Physikalische Gesetze

Zwei der grundlegendsten physikalischen Eigenschaften, die einen Karton definieren, sind Flächengewicht und Dicke. Diese Eigenschaften informieren uns, welche Menge an Fasern und Streichmasse für einen Quadratmeter Karton verwendet wurden und welche Dicke sich daraus ergibt. Auf der Grundlage von Flächengewicht und Dicke lassen sich die Dichte bzw. ihr Umkehrwert, das Vo-lumen, berechnen. Die Dichte wird oft zur Angabe verwendet, ob ein Karton bei einem bestimmten Flächengewicht über eine große oder geringe Dicke verfügt. Eine geringe Dichte ist z. B. gleichbedeutend mit einem hohen Volumen und einer großen Dicke.

Die meisten Unterschiede in Erscheinungsbild und Leistungsmerkmalen hängen von Art und Menge der verwendeten Faserstoffe ab. Je nach der genauen Faserzusammensetzung, dem Stoffeintrag, dem Strichauftrag und dem Herstellungsverfahren verfügt jede Kartonsorte über bestimmte Eigenschaften. Jedem Kartonhersteller bietet sich im Rahmen natürlicher Grenzen daher eine Vielzahl von Kombinationsmöglichkeiten. Die Hauptzüge dieser Kombinationen zeigen sich in Dicke, Flächengewicht und Dichte.

Das Flächengewicht wird durch die Menge der Fasern und die Menge der Streichmasse festgelegt. Auf dieser Grundlage versucht der Kartonhersteller, die Steifigkeit zu optimieren und gleichzeitig die Festigkeit des Kartons zu erhalten. Innerhalb desselben Flächengewichts führt die Optimierung der Festigkeit durch eine größere Menge an Zellstoff zu einer Erhöhung der Dichte und einem Verlust an Dicke. Bei der Optimierung der Steifigkeit spielen die Dicke oder das Volumen zusammen mit den Festigkeits-eigenschaften der Außenlagen eines mehrlagigen Kartons eine wichtige Rolle. Streichen und Kalandrieren wirken sich negativ auf die Dicke aus, haben jedoch einen positiven Einfluss auf die Druck- und Veredelungsergebnisse. Eine große Menge an Streichmasse begrenzt außerdem die Menge an Fasern für ein bestimmtes Flächengewicht und reduziert so Festigkeit oder Steifigkeit, je nachdem, auf welche Art von Fasern zum Gewichtsausgleich verzichtet wird.

Die Festigkeitseigenschaften werden oft im Zusammenhang mit der Dichte beschrieben, während Steifigkeit oft in Verbindung mit der Dicke behandelt wird wie im Folgenden ausgeführt.

Messbare Eigenschaften

Flächengewicht (ISO 536)
Das Flächengewicht gibt das Gewicht des Kartons pro Flächeneinheit in g/m2 an.

Prüfverfahren und -geräte
Das Flächengewicht wird an der Kartonmaschine kontinuierlich online gemessen und automatisch mit der Steuerung des Feuchtigkeitsgehalts und des Zellstoffzuflusses verbunden. Zur Überprüfung der Einstellungen der Online-Ausrüstung werden routinemäßig Labortests durchgeführt. Bei diesen Tests werden Kartonbogen eines festgelegten Formats unter kontrollierten Bedingungen gewogen.

Flächengewicht (kunststoffbeschichtete Produkte)
Das Beschichtungsgewicht des Kunststoffs ist das Gewicht pro Flächeneinheit und wird üblicherweise in g/m2 angegeben.

Prüfverfahren und -geräte
Während der Produktion wird das Flächengewicht ständig online mit einem Infrarotgerät gemessen. Für die Einstellung und andere Untersuchungen wird ein gravimetrisches Verfahren verwendet. Das Prinzip ist dabei wie folgt:
1. Eine Probe wird in einer bestimmten Größe ausgeschnitten (normalerweise mit einer Stanze o. ä., 0,5 dm2 oder 1 dm2).
2. Vorsichtig werden alle Fasern vom Kunststofffilm abgespült. Dazu wird die Probe in eine verdünnte NaOH-Lösung getaucht.
3. Die Probe wird getrocknet und gewogen (Waage mit einer Genauigkeit von mindestens 0,001 g).
4. Das Ergebnis wird in g/m2 berechnet.

Wichtige Eigenschaften

Das Flächengewicht wird während des gesamten Zell- stoffzuflusses zu den Stoffauflaufkästen (Vorrichtungen zur Verteilung der Fasern) an der Kartonmaschine kontrolliert. Da im Flächengewicht die Menge der Fasern und der Feuchtigkeitsgehalt des Kartons enthalten sind, spielen diese beiden Faktoren eine wichtige Rolle für die Konstanz und Gleichmäßigkeit des Kartons.

Unter Konstanz verstehen wir möglichst geringe Veränderungen in der Qualität von Karton, der zu unterschiedlichen Zeiten hergestellt wurde, und unter Gleich-mäßigkeit geringe Veränderungen der Eigenschaften über die gesamte Kartonbahn.

Messbare Eigenschaften

Dicke (ISO 534)
Die Dicke ist der Abstand zwischen zwei parallel angeordneten Messvorrichtungen in einem bestimmten Bereich auf beiden Seiten des Bogens und wird in Mikrometern angegeben.

Prüfverfahren und -geräte
Genauso wie das Flächengewicht wird auch die Dicke online in der Kartonmaschine gemessen. Zur Bestimmung der Dicke des Prüfmusters und zur Überprüfung der Einstellungen der Online-Ausrüstung werden Labortests durchgeführt.

Dichte

Mit dem Begriff Dichte wird die Kompaktheit des Kartons beschrieben. Die Dichte wird als Verhältnis von Flächengewicht und Dicke in kg/m3 berechnet. Wird die Dicke bei gleichbleibendem Flächengewicht erhöht, sinkt die Dichte, da sie umgekehrt proportional zur Dicke ist.

Messbare Eigenschaften

Dichte(ISO 534)

Das Volumen ist der Umkehrwert der Dichte und wird in cm3/g angegeben.

Prüfverfahren und -geräte
Die Dichte wird aus den Messwerten für Flächengewicht und Dicke berechnet.

Wichtige Eigenschaften

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Den größten Einfluss auf die Dichte hat die Art der verwendeten Fasern. Mechanisch aufgeschlossene Fasern führen zu einer geringeren Dichte als chemisch aufgeschlossene Fasern. Durch einen mehrlagigen Aufbau kann die Dichte während des Blattbildungsverfahrens reduziert werden. Dabei werden Faserbehandlung und Fasermischung in den einzelnen Kartonlagen zur Optimierung der Dichte eingesetzt.

Die Oberflächenglätte kollidiert mit der Dichte und Steifigkeit, da eine verstärkte Kalandrierung zwecks Optimierung der Glätte zu einer geringeren Dicke führt. Dadurch wird die Dichte vergrößert und die Steifigkeit verringert.

Bei derselben Kartonsorte und konstanter Dichte erhöht sich die Dicke mit steigendem Flächengewicht. Mechanisch aufgeschlossene Fasern führen in der Regel zu einer größeren Dicke als chemisch aufgeschlossene Fasern. Auch durch eine mehrlagige Blattbildung wird die Dicke gegenüber der einlagigen Blattbildung erhöht. Eine stärkere Kalandrierung verringert die Dicke, resultiert jedoch in einer verbesserten Oberflächenglätte.

Grundlegende Zusammenhänge

Grundlegende Zusammenhänge.
Äußeres Erscheinungsbild und Leistungsmerkmale von Karton können u. a. mit folgenden Begriffen beschrieben werden:
• Weiße, Glätte und Glanz
• Chemische Beschaffenheit und Reinheit
• Elastizität, Festigkeit und Dichte.

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Faser- und Kartoneigenschaften

Die meisten der genannten Eigenschaften hängen direkt oder indirekt von der Art und den Merkmalen der verwendeten Rohstoffe, also der Fasern ab.

Für Karton werden hauptsächlich zwei verschiedene Arten von Fasern verwendet, die durch mechanischen oder chemischen Holzaufschluss gewonnen werden. Aufgrund der sehr unterschiedlichen Verarbeitungsverfahren unterscheiden sich auch die Eigenschaften der Faserprodukte (oder Faserstoffe) erheblich. Die wichtigsten Faser- und Kartoneigenschaften sind in der Abbildung auf der vorhe-rigen Seite zusammengefasst.

Jeder Karton muss eine gewisse Weiße und Festigkeit aufweisen, um die Anforderungen an äußeres Erschei-nungsbild und Funktionalität zu erfüllen.

Die gebräuchlichsten Faserstoffe ergeben die in der Abbildung auf der vorherigen Seite gezeigten Kombinationen.

Durch die Mischung von Holzstoff und Zellstoff in mehrlagigem Karton kann der Kartonhersteller den Einsatz der Rohstoffe optimieren und die Kartoneigenschaften auf den speziellen Verwendungszweck ausrichten. Eine Schwierigkeit ist dabei jedoch, dass einige der Anforderungen nicht miteinander vereinbar sind. So ist es z. B. kaum möglich, gleichzeitig größtmögliche Steifigkeit und maximale Festigkeit mit einer bestimmten Faserzusammensetzung zu erzielen.

Das Festigkeits-, Flexibilitäts- und Konsolidierungsver- halten von chemisch aufgeschlossenen Fasern resultiert in stabilen, dichten und festen Kartonprodukten. Mechanisch aufgeschlossene Fasern hingegen ergeben voluminöse und schwache, aber steife Produkte. Da sowohl Steifigkeit als auch Festigkeit sehr wichtige Eigenschaften sind, muss der Kartonhersteller einen optimalen Kompromiss finden.

Die ideale Lösung erreicht er durch verschiedene Behandlungsverfahren, die richtige Mischung der Faserstoffe und das Mehrlagenverfahren. Die sechs Abbildungen zeigen einige physikalische Zusammenhänge bei einlagigen Bogen.

Das Mehrlagenverfahren wird verwendet, um die Steifigkeit zu optimieren und das gewünschte Erscheinungsbild sowie die gewünschten Oberflächeneigenschaften bei minimalem Faserverbrauch zu erreichen. Bei einem Chromokarton wird der voluminöse Holzstoff für die mittleren Lagen und der dichte, feste und glatte Zellstoff für die äußeren Lagen eingesetzt. Eine zusätzliche Oberflächenveredelung wird durch das Aufbringen eines Pigmentstrichs erzielt. Selbst wenn für alle Lagen 100 % Zellstoff verwendet wird, werden die einzelnen Lagen unterschiedlichen Behandlungsverfahren unterzogen, um die Vorteile der Mehrlagigkeit nutzen zu können.

Bei einer bestimmten Faserzusammensetzung und einem bestimmten Lagenaufbau hängt die Steifigkeit in hohem Maße von der Dicke des Kartons ab. Theoretisch verhält sich die Steifigkeit proportional zur Dicke im Quadrat. Die Festigkeitseigenschaften sind normalerweise proportional zum Gewicht (Flächengewicht).

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Kartonqualitäten und ihre Eigenschaften

Die gebräuchlichsten Faserstoffe, die bei der Herstellung von Karton zum Einsatz kommen, werden mittels mechanischer und chemischer Verfahren aus Holz (Primärfasern) und aus Altpapier (Sekundärfasern) gewonnen. Aufgrund der unterschiedlichen Merkmale dieser Faserstoffe werden sie für vier verschiedene Kartonsorten eingesetzt:
• Gebleichte Zellstoffe - vollgebleichter Zellstoffkarton (GZ)
• Ungebleichte Zellstoffe - ungebleichter Zellstoffkarton (SUB)
• Überwiegend aus Holzstoffen - Chromokarton (GC)
• berwiegend aus Sekundärfasern - Chromo-Duplex-Qualitäten (GD, GT).

Die meisten Unterschiede in Erscheinungsbild und Leistungsmerkmalen hängen von Art und Menge der verwendeten Faserstoffe ab. Je nach der genauen Faserzusammensetzung und dem Herstellungsverfahren verfügt jede Kartonsorte über bestimmte Eigenschaften. Jedem Kartonhersteller bietet sich im Rahmen natürlicher Grenzen daher eine Vielzahl von Kombinationsmöglichkeiten.

Es ist in jedem Fall wichtig, das gewünschte Erschei-nungsbild und die erforderlichen Leistungsmerkmale auf die spezifischen Eigenschaften des Kartons abzustimmen. Auf der Grundlage zahlreicher Testdaten für verschiedene Qualitäten und der fachmännischen Auswertung dieser Daten können einige typische, faserabhängige Unterschiede festgestellt werden. Die angegebenen Werte können sowohl nach oben als auch nach unten verändert werden, allerdings nur innerhalb bestimmter Grenzen, die durch Art und Menge der Fasern, Lagenzusammensetzung und Herstellungsbe- dingungen gegeben sind.

Steifigkeit – Festigkeit – Erscheinungsbild

Steifigkeit und Festigkeit sind zwei grundlegende Kartoneigenschaften, die einen großen Einfluss auf die mechanischen Leistungsmerkmale von Karton haben. Diese Eigenschaften sind von entscheidender Bedeutung für die Schutzfunktionen des Kartons, beeinflussen aber auch seine Form und optische Erscheinung.

Die physikalischen Gesetze schließen die gleichzeitige Maximierung von Festigkeit und Steifigkeit aus. Jede Anwendung stellt einen Kompromiss zur Findung des optimalen Gleichgewichts zwischen diesen beiden Faktoren dar.

Faserarten

Die physikalischen Kartoneigenschaften sind in erster Linie von Typ und Menge der verwendeten Fasern abhängig. Während diese die wichtigsten Faktoren sind, die die meisten Eigenschaften beeinflussen, wird die Biegesteifigkeit vor allem von der Faserzusammensetzung und dem Lagenaufbau bestimmt, genauer gesagt davon, ob der Karton aus einer oder mehreren Lagen besteht.

Bei der Kartonherstellung werden hauptsächlich zwei Faserarten verwendet, mechanisch oder chemisch aufgeschlossene Fasern. Da die Verfahren für den mechanischen und chemischen Holzaufschluss große Unterschiede aufweisen, verfügen auch die beiden Faserarten über entsprechend unterschiedliche Eigenschaften.

Wenn ein Papierprodukt wiederverwertet wird, stammen die Sekundärfasern immer noch ursprünglich aus denselben beiden Quellen, d. h. sie sind Holz- oder Zellstofffasern. Während des Recyclingvorgangs werden die Fasern verunreinigt und stark beansprucht (verlieren an Festigkeit). Je nach Anwendung beträgt die maximale Anzahl der möglichen Recyclingzyklen theoretisch sieben bis acht, doch in vielen Fällen sind es je nach Art des ursprünglichen Aufschlussverfahrens usw. nur zwei bis vier Zyklen. Damit die gewünschte Qualität der Recyclingprodukte beibehalten werden kann, müssen stets Primärfasern zugeführt werden. Typische Werte für die verschiedenen Faserarten sind der Abbildung links zu entnehmen.

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