Komplexe physikalische Eigenschaften

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1 Komplexe physikalische Eigenschaften Zu den komplexen (nicht genau definierten) physikalischen Eigenschaften gehören: Steifigkeit Stauchdruckfestigkeit Schlagfestigkeit und Berstwiderstand Reißfestigkeit Delaminierungswiderstand und Spaltfestigkeit Oberflächenfestigkeit Steifigkeit, Stauchdruckfestigkeit und Oberflächenfestigkeit werden in anderen Abschnitten bzw. Teilen behandelt. Die Festigkeitseigenschaften erhöhen sich mit ansteigendem Flächengewicht. Abgesehen davon wird das Zugfestigkeitspotential eines Kartons von Faserart und Herstellungsverfahren bestimmt. Chemisch gewonnene, lange Fasern aus Holzsorten wie Kiefer und Fichte ergeben die besten Festig keitswerte. Die Faserbehandlung, z. B. die Refinermahlung, spielt ebenfalls eine wichtige Rolle. Das Verhältnis der Festigkeit in Längs- und Querrichtung ist abhängig vom Blattbildungsverfahren in der Nasspartie der Kartonmaschine. Schlagfestigkeit und Berstwiderstand Es gibt verschiedene mehr oder weniger komplizierte Verfahren, um den physikalischen Widerstand von Karton gegen Druckbelastungen oder Penetration zu messen. Am üblichsten ist der Berstversuch, ein modifiziertes Papierprüfverfahren. Berst- oder Durchstoßversuche sind kompliziert, da viele physikalische Parameter einbezogen sind. Dazu gehören Zugfestigkeit und Dehnung, Biegesteifigkeit und Reißfestigkeit, je nach den geometrischen Grundbedingungen des angewendeten Prüfverfahrens. Daher ist es nicht einfach, spezielle Rückschlüsse aus diesen Prüfungen zu ziehen. Ein höherer Wert deutet aber auf ein starkes und zähes Material hin, das zahlreichen Belastungen und Beanspruchungen standhalten kann. Reißfestigkeit Reißfestigkeit ist eine Eigenschaft, die auf einem Verfahren basiert, bei dem versucht wird, das Durchreißen eines Papiers zu simulieren (senkrecht zur Papierebene). Nachdem das Papier eingeschnitten wurde, wird das Durchreißen unter vorher festgelegten Bedingungen durchgeführt. Trotzdem ist die physikalische Bedeutung dieses Werts (der zum Durchreißen erforderlichen Kraft) weniger offensichtlich. Eine hohe Reißfestigkeit hängt in erster Linie von der allgemeinen Festigkeit (Zugfestigkeit und Dehnung) und der Anzahl langer, gut vernetzter Fasern ab (viele und längere Fasern erhöhen die Reißfestigkeit). Messbare Eigenschaften Reißfestigkeit (ISO 1974) Reißfestigkeit ist die Kraft, die aufgewendet werden muss, um einen zuvor eingeschnittenen Karton zu zerreißen. Prüfverfahren und -geräte Für diese Prüfung wird ein Reißfestigkeitsprüfgerät vom Typ Elmendorf verwendet. Sie wird sowohl in Längs- (MD) als auch in Querrichtung (CD) durchgeführt. Das Ergebnis wird in mn ausgedrückt. Das Verfahren eignet sich jedoch besser für Papier als für Karton. Aufgrund der Auslegung des Prüfverfahrens werden die Werte für dickes Papier und Karton durch deren Steifigkeit beim Biegen während des Reißvorgangs beeinflusst. Hinzu kommt, dass beim Reißversuch mit BERSTVERSUCH GUMMIMEMBRAN EINSPANNVORRICHTUNG DRUCKMESSUNG Prinzip der Berstwiderstandsmessung Reißfestigkeitsprüfgerät 18 Kartonhandbuch IGGESUND PAPERBOARD

2 mehrlagigem Karton aus dem Durchreißen eine Delaminierung wird. Manchmal erzielt man auch eine Kombination aus beiden Vorgängen. Bedenkt man die Komplexität des Verfahrens und die darin enthaltenen Fehlerquellen, kann der Reißfestigkeit nur ein begrenzter praktischer Wert beigemessen werden. Der Wert zeigt aber immerhin an, ob ein Karton spröde oder zäh ist. Inzwischen wurden Verfahren gefunden, die unter kontrollierten Bedingungen eine Messung des Weiterreißwiderstands in der Ebene ermöglichen. Dabei handelt es sich um einen wissenschaftlichen Wert, was bedeutet, dass es auch Verfahren gibt, um das Reiß- und Delaminierungsverhalten gemäß der Materialphysik zu quantifizieren. Eine gute Reißfestigkeit ist sowohl für Grafik- als auch für Verpackungsanwendungen erforderlich. Diese Eigenschaft kommt z. B. bei Aufreißstreifen für Verpackungen, Hängedisplays für Blisterpackungen, Bucheinbänden, Broschüren usw. zum Tragen. Delaminierungswiderstand und Spaltfestigkeit Delaminierungswiderstand oder Spaltfestigkeit werden normalerweise durch eine Anzahl von Prüfverfahren definiert, mit denen die Kraft- oder Energieeinwirkung gemessen werden soll, die für die Trennung oder Delaminierung der inneren Kartonstruktur erforderlich ist. Gemeint ist damit der Faserverbund innerhalb oder zwischen den Lagen, nicht die Trennfläche zwischen Fasern und Strich oder innerhalb des Striches selbst. Für viele grafische Produkte und Verpackungen ist ein bestimmter Grad der Spaltfestigkeit notwendig. Der Wert sollte hoch genug sein, damit die Ecken, Kanten und Ränder des Produkts beständig gegen Handhabungsschäden sind, jedoch gleichzeitig niedrig genug, um während des Rill- oder Faltvorgangs eine gute Delaminierung zu ermöglichen. Die Tatsache, dass Karton ein relativ dünnes, aber sehr festes Material mit einer komplexen, porösen Faserstruktur ist, macht es extrem schwierig, zuverlässige und präzise Prüfverfahren zu entwickeln. Bei den zur Messung der Delaminierung entwickelten Verfahren werden die Werte durch Ziehversuche (Z-Festigkeit), Schälversuche oder eine Kombination aus beiden ermittelt. Die komplexen Vorbereitungen, bei denen oft mit zwischen Karton und Prüfgerät gearbeitet wird, sind in diesen Messverfahren der Grund für Einschränkungen und potentielle Fehlerquellen. Aufgrund ihrer Komplexität erklären die herkömmlichen Messverfahren die Spaltfestigkeit jedoch nicht. Von Innventia (früher STFI-Packforsk) wurde ein Verfahren entwickelt, das auf der Zähigkeit in Z-Richtung basiert. Dieses Verfahren schließt frühere Schwierigkeiten aus und misst eine gut definierte physikalische Größe. Vänta till niklas o jonas är tillbaka ZIEHVERSUCH (Z-FESTIGKEIT) SCHÄLVERSUCH ZIEH- UND SCHÄL- VERSUCH Kunststoff- oder Metallfolie Aluminiumwinkel Metallring Amboss Prinzip verschiedener Prüfverfahren zur Spaltfestigkeit IGGESUND PAPERBOARD Kartonhandbuch 19

3 Chemisch gewonnener Faserstoff aus langfaserigen Hölzern wie Kiefer und Fichte sowie eine optimierte Faserbehandlung (Refinermahlung) bieten die besten Voraussetzungen für eine hohe Spaltfestigkeit. Bei Verpackungen mit Aufreißstreifen tritt häufig der durch zu geringe Festigkeit bedingte Fehler auf, dass sich beim Aufreißen nicht der komplette Streifen löst, sondern lediglich die oberste Lage. Messbare Eigenschaften Spaltfestigkeit, Lagenfestigkeit (TAPPI 569) Mehrlagiger Karton besteht aus verschiedenen Faserlagen, die gut miteinander verbunden sein müssen. Diese Verbundhaftung wird unter dem Begriff Spaltfestigkeit zusammengefasst und ist mit verschiedenen Verfahren messbar. Prüfverfahren und -geräte Die Lagenfestigkeit aller Produkte von Iggesund Paperboard wird mit dem Scott Bond Spaltfestigkeitsprüfer ermittelt. Bei dieser Prüfung wird die Energie gemessen, die zur Delaminierung eines Probestreifens aufgewendet werden muss. Dabei wird eine senkrecht wirkende Kraft auf die Oberfläche ausgeübt. Das Ergebnis wird in J/m angegeben. Das Verfahrensprinzip ist der Abbildung zu entnehmen. 13 Kartonhandbuch IGGESUND PAPERBOARD

4 Mechanisches Verhalten Typische Unterschiede im mechanischen Verhalten des Kartons können durch Betrachtung des Spannungs- Dehnungs-Verhaltens festgestellt werden. Die Aufzeichnung der ausgeübten Zugkraft und der dabei auftretenden Dehnung während des Zugversuchs ergibt das abgebildete Diagramm. Produkte aus 1 % Zellstoff weisen eine ungefähr dreimal so hohe Festigkeit auf wie Produkte, die aus 1 % Holzstoff bestehen. Die Dehnungswerte liegen um ca. 5 % höher. Hauptgrund hierfür ist, dass Zellstoff aus langen, gut vernetzten Fasern besteht. Produkte aus Zellstoff weisen eine hohe Festigkeit und Dichte auf. Die Anfangslinie beider Kurven entspricht den Unterschieden beim Elastizitätsmodul. Karton besteht aus einem Fasernetz. Aufgrund des Herstellungsverfahrens sind mehr Fasern parallel zur Laufrichtung der Maschine ausgerichtet. Die physikalischen Eigenschaften des Kartons sind somit richtungsabhängig und daher in Längsrichtung (Laufrichtung der Maschine, MD) und Querrichtung (CD) verschieden. Karton ist in Längsrichtung steifer und fester als in Querrichtung. Die Dehnung hingegen ist in Längsrichtung geringer als in Querrichtung. Diese richtungsbedingten Unterschiede haben einen großen Einfluss auf zahlreiche Anwendungen. Sie betreffen nicht nur die Schutzfunktionen, sondern auch Druckeigenschaften wie Passersteuerung, Rollneigung und Planlage, Rillen und Falten. Die Unterschiede zwischen den beiden Richtungen sollten so gering wie möglich sein und werden im Allgemeinen im MD/CD-Steifigkeitsverhältnis ausgedrückt. In der Regel wird der Durchschnitt der Richtungsdifferenzen des Kartons nach der Formel für den geometrischen Mittelwert berechnet (SGM = SMD SCD). So ist es möglich, ungeachtet des MD/CD-Verhältnisses einen Vergleich der verschiedenen Materialien durchzuführen. Die typischen Unterschiede in den Zugdehnungskurven sind unten aufgeführt. Spezifische Materialeigenschaften Karton besteht aus einem faserigen, porösen Netz aus Zellulosefasern und Luft. Daraus folgt, dass die lasttragenden Elemente, die Fasern, das Gesamtvolumen oder den Querschnitt eines Kartonstreifens nur teilweise ausfüllen. Wenn eine Kraft F pro Breiteneinheit b (= Breite der Probe) auf die gesamte Querschnittsfläche A ausgeübt wird, wird die scheinbare Belastung angegeben als: = F x b/a Die Belastung F wird in Beziehung zur Querschnittsfläche der Fasern A F gesetzt: F = F x b/a F F Außerdem gilt: = = * F wobei F und der Faser- bzw. Bogendichte entsprechen. Somit ist die spezifische Belastung, die auf einen Bogen ausgeübt wird, gleich der spezifischen Belastung, der die Fasern ausgesetzt werden. In diesem Zusammenhang steht der Stern (*) für eine Vereinheitlichung hinsichtlich der Dichte. Papier und Karton können trotz der faserartigen, porösen Struktur meist als homogene Werkstoffe behandelt werden. Da Karton jedoch in der Endanwendung meist nach seinen Eigenschaften pro Breiteneinheit beurteilt wird, sind die Eigenschaften Zugbruchspannung ( t ), Druckbruchspannung ( c ) und Elastizitätsmodul (E), 3 ZUGKRAFT 3 ZUGKRAFT Zellstoffe Längsrichtung (MD) Querrichtung (CD) 1 1 DEHNUNG 1 3 DEHNUNG 1 3 Elastizität, Festigkeit und Dehnung Unterschiede in der Zugdehnung IGGESUND PAPERBOARD Kartonhandbuch 131

5 die als Kraft pro Querschnittsfläche ausgedrückt werden, weniger geeignet, die Merkmale verschiedener Produkte zu beschreiben. Diese Eigenschaften reagieren darüber hinaus sehr empfindlich auf Änderungen in der Dicke des Kartons (u. a. durch Kalandrierung), obwohl eine Änderung der Dicke nicht unbedingt eine Veränderung der dehnungsspezifischen Eigenschaften nach sich ziehen muss. Dieses Problem kann gelöst werden, indem die Eigenschaften eines Bogens durch folgende Formeln ausgedrückt werden: ( t t), ( c t) und (E t), das heißt also durch Multiplizieren von Zugbruchspannung, Druckbruchspannung bzw. Elastizitätsmodul mit der Dicke (t), um die Eigenschaften als Kraft pro Breiteneinheit wiederzugeben. Da diese Formeln vom Basisgewicht des Bogens abhängig sind, kann der Wert abschließend durch Dividieren durch das Basisgewicht (w) vereinheitlicht werden. Man erhält so Formeln für die spezifische Zugbruchspannung, die spezifische Druckbruchspannung und den spezifischen Elastizitätsmodul, was dem Dividieren von Zugbruchspannung, Druckbruchspannung und Elastizitätsmodul durch die Dichte entspricht. Diese spezifischen Materialeigenschaften sind also identisch mit den Festigkeitskennwerten, die in der Kartonbranche üblicherweise verwendet werden, wie in der nachstehenden Tabelle aufgeführt. wird an dem Punkt gemessen, an dem der Kartonstreifen den Belastungen im Zugversuch nicht mehr standhalten kann. Das Hookesche Gesetz kann an die spezifischen Eigenschaften angepasst werden: * = E* wobei * = = spezifische Spannung = Dehnung E E * = = spezifischer Elastizitätsmodul Bei einem Material, das Luft enthält, ist es sinnvoll, mit spezifischen Eigenschaften zu arbeiten. Das heißt, dass die Festigkeit immer in einem bestimmten Verhältnis zur Masse steht. Folgende Faktoren wirken sich grundlegend auf die Festigkeit und Zähigkeit aus: Art des Faserstoffs Flächengewicht Feuchtigkeitsgehalt Faserstoffmenge Dicke Volumen oder Dichte Prüfverfahren Für das Messen von Festigkeit und Zähigkeit gibt es zahlreiche Verfahren. Der Elastizitätsmodul wird anhand der Daten aus dem Spannungs-Dehnungs-Diagramm für den Zugversuch berechnet. Die Bruchdehnung oder Dehnung Gesamte Faserfläche = A F Die auf den Kartonstreifen ausgeübte Kraft F pro Breiteneinheit wird von F Gesamte Querschnittsfläche = A Spezifische Eigenschaften Spezifische Zugbruchspannung Spezifische Druckbruchspannung Spezifischer Elastizitätsmodul Verknüpfung t F tw = w = t * c F tw = w = t * E E t S t = w = w = E* In der Kartonindustrie verwendete Kennwerte Zugfestigkeitsindex Stauchwiderstandsindex Zugsteifigkeitsindex 13 Kartonhandbuch IGGESUND PAPERBOARD

6 Mischungsgesetze Die definierten Eigenschaften wie Elastizitätsmodul, Zugfestigkeit und Stauchwiderstand folgen den Mischungsgesetzen. Das heißt, dass die endgültige Festigkeit eines Produkts von der Menge und Festigkeit der einzelnen Komponenten bestimmt wird. Typische Werte für verschiedene Fasertypen Die folgenden Abbildungen zeigen einige typische Eigenschaftswerte für die wichtigsten bei der Kartonherstellung verwendeten Fasern. Neben den typischen Werten zeigen die Abbildungen auch den starken Einfluss der Dichte auf die physikalischen Eigenschaften. ZUGSTEIFIGKEIT, mnm/kg (Nadelholz) Gebleichter Sulfitzellstoff (Fichtenholz) ZUGFESTIGKEITSINDEX, knm/kg (Nadelholz) Gebleichter Sulfitzellstoff (Fichtenholz) unterschiedlichen Rohstoffen. Die Dichte kann durch Einstellung der Pressenpartie verändert werden. Zugfestigkeitsindex im Vergleich zur Bogendichte bei Kartonprodukten aus unterschiedlichen Faserstoffen. Die Dichte kann durch Einstellung der Pressenpartie verändert werden. STAUCHWIDERSTANDSINDEX, knm/kg (Nadelholz) ZUGDEHNUNG, % (Nadelholz) Gebleichter Sulfitzellstoff (Fichtenholz) Stauchwiderstandsindex im Vergleich zur Dichte bei Kartonprodukten aus unterschiedlichen Rohstoffen. Die Dichte kann durch Einstellung der Pressenpartie verändert werden. Zugdehnung im Vergleich zur Bogendichte bei Kartonprodukten aus unterschiedlichen Faserstoffen. Die Ergebnisse beziehen sich auf Kartonprodukte, die in der Trockenpartie festgehalten wurden. Die Dichte kann durch Einstellung der Pressenpartie verändert werden. IGGESUND PAPERBOARD Kartonhandbuch 133

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