Bestandteile der Streichmasse

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1 Bestandteile der Streichmasse Strichrezepturen wird eine Vielzahl von Chemikalien zugesetzt. Die wichtigsten Bestandteile einer Streichmasse sind das Pigment und das Bindemittel. Dieser Abschnitt wird sich daher nur mit diesen beiden Bestandteilen beschäftigen, unter der Annahme, dass ein etwas tiefergehender Diskurs über die Hauptbestandteile der Streichmasse informativer ist als eine oberflächliche Vorstellung vieler verschiedener Chemikalien, die üblicherweise in Strichrezepturen enthalten sind. Den mengenmäßig größten Anteil einer Streichmasse macht das Pigment aus. Hierbei handelt es sich meist um eine Mischung aus Kalziumkarbonat und Kaolin. Zur Auswahl stehen verschiedene Kalziumkarbonate und Kaoline. Kaolin hat eine geringere Weiße und resultiert in einer glatten Oberfläche mit einem höheren Glanzgrad und einer größeren Opazität. Kalziumkarbonate Kalziumkarbonate unterscheiden sich untereinander durch ihre Partikelgrößenverteilung. Die Partikelgrößenverteilung wird oft mittels Sedimentationsverfahren auf der Grundlage der Stokesschen Gleichung gemessen. V o = d2 ( ) g 18 V o = Sedimentationsgeschwindigkeit d = Partikeldurchmesser ( ) = Dichtedifferenz zwischen dem Material, das das Sediment bildet, und dem Medium, in dem es absinkt = Viskosität des Mediums Aus der Stokesschen Gleichung ergibt sich folgende Gleichung: 18 h d = ( ) gt h = Absetzstrecke t = Zeit Rasterelektronen-Mikroskopaufnahmen von Kalziumkarbonat und Kaolin 72

2 Die Geschwindigkeit, mit der sich die Partikel in einem Pigmentbrei absetzen, sagt somit etwas über die Größe dieser Partikel aus. Es gibt alternative Verfahren zur Bestimmung der Partikelgrößenverteilung. Zu diesen gehören die Analyse von stark vergrößerten Aufnahmen des Pigments sowie die Analyse der Lichtstreuung durch eine Pigmentprobe. Das nachstehende Diagramm zeigt die Partikelgrößenverteilung bei drei verschiedenen Kalziumkarbonaten. Der durchschnittliche Durchmesser wird mit Hilfe einer logarithmischen Skala angegeben, bei der die Partikelgröße zur rechten Seite hin abnimmt. Die Höhe der Linien in diesem Graphen gibt die Anzahl der Partikel einer bestimmten Größe an. Je steiler die Steigung, desto mehr Partikel dieser Größenordnung sind im Pigment enthalten. Das grobkörnige GCC (gemahlenes Kalziumkarbonat) hat im Vergleich zu den beiden anderen Beispielen eine sanft ansteigende Kurve. Das deutet darauf hin, dass das Pigment aus einem breiten Spektrum von Partikelgrößen besteht. Die Kurve für das feinkörnige GCC mit einer breit gestreuten Partikelgrößenverteilung hat eine ähnliche Steigung wie beim grobkörnigen GCC, doch hat sich die Linie zu wesentlich kleineren Partikelgrößen hin verlagert. Die Kurve für das feinkörnige GCC mit einer begrenzten Partikelgrößenverteilung weist eine steilere Steigung auf als die anderen Kurven. Dies weist darauf hin, dass die Partikel in diesem Pigment eine gleichmäßigere Größe aufweisen als die der anderen Pigmente. Die meisten für Streichmassen verwendeten Kalziumkarbonate werden durch Mahlen eines geeigneten Minerals und einer anschließenden Filtrierung zur Erzielung der erforderlichen Partikelgrößenverteilung hergestellt. Kalziumkarbonatpigmente lassen sich auch durch Ausfällung gewinnen: das Ergebnis dieses Verfahrens ist ein Pigment mit einer relativ begrenzten Partikelgrößenverteilung. Um die Bedeutung der Partikelgrößenverteilung zur verstehen, kann man sich eine Mischung aus drei verschiedenen Ballsorten vorstellen: Fußbällen, Handbällen und Tennisbällen, die jeweils große, mittelgroße und kleine Partikel darstellen. Diese Ballmischung wird nun in eine Kiste gefüllt, was das Streichverfahren darstellen soll. Wenn man sich diese Kiste vorstellt, muss man sich drei Faktoren vor Augen halten: die Unterschiede in der entstandenen Oberfläche, die Größe und Anzahl der Lücken in der Oberfläche und die Menge der unausgefüllten Zwischenräume in der Kiste. Der erste Faktor ist ganz eindeutig die Oberflächenglätte. Die beiden anderen Faktoren sind ebenfalls wichtig, weil kleine Poren Druckfarbenträger schneller aufnehmen als große. Das mag unlogisch erscheinen, doch tatsächlich ist der Kapillardruck, der die Absorption vorantreibt, umgekehrt proportional zum Porenradius. Das verfügbare Porenvolumen hat ebenfalls einen Einfluss, denn wenn die Poren voll sind, kann keine weitere Absorption erfolgen. PARTIKELGRÖSSENVERTEILUNG (PGV) KUMULATIVE MASSE (%) Ser ihoptryckt ut! ,1 DURCHSCHNITTLICHER DURCHMESSER (μm) Grobkörniges GCC Feinkörniges GCC (begrenzte PGV) Feinkörniges GCC (breit gestreute PGV) IGGESUND PAPERBOARD Kartonhandbuch 73

3 Abbildung 1 Wenn man mit einer ungefähr gleichen Anzahl Bälle jedes Typs beginnt, ergibt sich wegen der großen Fußbälle eine relativ raue Oberfläche. Die kleineren Bälle füllen die Lücken zwischen einigen Fußbällen und reduzieren so das Porenvolumen, die Porengröße an der Oberfläche bleibt jedoch groß. Die Druckfarbenabsorption erfolgt durch die Kombination von großen Poren an der Oberfläche und kleinem Porenvolumen zur Farbaufnahme daher langsam. Abbildung 1 Abbildung 2 Wenn die Fußbälle durch eine Mischung aus Handbällen und Tennisbällen ersetzt werden, wird die Oberfläche glatter und die Porengröße kleiner, doch das verfügbare Porenvolumen ist begrenzt. Die kleinen Poren füllen sich schnell mit Druckfarbe. Diese Änderung der Ballgröße entspricht der Umstellung von einem grobkörnigen Kalziumkarbonat auf ein feinkörnigeres Kalziumkarbonat. Abbildung 3 Wenn die Tennisbälle durch weitere Handbälle ersetzt werden, sind nur noch Handbälle übrig. Die Oberfläche ist nun rauer als beim vorherigen Schritt, die Poren sind größer und das Porenvolumen wächst, weil es keine kleinen Bälle mehr gibt, die die Lücken füllen. Die Druckfarbenabsorption erfolgt langsamer als vorher, aber die Poren können erheblich größere Mengen an Druckfarbe aufnehmen. Dies entspricht der Umstellung von einem feinkörnigen Kalziumkarbonat auf ein feinkörniges Kalziumkarbonat mit einer begrenzten Partikelgrößenverteilung. Abbildung 2 Zusammenfassung Dieses einfache Gedankenexperiment veranschaulicht die Bedeutung der Partikelgrößenverteilung für die Oberflächenglätte und die Wechselwirkung zwischen dem Karton und der Druckfarbe im Druckverfahren. Man sollte jedoch im Hinterkopf behalten, dass unter realen Bedingungen noch zahlreiche weitere wichtige Faktoren die Funktionalität von Pigmenten beeinflussen. Abbildung 3 74

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5 Kaoline Kaoline unterscheiden sich sowohl durch ihre Partikelgrößenverteilung als auch durch eine Eigenschaft, die man als Formfaktor bezeichnet. Ein hoher Formfaktor weist auf ein sehr plättchenförmiges Kaolin hin (ein plättchenförmiger Kaolinpartikel ist dünn und breit wie ein Plättchen im Gegensatz zu dickeren, schmaleren Partikeln). Der Formfaktor variiert je nach der Größe der untersuchten Kaolinpartikel. Große Kaolinpartikel tendieren zu höheren Formfaktoren. Kleinere Partikel mit kleineren Formfaktoren neigen zur Bildung von Oberflächen, die Druckfarben im Vergleich zu Oberflächen aus einem Kaolin mit hohem Formfaktor schnell absorbieren. Eine schnelle Druckfarbenabsorption erfordert eine große Anzahl enger Poren in der Oberfläche. Es versteht sich fast von selbst, dass ein ausgeprägt plättchenförmiges Kaolin eine Oberfläche mit weniger Poren bildet als ein weniger plättchenförmiges Kaolin. Das Verhältnis von Kaolin zu Kalziumkarbonat im Strich hängt von mehreren Faktoren ab. Kaolin ist im Vergleich zu Kalziumkarbonat ein sehr gelbes Pigment und verfügt über eine wesentlich höhere Opazität. Durch seine höhere Opazität ist Kaolin mit optischen Aufhellern weniger kompatibel als Kalziumkarbonat. Wenn eine hohe Weiße erwünscht ist, sollte daher nur ein geringer Kaolinanteil im Strich enthalten sein. Wenn eine hohe Opazität erforderlich ist, empfiehlt sich dagegen ein höherer Kaolingehalt. Kaolin ist ein weicheres Pigment als Kalziumkarbonat. Kaolin hat einen Härtegrad von 2,5 nach Mohs, während Kalziumkarbonat in der Mohs-Skala einen Wert von 3 erreicht. Mohs-Skala Die Mohs-Skala ist keine Skala im eigentlichen Sinne, sondern eigentlich eine geordnete Liste. Der deutsche Mineraloge Friedrich Mohs nahm zehn leicht zugängliche Minerale und ordnete sie in der Reihenfolge ihrer Fähigkeit, sich gegenseitig zu ritzen. Wenn eine Probe durch ein Mineral aus dieser Liste geritzt werden kann, ist sie weicher als dieses Mineral und verfügt über eine geringere Mohs-Härte. Ritzt sie dagegen das Mineral, ist sie härter als dieses Mineral. Da Kaolin weniger abrasiv ist als Kalziumkarbonat, verursacht es einen geringeren Werkzeugverschleiß, wenn der Karton beim Bogenzuschnitt oder in Verarbeitungsverfahren geschnitten wird. Streichmassen mit einem relativ hohen Kaolingehalt sind in dieser Hinsicht daher von Vorteil. Der Kaolingehalt eines Strichs hat einen großen Einfluss auf den Glanz, doch das ist ein komplexes Thema. Wenn man von Glanz spricht, muss man spezifizieren, ob es sich um den Bogenglanz, den Druckglanz oder den Unterschied zwischen diesen beiden Werten (Deltaglanz) handelt, der gewünscht wird. Der Kaolingehalt der Streichmassen ist nur einer von mehreren Faktoren, die den Glanz beeinflussen. Es würde jedoch zu weit führen, hier näher darauf einzugehen. Formfaktor = d/t Bild saknas!! t d Härte (Mohs) Mineral Talk Gips Calcit Fluorit (Flussspat) Apatit Orthoklas (Feldspat) Quarz Topas Korund Diamant 76

6 Latices Latices ist der Plural von Latex. In der Papierindustrie werden meist Latices aus Styrol-Butadien oder Styrol-Acrylat verwendet. Die Eigenschaften von Latex können durch Modifikationen der Anteile der betreffenden Monomere, des Molekulargewichts der gebildeten Polymermoleküle sowie der Größe der gebildeten Latexpartikel verändert werden. Latices werden oft durch ihre Glasübergangstemperatur beschrieben. Die Glasübergangstemperatur (T G ) wird wie folgt definiert: T G bezieht sich auf die Temperatur, unterhalb der die Polymerketten keine Bewegungsfreiheit mehr haben; oberhalb der T G lässt sich das Polymer irreversibel deformieren. Einfach gesagt, ist der Latex unterhalb der T G eine harte, spröde Substanz, oberhalb der T G wird der Latex weich und verhält sich wie ein Kaugummi. Ein Latex mit einer hohen T G wird oft als hart bezeichnet, während ein Latex mit einer niedrigen T G als weich gilt. Die Eigenschaften des verwendeten Latex haben einen Einfluss auf die Eigenschaften der Strichlage. Das obere Diagramm zeigt, wie der Glanz durch die Glasübergangstemperatur des Latex beeinflusst werden kann. Der im Diagramm angegebene Glanzgrad bezieht sich auf nicht kalandrierte Muster. Beim Kalandrieren wird der Karton durch mehrere Walzzylinder hindurchgeführt, die die Oberfläche glätten sollen. Durch dieses Verfahren wird üblicherweise der Bogenglanz erhöht. Eine Strichlage mit einem weichen Latex (niedrige T G ) lässt sich im Allgemeinen leichter verformen als eine Strichlage mit einem harten Latex (hohe T G ), so dass das Kalandrieren bei Verwendung eines weichen Latex eine größere Wirkung hat. Andere Eigenschaften, vor allem die Oberflächenfestigkeit, werden durch eine hohe Glasübergangstemperatur negativ beeinflusst. Oberflächenfestigkeit ist vor allem für den Offsetdruck wichtig, wo ein Karton mit einer geringen Oberflächenfestigkeit anfälliger für Rupfen ist. Rupfen ist ein Druckfehler, der auftritt, wenn eine Kartonoberfläche keine ausreichende Festigkeit aufweist, um seine Unversehrtheit während des Druckverfahrens zu bewahren. Kleine Stücke der Strichlage werden aus der Oberfläche herausgerissen und hinterlassen im bedruckten Bereich weiße Punkte. GLANZ VOLUMEN VOLUMEN Latex Neuer Strich LATEX T G Pigment PARTIKELGRÖSSE Recycelter Strich Wasser-/Massenretention In Rakelstreichmaschinen wird die Streichmasse mittels einer Auftragswalze oder einer Auftragsdüse auf den Basiskarton aufgetragen. Die überschüssige Streichmasse wird anschließend durch eine Rakel von der Kartonbahn entfernt. Die überschüssige Streichmasse wird wieder in den Kreislauf zurückgeführt und erneut verwendet. Weil die Streichmasse auf eine poröse Oberfläche aufgetragen wird, können einige Bestandteile der Strichrezeptur absorbiert werden, bevor ein Teil der aufgetragenen Streichmasse wieder von der Rakel entfernt wird. Latex Neuer Strich Pigment PARTIKELGRÖSSE Recycelter Strich IGGESUND PAPERBOARD Kartonhandbuch 77

7 Diese Streichmasse wird wiederverwendet, entspricht jedoch nicht mehr ganz der frischen Streichmasse. Durch die ständige Wiederverwendung der Streichmasse ändert sich schließlich die Strichzusammensetzung. Die oben abgebildeten vereinfachten Diagramme sollen die Änderungen verdeutlichen, denen die Streichmasse während des Streichverfahrens unterliegt. Die weißen Linien stellen die Streichmasse vor der Verwendung dar, die blauen Linien die Streichmasse nach längerer Zeit in den Streichmassen-Umwälzsystemen. Die Graphen sind bimodal: der Spitzenwert bei geringer Partikelgröße ist auf den Latex zurückzuführen, der Spitzenwert im Bereich größerer Partikel rührt vom Kalziumkarbonat her. Die Darstellung einer Streichmasse, die aus Kalziumkarbonat und Kaolin besteht, hätte mindestens zwei Pigmentspitzenwerte, mindestens einen für jedes verwendete Pigment. Die Diagramme auf der vorherigen Seite veranschaulichen die Tatsache, dass sowohl Latex als auch feine Pigmentpartikel während des Herstellungsverfahrens aus den Streichmassen verlorengehen. Infolgedessen steigt der Anteil an großen Pigmentpartikeln, und das Pigment wird immer grobkörniger. Die im mittleren Graphen dargestellte Streichmasse ändert sich wesentlich weniger als die Streichmasse im unteren Graphen. Das bedeutet, dass sich die Streichmasse im mittleren Beispiel in ihrer Funktionalität wahrscheinlich durch eine größere Konstanz auszeichnet als die Streichmasse im unteren Beispiel. Die Streichmasse im mittleren Beispiel verfügt über die bessere Wasser-/Massenretention. Zusammenfassung Dieser Abschnitt kann wie folgt zusammengefasst werden: Die Partikelgrößenverteilung wird oft zur Klassifizierung von Pigmenten für Papier- und Kartonstreichmassen verwendet. Die Partikelgrößenverteilung der verwendeten Pigmente beeinflusst Kartoneigenschaften wie Glätte und Druckfarbenabsorption. Die Eigenschaften des Latex haben einen Einfluss auf Oberflächeneigenschaften wie Glanz und Oberflächenfestigkeit. Das Streichverfahren selbst bewirkt eine Änderung der Strichzusammensetzung. 78