben, sollten sich die neuen Anwendungsbereiche, die durch den Einsatz von MagSilica erschlossen werden, kurz- bis mittelfristig um-setzen lassen.

Fazit Ziel des Projektes war es, das Potential der induktiven Erwärmung auf den Be-reich von Selbstklebeetiketten auszuweiten. Das Verfahren der Induktion ist be-reits industriell etabliert, wie die Beispiele Coil Coating und induktives Heißsie-geln von Lebensmittel- und Pharmaverpackungen zeigen, wobei elektrisch lei-tende Materialien wie beispielweise Aluminiumfolien vorausgesetzt werden. In Gegenwart von Nanoferriten ist es gelungen dieses Prinzip auf Papiersubstrate zu übertragen, wobei sich die nanopartikulär vorliegenden superparamagneti-schen Eisenoxidpartikel als Bestandteil von Heißsiegelklebstoffformulierungen



erwärmen und die ursprünglich blockfrei applizierte Klebschicht thermisch akti-vieren und so ein Bekleben von zum Beispiel Glas- und Kunststoffsubstraten er-lauben. Auf diese Weise sind Klebetiketten zugänglich, welche ohne die sonst erforderlichen Silikontrennpapiere bei permanent klebrigen Systemen auskom-men. Ein weiterer Vorteil im Vergleich zu alternativen Wärmeübertragungen, wie zum Beispiel der Konvektion ist die Schonung Temperatur sensitiver Substrate und Maschinenumgebungen, da sich die Klebschicht quasi aus sich heraus er-wärmt. Zusammen mit dem Wegfall des Trennpapieres ergibt sich ein Einspar-potential, welches von der angesprochenen Industrien mittelfristig genutzt wer-den kann, da die vorliegenden Projektergebnisse auf kommerziell zugänglichen Klebrohstoffen basieren, deren Verträglichkeit untereinander und in Gegenwart der innovativen Nanoferrite sichergestellt werden konnte. Darüber hinaus sind die blockfreie maschinelle Klebstoffapplikation und die klebtechnischen Eigen-schaften gewährleistet. Die induktive Erwärmung der Papiere konnte ebenfalls nachgewiesen werden, wobei der Abstand der Klebschicht zur Induktionsspule eine bedeutende Einflussgröße darstellt und sich umgekehrt proportional zu thermischen Aufheizrate verhält. Ohne dass der Abstand im Rahmen des Pro-jektes auf ein Minimum hätte reduziert werden können, wurden bereits Heizra-ten bis zur Mindestaktivierungstemperatur von unterhalb einer Sekunde erzielt, so dass die zukünftige Realisierung einer industriellen Anwendung möglich ist.

Resümee Die Ergebnisse haben gezeigt, dass heißsiegelfähige Klebschichten auf Papier mit Hilfe von Nanoferritpartikeln induktiv aktiviert werden können und als poten-tieller Ersatz für permanent selbstklebende Etiketten (Haftetiketten) nutzbar sind.



Ansprechpartner für weitere Informationen: Ralf Gericke Robert Metz Tel. 089/12146-406 Tel. 089/12146-385 [email protected] [email protected]

Papiertechnische Stiftung PTS Papiertechnisches Institut PTI Heßstraße 134 80797 München Tel. (089) 1 21 46-0 Fax (089) 1 21 46-36 e-Mail: [email protected] www.ptspaper.de

Dr. Peter Bitomsky: Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Tel. 0421/2246-467 Angewandte Materialforschung (IFAM) [email protected] Wiener Str. 12 28359 Bremen www.ifam.fraunhofer.de

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L iteraturverzeichnis

1 Krones Handbook of labeling 2 R. Brandenburg und J. Schäfer, „Dünne Schichten mit großer Wirkung – Anforderungen an

silikonisierte Trägermaterialien für die Verwendung bei der Etikettenherstellung“, Etiketten – Labels, 12(2), 2004, 12-15

3 C. Reardon Release Liner Reclamation: A Recycling Reality? Paper Film Foil Converter Vol. 814, Nr.11, S. 26-29, 2007

4 N.N. Release Liners: The next step AWA annual global release liner conference Feb. 2008 http://www.convertingtoday.co.uk/story.asp?sectioncode=46&storycode=54527&c=1

5 R. Brandenburg und J. Schäfer, „Dünne Schichten mit großer Wirkung – Anforderungen an silikonisierte Trägermaterialien für die Verwendung bei der Etikettenherstellung“, Etiketten – Labels, 12(2), 2004, 12-15

6 J. Kenny Release Liners: These vital components of the pressure sensitive laminate are steadily evolving in a marketplace that is changing through competition L&NW, Rodman Publications Online, 2007 http://www.labelandnarrowweb.com/articles/2007/05/release-liners.php

7 R.A. Bafford und G.E. Faircloth, “Silicone-free release coatings need no post-drying cure step”, Adhesives Age, 30(13), 1987, 18-19

8 JP 59-43979 und 59-46265 und 60-54842

9 J. Empereur, M.N. Belgacem und D. Chaussy, „Silicone liner-free pressure-sensitive adhesive labels“, Macromolecular Materials and Engineering, 293(3), 2008, 167-172

10 http://glossary.ippaper.com/default.asp?req=knowledge/article/338

11 WO/1996/008540

12 S. Heintzelmann, „Was sind trägerfreie Etiketten?“, Converting Magazine, 16(8), 1998, 40

13 WO/1996/008540

14 EP 0 788 972

15 JP 7-164750

16 JP 5-11573

17 JP 7-121108

18 JP 63-303387

19 JP 5-11573

http://www.convertingtoday.co.uk/story.asp?sectioncode=46&storycode=54527&c=1



20 EP1717152

21 JP 2003-206455

22 EP1788014

23 A. Hartwig, A. Lühring, J. Trautmann, „Spheroidal Nanoparticles in Epoxide – Based Adhesives“, Macromolecular Materials and Engineering, 294, 2009,

24 M. Kreoll, M. Pridoehl, G. Zimmermann, L. Pop, S. Odenbach, A. Hartwig, “Magenetic and rheological chareakterisation of novel ferrofluids”, Journal of magnetism and magnetic materials, 289, 2005, 21-24

25 EP1444306

23 „Linerless labels help cut $ 12 Million in postal“, Packaging Digest, 39(11), 1994, 43

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PTS-FORSCHUNGSBERICHT IGF 16792 TRÄGERPAPIERLOSE … · 2017-08-16 · ger Lösungsa n-sätze . Aufgrund der Nachteile, die sich durch den Einsatz eines Trennpapiers er ge- ... was