Planlage und Dimensionsstabilität

Eine gute Planlage und Dimensionsstabilität gehören zu den wichtigsten Kartoneigenschaften. Die korrekte Planlage oder „Form“ des Kartonbogens sowie des gestanzten Kartonzuschnitts ist von entscheidender Bedeutung für die Laufeigenschaften des Kartons in allen Verarbeitungsverfahren sowie für die Effektivität der Abpacklinie.

Für grafische Produkte wie Postkarten, Bucheinbände, Prospekte usw. ist die Planlage das wichtigste Merkmal des Erscheinungsbildes.

Während der Verarbeitungs- und Abpackverfahren wird der Karton oft Umgebungsbedingungen ausgesetzt, die seinen Feuchtigkeitsgehalt beeinflussen. Abhängig von der Art des Kartons, seiner Rohstoffzusammensetzung und des Herstellungsprozesses können sich die Form bzw. die Maße des Kartonbogens ändern.

In diesem Zusammenhang ist der Begriff Form treffender als der Begriff Planlage. In der Praxis ist die Form während der Verarbeitung meistens nicht die ideale Planlage, da mögliche Formänderungen während des Druckens und der Veredelung berücksichtigt werden müssen.

Messbare Eigenschaften

Feuchtigkeitsgehalt (ISO 287)
Der Feuchtigkeitsgehalt wird als Prozentanteil am Gesamtgewicht des Kartons ausgedrückt.
Aufgrund der hygroskopischen Eigenschaften von Karton sollten alle Untersuchungen unter genau definierten Bedingungen durchgeführt werden (23 °C und 50 % relative Luftfeuchtigkeit).

Aber auch während der Weiterverarbeitung sollten eine konstante Temperatur und Luftfeuchtigkeit eingehalten werden.

Prüfverfahren und -geräte
Der Feuchtigkeitsgehalt wird in der Kartonmaschine mit Hilfe von Messgeräten laufend online überwacht. Diese Geräte gewährleisten eine hohe Genauigkeit in Längs- und Querrichtung der Kartonbahn. In regelmäßigen Abständen werden außerdem Labortests durchgeführt, um die korrekte Einstellung der Messgeräte sicherzustellen.

Wichtige Eigenschaften

Da viele Kartoneigenschaften vom Feuchtigkeitsgehalt be-einflusst werden, sollte die Feuchtigkeit des Kartonprodukts auf die Anforderungen der Druck-, Verarbeitungs- und Abpackverfahren abgestimmt werden.

Während des Trocknens wird der Feuchtigkeitsgehalt in der Kartonmaschine überwacht. Druck- und Rückseite müssen dabei unabhängig voneinander kontrolliert werden, um eine gleichmäßige Trocknung zu gewährleisten und Rollneigungen zu vermeiden. Ein gleichmäßiges Feuchtigkeitsprofil über die Breite der Kartonbahn kann ebenfalls mit Hilfe von Online-Mess- und Regelverfahren gewährleistet werden.

Zellulosefasern sind hygroskopisch und reagieren auf Feuchtigkeitsänderungen. Bei zunehmender Feuchtigkeit quellen die Fasern auf, bei Feuchtigkeitsverlust schrumpfen sie. Die relative Maßänderung der Zellulosefaser selbst ist in der Querrichtung größer.

Bei der Kartonherstellung werden die Fasern in der Kartonmaschine vorzugsweise in Maschinenlaufrichtung (MD) des Kartons ausgerichtet. Das bedeutet, dass die Mehrheit der Fasern in Längsrichtung steht.

Das relativ hohe Potential für Dimensionsänderungen quer zur Faser ergibt zusammen mit der Faserausrichtung eine größere Maß- und damit Formänderung in Querrichtung (CD).

Das Grundprinzip von Maß- oder Formänderungen wird in den Abbildungen unten veranschaulicht.

Weisen beide Außenlagen eines Kartonbogens die gleichen relativen Maßänderungen durch Feuchtigkeit auf, beeinflusst eine Änderung des Feuchtigkeitsgehalts nur die Bogenmaße, d. h. es tritt eine laterale Dehnung oder Schrumpfung auf. Karton dieser Qualität kommt dem idealen symmetrischen Bogen sehr nahe. Dazu gehören z. B. beidseitig gestrichene oder ungestrichene Kartonprodukte mit identischer Zusammensetzung, gleichem Aufbau und gleicher Behandlung der Außenlagen.

Ein Kartonbogen, dessen Außenlagen sich durch Feuchtigkeit unterschiedlich verformen, wölbt sich bei Feuchtigkeitsänderungen. Beispiele für solche asymmetrisch aufgebauten Kartonprodukte sind einseitig gestrichener Karton, beidseitig gestrichener oder ungestrichener Karton, dessen Außenlagen hinsichtlich Zusammensetzung, Aufbau und Behandlung unterschiedlich sind. In der Praxis gehören fast alle Kartonprodukte zu diesem Typ.

Längsrichtung (MD) und Querrichtung (CD).

Aufquellen der Fasern.


Aufbau des Kartonbogens und erwartete Formänderung eines asymmetrisch aufgebauten
Bogens bei unterschiedlicher Luftfeuchtigkeit. Klicken zum Vergrößern.

 

Maßänderungen

Aufgrund des hygroskopischen Verhaltens von Karton werden viele seiner Eigenschaften durch die relative Luftfeuchtigkeit der Umgebung beeinflusst. Dadurch verändern sich der Feuchtigkeitsgehalt des Kartons und somit auch seine Maße.

Feuchtigkeitsgleichgewicht

Karton wird mit dem Ziel hergestellt, bei einem bestimm- ten Feuchtigkeitsgehalt eine gewisse Form aufzuweisen. Bei diesem Feuchtigkeitsgehalt befindet sich der Karton im Gleichgewicht mit einer bestimmten relativen Feuchtigkeit (rF) der Umgebungsluft. Bei dieser relativen Feuchtigkeit nimmt der Karton also keine Feuchtigkeit auf und gibt auch keine ab. Der Gleichgewichtsfeuchtigkeitsgehalt ist abhängig von der Kartonsorte und seiner Faserzusammensetzung.

Messungen ergaben eine negative Korrelation zwischen der Kartondichte und dem Niveau der Gleichgewichtsfeuchtigkeit. Die in der Tabelle aufgeführte relative Luftfeuchtigkeit bezieht sich auf die Umgebungsluft.

Beim Drucken, Stanzen oder anderen Verarbeitungsverfahren ist es wichtig, den Passer zu kontrollieren und die Kartonzuschnitte flach zu verarbeiten. Deshalb muss das Gleichgewicht zwischen der relativen Feuchtigkeit der Umgebungsluft und dem spezifizierten Feuchtigkeits- gehalt des Kartons gewahrt werden.

Hysterese

Feuchtigkeitshysterese bei Karton.
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Hysterese ist ein Verzögerungseffekt, in dem eine Erinnerung an den vorherigen Zustand festgehalten wird.
Es gibt einen Bereich des Gleichgewichtsfeuchtigkeits-gehalts für ansteigende relative Luftfeuchtigkeit und einen geringfügig anderen Bereich für abnehmende relative Luftfeuchtigkeit. Diese Bereiche unterscheiden sich für verschiedene Kartonqualitäten.
Die Abbildung zeigt die typische Feuchtigkeitshysterese eines Kartons, der in vier Schritten verschiedenen Umgebungsbedingungen ausgesetzt war. Dies impliziert, dass der Feuchtigkeitsgehalt eines Kartons auch von früheren klimatischen Bedingungen abhängt. Auch unter standar-disierten klimatischen Bedingungen von z. B. 50 % rF treten unterschiedliche Feuchtigkeitsgehalte auf, je nachdem, ob der Karton aus trockener oder feuchter Umgebung in die neue Umgebung gebracht wurde. Um dieses Problem zu vermeiden, müssen alle Prüfverfahren unter Standard-Klimabedingungen von 50 % rF und 23 °C durchgeführt werden. Das Prüfmuster muss vor der Prüfung zuerst bei etwa 35 % rF und 23 °C klimatisiert werden. Auf diese Weise können die Proben immer unter gleichen Feuchtigkeitsbedingungen geprüft werden. Das abgebildete Diagramm gilt für Kartonqualitäten, die aus bestimmten Rohstoffen hergestellt werden. Kartonsorten mit einer anderen Faserzusammensetzung ergeben andere Diagrammkurven.


  Kartonsorte
  Kartonsorte
  Kartonsorte
Feuchtigkeitsgehalt
  Hohe Dichte
(GZ) %
  Mittlere Dichte
(GD, GT) %
  Geringe Dichte
(GC) %
Feuchtigkeitsgehalt des Kartons bei 15 % rF
  ~3.2
  ~3.6
  ~3.9
Feuchtigkeitsgehalt des Kartons bei 50 % rF
  ~6.0
  ~6.7
  ~7.2
Feuchtigkeitsgehalt des Kartons bei 90 % rF   ~11.5   ~12.0   ~13.5

 

Feuchtigkeitsausdehnungskoeffizient

Der Feuchtigkeitsausdehnungskoeffizient (ß) wird definiert als relative Maßänderung in Prozent dividiert durch die entsprechende Änderung des Feuchtigkeitsgehalts im Karton.

ΔL    = Längenänderung aufgrund der Feuchtigkeitsausdehnung
ΔMC    = Änderung des Feuchtigkeitsgehalts in der Kartonprobe

ß ist abhängig von der Kartonsorte und praktisch als Kon-
stante zu betrachten.

ΔrF    = Änderung der relativen Luftfeuchtigkeit

Der Feuchtigkeitsausdehnungskoeffizient für einen typischen Karton ist in Querrichtung (CD) dreimal so groß wie in Längsrichtung (MD) des Bogens. In Dickerichtung ist er zehnmal so groß wie in Querrichtung.

Auch hier spielt der Hystereseeffekt eine Rolle, da der Feuchtigkeitsgehalt im Karton ebenfalls davon abhängt, ob der Karton aus einer trockenen oder einer feuchten Umgebung kommt.

In einer Umgebung mit einer relativen Feuchtigkeit von 50 % befindet sich die Gleichgewichtsfeuchtigkeit im Karton zwischen dem oberen und dem unteren Teil der rechts abgebildeten Hysteresekurve.

Der Karton soll bei einer relativen Luftfeuchtigkeit von ca. 50 % bei 20 °C bedruckt und verarbeitet werden können. Er wird daher mit einem etwas höheren Feuchtig-keitsgehalt hergestellt, um die normale Trocknung zu berücksichtigen. Mit einer feuchtigkeitsbeständigen Umverpackung wird der Karton vor zu starker Austrock-nung geschützt.


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Parameter
  Berechnung
Änderung des Feuchtigkeitsgehalts von 7 % auf 6,5 %
  ΔMC = 7 – 6.5 = 0.5 %
Ausdehnungskoeffizient (CD)
  ßMC = 25 · 10-2 % / %
Maßänderung (%)
  ßMC × ΔMC = 25 · 10-2 × 0.5 = 0.125%
Bogenformat (CD)
  500 mm
Maßänderung (mm)   500 × 0.125 % = 0.6 mm

 

  Längsrichtung Querrichtung
Typische ß-Werte (GZ) 8.5 × 10-2 25 × 10-2

 

Beispiel für die Veränderung des
Feuchtigkeitsgehalts.
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Es ist sehr wichtig, dass der Karton vom Drucken und Verarbeiten bis hin zum Abpacken und Gebrauch richtig gehandhabt und gelagert wird (siehe auch die Empfehlungen unter „Technische Informationen“ im Produktkatalog).

In der Praxis folgt der Karton während des Druck- und Weiterverarbeitungsvorgangs dem oberen Teil der gezeigten Kurve. Das bedeutet, dass die Änderungen von Feuchtigkeitsgehalt und Feuchtigkeitsausdehnung nur zwischen Punkt 1 und 2 liegen.

Wenn der Feuchtigkeitsgehalt des Kartons unter 50 % liegt, sind Gleichgewichtsfeuchtigkeit und Form nicht mehr berechenbar. Der veränderte Feuchtigkeitsgehalt führt zu einer Ausdehnung, deren genaue Ausprägung davon abhängt, wo die Gleichgewichtsfeuchtigkeit auf der vertikalen Linie zwischen den Punkten 2 und 3 liegt.

Die oben beschriebene Situation gilt für die gesamte Lebensdauer des Kartons von der Lagerung und Verarbeitung über die Abpackung bis hin zur Anwendung.

Multipliziert man den Feuchtigkeitsausdehnungskoeffizienten mit der tatsächlichen Änderung des Feuchtigkeitsgehalts des Kartons, ergeben sich die Maßänderungen des Kartonbogens. Die absolute Änderung in mm kann dann einfach wie in dem obigen Beispiel berechnet werden.

Da der Feuchtigkeitsausdehnungskoeffizient spezifisch für die Kartonqualität ist, treten bei anderen Kartonquali-täten auch unterschiedliche Maßänderungen auf.

Kartonauswahl

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Bei allen Anwendungsmöglichkeiten von Karton (Grafikbereich und Verpackung) ist es wichtig, dass die Kartonbogen ihre Planlage beibehalten. Formänderungen führen zu schlechten Laufeigenschaften in den Druck-, Verarbeitungs- und Abpackverfahren. Bei allen Grafikanwendungen, z. B. Postkarten, Bucheinbänden usw., ist die Form des Endprodukts ebenfalls von größter Bedeutung.

Karton reagiert sehr empfindlich auf Feuchtigkeitsände-rungen. Der Wechsel zwischen Umgebungen mit unterschiedlicher Luftfeuchtigkeit führt zu Veränderungen in Form und Maßen des Kartonbogens. Karton ist unter bestimmten Umgebungsbedingungen plan. Weichen die Umgebungsbedingungen von dieser Definition ab, wird die Form des Kartons instabil. Für die Kartonherstellung werden daher Informationen über die Umgebungsbe-dingungen benötigt, unter denen das Produkt verwendet werden soll. Da Karton aus Zellulosefasern besteht, ist kaum zu verhindern, dass der Karton sich der Umgebungs-feuchtigkeit anpasst. Jede Feuchtigkeitsänderung verändert den Faserdurchmesser und damit die Kartonform. Je nach Faserart und Behandlungsverfahren weisen verschiedene Kartonqualitäten unterschiedliche Formänderungen auf.

Chromokarton und vollgebleichter Zellstoffkarton werden aus Primärfasern hergestellt. Ihr Verhalten unter unterschiedlichen klimatischen Bedingungen ist daher berechenbar.

Merkmale der Planlage und Dimensionsstabilität

Planlage und Dimensionsstabilität entsprechen dem Vermögen des Kartons, Änderungen im Feuchtigkeitsgehalt der Umgebungsluft zu widerstehen.

Beurteilung der Roll- und Verdrehungsneigung

Die Form von Karton wird durch seine Neigung zum Rollen und Verdrehen bestimmt. Die Planlage sollte anhand eines einzelnen Kartonbogens beurteilt werden und nicht an einer Palette, da die Form einer Palette durch den Temperaturunterschied zwischen Innen- und Außenseite beeinflusst wird.

Bei einer RollneigungCD befindet sich die Rollachse in Längsrichtung, bei einer RollneigungMD befindet sich die Rollachse in Querrichtung. Die Rollneigung wird als positiv bezeichnet (Downcurl), wenn die Druckseite des Kartons eine konvexe Form aufweist.

Die Rollneigung wird definiert als die Umkehrung des Krümmungsradius 1/r (1/m = m-1). Ist der Bogen plan, nähert sich der Radius ∞ und die Rollneigung geht entsprechend gegen 0.

Rollneigung = 1/r         (Einheit= m-1)

Eine weitere Art der Rollneigung wird durch das Aufwickeln verursacht. Diese Rollneigung erfolgt in Längsrichtung des Kartons und tritt auf, wenn der Karton über längere Zeit fest aufgerollt auf Rollen mit kleinem Kerndurchmesser gelagert wird. Je nachdem, ob die Druckseite oben oder unten ist, kann diese Krümmung positiv oder negativ sein.

Zur Prüfung der Roll- und Verdrehungsneigung wird die Position der Sehnen von neun Kreisbogen gemessen (siehe L&W Roll- und Verdrehungsneigungsprüfer). Zwei Sehnen (C1 und C9) werden in den Abbildungen dargestellt. Wenn diese Sehnen in unterschiedlichen Winkeln zur Horizontalen angeordnet sind, weist die Probe eine Verdrehung auf.

Die Winkeländerung der Sehnen in Längsrichtung ergibt ein Maß für die Verdrehungsneigung.

Δθ    = Winkeländerung im Bogenmaß
Δd    = Bewegung in positiver Längsrichtung (m)

Die Verdrehungsneigung wird als positiv bezeichnet, wenn die Sehnen sich bei Bewegung in Längsrichtung (MD) gegen den Uhrzeigersinn drehen, und als negativ, wenn sich die Sehnen im Uhrzeigersinn drehen.

Der Verdrehungswinkel ist der Winkel zwischen Laufrichtung (MD) und Verdrehungsachse, siehe Abbildung auf der nächsten Seite. Er kann zwischen 0 und +/– 45° liegen.

Wichtige Eigenschaften

Der Grad der Maßänderung und somit der Rollneigung wird hauptsächlich von folgenden Faktoren beeinflusst:
• Art der Fasern und Lagenaufbau
• Grad der Fasermahlung und Masseleimung
• Faserausrichtung (Anisotropie)
• Art und Zusammensetzung der Streichmasse
• Einheitlichkeit der Feuchtigkeitsprofile.

Krümmungsradius.

Rollneigung.

Verdrehung.


Positive und negative Verdrehungsneigung.

Probe zur Messung von Roll- und
Verdrehungsneigung.

L&W Roll- und Verdrehungsneigungsprüfer.
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Messbare Eigenschaften

Roll- und Verdrehungsneigung
Das einfachste Verfahren zur Messung der Rollneigung ist das Ausschneiden einer quadratischen Kartonprobe, die bei 50 % relativer Luftfeuchtigkeit und 23 °C klimatisiert wird und deren Kanten dann in Längs- und Querrichtung mit einem Satz verschiedener Rollradien verglichen werden.

Die Dimensionsstabilität kann überprüft werden, indem die Form der Probe gemessen wird, nachdem der Karton Umgebungen mit verschiedener relativer Luftfeuchtigkeit ausgesetzt wurde (feuchter/trockener).

Der L&W Roll- und Verdrehungsneigungsprüfer misst die Rollneigung, die Verdrehungsneigung und den Verdrehungswinkel von Kartonproben. Darüber hinaus ist eine Beurteilung der durch verschiedene klimatische Bedingungen verursachten Veränderungen, also der Dimensionsstabilität möglich.

Fünf Proben aus der ganzen Breite des Kartonbogens werden eingespannt und einer relativen Luftfeuchtigkeit von 35 %, 50 % oder 65 % ausgesetzt. Mit dem Prüfgerät wird ein Querschnitt des Bogens parallel zur Längsrichtung (MD) beurteilt (siehe Abbildung oben).

In diesem Querschnitt wird angenommen, dass die Krümmung des Bogens den Radius r aufweist. Die Krümmung dieses Querschnitts wird als umgekehrter Radius r (r in m) ausgedrückt. Jede Probe wird neunmal gescannt, was 81 Messpunkte ergibt. Die Proben haben eine Größe von 10 x 10 cm. Ein Korrelationsfaktor gibt an, wie genau die Messungen einem perfekten Kreis entsprechen. Dabei bedeutet 1 die volle und 0 keine Übereinstimmung mit einem Kreis.

 

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