München, Oktober 2007 Fogra-Forschungsbericht Nr

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1 München, Oktober 2007 Fogra-Forschungsbericht Nr Einfluss der elektrostatischen Aufladung und deren Differenzierung von anderen Hafteffekten auf die Laufeigenschaften von Papieren in Druck- und Weiterverarbeitungsmaschinen Martin Pöller Thomas Kuën Mitglied der

2 Forschungsbericht Nr Dipl.-Ing. [FH] Martin Pöller Dipl.-Ing. Thomas Kuën Fogra-FB/DE--2007/11--DE Stichworte: Papierlauf Hafteffekte elektrostatische Aufladung Verblocken mechanische Verzahnung Inhalt 1 Einleitung und Stand der Technik Zielsetzung Durchgeführte Untersuchungen Beschaffung und Herstellung von Druckpapieren mit definierten Eigenschaften Bestimmung der Papiereigenschaften Ermittlung elektrostatischer Anziehungskräfte bei Druckpapieren Ermittlung von Adhäsionskräften zwischen Druckpapieren mit hoher Oberflächenglätte Ermittlung von Reibungskräften auf Grund mechanischer Verzahnung von Druckpapieren im Format und an den Bogenkanten Ermittlung von Haftkräften auf Grund chemischer Bindungskräfte zwischen Druckbogen Erstellung einer Testform und Druckversuche mit unterschiedlichen Druckverfahren zur Erweiterung der an den Druckpapieren erzielten Ergebnisse auf Drucke Ergebnisse Papiereigenschaften Elektrostatische Anziehungskräfte bei Druckpapieren Adhäsionskräfte zwischen Druckpapieren mit hoher Oberflächenglätte Reibungskräfte auf Grund mechanischer Verzahnung von Druckpapieren im Format und an den Bogenkanten Haftkräfte auf Grund chemischer Bindungskräfte zwischen Druckbogen Druckversuche Zusammenfassung Literatur Das Forschungsvorhaben [14468 N] der Fogra Forschungsgesellschaft Druck e.v., einer Forschungsvereinigung unter dem Dach der AiF, wurde im Programm zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung [IGF] vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie über die AiF finanziert. Diese Arbeit wurde durchgeführt von der Fogra Forschungsgesellschaft Druck e.v., München. Die Fogra ist beim Finanzamt München [Steuernr. 143/215/00707] als gemeinnütziger Verein eingetragen. Fogra-Forschungsberichte geben in ihrem Inhalt die Schlussberichte der von der Fogra bearbeiteten Forschungsvorhaben wieder. Sie werden herausgegeben von der Fogra Forschungsgesellschaft Druck e.v., Streitfeldstraße 19, München und Postfach , München; Tel , Fax , Internet by Fogra

3 Fogra Forschungsgesellschaft Druck e.v. Dipl.-Ing. [FH] Martin Pöller [Ansprechpartner] Das Ziel des Forschungsvorhabens war es, die Einflüsse auf verschiedene Hafteffekte zu untersuchen, welche den Lauf durch Druck- und Weiterverarbeitungsmaschinen stören, sowie die Ermittlung eines optimalen Bereichs der elektrischen Leitfähigkeit der Oberfläche des Papierstrichs, innerhalb dessen Probleme auf Grund elektrostatischer Aufladung nicht auftreten und andererseits elektrostatisches Nageln dennoch möglich ist. Die Ergebnisse der Untersuchung gestatten folgende Gewichtung: Die tendenziell geringsten Haftkräfte werden durch mechanische Verzahnung hervorgerufen. Die Verzahnung von Papieren lässt sich in der Praxis durch Auffächern der Druckbogen beheben. Verhindert werden kann die Verzahnung durch einwandfrei arbeitende Planschneider. Die elektrostatische Aufladung verursacht im Durchschnitt höhere Haftkräfte als die mechanische Verzahnung. Durch Maßnahmen, wie z. B. der Klimatisierung der Räume, in denen Papier verarbeitet wird oder durch Entladevorrichtungen, kann die elektrostatische Aufladung weitgehend reduziert werden. Die durch Verblocken hervorgerufenen Haftkräfte [chemische Bindung] sind am stärksten und sind im Unterschied zu den beiden anderen Hafteffekten irreversibel. Eine praktikable Lösung dafür scheint einzig die Kontrolle des Druckprozesses bzw. der einwandfreien Trocknung der Drucke zu sein. Ein optimaler Bereich der elektrischen Leitfähigkeit, innerhalb dessen Probleme auf Grund elektrostatischer Aufladung nicht auftreten und andererseits elektrostatisches Nageln dennoch möglich ist, kann nicht angegeben werden. 1 Einleitung und Stand der Technik Die problematischen Auswirkungen des gegenseitigen Anhaftens von Druckpapieren, Drucken oder Falzbogen sind seit vielen Jahren bekannt. Diese auf verschiedenartigen Anziehungsmechanismen beruhenden Hafteffekte treten als elektrostatische Anziehungskräfte, als Aneinanderhaften glatter Flächen, als mechanische Verzahnungen und als chemische Bindungskräfte in Erscheinung. Die einzelnen Phänomene sind nicht immer klar zu trennen, aber in ihrer Auswirkung führen sie häufig zu ähnlichen Schwierigkeiten [1]. Das Anhaften von Bogen von Druckpapieren, Drucken oder von Falzbogen gegeneinander kann zu Störungen bei der Vereinzelung von Bogen in den Anlegern von Druck- oder Weiterverarbeitungsmaschinen führen oder den Bogentransport durch die Aggregate der Maschinen erschweren. Ebenso kann eine Beeinträchtigung des Stapelns in der Maschinenauslage auftreten. Neben diesen negativen Einflüssen, welche die Verarbeitungsgeschwindigkeit herabsetzen oder zu Fehlern an den Druckerzeugnissen führen, kann man sich bei der Ausführung von bestimmten Verarbeitungsschritten Hafteffekte aber auch zu Nutze machen. Diese Technik wird oft auch als elektrostatisches Heften oder elektrostatisches Nageln bezeichnet. Dabei werden beispielsweise bei der buchbinderischen Weiterverarbeitung Beilagen durch Aufbringen elektrostatischer Ladungen so fixiert, dass sie nicht verrutschen können und im Bundsteg nicht in einen Buchblock mit eingebunden werden [2]. Beim Tiefdruck ist die Anwendung der elektrostatischen Druckunterstützung Stand der Technik. Durch elektrostatische Aufladung des Druckzylinders wird dabei die Farbübertragung aus den Näpfchen verbessert. Hafteffekte, die auf elektrostatische Anziehungskräfte zurückgeführt werden können, beruhen auf einem Kontaktbzw. Trennungsphänomen [3 6]. Wenn zwei Stoffe sich eng berühren [Abstand im Nanometer-Bereich], so werden zwischen diesen beiden Stoffen während des Kontakts Elektronen ausgetauscht [Abb. 1]. Bei der Trennung der Stoffe kommt es zur Trennung von elektrischen Ladungen. Die getrennten Kontaktpartner sind dabei elektrisch gegensätzlich geladen. Abb. 1: Entstehung von elektrischen Ladungen beim Kontakt und bei der Trennung von Materialien.

4 Forschungsbericht Nr Für den hier beschriebenen Vorgang ist nur die Berührung der Oberflächen maßgebend [7]. Durch Reibung der beiden Oberflächen gegeneinander kann die Aufladung erhöht werden. Durch starkes Zusammenpressen der beiden Körper entsteht eine größere Kontaktfläche, woraus wiederum eine höhere Aufladung resultiert. Weitere Einflussgrößen auf den Grad der Aufladung sind neben der Größe der Kontaktflächen [8] der Abstand die elektrischen Eigenschaften die Differenz der Elektronenaustrittsenergien der Berührflächen der beteiligten Materialien Erfolgt der Kontakt zwischen zwei elektrischen Leitern mit identischer Leitfähigkeit, so treten etwa gleich viele Elektronen aus dem einen Stoff in den anderen über, wie dieser selbst von dem anderen Stoff aufnimmt. Dadurch kommt bei der Trennung dieser beiden Stoffe kein Ungleichgewicht an Ladungen zustande. Selbst wenn ein lokales Ungleichgewicht an einer Stelle entstanden wäre, könnten sich die Ladungen innerhalb jedes elektrischen Leiters schnell ausgleichen. Bringt man jedoch Stoffe mit unterschiedlicher elektrischer Leitfähigkeit in Kontakt, also z. B. ein Metall mit einem Kunststoff, so werden zwischen diesen beiden Stoffen unterschiedlich viele Elektronen ausgetauscht. Nach der Trennung besteht ein Ladungsunterschied zwischen den beiden Stoffen. Bei dem Nichtleiter können diese Ladungen nur sehr langsam abfließen. Er bleibt elektrostatisch aufgeladen. Elektrostatische Aufladung erfolgt auch, wenn beide Kontaktpartner Isolatoren oder schlechte elektrische Leiter sind. Neben der Leitfähigkeit der Kontaktpartner sind auch andere Parameter wie die Geschwindigkeit und Anzahl der Kontakt- und Trennungsvorgänge, die Temperaturunterschiede zwischen den sich berührenden Oberflächen, der absolute Feuchtegehalt der Stoffe und die relative Luftfeuchtigkeit sowie der Grad der Ionisierung der Umgebungsluft entscheidend für die Höhe und die Beständigkeit der elektrostatischen Aufladung. Die Grenzschichten zweier sich berührender Materialien kann man sich als Plattenkondensator vorstellen [9]. Die Spannung U zwischen den beiden Grenzschichten wird als Quotient aus der Ladung Q und der Kapazität C dieses Kondensators ermittelt: U = Q C Die Kapazität des Kondensators verändert sich bei der Trennung der beiden in Kontakt stehenden Materialien drastisch, da sich der Abstand der beiden Kondensatorplatten vergrößert: U = e 0 e r A d Dabei ist ε 0 die Dielektrizitätskonstante, die ε 0 = 8, As/Vm beträgt. e r ist die Dielektrizitätszahl, die für jeden Stoff je nach Umgebungsbedingungen, z. B. Temperatur, Feuchte und Druck, unterschiedliche Werte annimmt. A ist die Größe der Berührfläche der getrennten Materialien und d deren Abstand. Bei der Trennung der beiden Materialien kommt es über noch vorhandene Berührstellen zu einem Ladungsausgleich, der vom Oberflächenwiderstand und der Trenngeschwindigkeit abhängt [8]. Die zurückfließende Ladung Q ist charakterisiert durch den Zusammenhang: Q = t U R, wobei τ die Trennzeit, U die Spannung zwischen den Materialien und R der Widerstand der Berührstellen sind. Je höher der Widerstand an der Oberfläche eines der beiden Materialien ist, desto höher fällt die elektrostatische Aufladung des weniger leitfähigen Materials aus. Die geschilderten Verhältnisse treffen für Druckpapier und Druck- und Weiterverarbeitungsmaschinen zu. Druckpapiere sind eher schlechte elektrische Leiter. In der Leitfähigkeit verschiedener Druckpapiere bestehen je nach Strichzusammensetzung, Strichmenge und Papierfeuchte beträchtliche Unterschiede. In Druck- und Weiterverarbeitungsmaschinen haben die Druckpapiere oder Falzbogen Kontakt zu den metallischen Bauteilen wie Greifern oder Führungsschienen und -blechen, aber auch zu Nichtleitern wie Drucktüchern und Transportrollen und -bändern. An vielen Stellen während des Maschinendurchlaufs kommt es zu Kontakt- und Trennungsvorgängen und damit sind die Voraussetzungen für elektrostatische Aufladungen gegeben. Diese können Probleme beim Papierlauf durch die Druckmaschine und in deren Auslage verursachen. Insbesondere in der Druckweiterverarbeitung führen elektrostatische Aufladungen zu Falzungenauigkeiten in Falzmaschinen oder zu Laufstörungen in anderen Weiterverarbeitungs- oder Lackier- und Kaschiermaschinen [10 12]. In Druckweiterverarbeitungsbetrieben ist häufig keine präzise Klimatisierung der Luft vorgesehen, so dass bei trockener Raumluft die elektrostatische Aufladung der Bogen gefördert wird. Da die verschiedenen Druckverfahren je nach Art und Intensität der künstlichen Trocknung nach und während des Druckprozesses zu unterschiedlichen Feuchtegehalten der Druckbogen oder Falzbogen führen, ist das Auftreten von Laufproblemen oder Falzungenauigkeiten durch Elektrostatik in der Druckweiterverarbeitung auch stark vom Druckprozess und dessen Parametern beeinflusst. Solche Schwierigkeiten treten häufig bei der Verarbeitung von Bogen aus digitalen Druckprozessen auf, da hier die Elektrostatik Teil des Bebilderungsvorganges ist und daher nach Abschluss des Druckvorganges lokale Ladungsunterschiede auf dem Bogen verbleiben. Elektrostatik wird jedoch auch als gezieltes Werkzeug in der Druckweiterverarbeitung eingesetzt, um zum Beispiel Beilagen beim Zusammentragen zu fixieren, um Umschlagklappen und andere Einschläge an Bogen geschlossen zu halten oder um Umhefter in Sammelheftern auf dem Umschlag zu positionieren. Daneben werden häufig auch Loseblattsammlungen kantengenau elektrostatisch verblockt, um diese ohne jeglichen Klebstoffeinsatz präzise mit Folie ummanteln zu können. Dieses Verfahren wird auch benutzt, um Stapel ohne Verrutschen innerbetrieblich transportieren zu können [11]. Bei gestrichenen und satinierten Druckpapieren mit hoher Oberflächenglätte

5 Fogra Forschungsgesellschaft Druck e.v. kann ein gegenseitiges Anhaften aufeinander liegender Bogen auftreten, das populärwissenschaftlich häufig als Glasplatteneffekt bezeichnet wird. Das Anhaften ist dabei neben der Kapillarität und Strichzusammensetzung des Druckpapiers abhängig von der Glätte der Bogen und vom mechanischen Flächendruck, der im Stapel von oben nach unten linear zunimmt. Je glatter die Bogen sind und je intensiver sie aufeinander gedrückt werden, desto größer fallen zwischenmolekulare Bindungskräfte wie van der Waals sche Kräfte und Kräfte auf Grund von Kapillareffekten aus. Bei unbedruckten Papierstapeln werden die Haftkräfte hauptsächlich durch die beiden genannten Parameter Oberflächenglätte und Stapeldruck beeinflusst. Da die Produktion und Verwendung glänzend gestrichener, hochglatter und satinierter Druckpapiere nach wie vor zunimmt, ist die Problematik von Störungen, die beim Vereinzeln und beim Lauf der Bogen durch Druck- und Weiterverarbeitungsmaschinen auftreten, verstärkt gegeben. Hochglänzende Oberflächen werden insbesondere von der Werbe- und Verpackungsindustrie gefordert, und von der Papierindustrie geliefert. Es besteht auch keine Möglichkeit zur Aufbringung eines Mikroreliefs als Abstandshalter zwischen den Bogen [13], da hochglatte grafische Papiere in der Regel satiniert, also durch hochglanzpolierte und verchromte Walzenpaare gepresst werden. Der Drucker kann solchen Hafteffekten nur durch sorgfältiges Aufschlagen der Druckbogenstapel unmittelbar vor Druckbeginn und durch Bildung relativ kleiner Stapel begegnen. Die Kraftwirkung dieser Hafteffekte durch hohe Oberflächenglätte könnte jedoch eventuell durch elastische, bei der Satinage nicht plastisch verformbare oder die Gleitfähigkeit erhöhende Bestandteile im Papierstrich verringert werden. Eine weitere, denkbare Möglichkeit wäre die Variation der Porosität des Papierstriches mit dem Ziel der Minimierung von Anziehungskräften zwischen den Bogen auf Grund von Kapillareffekten. Im Vergleich zu anderen Hafteffekten dürften die auf dem Glasplatteneffekt beruhenden Haftkräfte zwar von der Größenordnung her zu den eher kleineren Haftkräften gehören, jedoch werden von den Anwendungstechnikern der Papierhersteller und deren Qualitätslabors häufig Probleme aus Druckereien registriert, die auf diesen Effekt zurückgeführt werden können. Solche Fälle werden nicht selten in den Druckbetrieben, die keine Möglichkeiten zur messtechnischen Einordnung der auftretenden Lauffähigkeitsprobleme haben, zunächst einmal als elektrostatisches Anhaften eingestuft. Erst Messungen der elektrostatischen Aufladung der Bogen an der Maschine und Prüfungen im Labor fördern dann den wahren Grund für die Laufprobleme zu Tage. Der gegenteilige Effekt, dass Druckbogen auf Grund einer starken Oberflächenrauheit nicht gut durch Maschinen laufen und die Sauger der Anleger insbesondere bei stark luftdurchlässigen Papieren diese nicht gut vereinzeln können, ist bekannt, kann aber in der Regel durch Optimierung des Anlegers behoben werden. Ein manchmal nur durch aufwändige manuelle Justagen und Anpassungen abstellbarer Hafteffekt wird durch mechanische Verzahnungen der Bogen an den Schnittkanten hervorgerufen. Diese entstehen beim Schneiden von Druckpapieren, besonders dann, wenn abgenutzte Messer zum Einsatz kommen [14]. Dabei sind die Zusammensetzung des Strichs, die beim Schneiden auftretende Einschnürung des zu schneidenden Stapels und der Zustand des Messers als wichtige Einflussfaktoren zu nennen. Der Zusammenhalt des Stapels durch die mechanische Verzahnung der Bogen an den Blattkanten kann zwar beim Auffächern der Bogen aufgehoben werden, aber die Grate und Unebenheiten der Blattkanten tragen nicht zum optimalen Lauf durch Maschinen bei. Vereinzelungsprobleme durch Blattkantenverzahnung gehören ebenfalls zu den von Papierfachleuten in der Praxis registrierten Beeinträchtigungen der Laufeigenschaften. Haften von Bogen durch chemische Bindungskräfte tritt eher selten bei unbedruckten Druckpapieren auf. Hier sind lediglich Auswirkungen einer unsachgemäßen Lagerung von Druckpapieren zu nennen. Wenn Druckpapiere beispielsweise zu feucht oder mit zu hohem Stapeldruck bei zu hohen Temperaturen gelagert werden, könnte ein Haften der Strichschichten gegeneinander auftreten. Dieses Haften sollte sich beim Aufschlagen des Druckbogenstapels beseitigen lassen. Bei bedruckten oder bedruckten und lackierten Druck- und Falzbogen ist die Situation jedoch gänzlich anders. Wenn die ordnungsgemäße Trocknung der Druckfarben- oder Lackschichten nicht gegeben ist und diese Schichten deswegen eine gewisse Restklebrigkeit aufweisen, können die Schichten benachbarter Bogen chemische Bindungen eingehen. Die Gründe für eine mangelhafte Trocknung können vielfältig sein und reichen von einer unzureichenden Vernetzung von UV-härtenden Druckfarben oder Lacken bis zur Verwendung von Druckfarben, die für einen bestimmten Bedruckstoff nicht geeignet sind. Häufig sind dabei auch ungünstig gewählte Produktionsparameter wie zu hohe Druckgeschwindigkeit, zu schwache Einstellung der künstlichen Trocknung, zu geringe Druckbestäubung, zu hohe Farb- oder Lackschichtdicke und ungünstige Lagerbedingungen verantwortlich für die Oberflächenklebrigkeit der Bogen. Letztgenannte Lagerbedingungen [wie Stapeldruck, Temperatur und Feuchte] üben Einflüsse auf eine möglicherweise vorhandene Oberflächenklebrigkeit der Druckfarben oder Lacke aus. Die Erscheinung des Haftens ist dabei die Vorstufe zu dem Fehler des Verblockens von Druckerzeugnissen. Die dabei auftretenden Haftkräfte können Größenordnungen annehmen, die eine weitere Verarbeitung dieser Produkte unmöglich machen. Durch die geschilderten Hafteffekte werden Druck und Weiterverarbeitung behindert, da die Lauffähigkeit der Bogen durch die Maschinen eingeschränkt wird. Wenn auch nicht in jedem Fall erkennbare Mängel an Druckerzeugnissen aus diesen Störungen heraus resultieren, so wird jedoch in jedem Fall die Produktivität herabgesetzt, da entweder mit einer geringeren Maschinengeschwindigkeit gefahren werden muss oder Stopper und Stillstandszeiten in Kauf genommen werden müssen. Durch Einschränkungen der Lauffähigkeit entstehen somit sowohl in Druckereien als

6 Forschungsbericht Nr auch in Druckweiterverarbeitungsbetrieben hohe Kosten. Für die Papierhersteller ergibt sich auf Grund der Tatsache, dass Hafteffekte zwar meist unerwünscht sind, aber im Falle der Elektrostatik auch in etlichen Anwendungsfällen gezielt herbeiführbar sein müssen, eine besondere Aufgabenstellung. Hier muss ein solides Wissen über den Einfluss der Rohpapier- und Strichbestandteile der Druckpapiere auf Hafteffekte vorhanden sein, um geeignete Druckpapiere für die jeweiligen Anwendungsfälle herstellen zu können. In vielen Fällen werden einerseits eine gute Gleitfähigkeit und hervorragende Laufeigenschaften in Druck und Weiterverarbeitung gefordert, andererseits aber soll der Druckbogen, der bis zum Falzen wegen einer problemlosen Verarbeitung nur eine möglichst geringe elektrostatische Aufladung tragen durfte, dann als Falzbogen möglicherweise elektrostatisch an einen anderen Falzbogen geheftet werden. Mit solchen teilweise widersprüchlichen Anforderungen sehen sich die Papierhersteller in steigendem Maße konfrontiert. Sie benötigen deshalb Grenzwerte, die einen optimalen Bereich der elektrischen Leitfähigkeit der Oberfläche des Papierstrichs markieren, innerhalb dessen Probleme auf Grund elektrostatischer Aufladung nicht auftreten und andererseits elektrostatisches Nageln dennoch möglich ist. Die Elektrostatik im Offsetdruck war bereits Gegenstand des von der Fogra durchgeführten und über die AiF unter der AiF-Nr geförderten Forschungsvorhabens Grenzwerte der elektrostatischen Aufladung in den Prozessstufen des Offsetdruckverfahrens [8]. Seit dieser Zeit haben sich jedoch die Druckpapiere weiter in Richtung noch höherer Strichanteile entwickelt, wodurch sich die Leitfähigkeiten der Papieroberflächen tendenziell weiter verringerten [15]. Zusätzlich war der in Bezug auf elektrostatisch bedingte Laufprobleme für den Weiterverarbeiter kritische Digitaldruck zu dieser Zeit noch keine eingeführte Technik. Gerade bei kleineren Auflagen oder für die Personalisierung von Vordrucken aus Großauflagen hat der Digitaldruck mittlerweile eine für den Weiterverarbeiter ernst zu nehmende Bedeutung am Markt erreicht. Daher schien es ratsam, die in dem genannten Forschungsvorhaben gewonnenen Erkenntnisse zu aktualisieren und um die Thematiken des Digitaldrucks und die Auswirkungen anderer Hafteffekte zu erweitern [16 19]. Die Aktualität der Problemstellung wird daraus ersichtlich, dass nach wie vor ein erheblicher Entwicklungsaufwand betrieben wird, um Kontrollsysteme für Druck- und Weiterverarbeitungsmaschinen zu realisieren. Hierunter fallen insbesondere die so genannten Doppeloder Fehlbogenkontrollen. Durch Fortschritte in der Prozessregeltechnik wird der Lauf der Bogen durch die Maschinen mittlerweile an relevanten Stellen durch Sensoren überwacht und durch Nachstellen von Maschinenelementen korrigiert. Das Vorhandensein dieser aufwändigen Überwachung des Bogenlaufs macht deutlich, dass Laufprobleme ständig zu befürchten sind. Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens sollen jedoch keine weiteren Problemlösungen an der Maschinentechnik zum Abstellen vorhandener Störungen durch Hafteffekte erarbeitet werden, sondern es soll untersucht werden, wie die Hafteffekte durch günstige Druckpapiere mit guten Laufeigenschaften und durch möglichst optimale Prozessparameter in Druck und Weiterverarbeitung von vornherein minimiert werden können [20 26]. 2 Zielsetzung Das Ziel des Forschungsvorhabens war, die vom Druckpapier und Druckprozess bedingten Einflüsse auf Hafteffekte zu untersuchen, welche den Lauf durch Druck- und Weiterverarbeitungsmaschinen stören können. Dabei sollte einerseits ermittelt werden, wie die Art des Strichs der Druckpapiere [Strichkomponenten, Strichmenge, Struktur der Oberfläche] und andererseits wie Prozessparameter in Druck und Weiterverarbeitung [Luftfeuchtigkeit, Papierfeuchte, Zustand von Messern, Trocknungszustand von Druckfarben] die Hafteffekte beeinflussen. Die Ergebnisse können die Entwicklung lauftechnisch günstiger Druckpapiere unterstützen und tragen zusätzlich dazu bei, die Mechanismen besser unterscheiden zu können, die zu Hafteffekten und Laufproblemen in Maschinen führen. Dadurch können im Praxisbetrieb schneller Abhilfemaßnahmen durch Änderung von Prozessparametern gefunden werden. Ein weiteres Ziel der Untersuchungen war die Ermittlung eines optimalen Bereichs der elektrischen Leitfähigkeit der Oberfläche des Papierstrichs, innerhalb dessen Probleme auf Grund elektrostatischer Aufladung nicht auftreten und andererseits elektrostatisches Nageln dennoch möglich ist. 3 Durchgeführte Untersuchungen Die Untersuchungen im Rahmen des Forschungsvorhabens gliederten sich in mehrere Schwerpunkte: Beschaffung und Herstellung von Druckpapieren mit definierten Eigenschaften Ermittlung elektrostatischer Anziehungskräfte bei Druckpapieren Ermittlung von Adhäsionskräften zwischen Druckpapieren mit hoher Oberflächenglätte Ermittlung von Reibungskräften auf Grund mechanischer Verzahnung von Druckpapieren im Format und an den Bogenkanten Ermittlung von Haftkräften auf Grund chemischer Bindungskräfte zwischen Druckbogen Erstellung einer Testform und Druckversuche mit unterschiedlichen Druckverfahren zur Erweiterung der an den Druckpapieren erzielten Ergebnisse auf Drucke 3.1 Beschaffung und Herstellung von Druckpapieren mit definierten Eigenschaften Für die Durchführung der Untersuchungen wurden Druckpapiere mit unterschiedlichen Oberflächen und flächenbezogenen Massen beschafft. Die Tabelle 1 zeigt eine Zusammenstellung der wichtigsten Kenndaten der Papiere [Flächenmasse und Oberflä-

7 Fogra Forschungsgesellschaft Druck e.v. Hersteller A B C D E F G H I J K L g/m² a b a a c b d d d d d d Oberfläche gestrichenes Papier Naturpapier Tab. 1: Übersicht und Kenndaten der verwendeten Druckpapiere [a = glänzend gestrichen, b = matt gestrichen, c = mehrfach matt gestrichen, d = Naturpapier]. chengüte] und die im Weiteren verwendete Kennzeichnung der Papiere. Die Kennzeichnung setzt sich zusammen aus einem Großbuchstaben [von A bis L] und einer Zahl [von 1 bis 5]. Bei einigen Herstellern [A, B, C, I und L] ist das Papier mit gleichem Markennamen und unterschiedlicher Grammatur am Markt. B3 ist somit ein mattgestrichenes Papier von Hersteller B mit einer Flächenmasse von 170 g/m². Von Hersteller B wurden vier weitere Papiere im Rahmen des Forschungsvorhabens untersucht. Die Papiere der Hersteller A bis F sind gestrichene Papiere. Papiere mit den Modellpapier 1 1,9 2 3, ,1 5 6,0 6 6,8 7 8,1 8 9,2 9 10, ,4 Leitfähigkeit [ms/cm] Tab. 2: Zusammenstellung der Leitfähigkeiten der Modellpapiere Großbuchstaben G bis L sind Naturpapiere. Die Kleinbuchstaben der letzten Zeile von Tab. 1 [a bis d] geben Auskunft über die Papieroberfläche [glänzend gestrichen, matt gestrichen, mehrfach matt gestrichen, Naturpapier]. Zusätzlich zu den handelsüblichen Druckpapieren wurden bei der Papiertechnischen Stiftung [PTS], München, im Labormaßstab Modellpapiere mit Versuchsstrichen hergestellt. Hierzu war es erforderlich, Rohpapiere mit verschiedenen Streichfarben mit unterschiedlicher Zusammensetzung und abgestufter elektrischer Leitfähigkeit zu streichen, um die so hergestellten Musterpapiere bezüglich der elektrischen Leitfähigkeit ihrer Oberflächen einzustellen. In Tab. 2 werden die unterschiedlichen Leitfähigkeiten der von der PTS hergestellten Modellpapiere aufgelistet. 3.2 Bestimmung der Papiereigenschaften Messung der Oberflächenrauheit der Druckpapiere Für die Charakterisierung der Oberflächenrauheit durch das berührende Tastschnittverfahren stellt die DIN EN ISO 4287 eine Reihe von Kenngrößen zur Verfügung. Berührende Messungen verändern aber, insbesondere bei gestrichenen Papieren, die Oberfläche; sie hinterlassen Kratzer. Aus diesem Grund wurde die Oberflächenrauheit mit einem berührungslosen Verfahren ermittelt Berührungsloses Verfahren Die Rauheit der Druckpapiere wurde berührungslos mit dem UBM-Laser- Oberflächenabtaster [Abb. 2] bestimmt. Der Laserstrahl wird bei der Messung mittels einer beweglichen Linse auf die Probe fokussiert und entsprechend einer vordefinierten Strecke über die Probenoberfläche gefahren [Abb. 3]. Bei dieser Bewegung des Laserstrahls wird der Brennpunkt auf der Probe elektronisch nachgeregelt und dieses Signal mittels einer Software ausgewertet. Der Laserstrahl des zur Auswertung benutzten Gerätes hat einen Durchmesser von 1 μm, wodurch sich eine Auflösung in Abb. 2: UBM-Mikrofokus.

8 Forschungsbericht Nr Laserstrahl Probe Linse x- und y-richtung von minimal 1 μm ergibt. In z-richtung beträgt die Auflösung 0,01 μm. Die Abbildung 4 zeigt das Protokoll einer Messung mit dem UBM- Mikrofokus. Die Basis aller Größen ist das mit einem Messtaster erfasste Oberflächenprofil. Die Tastspitze des Messtasters sowie die Gleitkufe des Tastsystems kann dabei bereits schon als Filter wirken. Messgrößen kleiner als der Tastspitzenradius des Messtasters können nicht mehr erfasst werden. Grundsätzlich sind, ausgehend vom erfassten Oberflächenprofil, drei Kenngrößen von Bedeutung: Kenngrößen, die dem Primärprofil zugeordnet werden P i Kenngrößen, die dem Rauheitsprofil zugeordnet werden R i Kenngrößen, die dem Welligkeitsprofil zugeordnet werden W i z Oberflächenprofil x Abb. 3: Messprinzip des UBM- Mikrofokus. Der Index i steht in allen drei Fällen als Platzhalter für weitere Unterscheidungen innerhalb der genannten Kenngrößen. Das Primärprofil wird durch Ausfilterung der kurzwelligen Profilanteile des erfassten Oberflächenprofils gewonnen [27]. Das Primärprofil ist in Abb. 5 als gezackte Linie zu erkennen. Durch Filterung des Primärprofils mit einem Hochpassfilter λ C wird das Rauheitsprofil berechnet. Bei dieser Art der Filterung werden die langwelligen Profilanteile abgetrennt. Das Ergebnis dieser Berechnung zeigt die gezackte Linie in Abb. 6. Das Welligkeitsprofil wird durch zweimalige Filterung des Primärprofils erzeugt. Die Abfolge dieser Filterung zeigen Abb. 7 und Abb. 8. Die Ermittlung von Rauheitsprofilen erfolgt entlang einer Messlinie innerhalb Fogra-Forschungsbericht einer Messstrecke l n. Die Messungen werden in mehreren Spuren längs und quer zur Papierlaufrichtung durchgeführt. Abb. 9 ist der Zusammenhang zwischen dem R In scher Typische Mittenrauwert Kenngrößen Rnach a angegeben. DIN EN ISO 4287 sind z. B.: R a, R t, R pk, R k, R vk. Diese Abb. Größen 9: Arithmetischer werden nachfolgend Mittenrauwert beschrieben. R a. In Abb. 9 ist der Zusammenhang zwischen dem Rauheitsprofil und dem Die arithmetischen schraffierten Mittenrauwert Flächen in RAbb. a angegeben. Mittenrauwert Die schraffierten R a : Flächen in 9 ergeben nach scher Abb. 9 ergeben nach folgender Formel den arithmetischer Mittenrauwert R a : R a 1 l n l n 0 y( x) dx Was in der angegebenen Formel in integraler Schreibweise dargestellt wird, Was beschreibt in der einfacher angegebenen ausgedrückt Formel Folgendes: Bei in integraler S schreibt einfacher dem Rauheitsprofil ausgedrückt Folgendes: wird Bei de am Punkt der Höchsten Höhe und der des Höchsten Tiefsten Tales Höhe eine und Linie des Tiefsten gezogen. Mittellinie Dazwischen gezeichnet. wird eine Mittellinie Dann wird die Fläche Tales eine eine gezeichnet. Dann wird die Fläche aller errechnet und in ein flächengleiches Rechteck übe Zacken oberhalb der 0-Linie errechnet wird und auch in ein die flächengleiches Fläche der Zacken Rechteck unterhalb der 0-L se über aufgetragen. die Messlänge Der umgewandelt. Abstand zwischen Es den Kante wird auch die Fläche der Zacken unterhalb der R a. 0-Linie ermittelt und in gleicher wert Weise aufgetragen. Der Abstand zwischen den Kanten ist der arithmetische Das Rauheitsprofil dient aber auch der Ermittlung Kurve, Mittenrauwert siehe Abb. R a. 10) nach DIN EN ISO Wert R t ist die Gesamthöhe des Rauheitsprofils. D men aus der Höhe der größten Profilspitze und de nerhalb der Messstrecke l n. Abb. 10: Zusammenhang zwischen dem Rauheitsprofil und d Abb. 5: Primärprofil [blau] und mittlere Linie für das λc-profilfilter [rot]. Die Materialanteilkurve gibt den prozentuellen Mat Schnitthöhe an. Auf der Ordinatenachse ist der Abb. 10 ist exemplarisch der Materialanteil für die Abb. 6: Rauheitsprofil [blau] berechnet aus dem Primärprofil. die Abbott-Kurve mathematisch gesehen als Sum tenwerte des Rauheitsprofils innerhalb der Messstr Abb. 7: Ergebnis [blaue Linie] der Ausfilterung der kurzwelligen Profilanteile des Primärprofils. Abb. 4: Protokoll einer Messung mit dem UBM- Mikrofokus. Abb. 8: Ergebnis [blaue Linie] der Ausfilterung der langwelligen Profilanteile des Primärprofils.

9 Fogra Forschungsgesellschaft Druck e.v. Abb. 9: Arithmetischer Mittenrauwert R a. Das Rauheitsprofil dient aber auch der Ermittlung einer Materialanteilkurve [Abbott-Kurve, siehe Abb. 10] nach DIN EN ISO [28]. Der in Abb. 10 eingetragen Wert R t ist die Gesamthöhe des Rauheitsprofils. Der Wert für R t setzt sich zusammen aus der Höhe der größten Profilspitze und der Tiefe des größten Profiltales innerhalb der Messstrecke l n. Die Materialanteilkurve gibt den prozentuellen Materialanteil in Abhängigkeit von der Schnitthöhe an. Auf der Ordinatenachse ist der Wert der Rauheit angetragen. In Abb. 10 ist exemplarisch der Materialanteil für die Schnitthöhe c angegeben, wobei die Abbott-Kurve mathematisch gesehen als Summenhäufigkeitskurve der Ordinatenwerte des Rauheitsprofils innerhalb der Messstrecke l n zu sehen ist. Aus der Materialanteilkurve lassen sich drei weitere Varianten des Rauheitsprofils ableiten. Es werden dazu Ausgleichsgeraden für die Materialanteilkurve berechnet, die 40 % aller gemessenen Profilpunkte einschließen. Die Sekante mit der geringsten Steigung bestimmt den zentralen Bereich [Abb. 11, rechtes Bild]. Bei der Verlängerung dieser Ausgleichsgerade an der Materialanteilkurve entstehen zwei Schnittpunkte mit den Abszissen bei Mr = 0 % und Mr = 100 % [Abb. 11, rechtes Bild]. Ausgehend davon werden zwei Linien parallel zur x-achse gezogen, die das Rauheitskernprofil [Abb. 11, linkes Bild] von den darüber liegenden Spitzen und Tälern trennt [28]. Der senkrechte Abstand zwischen diesen Schnittlinien ist die Kernrautiefe R k. Abb. 10: Zusammenhang zwischen dem Rauheitsprofil und der Materialanteilkurve (Abbott-Kurve). Abb. 11: Zusammenhang des Rauheitskernprofils, der reduzierten Spitzenhöhe und der reduzierten Spitzentiefe mit der Materialanteilkurve. Die beiden Linien parallel zur x-achse haben aber auch mit der Materialanteilkurve jeweils einen Schnittpunkt [Mr1 und Mr2]. Die Kenngrößen Mr1 und Mr2 geben den Materialanteil an den Grenzen des Kernbereiches an. Die Werte für Mr1 und Mr2 sind für die Berechnung der reduzierten Spitzenhöhe R pk und der reduzierten Riefentiefe R vk von Bedeutung. In Abb. 11, linkes Bild, sind die Flächen oberhalb und unterhalb des Bereiches von R k schraffiert. Die Flächen unterhalb der aus dem Rauheitskernprofil herausragenden Profilspitzen wird aufsummiert. In Abb. 11, rechtes Bild, wird unterhalb der Materialanteilkurve ein rechtwinkliges Dreieck mit der Basislänge Mr1 und einer Fläche, die mit der Fläche unterhalb der Profilspitzen identisch ist, berechnet. Die Höhe dieses Dreiecks gibt den Wert der reduzierten Spitzenhöhe R pk wider. In analoger Weise wird der Wert der reduzierten Riefentiefe R vk berechnet. Die Berechung der hier näher ausgeführten Werte erfolgt durch das Messgerät PPS-Verfahren [Parker- Print-Surf] Das PPS-Verfahren ist ein Luftstromverfahren. Beim Parker-Print-Surf-Verfahren wird die Glättemessung unter Fogra-Forschungsbericht erhöhtem Druck [100 N/cm², bzw. 200 N/cm²] durchgeführt. Der Druck geführt. entspricht Der dabei Druck in etwa entspricht der Druckspannung, Offsetdruckmaschine die im Druckwerk einer auftritt. Offset-Damit soll dabei in etwa de einer druckmaschine auftritt. Damit soll eine barkeit bessere möglich Aussage sein. zur Als Bedruckbarkeit Ergebnis wird die entw m möglich und als sein. Rautiefe Als Ergebnis angegeben. wird die entweichende Luftmenge umgerechnet in Die µm und Berechnung als Rautiefe der angegeben. Rauheit erfolgt nach DIN I wie Die Berechnung folgt: der Rauheit erfolgt nach DIN ISO [29] für dieses Verfahren wie folgt: G b q l p v Dabei sind: Dabei η die sind: Luftviskosität bei Prüfraumtemperatur [in Pa s] b die die Breite Luftviskosität des Messringes bei [in Prüfraumtempera m] q v das Luftdurchflussvolumen je b die Breite des Messringes (in m) Zeiteinheit [in m³/s] q v das Luftdurchflussvolumen je Zeiteinh l die mittlere Länge des Messringes (in m p die Druckdifferenz zwischen Innen- u Pa)

10 Dabei sind: Forschungsbericht Nr die Luftviskosität bei Prüfraumtemperatur (in Pa s) b die Breite des Messringes (in m) q l die mittlere v das Luftdurchflussvolumen je Zeiteinheit (in m³/s) Länge des Messringes gekennzeichnet durch das Porenvolumen, (in also m) das Volumen aller Hohlräume [in m] l die mittlere Länge des Messringes im Gleichgewicht eine monomolekulare Schicht, d. h. eine Schicht, die genau p die Druckdifferenz zwischen im Papierfasergefüge und im Papierstrich. Entscheidend ist hier die Größe ein einzelnes Argon-Molekül im adsor- ein Molekül stark ist. Da die Fläche, die p die Druckdifferenz zwischen Innen- und Außenbereich des Messringes (in Innen- und Außenbereich des Messringes Pa) [in Pa] und Gestalt der Poren ebenso wie deren bierten Zustand auf der Oberfläche einnimmt, unter den Versuchsbedingungen Anzahl und statistische Größenverteilung. Ist Ist die die Druckdifferenz Druckdifferenz 1 % 1 größer % größer als der als der absolute Diese Parameter Druck, sollte, sind teilweise zur Berücksichtigung nur absolute der Druck, Luftkompressibilität, sollte, zur Berücksichti- p nach folgender mit erheblichen Formel Schwierigkeiten berechnet werden: mess- gung der Luftkompressibilität, p nach folgender Formel berechnet werden: relativ genau bekannt ist, kann man aus der Menge des an einer Probe adsorbierten Argon-Gases die spezifische Obertechnisch erfassbar. Vergleichsweise einfacher ist die spezifische Oberfläche zu messen. Unter des adsorbierten Gases wird durch Volufläche der Probe berechnen. Die Menge 2 p 2 u pd p der spezifischen Oberfläche S m versteht menmessung bestimmt. Argon ist als 2 pm man die auf die Masse m bezogene inertes Edelgas zu betrachten, das bei Oberfläche S eines Feststoffs: der Temperatur des flüssigen Stickstoffs Dabei sind: p u und p d der absolute Luftdruck S m = S einen ziemlich geringen Dampfdruck hat. Daher kann es auch zur Messung kleiner Dabei innerhalb sind: und außerhalb des Messringes Das Messprinzip zur Bestimmung der den. Ein weiterer Vorteil ist die im Ver- m spezifischer Oberflächen verwendet wer- p p u und p d der absolute Luftdruck innerhalb und außerhalb des Messringes m der Druck, bei dem das Luftdurchflussvolumen p m der Druck, qbei v spezifischen Oberfläche ist ein Gasadsorptionsverfahren, q v gemessen d. h. es wird wirddie gemessen dem das wird Luftdurchflussvolumen In der Regel muss dieser Wert nicht durch den Anwender berechnet werden, da die modernen Messgeräte, die nach dem PPS-Verfahren arbeiten, diesen Messwert geräteintern berechnen und ausgeben Bestimmung der Porosität Bestimmung der spezifischen Oberfläche durch Gasadsorption Die Porosität eines Papiers ist von großer Bedeutung für den Verlauf der Druckfarbentrocknung [30]. Die Porosität ist Menge eines Edelgases gemessen, die nötig ist, um an eine Oberfläche eine monomolekulare Schicht von Gasmolekülen anzulagern. Die Messungen werden mit dem Edelgas Argon als Adsorptiv durchgeführt. Die Adsorption der Argon-Moleküle an das Papier erfolgt isotherm bei der Temperatur des flüssigen Stickstoffs von ca. 196 C [ 77 K] bei 1013 mbar. Bei dieser Temperatur wird die gesamte dem Absorptiv zugängliche Oberfläche des Adsorbens, also des Papiers, von den Gasmolekülen besetzt. Dabei bildet sich gleich zu anderen Adsorptiven geringe Molekülgröße des Argons. Die Bestimmung der spezifischen Oberfläche von Feststoffen durch Gasadsorption erfolgt durch die von Brunauer, Emmet und Teller entwickelte BET-Gleichung. Zur Messung der spezifischen Oberfläche nach der BET-Methode wurde der Surface Area Analyzer der Firma Micromeritics eingesetzt. Das Gerät ist in Abb. 12 dargestellt, die Abbildung 13 gibt ein Funktionsschema des Gerätes wieder. Aus der Abbildung 13 erkennt man, dass das Gerät drei Anschlussmöglichkeiten für die zu messenden Proben besitzt. Jeder Anschluss kann über ein Abb. 12: Gerät zur Bestimmung der spezifischen Oberfläche. Abb. 13: Funktionsschema des Surface Area Analyzers. 10

11 Dieser Wert muss dann nur noch durch die Probenmasse (in desorbiertem Zustand) dividiert werden, um die spezifische Oberfläche zu erhalten. Dreiwegeventil mit den verschiedenen Funktionselementen des Gerätes verbunden werden. Dies ermöglicht einen kontinuierlichen Betrieb des Gerätes. In dem Funktionsschema wird die linke Probe gerade entgast und für die Messung vorbereitet. Bei diesem Schritt durchströmt Argon die Probe bei einer Temperatur von ca. 120 C. Durch die relativ hohe Temperatur, die jedoch deutlich unter dem Flammpunkt von Papier liegt, werden Wasserdampf und andere an der Probe adsorbierte Gasmoleküle desorbiert und vom Spülgas Argon abtransportiert. Die mittlere Probe wird gerade analysiert, d. h. die Probe wird in einem Bad aus flüssigem Stickstoff gekühlt. Unmittelbar vor dieser Kühlung wurde der Gasdruck in dem der Probe zugeordneten Leitungssystem, einschließlich der variablen Zelle und der Druckmesser, automatisch durch die Sorptionspumpe auf den höheren der beiden Betriebsdrücke eingestellt. Durch die Abkühlung der Probe sinkt der Gasdruck im zunächst noch abgeschlossenen Probenraum aufgrund der Temperaturänderung und wegen der Adsorption des Argons an die Probenoberfläche. Der Druck in der variablen Zelle des Gerätes stellt sich nun durch die Sorptionspumpe auf den niedrigeren der beiden Betriebsdrücke ein. Öffnet man nun das Ventil zwischen der variablen Zelle und dem Probenraum, so muss sich das Volumen der variablen Zelle ändern, damit der niedrigere der beiden Betriebsdrücke im System konstant bleibt. Die Größe dieser Volumenänderung ist ein Maß für die als monomolekulare Schicht adsorbierte Gasmenge. Aus dieser kann, wie in diesem Kapitel bereits erläutert, die Oberfläche der Probe ermittelt werden. Das Gerät gibt direkt den Wert der Oberfläche an einer digitalen Anzeige aus. Dieser Wert muss dann nur noch durch die Probenmasse [in desorbiertem Zustand] dividiert werden, um die spezifische Oberfläche zu erhalten Bestimmung der Porengrößenverteilung durch Quecksilber-Intrusion- Extrusion Quecksilberporosimeter charakterisieren die Porenstruktur eines Materials, indem unterschiedlich starker Druck auf die von Quecksilber umgebene Fogra Forschungsgesellschaft Druck e.v Bestimmung der Porengrößenverteilung durch Quecksilber-Intrusion- Extrusion auf die Berührungsfläche wirkenden Normalkra Quecksilberporosimeter Probe ausgeübt wird. Der wesentlichste charakterisieren ten die abhängig Porenstruktur (Abb. 14). eines Materials, indem unterschiedlich Vorzug der Quecksilberporosimetrie starker Druck auf ist die von Quecksilber umgebene Probe ausgeübt der große erfassbare Porenbereich. Die Abb. 14: Reibung zwischen festen Körpern. wird. Der wesentlichste Vorzug der Quecksilberporosimetrie ist der große erfassbare Methode funktioniert wie folgt: Quecksilber, als nicht Die benetzende Methode Flüssigkeit, funktioniert wie folgt: Quecksilber, als nicht benetzende Porenbereich. Flüssigkeit, wird in die Poren wird gedrückt, in die Poren wobei gedrückt, zuerst wobei zuerst die großen und erst bei hohen die großen und erst bei hohen Drücken Es wird zwischen Haftreibung und Gleitreibung Drücken die kleineren die kleineren Poren gefüllt Poren gefüllt werden. werden. Beschrieben wird die Abhängigkeit von Die Abb. 14: Haftreibung Reibung zwischen tritt festen zwischen Körpern. ruhenden Körpe Druck Beschrieben und Porenradius wird die Abhängigkeit durch die Washburn-Gleichung: von Druck und Porenradius durch die Washburn-Gleichung: reibenden Werkstoffen abhängig und kann werden sollen. Der Haftreibungskoeffizient µ 0 expe 2 cos( ) r p Fogra-Forschungsbericht Ist die Haftreibung überwunden und setzt sich so tritt Gleitreibung auf. Dabei wirkt zwischen Dabei ist: Haftreibungskoeffizient µ 0, sondern der Gleitreib r der Porenradius fizient lässt sich experimentell bestimmen. Dabei p der ist: Druck, mit dem Quecksilber in die Poren gepresst wird Der Haftreibungs- und der Gleitreibungsko r der Porenradius s die Oberflächenspannung des Zugprüfgerät ermittelt werden. Der Zugprüfer w Quecksilbers p der Druck, [s = mit 485 dem mn/m] Quecksilber in die Poren gepresst wird Θ der Kontaktwinkel die Oberflächenspannung von Quecksilber zur Probe [Standardwinkel 140 ] 10 Abb. N, 15: beginnend Reibungskräfte bei als Funktion 0,02 N, des ausgestattet. Mess- koeffizienten mit einem hochempfindlichen Kra des Quecksilbers (= 485 mn/m) der Kontaktwinkel von Quecksilber wegs [schematische zur Probe Darstellung]. (Standardwinkel 140 ) Bestimmung der Reibungskoeffizienten Es wird dabei eine Probe auf einem Probenha benhalter mit der Probe nach unten auf eine Die Reibung wirkt der Relativbewegung Es wird dabei eine Probe auf einem Probenhalter über straff die Gleitfläche aufgespannt gezogen. und der Die Kraftme sich berührender Bestimmung Körper der entgegen. Reibungskoeffizienten Die wird Reibungskraft F Die Reibung wirkt R ist unabhängig von der der Relativbewegung gistriert Probenhalter sich berührender die zur mit Überwindung der Probe nach Körper entgegen. der unten Haftreibung Die Reibungskraft der auf die Berührungsfläche F R ist unabhängig wirkenden von der Größe b Größe der Berührungsfläche und nur von auf eine Gleitfläche gelegt. Der Probenhalter wird über die Gleitfläche gezogen. der (Abb. der 15) Berührungsfläche im örtlichen bzw. zeitlichen und nur von Verlauf. Normalkraft F n sowie vom Reibungskoeffizienten abhängig [Abb. 14]. geräts registriert die zur Überwindung Die Kraftmesszelle des Zwick-Zugprüf- Abb. 15: Reibungskräfte als Funktion des Messwegs (sch Es wird zwischen Haftreibung und Gleitreibung unterschieden. Die Haftreibung tritt zwischen ruhenden Körpern auf, die relativ zueinander bewegt werden sollen. Der Haftreibungskoeffizient µ 0 der Haftreibung bzw. Gleitreibung notwendige Zugkraft [Abb. 15] im örtlichen Der bzw. Haftreibungskoeffizient zeitlichen Verlauf. µ 0 wird nach folgend Der Haftreibungskoeffizient µ 0 wird nach folgender Formel berechnet: ist u. a. von den beiden aneinander reibenden Werkstoffen abhängig und kann experimentell bestimmt werden. F 0 0 F n Ist die Haftreibung überwunden und setzt sich einer der Reibpartner in Bewegung, so tritt Gleitreibung auf. Dabei wirkt zwischen den Berührflächen nicht mehr der Haftreibungskoeffizient µ 0, sondern der Gleitreibungskoeffizient µ. Auch dieser Koeffizient lässt sich experimentell bestimmen. Der Haftreibungs- und der Gleitreibungskoeffizient Für die Berechnung des Gleitreibungskoeffizients µ nach ISO [31] wird F 1 als Mittelwert der Kraft im Messweg zwischen 40 mm und 60 mm berechnet. Für die Berechnung des Gleitreibungskoeffizients µ wird in obiger Formel statt dem Wert F 0 der Wert F 1 eingesetzt. können mit dem Zwick-Zugprüfgerät ermittelt werden. Der Zugprüfer wurde für die Messung der Reibungskoeffizienten mit einem 3.3 Ermittlung elektrostatischer Anziehungskräfte bei Druckpapieren hochempfindlichen Kraftsensor mit einer Maximalkraft von 10 N, beginnend bei 0,02 N, ausgestattet. Die Teststrecke zur Ermittlung der elektrostatischen Anziehungskräfte bei 11

12 Forschungsbericht Nr Abb. 16: Schematischer Aufbau der Corona-Anlage zur Aufladung der Versuchspapiere. Druckpapieren besteht im Wesentlichen aus drei Baugruppen: Aufladestation Messgerät zur Bestimmung der Aufladung Zwick-Zugprüfgerät Aufladung der Papiere durch Coronabehandlung Bei der Aufladestation handelt es sich um ein Gerät, das vorzugsweise bei der Oberflächenbehandlung von Folien, zur Erhöhung der Oberflächenspannung und Verbesserung der Haftung von Druckfarbe, Lack und Klebstoffen eingesetzt wird. In Abb. 16 ist das Prinzip der Aufladung der Versuchspapiere durch die Corona-Anlage zu erkennen. Auf eine Metallplatte wird eine Kunststofffolie aufgebracht, die als elektrischer Isolator dient. Auf dieser Isolierung liegen zwei Lagen Papier, wobei das untere Papier mit Klebestreifen auf der Isolierung fixiert wird. Das oben liegende Papier ist mit dem Zwick-Zugprüfgerät verbunden. Diese Verbindung ist elektrisch isoliert, so dass keine Ladung abfließen kann. Zwischen der Corona-Elektrode, die im Prinzip aus einem Metalldraht besteht, und der Metallplatte wird ein Hochspannungsfeld von ca. 10 kv angelegt. Die Corona-Elektrode wird mit definiertem Abstand über die Oberseite des oberen Papieres geführt und emittiert bei Hochspannung Elektronen. Das obere Papier wird aufgeladen und haftet auf Grund des im unteren Papier hervorgerufenen Influenzeffekts an diesem fest Bestimmung der Aufladung Die Messung der elektrischen Aufladung der Papiere erfolgte berührungslos mit dem Isoprobe Electrostatic Voltmeter Modell 244 der Fa. Monroe Electronics. Bei der Messung elektrischer Felder ist zu beachten, dass eine exakte Messung der Feldstärke grundsätzlich nur im homogenen Feld möglich ist. Ein geerdeter Messkopf [Abb. 17 a] führt aber immer zu Feldverzerrungen, da sich die Feldlinien zum Messkopf hin konzentrieren. Erst, wenn hinter das zu messende Objekt und um den Messkopf eine jeweils geerdete Platte angeordnet wird, ist das Feld homogenisiert und es kann, bei mittiger Lage des Messobjekts, eine exakte Feldbestimmung erfolgen [Abb. 17 b]. Bringt man statt der genannten Anordnung den Messkopf auf das gleiche Potenzial wie die zu messende Fläche, ergeben sich ohne die geerdeten Platten nur noch geringfügige Feldverzerrungen, und es kann mit genügender Genauigkeit gemessen werden [Abb. 17 c]. Dies ermöglicht eine sehr kleine Bauart des Messkopfes, so dass auch an schwer zugänglichen Stellen eine Feldmessung erfolgen kann. Das Problem der Selbstanpassung des Messkopfes an ein zunächst unbekanntes Potenzial kann elektronisch durch das Prinzip des selbstabgleichenden Kompensators gelöst werden, der einen Abgleich auf den Feldstärkewert Null herbeiführt Zwick-Zugprüfgerät Die Bestimmung der Haftkräfte wurde mit dem Zwick-Zugprüfgerät vorgenommen. Der Einsatz des Zugprüfers erfolgte, nachdem die beiden Papiere [Abb. 16] durch die Corona-Anlage aufgeladen und die dabei entstandene Aufladung mit dem Electrostatic Voltmeter bestimmt wurde. Die schematische Anordnung für diesen Zugversuch zeigt Abb. 18. Durch die Umlenkung der Zugkraft der Zugprüfmaschine an der Umlenkrolle werden die beiden Papiere in horizontaler Richtung getrennt. Die Kraft, die dazu notwendig ist, wird mit einem im Zugprüfer integrierten Kraftaufnehmer ermittelt Bestimmung des Oberflächenwiderstandes Der Oberflächenwiderstand beschreibt das elektrische Verhalten der Oberflächenschicht des aufladbaren Materials [7]. Die Messung des Oberflächenwiderstandes erfolgt durch Aufsetzen von zwei Elektroden auf die Oberfläche. Nach Anlegen einer Messspannung fließt Strom durch die Oberfläche. Durch eine spezielle Schutzschaltung wird das Abfließen des Stroms durch das Innere des zu prüfenden Materials verhindert. Abb. 17: Prinzip der Feldmessung. Abb. 18: Zugprüfung zur Bestimmung der Haftung auf Grund elektrostatischer Ladung. 12

13 Fogra Forschungsgesellschaft Druck e.v Bestimmung des Oberflächenwiderstands in Abhängigkeit von der Luftfeuchtigkeit Der Oberflächenwiderstand von Papier ist keine Größe, die konstant bleibt [7]. Aus diesem Grund wurde der Oberflächenwiderstand bei verschiedenen relativen Luftfeuchtigkeiten aufgenommen. Dazu wurden mehrere Papiere in Klimaboxen eingelagert und innerhalb der Boxen Behälter mit gesättigten Salzlösungen aufgestellt. So stellt sich über einer gesättigten Magnesiumchloridlösung [MgCl 2 ] bei einer Temperatur von 21 C eine feste relative Luftfeuchtigkeit von 33 % ein. Bei einer gesättigten Natriumchloridlösung [NaCl] ergibt sich bei 21 C ein Wert von 75 % r. F. Der Wert von 50 % r. F. musste nicht in einer Klimabox realisiert werden, da sämtliche andere Papierprüfungen unter klimatisierten Laborbedingungen [21 C, 50 % r. F.] erfolgten. Die Kontrolle der tatsächlichen Werte erfolgte mit dem kalibrierten Temperatur- und Feuchtemessgerät DFT 90 der Firma prüfbau. Die Einlagerung der Papiere geschah über einen Zeitraum von 48 h. Dieser sehr lange Zeitraum gewährleistete, dass die Papiere den gleichen Feuchtegehalt aufwiesen wie die Umgebungsluft Ermittlung der Aufladung von Papieren in einer Bogenoffset-Druckmaschine Die Messung der Aufladung von Druckpapieren beim Durchlauf durch eine Bogenoffset-Druckmaschine [Heidelberg Speedmaster CD 74-Fünffarben] erfolgte mit dem in Abschnitt beschriebene Messgerät an verschiedenen Stellen der Druckmaschine [Anleger, nach dem 1. Druckwerk und in der Auslage]. Dabei wurde sowohl ein glänzend gestrichenes Papier als auch ein matt gestrichenes Papier in die Untersuchung einbezogen Ermittlung der Aufladung von Papieren in einer Rollenoffset-Druckmaschine Auch die Messung der Aufladung von Druckpapieren beim Durchlauf durch eine Rollenoffset-Druckmaschine [MAN-Rotoman 60] erfolgte berührungslos mit dem Isoprobe Electrostatic Voltmeter Modell 244 der Fa. Monroe Electronics Ermittlung der Aufladung von Papieren in Digitaldruckmaschinen Im Digitaldruck, insbesondere bei elektrofotografischen Geräten, wird durch eine Coronaeinheit eine Fotoleitertrommel elektrisch aufgeladen. Dies dient der Übertragung von Toner auf das Papier. Im weiteren Verlauf durch die Digitaldruckmaschine hat das Papier immer wieder Kontakt mit Umlenkwalzen und Rollen. Eine elektrostatische Aufladung des Papiers ist somit vorgezeichnet. Für das Forschungsvorhaben wurden verschiedene Versuchspapiere vollflächig in mehreren Laserdruckern [elektrofotografisch] bedruckt. Das in Abschnitt beschriebene Messgerät zur Bestimmung der Aufladung kam im Rahmen des Forschungsvorhabens auch hier zum Einsatz. 3.4 Ermittlung von Adhäsionskräften zwischen Druckpapieren mit hoher Oberflächenglätte Die in Tab. 1 aufgelisteten Druckpapiere wurden jeweils paarweise übereinander und zwischen zwei Metallplatten gelegt und anschließend mit einem Druck von 1 N/cm² beansprucht, was dem Stapeldruck eines 1 m hohen Papierstapels entspricht. In einem zweiten Durchgang an neuen Proben erfolgte eine erhöhte Belastung mit 100 N/cm². Dies entspricht etwa der Belastung im Druckspalt der Druckmaschine. Die Kontrolle eventueller elektrostatischer Aufladungen erfolgte mit dem in Abschnitt beschriebenen Messgerät. Die Trennung dieser Papiere erfolgte anschließend analog zu der in Abb. 18 beschriebenen Anordnung. 3.5 Ermittlung von Reibungskräften auf Grund mechanischer Verzahnung von Druckpapieren im Format und an den Bogenkanten Das Anhaften von Papieren auf Grund einer mechanischen Verzahnung kann meist auf abgenutzte Messer von Planschneidern bzw. auf ungünstige Schneidparameter, wie z. B. Pressdruck oder Material und Zustand der Schneidleisten, zurückgeführt werden. Zur Simulation eines schlechten Schnitts erfolgte deshalb eine Reduzierung des Pressdrucks am Planschneider auf die kleinstmögliche Einstellung. Zusätzlich wurde die Schneidleiste, die in der Tischnute des Planschneiders liegt, entfernt. Die Ermittlung von Reibungskräften auf Grund mechanischer Verzahnung von Druckpapieren unterscheidet sich im Grunde genommen nicht von der Bestimmung der Reibungskoeffizienten [Abschnitt 3.2.3]. Die Reibungskräfte, die durch mechanische Verzahnung entstehen, wurden in zwei Schritten ermittelt: Im ersten Schritt erfolgte eine Messung der Reibung von normal geschnittenen Proben, wie in Abschnitt beschrieben. Die Steuerungs- und Auswertesoftware des Zwick-Zugprüfgerätes kann so konfiguriert werden, dass während des Messablaufes durch Tasteneingabe Ereignismarken gesetzt werden können. Diese Marken gestatten eine exakte Auswertung des vom Zwick- Zugprüfgerät registrierten Kraftverlaufs. Der Kraftanstieg an den Schnittkanten der Papiere lässt sich anhand der Ereignismarken exakt auswerten. Im zweiten Schritt wurde die Messung der Reibung an Proben, die durch einen schlechten Schnitt hergestellt wurden, durchgeführt. In beiden Fällen wird die Messung auf der Seite des Papiers durchgeführt, auf dem ein Schnittgrat entsteht; dies ist in der Regel die Seite, die in Richtung der Schneidleiste zu liegen kommt. 3.6 Ermittlung von Haftkräften auf Grund chemischer Bindungskräfte zwischen Druckbogen Die Haftkräfte verursacht durch chemische Bindungskräfte werden in der Praxis, wenn sie übermäßig stark auftreten, als Blocken bezeichnet. Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurden die in Tab. 1 aufgelisteten Papiere gezielt zum Blocken gebracht. 13

14 Forschungsbericht Nr Zu diesem Zweck wurden abgewogene Probedrucke, mit einheitlichem Farbangebot für alle Druckpapiere, am Mehrzweckprobedruckgerät System prüfbau erstellt. Unmittelbar nach dem Drucken erfolgte ein Kontern der Probedrucke, wobei der bedruckte Probedruckstreifen in der Mitte gefalzt und die bedruckten Seiten dieses Streifens in direkten Kontakt gebracht wurden. Eine anschließende Belastung dieser so gefalzten Probedrucke mit einem Druck von 1 N/cm² über 48 h sollte die Belastung der Papiere in einem Papierstapel von 1 Meter Höhe simulieren. Unmittelbar vor der Messung der Blockkräfte wurden eventuelle elektrostatische Aufladungen mit dem in Abschnitt beschriebenen Verfahren und Messgerät gemessen. Mit dem Zwick-Zugprüfgerät wurden die geblockten Probedruckstreifen bei einem Abzugswinkel von 90 und einer Trenngeschwindigkeit von 300 mm/min vereinzelt und die dazu notwendigen Zugkräfte aufgezeichnet. Wenn in der Praxis noch hinsichtlich der Stärke unterschieden wird in Haften oder Blocken, wird diese Unterscheidung im Rahmen dieses Forschungsvorhabens aufgegeben, da die Haftkräfte hier quantitativ bestimmt werden. Eine Einstufung nach Gefühl ist somit überflüssig. Neben den oben beschriebenen, im Labor hergestellten Druckproben wurden Reklamationsfälle aus der Praxis, bei denen ein Blocken feststellbar war, mit dem Zugprüfgerät getrennt. Dabei handelte es sich um Offsetdrucke, die nach Verwendung von UV-Lack zu einem übermäßigen Verblocken tendierten. Zusätzlich erfolgten Blocktests mit Dispersionslacken, bei denen bekannt war, dass sie zum Blocken neigen. Die im Rahmen des Projekts erstellte Testform enthält Felder mit unterschiedlichen Vollflächen [Flächendeckung bis 100 % und variierende Übereinanderdrucke der Grundfarben] sowie Textfelder. Der Aufbau der Testform erfolgte asymmetrisch. Unmittelbar nach Durchgang durch die Druckmaschine wurden Drucke aus der Ablage der Druckmaschine gezogen und auf das im Zwick-Zugprüfgerät notwendige Format geschnitten. Zwei Proben wurden jeweils mit den bedruckten Seite gegeneinander auf einen Stapel gelegt und bei Raumtemperatur [23 C] einem Druck von 1 N/cm 2 ausgesetzt. Nach 48 h wurden die Proben entlastet und vorsichtig getrennt. Die Trennung der Papierproben erfolgte mit der in Abschnitt beschriebenen Anordnung. Zusätzlich erfolgte in der Auslage und an anderen Stellen der Druckmaschine die Messung der elektrostatischen Felder. 4 Ergebnisse 4.1 Papiereigenschaften Oberflächenrauheit Berührungsloses Verfahren Die folgenden Abbildungen [Abb. 19 bis Abb. 22] zeigen die Zusammenstellung der Messwerte nach dem in Abschnitt beschriebenen Verfahren. Die Bezeichnung der Papiere erfolgt gemäß der in Tab. 1. vereinbarten Nomenklatur. Die untersuchten Naturpapiere sind in den Abb. 19 bis Abb. 22 durch einen dicken Strich optisch von der Gruppe der gestrichenen Papiere getrennt. Die Bestimmung der Oberflächenrauheit erfolgte grundsätzlich in und quer zur Laufrichtung der Papiere. Abb. 19: Arithmetischer Mittenrauwert R a der untersuchten Papiere [graue Balken für die Prüfung in Laufrichtung, gelbe Balken für diejenigen quer zur Laufrichtung]. 3.7 Erstellung einer Testform und Druckversuche mit unterschiedlichen Druckverfahren zur Erweiterung der an den Druckpapieren erzielten Ergebnisse auf Drucke Abb. 20: Kernrautiefe R k der untersuchten Papiere [graue Balken für die Prüfung in Laufrichtung, gelbe Balken für diejenigen quer zur Laufrichtung]. 14

15 Fogra Forschungsgesellschaft Druck e.v. Eine Abhängigkeit der Rauheit von der Papierlaufrichtung ist nicht erkennbar. Abgesehen von den Werten für die Papiere D1, E1 und F1 sowie dem Rauheitswert quer zur Laufrichtung bei B1 ist ein deutlicher Unterschied [2-fach bis 3-fach höhere Werte für die Naturpapiere] in der Kernrautiefe R k [Abb. 20] zwischen den gestrichenen Papieren und den Naturpapieren nachweisbar. Diese Aussage gilt auch für die reduzierte Spitzenhöhe R pk [Abb. 21] und die reduzierte Riefentiefe R vk [Abb. 22]. Die arithmetischen Mittenrauwerte R a der von der Papiertechnischen Stiftung [PTS] gefertigten Modellpapiere können der Abbildung 23 entnommen werden. Die im Labormaßstab hergestellten Modell-Papiere sind im Vergleich zu den anderen Papieren A1 bis L1 wesentlich rauer. Die wesentlichen Oberflächengrößen der Laborpapiere sind in Tab. 3 dargestellt Oberflächenrauheit PPS-Verfahren [Parker-Print-Surf] Die Ergebnisse der Messung der Rauheit nach Parker-Print-Surf können Abb. 24 entnommen werden. Auffällig, aber nicht überraschend, sind die Werte für die Naturpapiere, die mindestens um das 1,5-fache größer sind als die Werte für die gestrichenen Papiere. Die Oberflächen der Papiere der Hersteller A, B und C können untereinander sehr deutlich abgegrenzt werden, wobei die mattgestrichenen Papiere des Hersteller B die höchsten Werte innerhalb dieser Dreiergruppe aufweisen Korrelation zwischen berührungsloser Messung der Oberflächenrauheit und dem PPS-Verfahren [Parker-Print- Surf] In diesem Abschnitt werden die Ergebnisse der berührungslosen Messung der Rauheit und dem PPS-Verfahren [Parker-Print-Surf] auf mögliche Abhängigkeiten hin untersucht. Das geschieht mit Hilfe der Korrelationsrechnung. Mit der Korrelationsrechnung wird der Zusammenhang zwischen zwei Messreihen bestimmt. Mit Hilfe des Korrelationskoeffizienten wird, vereinfacht ausgedrückt, gezeigt, Abb. 21: Reduzierte Spitzenhöhe R pk der untersuchten Papiere [graue Balken für die Prüfung in Laufrichtung, gelbe Balken für diejenigen quer zur Laufrichtung]. Abb. 22: Reduzierte Riefentiefe R vk der untersuchten Papiere [graue Balken für die Prüfung in Laufrichtung, gelbe Balken für diejenigen quer zur Laufrichtung]. Abb. 23: Arithmetische Mittenrauwerte R a der Modell-Papiere [graue Balken für die Prüfung in Laufrichtung, gelbe Balken für diejenigen quer zur Laufrichtung]. 15

16 Forschungsbericht Nr Papier Ra Rk Rpk Rvk längs quer längs quer längs quer längs quer 1 4,61 2,96 15,98 9,88 3,44 2,71 3,83 3,39 2 3,37 3,2 10,23 10,53 3,98 3,14 4,92 3,75 3 3,98 3,97 13,31 13,19 2,6 2,48 6,18 6,32 4 2,45 4,19 7,67 14,56 2,57 3,26 3,4 4,94 5 4,88 4,49 11,72 12,83 13,51 6,09 7,78 6,44 6 3,63 4,25 12,24 12,61 3,96 5,04 3,64 7,08 7 3,05 4,71 10,04 15,77 2,61 3,45 3,72 4,93 8 3,53 4,5 11,59 14,44 3,99 3,38 3,27 8,43 9 3,1 4,33 9,97 14,09 3,48 4,65 4,06 4, ,55 4,15 11,01 9,1 4,94 4,07 2,64 5,7 Tab. 3: Oberflächenkennwerte der Modell-Papiere. Abb. 24: Rauheit nach Parker-Print-Surf der verschiedenen Papiere. ob sich zwei Messreihen gleich entwickeln, d. h. ob hohe Werte des einen Datensatzes mit hohen Werten des anderen zusammenhängen [positiver Korrelationskoeffizient] ob niedrige Werte des einen Datensatzes mit hohen Werten des anderen zusammenhängen [negativer Korrelationskoeffizient] oder ob zwischen den Werten der beiden Datensätze kein oder nahezu kein Zusammenhang besteht [geringer betraglicher Korrelationskoeffizient] Bei einer eindeutigen positiven Korrelation ist der Koeffizient 1, bei der eindeutigen negativen Korrelation ist der Koeffizient 1. Stehen die Messreihen in keinem Zusammenhang, ist es möglich, dass der Korrelationskoeffizient gleich 0 ist. Üblicherweise wird ab dem Korrelationskoeffizienten 0,8 von einem Zusammenhang gesprochen. Interessant ist die Berechnung der Korrelation zwischen den beiden Verfahren insbesondere deswegen, weil das Grundprinzip der Messung komplett unterschiedlich ist. Im ersten Fall wird ein berührungsloses Verfahren und im zweiten Fall ein Luftstromverfahren eingesetzt. In Abb. 25 ist das Ergebnis der verschiedenen Korrelationsberechnungen dargestellt. In der Abbildung sind die Korrelationskoeffizienten der linearen Regressionsrechnung angegeben. Berechnet wurden die Abhängigkeiten zwischen den einzelnen Rauheitswerten R a, R k, R pk, R vk und den im PPS-Verfahren für die gleichen Papiere erhaltenen Messwerte. Die Korrelation der beiden Verfahren kann unabhängig von dem beim berührungslosen Verfahren gewählten Rauheitswert [R a, R k, R pk, R vk ] als stark bewertet werden. Abb. 25: Korrelation zwischen der berührungslosen Messung der Oberflächenrauheit und dem PPS-Verfahren. 16

17 Fogra Forschungsgesellschaft Druck e.v. Methode Gasadsorption Quecksilberporosimetrie größere Poren kleinere Poren Papier Spez. Oberfläche in m²/g Spez. Porenvolumen in cm³/g häufigste Porengröße in µm Spez. Porenvolumen in cm³/g A1 0,341 0,109 1,12 0,087 0,13 A2 0,220 0,129 1,17 0,070 0,13 A3 0,255 0,133 1,23 0,074 0,12 A4 0,186 0,150 1,63 0,066 0,11 A5 0,680 0,167 1,89 0,068 0,13 B1 0,378 0,155 2,21 0,092 0,15 B2 0,267 0,226 2,71 0,077 0,15 B3 0,214 0,333 4,55 0,082 0,13 C1 2,510 0,095 1,10 0,082 0,13 C2 0,784 0,124 1,13 0,069 0,13 C3 0,179 0,135 1,46 0,070 0,14 C4 1,170 0,160 1,65 0,069 0,12 D1 0,570 0,149 0,86 0,047 0,07 E1 0,681 0,189 1,45 0,068 0,16 F1 0,773 0,224 2,06 0,073 0,15 Tab. 4: Spezifische Oberfläche der Papiere nach zwei verschiedenen Verfahren [Gasadsorption und Quecksilberporosimetrie]. häufigste Porengröße in µm Porosität Die Bestimmung der Porengrößenverteilung durch die Quecksilberporosimetrie erfolgte bei QUANTACHROME GmbH, Odelzhausen, an einem QUAN- TACHROME POREMASTER 60-GT. Die Ergebnisse der Messung der Porosität durch Gasadsorption bzw. durch Quecksilberporosimetrie sind in Tab. 4 wiedergegeben. Die Abbildung 26 und die Abbildung 27 präsentieren für die großen Poren [siehe dazu Abschnitt ] die Zunahme der Porengröße mit steigender Flächenmasse der Papiere [A, B und C]. Die Papiere D1, E1 und F1 können für diese Betrachtung nicht herangezogen werden, da sie von verschiedenen Herstellern stammen. Abb. 26: Durch Quecksilber-Intrusion-Extrusion ermittelte häufigste Porengröße für große Poren bei verschiedenen Papieren. 17

18 Forschungsbericht Nr Abb. 27: Häufigste Porengröße für große Poren in Abhängigkeit der Flächenmasse für verschiedene Papiere [graue Kurve für Papier A, rote Kurve für Papier B und blaue Kurve für Papier C]. Der in Abb. 26 gezeigte Zusammenhang zwischen der Porengröße und der Flächenmasse der Papiere gilt auch für das spez. Porenvolumen der großen Poren. Dieser Zusammenhang wird in Abb. 28 demonstriert. Bei Papieren jeweils eines Herstellers [A, B und C] steigt mit Zunahme der Flächenmasse das Porenvolumen [Abb. 27]. Bei den kleinen Poren [Tab. 4, vorletzte und letzte Spalte] besteht dieser Zusammenhang nicht. Auch für die aus Adsorption von Argon am Papier gewonnen spez. Oberfläche [Tab. 4, Spalte 2] ist keine eindeutige Verknüpfung mit der Flächenmasse der Papiere erkennbar Reibungskoeffizienten In Abb. 29 werden die Ergebnisse der Reibungsmessungen mit dem Zwick- Zugprüfgerät gezeigt. Eine signifikante Unterscheidung in den Reibungskoeffizienten zwischen den gestrichenen Papieren und den Naturpapieren ist nicht zu beobachten. Auch innerhalb der Papiersorten eines Herstellers ist keine Abhängigkeit von der Flächenmasse erkennbar. 4.2 Elektrostatische Anziehungskräfte bei Druckpapieren Abb. 28: Durch Quecksilber-Intrusion-Extrusion ermitteltes spez. Porenvolumen für große Poren bei verschiedenen Papieren. Abb. 29: Statische [graue Balken] und dynamische Reibungskoeffizienten [gelbe Balken] der untersuchten Papiere Haftkraft verursacht durch elektrostatische Aufladung In Abb. 30 sind die Messwerte der durch elektrostatische Aufladung verursachten Haftkräfte dargestellt. Es zeigt sich bei den gestrichenen Papieren der Hersteller A, B und C ganz deutlich eine Abnahme der Haftkräfte mit steigender Flächenmasse. In der Tendenz ist dies auch bei den Naturpapieren der Hersteller I und K zu erkennen. Die Haftkräfte bei gestrichenen Papieren liegen im Schnitt um den Faktor 4,5 höher als die Haftkräfte bei Naturpapieren. Die höchsten Haftkräfte sind bei den Papieren des Hersteller C zu verzeichnen Zusammenhang zwischen Oberflächenwiderstand und Haftkraft Da die Aufladung von Papieren von deren Oberflächenwiderstand abhängt, wurde dieser mit einem hochohmigen Messgerät zur Bestimmung von Ableit- und Oberflächenwiderständen bestimmt. 18

19 Fogra Forschungsgesellschaft Druck e.v. In Abb. 31 werden die Haftkräfte der Papiere deren Oberflächenwiderstand gegenübergestellt. Damit die Abhängigkeiten visuell besser gezeigt werden können [die Haftkräfte liegen in der Größenordnung 10 2 N/cm, der Oberflächenwiderstand im Bereich 10 9 Ω], wurde eine auf das Maximum normierte Darstellung der Messwerte gewählt. Bei den handelsüblichen Papieren A bis C wurde der höchste Oberflächenwiderstand bei C1 festgestellt. Daher werden alle Werte für die Haftkraft auf den maximalen Wert bei C1 [Abb. 30] bezogen. In Abb. 31 wird deswegen der normierte Wert für C1 mit 100 % angegeben. Die Korrelationskoeffizienten aus den Werten von Abb. 31, innerhalb der Papierserien der Hersteller A, B und C, sind in Tab. 5 angegeben. Abb. 30: Haftkraft verursacht durch elektrostatische Aufladung der untersuchten Papiere. Hersteller Korrelationskoeffizient A 0,85 B 0,83 C 0,89 Tab. 5: Korrelationskoeffizienten des Zusammenhangs zwischen dem Oberflächenwiderstand und der Haftkraft. Zwischen dem Oberflächenwiderstand und der durch elektrische Aufladung verursachten Haftkraft besteht eine starke Korrelation. Dies bedeutet, je höher der Oberflächenwiderstand der Papiere ist, desto höher ist die elektrische statische Aufladung und desto höher die Anhaftung der beiden Papiere Elektrostatische Aufladung der im Labormaßstab hergestellten Musterpapiere In Abb. 32 sind die durch elektrostatische Aufladung verursachten Haftkräfte bei den Modellpapieren [siehe Tab. 2] abgebildet. Eine eindeutige Zuordnung der Haftkräfte zu den elektrischen Leitfähigkeiten der Papiere [Tab. 2] ist hier jedoch nicht möglich. Der Grund dafür ist möglicherweise in der nicht optimalen Planlage der im Labormaßstab hergestellten Musterpapiere zu finden. Auch die höhere Rauigkeit der Modellpapiere im Vergleich zu den Papieren Abb. 31: Zusammenhang zwischen Oberflächenwiderstand und Haftkraft [auf das jeweilige Maximum normierte Darstellung der Messwerte]. Abb. 32: Haftkräfte der Modellpapiere aufgrund elektrostatischer Aufladung. 19

20 Forschungsbericht Nr der Praxis dürfte eine wesentliche Rolle spielen. Hier könnte ein Kalandrieren der gestrichenen Musterpapiere eine Verbesserung der Aussagekraft hervorrufen Oberflächenwiderstand in Abhängigkeit zur Luftfeuchtigkeit Aus der Praxis ist bekannt, dass gerade in den Wintermonaten die Luftfeuchtigkeit deutlich absinkt und die Gefahr der elektrostatischen Aufladung drastisch zunimmt. Ist die Außenluft annähernd 0 C kalt, beträgt die relative Luftfeuchte [r. F.] im Freien durchschnittlich etwa 80 % [32]. Wird die kalte Außenluft durch Beheizen auf Raumtemperatur gebracht, sinkt in einer beheizten Halle die relative Luftfeuchte demgemäß auf 15 % bis 20 %. Die Abbildung 33 demonstriert den typischen Verlauf des Oberflächenwiderstands in Abhängigkeit von der Luftfeuchtigkeit. Es zeigt sich bei Papier B5 [unterste Kurve in Abb. 33] deutlich, dass bei starkem Absinken der Luftfeuchtigkeit [z. B. von 50 % r. F. auf 35 % r. F.] der Oberflächenwiderstand um mehr als das Vierfache zunimmt. Veränderungen des Oberflächenwiderstandes in dieser Größenordnung haben jedoch, wie Abb. 31 aufzeigt, einen enormen Einfluss auf die elektrostatische Aufladbarkeit und damit auf die dadurch verursachte Haftkraft Aufladung von Papieren in einer Bogenoffset-Druckmaschine Einen Überblick über die Aufladung von Papieren in einer Bogenoffset-Druckmaschine gibt Tab. 6. Messstelle C1 B1 Anleger 15 V/mm 3 V/mm 1. Druckwerk 10 V/mm 6 V/mm Ausleger 25 V/mm 3 V/mm Tab. 6: Elektrostatische Felder an einer Bogenoffset-Druckmaschine [gemessen in V/mm] für die Papiere C1 und B1. Abb. 33: Einfluss der Luftfeuchtigkeit auf den Oberflächenwiderstand [gemessen bei 21 C]. Die beiden Papiere zeigen nach Durchlauf durch die Druckmaschine ein unterschiedliches Verhalten bezüglich ihres Aufladeverhaltens. Papier C1 lädt sich etwas mehr auf als Papier B1. Unter Berücksichtigung des Oberflächenwiderstandes der Papiere [Abb. 31] ist dieses Verhalten zu erwarten. Diese Werte sind aber im Rahmen der Messungenauigkeit vernachlässigbar. Ein Anhaften der Druckbogen aneinander konnte ebenfalls festgestellt werden. Die Messung der daraus resultierenden Haftkräfte war aber nicht möglich, da bei der Präparation der Proben für das Zwick-Zugprüfgerät [Zuschneiden der Druckbogen auf Papierstreifen der Breite 3 cm] die in der Druckmaschine aufgebrachte Ladung durch die unvermeidliche Berührung mit den Metallteilen der Papierschneidemaschine abgeflossen ist Aufladung von Papieren in einer Rollenoffset-Druckmaschine Beim Durchlauf durch die Rollenoffset-Druckmaschine wurden wesentlich stärkere elektrostatische Aufladungen gemessen. Dies hängt damit zusammen, dass hier bei höheren Druckgeschwindigkeiten als im Bogenoffsetdruck auch höhere Trenngeschwindigkeiten zwischen Papier und Umlenkrollen zu verzeichnen sind. Auffällig dabei war, dass die elektrostatische Aufladung der Rollenpapiere bereits vor Einlauf in die Druckwerke im Bereich von 100 V/mm bis 1000 V/mm liegt. Die Werte der glänzend gestrichenen Papiere lagen dabei erheblich über den Werten der matt gestrichenen Papiere. Nach dem Durchgang durch die Druckwerke war die ursprüngliche Ladung weitgehend abgebaut. Eine enorme Zunahme der elektrostatischen Felder auf einen Wert von 1000 V/mm wurde nach dem Falztrichter gemessen. Auch bei den Rollenpapieren war die Präparation der Proben für das Zwick- Zugprüfgerät unmöglich Aufladung von Papieren in Digitaldruckmaschinen Die elektrostatische Aufladung der untersuchten Papiere in der Auslage der überprüften Laserdrucker [Elektrographie] war sehr gering [in der Größenordnung einiger V/mm]. Diese Werte sind im Rahmen der Messungenauigkeit vernachlässigbar. Die Messungen stehen im Einklang mit [33]. Zur Bewertung dieser Messwerte muss gesagt werden, dass die rel. Luftfeuchtigkeit der eingesetzten Papiere bei ca. 50 % lag, was nach den Spezifikationen der Hersteller von Laserdruckern der optimale Wert ist, um elektrostatische Aufladungen zu vermeiden. Die eingesetzten Laserdrucker waren zudem mit Entladungseinrichtungen versehen, die nach Durchlauf der Papiere durch die Drucker für eine Entladung der Papiere sorgten. 20

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