Absorption, Wegschlagen und Trocknung

Die Oberflächen von Produkten für grafische Anwendungen und Verpackungen werden bedruckt und lackiert, um den hohen Anforderungen an die Werbewirksamkeit und Funktionalität gerecht zu werden. Diese bedruckten und lackierten Oberflächen müssen natürlich völlig trocken sein, um ein Abfärben, Scheuern, Abreiben oder Verschmieren bei normalem Gebrauch zu verhindern.

Eine kalkulierbare und zuverlässige Wechselwirkung zwischen der Oberfläche und den Druckfarben und Klebstoffen erreicht man durch die sorgfältige Auswahl der Strichpigmente sowie durch die Oberflächenleimung und Spaltfestigkeit.

Druck

Während des Druck- und Lackiervorgangs ist es erforderlich, dass Druckfarben und Lacke eine bestimmte Viskosität aufweisen, damit die Übertragung vom Farbkasten oder Farbbehälter über Druckplatte, Zylinder oder Walze auf die zu bedruckende oder lackierende Oberfläche erleichtert wird. Die Farben- oder Lackbestandteile, die diese Viskosität sicherstellen, werden Bindemittel genannt. Typische Bindemittel sind trocknende Öle auf Leinöl-Basis, organische Lösungsmittel und Wasser. Die Wahl des entsprechenden Bindemittels hängt von der Art der Druckfarbe oder des Lacks und dem Druckverfahren oder der entsprechenden Auftragstechnik ab. Wenn die Oberfläche kunststoffbeschichtet oder folienkaschiert ist, kann die Oberflächenspannung zum Bedrucken zu gering sein. Die Oberfläche kann dann zur Verbesserung der Druckeigenschaften behandelt werden. Dies kann durch eine Flamm- oder eine Coronabehandlung erfolgen. 

Messbare Eigenschaften

Oberflächenspannung
Die Oberflächenspannung einer bestimmten Flüssigkeit, die als dünner Film auf eine Oberfläche aufgetragen nicht innerhalb von 2 Sekunden abperlt, dient als Maßstab für die Benetzbarkeit der Oberfläche. Die Oberflächenspannung einer Kunststoffoberfläche ist in der Regel zu gering zum Bedrucken und Kleben. Die Oberfläche wird daher einer Coronabehandlung unterzogen. Das führt zu einer leichten Oxidation der Kunststoffoberfläche, wodurch sich ihre Polarität ändert. Dies lässt sich durch Messungen der Oberflächenspannung feststellen.

Prüfverfahren und -geräte
Es werden Stifte mit Lösungen verwendet, die genau definierte Werte für die Oberflächenspannung erzeugen. Zur Prüfung der Oberflächenspannung wird eine breite Linie dieser Lösung auf die coronabehandelte Kunststoffoberfläche aufgetragen. Bleibt der durch die Prüflösung erzeugte Flüssigkeitsfilm für mehr als 2 Sekunden stabil, wird mit einer Lösung mit höherer Oberflächenspannung geprüft. Bleibt der Film weniger als 2 Sekunden stabil, wird mit einer Lösung mit geringerer Oberflächenspannung geprüft. Durch eine systematische Fortsetzung dieser Prüfung kann der richtige Wert gefunden und in dyn/cm ausgedrückt werden.

 

Die zu bedruckenden Oberflächen sind entweder nichtabsorbierend, wie z. B. Kunststoffe, Metall- oder Glasflächen, oder absorbierend, wie z. B. pigmentge- strichene Kartonoberflächen. Um nach dem Druckvorgang ein Trocknen der Druckfarben und Lacke ermöglichen zu können, müssen die Bindemittel entweder durch Verdunsten entfernt oder durch eine chemische Änderung des Aggregatzustandes verfestigt werden. Beim Drucken und Lackieren besteht also ein direkter Zusammenhang zwischen der Absorptionsfähigkeit des Kartons und dem Trocknungsprozess.

Beim Drucken muss der Grad der Trocknung ein schmierund abfärbungsfreies Erzeugnis gewährleisten und gegebenenfalls den Anforderungen des vorgesehenen Einsatzbereichs in Bezug auf Geruch und Geschmack entsprechen. Während der folgenden Weiterverarbeitung müssen die bedruckten und lackierten Oberflächen trocken sein, um Strapazierfähigkeit zu gewährleisten und Abrieb bei der Handhabung und in Veredelungsverfahren zu vermeiden.

Der Endanwender fordert vollständig trockene bedruckte und lackierte Oberflächen, um Abrieb bei der Abpackung und Handhabung sowie Oberflächenreibung während der Distribution zu vermeiden. Der Endanwender ist außerdem daran interessiert, den Verbraucher mit Produkten zu versorgen, die bei Gebrauch nicht abfärben.

Die volle Durchtrocknung von Druckfarben und Lacken ist auch wichtig, um Geschmacks- oder Aromaveränderungen bei empfindlichem Packgut wie Schokolade, Süß- und Tabakwaren zu vermeiden.

Kartonauswahl

Für bedruckten oder lackierten Karton ist das Absorptions- und Trocknungsverhalten vor allem bei Hochgeschwindigkeitsdruckverfahren von entscheidender Bedeutung. Ungenügende Absorptionsfähigkeit und schlechte Trocknungseigenschaften können zu Abrieb und Verschmieren führen. Die Absorptionsfähigkeit des Kartons muss auf der ganzen Oberfläche gleichmäßig sein, damit Farbschwankungen oder Mottling der Druckfarbe beim Druck vermieden werden.

Die Art der Fasern, die Kartonbehandlung und die Zusammensetzung der Streichmasse bestimmen in hohem Maße die Absorptionsfähigkeit eines Kartons. Aber auch Farb- und Lackzusammensetzung spielen für die Absorption und Trocknung eine große Rolle.

Sowohl Chromokarton (gebleichter Zellstoff in den Außenlagen und Holzstoff in den Mittellagen) als auch vollgebleichter Zellstoffkarton (reiner gebleichter Zellstoff) verfügen über ein gutes Absorptions- und Trocknungsverhalten. Dies ist hauptsächlich auf ihre kalkulierbaren Eigenschaften zurückzuführen.

Merkmale von Absorption und Trocknung

Abhängig vom Typ der Druckfarbe oder des Lacks und vom Auftragsverfahren kann man den Trocknungsprozess auf verschiedene Art und Weise herbeiführen. Das Bindemittel muss entweder entfernt oder in einen festen Zustand umgewandelt werden.

Trocknung durch Verdunstung

Enthält das Bindemittel organische Lösungsmittel wie z. B. aliphatische Alkohole, Ester, Ketone, Toluole oder Wasser, kann man die Bindemittel mittels thermischer Energie entfernen. Beim Tiefdruck oder Flexodruck wird sofort nach jedem Druckvorgang heiße Luft zugeführt, so dass das Entfernen des Bindemittels praktisch unmittelbar erfolgt – zur Absorption bleibt auf diese Weise kaum Zeit. Bei organischen Lösungsmitteln, die beim Tiefdruck Verwendung finden, müssen die Lösungsmittel unbedingt fast ganz entfernt werden. Zusätzlich zu den Anforderungen an den Trocknungsprozess muss hier nämlich Geschmacks- und Geruchsneutralität sichergestellt sein, wenn der Karton zur Verpackung von Zigaretten und anderen empfindlichen Produkten eingesetzt wird

Beim Bogenoffsetdruck konnte sich in den letzten Jahren die Emulsionsbeschichtung mit Wasser als Bindemittel erfolgreich durchsetzen, da hier das Wasser problemlos mit Heißluft oder Infrarot-Trocknern entfernt werden kann.

Wurde das Bindemittel durch Verdunsten entfernt, bilden Harze und Pigmente (bei Druckfarben) einen Film, der eine feste Bindung mit der Kartonoberfläche eingeht.

Trocknung durch chemische Umwandlung

Gestrichene und ungestrichene Kartonoberflächen haben die Fähigkeit, Druckfarben und Lacke zu absorbieren. Die Absorptionseigenschaften sind dann von besonderer Bedeutung, wenn Druckfarben auf Ölbasis im Bogenoffsetdruck oder im Buchdruck Verwendung finden. Bei diesen Verfahren ist die Absorption die erste Trocknungsstufe. Wenn hochviskose Druckfarbe auf die Kartonoberfläche aufgebracht wird, findet eine sehr schnelle Filtration und Penetration der niederviskosen Bestandteile statt. Dies resultiert im sogenannten Wegschlagen der Druckfarbe. Während des Wegschlagens wird die Druckfarbe oder der Lack auf der Oberfläche bereits so stark gebunden, dass ein Abfärben vermieden wird. Schnelles Wegschlagen ermöglicht Hochgeschwindigkeitsdruckverfahren mit hervorragenden Ergebnissen.

Das Wegschlagverhalten kann vom Kartonhersteller durch folgende Faktoren gesteuert werden:
• Formierung und Behandlung der zu streichenden Faserlage.
• Partikelgröße und -form des mineralischen Pigments (Kaolin, Kalziumkarbonat).
• Art und Menge des Bindemittels.

Diese Eigenschaften ermöglichen eine selektive Filtration durch die Kapillarwirkung auf die niederviskosen Bestandteile der Ölfarben. Erfolgt das Wegschlagen zu schnell, kann eine exzessive Penetration der Druckfarbe oder des Lacks auftreten, die wiederum zu einem schlechten Druckbild (Piling) oder zu schlechter Trocknung führt. Durch höhere Temperaturen steigert sich die Penetration, weil die Viskosität der Druckfarben und Lacke geringer ist.

Der Trocknungsvorgang wird im Stapel durch die Oxidationspolymerisation der trocknenden Öle fortgesetzt. Dies führt zu strapazierfähigen und abriebfesten Drucken und Lackierungen. Leinöl trocknet langsam, jedoch ohne Hilfsmittel. Moderne Ölfarben basieren auf synthetischen Trockenölen, die mit Trockenmitteln versetzt sind, um den Trocknungsvorgang zu beschleunigen.

Für Offsetdruck, Buchdruck, Tiefdruck und Bogen-lackierung wurden auch andere Farbsysteme entwickelt. Diese Farben und Lacke sind nicht mit einem speziellen Bindemittel versetzt. Ihre Viskosität kann mit den aufgeführten Verfahren beeinflusst werden; sie werden unmittelbar nach dem Druckvorgang in der Druck- oder Lackiermaschine mittels UV-Strahlung gehärtet. Der Trocknungs- bzw. Aushärtungsprozess besteht in der vernetzenden Polymerisation eines Harzsystems. Die Reaktion muss mit einem Additiv initiiert werden, das UV-Strahlung absorbiert, damit die Vernetzung der Monomere beginnt. Dabei ist sehr wichtig, dass der bedruckte oder lackierte Bogen so schnell wie möglich nach dem Auftrag der Druckfarbe/des Lacks der UV-Strahlung ausgesetzt wird, damit eine teilweise Absorption der Druckfarbe oder des Lacks durch das Substrat nicht die vollständige Reaktion aller Bestandteile verhindert.

Beurteilung des Absorptions- und Trocknungsverhaltens

Eine Beurteilung des Absorptionsverhaltens kann durchgeführt werden, indem man Druckfarbe auf eine Kartonoberfläche aufbringt und dann das Ergebnis auswertet. Druck- und Lackierverfahren erfordern einen Karton mit gleichmäßigen Absorptionseigenschaften.



Absorption und Wegschlagen. Klicken zum Vergrößern.

Wichtige Absorptionseigenschaften

Kartonoberflächen sind entweder gestrichen oder unge-strichen. In beiden Fällen ist die Oberfläche jedoch in der Lage, Farben und Lacke aufzunehmen.

Die Absorptionsfähigkeit ist von folgenden Faktoren abhängig: Fasertyp, Blattbildung, Behandlung des Kartons und ggf. Rezeptur, Qualität, Auftrag und Glätte des Pigmentstrichs. Diese Kartonmerkmale wirken sich in hohem Maße auf die Glätte und Benetzbarkeit der Oberfläche aus. Diese Eigenschaften beeinflussen wiederum die Haftung der Druckfarbe und des Lacks an der Oberfläche und die Absorptionsfähigkeit der Oberflächen

Eine gleichbleibende Absorptionsfähigkeit muss sowohl innerhalb einer Bestellung als auch von Lieferung zu Lieferung gewährleistet sein, um einwandfreie Druck- und Lackierergebnisse zu erzielen und absorptionsbedingte Mottling-Effekte zu vermeiden.

Wichtige Trocknungseigenschaften

Beim Trocknen durch Oxidationspolymerisation, also beim Offset- und Buchdruck, spielt auch der ph-Wert der Oberfläche eine wichtige Rolle. Liegt der pH-Wert unter 5,0, verzögert sich der Trocknungsvorgang.

Die Wegschlaggeschwindigkeit von Ölfarben im Offset- und Buchdruck ist ebenfalls ein wichtiger Faktor. Nach Ablauf dieser Zeit erfolgt kein Ablegen feuchter Druckfarbe und feuchten Lacks auf der Rückseite der frisch gedruckten oder lackierten gestapelten Bogen.

Messbare Eigenschaften

Oberflächen-pH
Der Oberflächen-pH gibt die Wasserstoffionenkonzentration an, die ein wässriger Oberflächenextrakt enthält. Der richtige Oberflächen-pH ist wichtig für die Druckfarbentrocknung und für Druckfarben, die metallische Pigmente wie Bronze enthalten. Ein niedriger pH-Wert verfälscht die Farbe aufgrund der Oxidation. Normalerweise ist ein pH-Wert von 6 – 8 erforderlich, ein pH-Wert unter 5 gilt als zu niedrig.

Prüfverfahren und -geräte
Ein Tropfen Oberflächen-pH-Lösung wird auf die Kartonoberfläche aufgebracht. Anschließend wird eine pH-Elektrode in die Mitte des Tropfens eingeführt. Nach 90 Sekunden wird der pH-Wert gemessen. Diese Prüfung wird in der Regel sowohl auf der Vorderseite als auch auf der Rückseite des Kartons durchgeführt.

Wichtige Eigenschaften
Unabhängig davon, welches System zur Masseleimung verwendet wird (sauer oder neutral), ist die Art des Pigments, das für den Strich verwendet wird, entscheidend für die Bestimmung des pH-Werts einer Kartonoberfläche.

Prüfverfahren

Die Druckfarbenabsorption wird gemessen, indem eine spezifizierte Farbschicht auf eine Oberfläche aufgetragen wird. Nach Ablauf einer bestimmten Zeitspanne wird die überschüssige, nicht absorbierte Farbe wieder abgewischt. Die Menge der absorbierten Druckfarbe wird als Abnahme des Weißgrads (verursacht durch die Druckfarbe) gemessen. Je höher dieser Wert ausfällt, desto größer ist die Absorption

Das Farbwegschlagverhalten einer absorbierenden Kartonoberfläche wird durch Auflegen einer weißen Papierfläche auf das frische Druckbild geprüft. Je mehr Druckfarbe sich nach einer bestimmten Zeitspanne auf das Papier überträgt, desto schlechter ist die Absorption bzw. das Farbwegschlagverhalten der bedruckten Oberfläche. Diese Prüfung kann mit Probe-druckmaschinen von IGT oder Prüfbau durchgeführt werden. Die genannte Zeit spanne kann zwischen 10 - 20 Sekunden und 5 - 10 Minuten liegen.

Das Trocknungsvermögen der Druckfarbe wird überprüft, indem die bedruckte Fläche in bestimmten Abständen abgerieben und die Zeit aufgezeichnet wird, nach der sich keine Druckfarbe mehr von der Oberfläche löst. Die Trocknungszeiten liegen in der Regel zwischen ca. 1 Stunde bis zu mehreren Stunden. Je kürzer diese Zeitspanne, desto besser ist die Trocknung.

Messbare Eigenschaften

Druckfarbenabsorption
Unter Druckfarbenabsorption verstehen wir die Fähigkeit der Kartonoberfläche, während des Offsetdrucks Druckfarbe aufzusaugen. Ist diese Fähigkeit nur begrenzt vorhanden, kann es zu einem Ablegen der Druckfarbe kommen

Prüfverfahren und -geräte
Diese Prüfung wird gemäß der SCAN-Norm durchgeführt (SCAN-P 70:09) und je nach der verwendeten Prüffarbe als K&N-Test oder Lorilleux-Porometrique-Test bezeichnet. Auf die Kartonoberfläche wird eine 0,1 mm dicke Schicht Spezialfarbe aufgebracht. Nach genau zwei Minuten wird die bis dahin nicht aufgesaugte Farbe abgewischt. Dort, wo Farbe absorbiert wurde, bleibt eine graue Fläche zurück.

An der Prüffläche kann man auch die Gleichmäßigkeit der Absorption erkennen. Eine gleichmäßige Oberflächenabsorption ist unbedingt notwendig. Zeigt die Prüffläche Mottling oder Fleckigkeit, besteht die Gefahr, dass es während des Druckvorgangs ebenfalls zu Mottling kommt, vor allem bei Vollflächendruck.

Wichtige Eigenschaften
Die Druckfarbenabsorption wird von den Bestandteilen der Streichmasse, wie der Art und Größe der Pigmente sowie der Art und Menge des Bindemittels stark beeinflusst. Um Mottling zu vermeiden, müssen sowohl der Basiskarton als auch der Strich ein einheitliches Absorptionsverhalten aufweisen.

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