Oberflächenstruktur und -glätte

Oberflächenstruktur und Oberflächenglätte stehen in einem Zusammenhang. Zwei Kartonprodukte mit dem gleichen Wert für die Oberflächenglätte können jedoch durchaus unterschiedliche Oberflächenstrukturen haben. Aus dem Grad der Oberflächenglätte können Rückschlüsse auf die Bedruckbarkeit, die Druckfarbenabsorption und andere Eigenschaften gezogen werden, aber dieser Wert gibt keine Informationen über das Muster der Oberflächenstruktur oder über die Probleme, die dadurch bei der Verarbeitung des Kartons entstehen können. Die Oberflächenglätte wird durch Messung der Oberflächenrauigkeit geprüft.

Oberflächenstruktur und -glätte sind Eigenschaften, die einen großen Einfluss haben auf:
• das allgemeine äußere Erscheinungsbild
• das Erscheinungsbild hinsichtlich Druck- und Lackglanz
• en visuellen Eindruck von kaschiertem und kunststoffbeschichtetem Karton.

Die Oberflächenbeschaffenheit von Karton kann sehr unterschiedlich sein und hängt von Rohstoffen, Herstellungsverfahren und Oberflächenveredelung ab. Die Kartonoberfläche ist auf den ersten Blick glatt und eben; wenn man mit der Hand über die Oberfläche streicht, sind keine Unregelmäßigkeiten festzustellen. Bei genauerer Betrachtung unter Beleuchtung aus spitzem Winkel wird jedoch bereits mit bloßem Auge eine dreidimensionale Landschaft sichtbar. Dieses topographische Muster nennt man Oberflächenstruktur.

Die Struktur der Oberfläche kann selbstverständlich auch absichtlich durch Prägung verändert werden. In den meisten Fällen bezieht sich der Begriff Oberflächenstruktur jedoch auf die unerwünschten topographischen Unregelmäßigkeiten in der Oberfläche. Die Auswirkungen der Oberflächenstruktur zeigen sich in vielen Fällen erst dann, wenn der Karton bedruckt, lackiert oder kaschiert worden ist bzw. die Verpackungsmaschinen durchlaufen hat und ausgeliefert wurde. Solche Unregelmäßigkeiten werden dann häufig als Fehler angesehen. Bei anderen Anwendungen beeinträchtigt die Oberflächenstruktur die ästhetische Wirkung des Produktes nicht oder optimiert sie sogar.

Kartonauswahl

Wenn das optische Erscheinungsbild des Kartonprodukts von entscheidender Bedeutung ist, spielt die Oberflächenglätte eine wichtige Rolle. Soll der Karton kaschiert oder heißfoliengeprägt werden, sind die Anforderungen an die Oberflächenglätte noch höher. Die Oberflächenstruktur wird in der Regel erst sichtbar, wenn der Karton bedruckt, lackiert oder kaschiert worden ist. Eine Erprobung der Veredelungsverfahren an der ausgewählten Kartonsorte ist daher wichtig. Bei der Auswahl muss auch das jeweilige Druckverfahren bekannt sein, da die verschiedenen Verfahren unterschiedliche Anforderungen an die Glätte stellen.

Rohstoff, Strichzusammensetzung und Streichverfahren haben Auswirkungen auf die Glätte. Die glatteste Oberfläche erhält man durch die Verwendung von gebleichtem Zellstoff, der bei vielen Kartonsorten für die Außenlagen verwendet wird. Zur Verbesserung der Oberflächenglätte stehen verschiedene Verfahren wie Kalandrierung und Bürstenglättung zur Verfügung.

Merkmale der Oberflächenglätte

Bei grafischen Erzeugnissen ist die Oberflächenglätte eine der wichtigsten Eigenschaften des Kartons.

Die Oberflächenglätte beeinflusst:
• Druck und Lackierung
• Kaschierung und Kunststoffbeschichtung

Für den Druck wird nicht unbedingt der höchste Glättegrad benötigt, obwohl für eine hohe Auflösung im Druck und eine brillante Bildwiedergabe eine glatte Oberfläche erforderlich ist. Entscheidender für ein zufriedenstellendes Druckergebnis ist jedoch die gleichmäßige Glätte der gesamten Oberfläche.
Die Anforderungen an die Glätte sind in hohem Maße vom gewählten Druckverfahren abhängig. So sind diese Anforderungen für den Offsetdruck in der Regel geringer als für den Tiefdruck. Vor allem Wegschlagverhalten, Druckfarbenabsorption und Farbtrocknung haben einen Einfluss auf die Druckqualität; der Zusammenhang zwischen Oberflächenglätte und Druckqualität ist beim Offsetdruck innerhalb eines angemessenen.

 

Die Oberflächenstruktur wird durch Folienkaschierung oft hervorgehoben.

Glättebereichs weniger ausgeprägt als bei anderen Druckverfahren. Weitere Informationen über die verschiedenen Druckanforderungen siehe Teil 4 „Druck und Weiterverarbeitung“.

Bei manchen Anwendungen ist eine gewisse Rauigkeit erforderlich, um Reibung sicherzustellen und so ein Ablegen der Druckfarbe oder eine Verblockung der Bogen zu vermeiden. Dies betrifft vor allem beidseitig kunststoff- beschichteten Karton. Zur Gewährleistung störungsfreier Maschinendurchläufe sollte die Rückseite hier nicht zu glatt sein.

Unterschiedlicher Aufbau der Kartonlagen

Die Art des Zellstoffs in den Außenlagen des Kartons hat einen großen Einfluss auf die Oberflächenglätte. Deshalb wird Karton, an den besonders hohe Ansprüche hinsichtlich des visuellen Erscheinungsbildes gestellt werden, mit gebleichtem Zellstoff in den Außenlagen hergestellt.

Der Aufbau der Trockenpartie ist wichtig für die Herstellung von Chromokarton (GC), da die Oberflächenglätte bei gleichbleibender Steifigkeit und Dicke durch den Einsatz eines Glättzylinders erreicht werden kann, was eine weitere starke Kalandrierung überflüssig macht.

Wichtige Eigenschaften

Die Auswahl von Rohstoffen und die Herstellungstechnik sind für die Erreichung der gewünschten Glätte von entscheidender Bedeutung. Verschiedene Techniken der Oberflächenveredelung werden zur Verbesserung der Oberflächenglätte eingesetzt.

Eine deutliche Verbesserung der Glätte wird durch die Kalandrierung des Kartons erreicht. Bei der Kalandrierung wird der Karton unter Druck zwischen Stahlzylindern hindurchgeführt, wodurch die Unregelmäßigkeiten im Karton verringert werden. Starke Kalandrierung kann einen Verlust an Steifigkeit und Dicke zur Folge haben. Bei der Oberflächenleimung wird der Basiskarton mit einer Stärkelösung imprägniert, oftmals unter Zusatz von Strichpigmenten. Dieser Vorgang kann auch als einfacher Vorstrich bezeichnet werden.

Das Streichen der Oberfläche ist die letzte Optimierung der Glätte. Die Streichmasse enthält Pigmente und Bindemittel und wird in einer oder mehreren Schichten aufgetragen. Bürstenglätten verändert die Form der Oberfläche nicht, sorgt jedoch für einen gleichmäßigen Glanz.

Messbare Eigenschaften

Oberflächenrauigkeit (ISO 8791)
Die Oberflächenglätte wird mit einem Wert für die Oberflächenrauigkeit angegeben. Je niedriger dieser Wert ist, desto glatter ist die Oberfläche.

Prüfverfahren und -geräte

Das Messprinzip für die beiden am häufigsten angewandten Verfahren basiert auf der Messung des Lufttaustritts zwischen der Kartonoberfläche und der Messfläche des Instruments.

Das meistverwendete Messinstrument für die Feststellung der Oberflächenrauigkeit von gestrichenem Karton ist heutzutage das PPS-Rauigkeitsmessgerät (Parker Print-Surf Roughness Tester). Das Messergebnis wird als Durchschnittswert der Oberflächenprofiltiefe in Mikrometern (μm) angegeben. Hierbei steht ein kleinerer Wert für größere Glätte. Messungen verschiedener Kartonqualitäten sind aufgrund von Unterschieden in der Oberflächenstruktur, Porosität und Komprimierbarkeit nicht direkt mit- einander vergleichbar. Für rauere, ungestrichene Oberflächen hat sich das Bendtsen-Verfahren/Prüfgerät als besser geeignet erwiesen. Hierbei werden die Messwerte als Gesamtluftaustritt in Millilitern pro Minute (ml/min) angegeben, wobei eine glattere Oberfläche einen geringeren Messwert ergibt.


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Glanz

Der Glanz einer Papieroberfläche ist ebenfalls eine wichtige optische Eigenschaft. In diesem Fall bezieht sich der Begriff Glanz auf den Grad der Spiegelung durch die Oberfläche. Gemessen wird der Glanz einer Oberfläche durch Beleuchtung der Oberfläche mit einem gebündelten Lichtstrahl, der in einem bestimmten Winkel einfällt. Die Oberfläche reflektiert das Licht in verschiedene Richtungen. Die Intensität des reflektierten Lichts wird in diesen verschiedenen Winkeln gemessen. Die Intensität variiert je nach Richtung, weil in einige Richtungen mehr Licht reflektiert wird als in andere. Glanz ist ein Eindruck, der von den Oberflächeneigenschaften des Papiers, der Art der Beleuchtung, dem Einfallswinkel des Lichts und der Fähigkeit des menschlichen Gehirns abhängt, Reflexionen wahrzunehmen.

Messbare Eigenschaften

Glanz (ISO 8254-1)
Ein konventionelles Glanzmessgerät ist ein Reflektometer mit gebündelt einfallendem Licht (75° zwischen dem einfallenden Lichtstrahl und der Normale durch den Auftreffpunkt). Das Glanzmessgerät misst in der Richtung der Spiegelung und erfasst normalerweise den Prozentanteil des Lichts, der reflektiert wird. Es gibt auch Messverfahren, die mit anderen Winkeln wie 20° oder 60° arbeiten.

Prüfverfahren und -geräte

Glanzwerte hängen vom Einfallswinkel des Lichts ab, wobei spitze Winkel niedrige Werte und stumpfe Winkel hohe Werte ergeben. Das bedeutet, dass Hochglanzoberflächen bei Lichteinfall aus spitzem Winkel gemessen werden sollten, um eine bessere Differenzierung zu erzielen. Schwach glänzende Oberflächen sollten dementsprechend eher bei Lichteinfall aus stumpfem Winkel geprüft werden.

Unbedruckte Kartonprodukte werden mit einem Einfallswinkel von 75° gemessen und spezifiziert. Der Glanzwert von bedruckten und lackierten Oberflächen wird in einem Winkel von 60° gemessen.

 

Wichtige Eigenschaften

Zur Steigerung des Glanzes einer beschichteten Kartonoberfläche werden Verfahren wie Kalandrierung oder Bürstenglättung eingesetzt.

Um einen Verlust an Dicke und damit an Steifigkeit zu vermeiden, muss die Kalandrierung mit relativ weichem Material durchgeführt werden.

Wichtige Faktoren mit Auswirkungen auf den potentiellen Glanzgrad sind:
• die Strichzusammensetzung (Art des Pigments und Bindemittels sowie das Mischungsverhältnis dieser beiden Komponenten)
• das Streichverfahren
• die Ausrüstung zum Kalandrieren und Hochglanzbürsten
• die Oberfläche des Basiskartons.

Die gleichmäßige Faserverteilung und die Behandlung des Basiskartonbogens sind entscheidende Faktoren zur Vermeidung von Glanzunregelmäßigkeiten.


Kartonoberfläche bei Lichteinfall in spitzem Winkel. Klicken zum Vergrößern.

Merkmale der Oberflächenstruktur

Jeder Karton hat eine Oberflächenstruktur, die unverwechselbar ist wie ein Fingerabdruck. Die Art des Faserstoffs, der Kartonaufbau, die Streichtechnik usw. bestimmen diesen Fingerabdruck. Ein erfahrener Kartonhändler kann einen Karton allein anhand der Oberflächenstruktur erkennen. Die Oberflächenstruktur beeinflusst das Erscheinungsbild der Oberfläche, und da die Struktur jedes Kartons einmalig ist, kann sie auch zur Einzigartigkeit des Endergebnisses beitragen. Der Einfluss der Oberflächenstruktur kann jedoch in den meisten Fällen vernachlässigt werden. Eine gewisse Art und ein gewisser Grad der Oberflächenstruktur sind häufig akzeptabel, solange sie unverändert bleiben. In anderen Fällen können Abweichungen in der Struktur problematisch sein. Manchmal können wahllos verteilte Oberflächenfehler akzeptiert werden und manchmal nicht. Grundsätzlich kann festgestellt werden, dass Unregelmäßigkeiten umso deut- licher sichtbar werden, je glänzender die Oberfläche ist.

Aufgrund der unregelmäßigen und porösen Eigen- schaften von Karton besteht die größte Herausforderung für den Kartonhersteller darin, die Unregelmäßigkeiten durch die Auswahl und Behandlung der Fasern, die gleichmäßige Verteilung bei der Blattbildung, einen einwandfreien Strich und die Oberflächenveredelung soweit wie möglich zu minimieren.

Wichtige Eigenschaften

Folgende Faktoren haben Auswirkungen auf die Oberflächenstruktur:
• Art des Zellstoffs, Grad der Mahlung
• Blattbildung, mehrlagiger Aufbau
• Bespannung der Kartonmaschine
• Streichtechnik und Strichzusammensetzung
• Oberflächenveredelung.

Prüfverfahren

Es gibt keine vereinbarten Industrienormen zur Messung der Oberflächenstruktur. Die Wirkung der Oberflächenstruktur wird subjektiv per Augenschein beurteilt. Es gibt einige Verfahren, um Parameter zu bestimmen, die einen indirekten Einfluss auf die Oberflächenstruktur haben.

Dazu gehören folgende Verfahren zur Prüfung der Oberflächenstruktur:
1. Visuelle Beurteilung bei Lichteinfall aus spitzem Winkel.
2. LandSco®-Beleuchtung zur visuellen Prüfung der Oberflächenstruktur. Dies ist ein System aus drei starken Punktstrahlern, die in einem festgelegten spitzen Winkel auf einen großen, flachen Kontrollbereich auf dem Karton gerichtet werden, um eine gleichmäßige Ausleuchtung einer möglichst großen Fläche zu erreichen.
3. Zur dauerhaften Dokumentation der Oberflächenbeschaffenheit eignen sich Fotos mit einer Kamera, die mit einem Mikroskop von zehnfacher Vergrößerung und einer Faseroptik für spitze Winkel ausgerüstet ist.
4. Für das Mikroskopbild kann ein Bildanalysegerät eingesetzt werden, das auf dem Wege der Computeranalyse die Oberflächenbeschaffenheit darstellt und den Grad der Oberflächenrauigkeit einschätzt.
5. Direkte quantitative Verfahren zur Darstellung der Oberflächenkonturen basieren auf einer dreidimensionalen Oberflächenmessung. STURE, ein Laserprofilometer, arbeitet mit Dreiecksaufnahmen, um eine dreidimensionale „Landkarte“ des geprüften Kartons zu erstellen. Aus diesem Bild lässt sich die Menge der kleinen und großen Unregelmäßigkeiten berechnen und als topographischer Wert für den Karton zusammenfassen. Je niedriger der Wert, desto glatter die Oberfläche. 


Prinzip eines Laserprofilometers zur Erfassung der Oberflächentopographie.
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