Probennahme, Probenvorbehandlung und Prüfklima     

Unabhängig davon, welche technologischen Eigenschaften bestimmt werden sollen, die Ergebnisse einer Prüfung können nur dann aussagefähig für eine gewisse Menge Karton sein, wenn die Proben richtig aus dieser entnommen wurden. Auch wenn aus wirtschaftlichen Gründen nur eine geringe Anzahl von Proben gezogen und untersucht werden kann, muss stets gewährleistet sein, dass die untersuchten Proben typisch für die Menge sind, über die eine qualitative Aussage gemacht werden soll. Die richtige Probennahme für die Prüfung von Papier und Pappe (Karton) beschreibt  DIN 53 101.

Die entscheidenden Fragen sind also:

   Wurden die Proben richtig gezogen?

   Reicht die Anzahl der gezogenen Proben aus, um eine verlässliche Aussage treffen zu  können?

Diese Fragen müssen geklärt sein, bevor die eigentliche Prüfung beginnen kann.

Der zweite Punkt, der geklärt werden muss, ist die Frage nach der richtigen Probenvorbehandlung. Nahezu alle Kartoneigenschaften werden durch den Feuchtigkeitsgehalt des Kartons beeinflusst. Um reproduzierbare Messergebnisse zu erzielen, ist eine Klimatisierung der Proben unerlässlich. Hierfür liegt DIN 53 102 vor. Die Proben sollten vor der Durchführung von physikalischen Untersuchungen in einer Klimakammer oder einem klimatisiertem Raum so gelagert werden, dass ein Klimaaustausch von allen Seiten möglich ist. Eine Dauer von 24h bei 23°C % r.F. ist erforderlich. Folgerichtig ist dann die Prüfung in einem Prüfraum durchzuführen, der die gleiche klimatischen Vorraussetzungen erfüllt. Mit DIN 50 014 wurden so genannte Normklimate, oder auch Prüfklimate genannt, festgelegt. Für die Papier- und Kartonprüfung eignet sich das oben genannte Prüfklima besonders. Das Prüfklima 23°C/50 % r.F. sollte möglichst konstant gehalten werden. Folgende Abweichungen sind nach DIN zulässig: Temperatur +/- 1°C und relative Feuchtigkeit +/- 3%. Wogegen sich stärkere Abweichungen bei der rel. Feuchte sehr leicht negativ bemerkbar machen, sind etwas größere Temperaturschwankungen nicht so gravierend.

Sind diese Vorraussetzungen erfüllt, wird die Interpretation und gegebenenfalls Diskussion der Messergebnisse mit Lieferanten und/oder Kunden erheblich erleichtert. In Fällen, in denen keine normgerechte Prüfung möglich ist, z.B. weil kein Klimaraum zur Verfügung steht, sollte zumindest festgehalten werden, bei welchem Klima geprüft wurde. Ein Thermo- Hygrograph ist in jedem Industriebetrieb vorhanden. In vielen Fällen reicht bereits eine preiswerte Befeuchtungsanlage in einem geschlossenem Raum aus, um relativ konstante Prüfbedingungen zu schaffen.

Laufrichtung und Längs-/ Querverhältnis

Die Laufrichtung und das Längs-/Querverhältnis von Faltschachtelkarton sind entscheidende Qualitätsmerkmale von Karton und Konstruktionskriterien für Faltschachteln. 

Die Laufrichtung wird am einfachsten durch die so genannte Biegeprobe ermittelt.

Biegeprobe:

Man schneidet zwei gleichmäßig lange und breite Streifen (etwa 250 x 25 mm) aus dem Kartonmuster: jeweils ein Muster beider Richtungen, legt sie aufeinander, nimmt ein Ende zwischen Daumen und Zeigefinger und hält das andere Ende frei in der Luft. Anschließend dreht man einen der Streifen um 180°, so dass der andere Streifen jetzt nach unten liegt. Derjenige Streifen, der dabei durch sein Eigen- gewicht stärker abwärts gebogen wird, ist aus der Querrichtung geschnitten.

Wasserprobe:

Eine weitere Methode ist die Bestimmung der Laufrichtung an einer Kartonscheibe, die z.B. mit einem Kreisprobenschneider ausgeschnitten wurde und in Wasser gelegt wird. Durch die stärkere Dicken- als Längszunahme der Kartonfasern, verursacht durch Quellung, wölbt sich die Scheibe um eine imaginäre Achse, die parallel zur Laufrichtung verläuft.

Das einseitig feuchte Papier rollt sich auf Die Laufrichtung ist längs zur entstehenden Rinne.

Das Längs-/Querverhältnis ist ein Maß für die Orientierung der Fasern in der Kartonmaschine und wird quantitativ durch die Messung der Biegesteifigkeit in Längs- und Querrichtung bestimmt. Karton weist in Laufrichtung ein Vielfaches von der Steifigkeit in Querrichtung auf.  Üblich sind Langs-/ Querverhältnisse von 2:1 bis 4:1. Grundsätzlich lässt sich feststellen, dass mit abnehmendem Längs-/Querverhältnis die Eignung eines Kartons für die Faltschachtelherstellung zunimmt.

Flächengewicht 

Das Flächengewicht wird in g/m² ausgedrückt und ist die finanzielle Grundlage für den Einkauf von Faltschachtelkarton und damit von besonderer Bedeutung. Technologisch ist es nur indirekt wichtig, weil sich mit variierendem Flächengewicht auch andere wichtige Eigenschaften von Karton wie z.B. die Dicke und die Biegesteifigkeit ändern können. Man bestimmt das Flächengewicht also in erster Linie, um sicherzustellen, dass die in kg bestellte und gelieferte Menge auch die ausreichende Menge an Flächeneinheiten ergibt und um eine Aussage über die Gleichmäßigkeit der gelieferten Partie zu erhalten.

Zur Bestimmung des Flächengewichtes bieten sich grundsätzlich zwei Wege an: Je nachdem, ob man nur eine Aussage über das durchschnittliche Flächengewicht eines Kartonbogens erhalten will oder ob auch eine Aussage über die Gleichmäßigkeit innerhalb des Bogens erwünscht ist. Will man nur das durchschnittliche Flächengewicht wissen, bietet sich besonders die Wägung ganzer Bogen mit anschließender Umrechnung auf g/rn²  an. Selbstverständlich können auch mehrere Bogen gleichzeitig gewogen werden. Man erhält somit sehr schnell einen Überblick, ob der Karton normal, über- oder untergewichtig geliefert wurde. Wichtig ist natürlich, wie eingangs beschrieben, dass kein abnormaler Feuchtigkeitsgehalt vorliegt, denn zu feuchter Karton wird sich in Form von übergewichtigem Karton dokumentieren und zu trockener in Form von untergewichtigern Karton.

Dicke und spezifisches Volumen  

Die Dicke wird in µm ausgedrückt und das spezifische Volumen in cm³/g. Mittels der Dicke und dem spezifischem Volumen eines Kartons lassen sich entscheidende Aussagen über die mechanischen Eigenschaften einer Kartonsorte bzw. Kartonqualität machen. Die Dicke wird experimentell mittels eines in seinen entscheidenden Konstruktionsmerkmalen nach DIN 53 105 genormten Dickenmessers bestimmt.

Bei der Dickenmessung an Karton arbeitet man normalerweise an Einzelblättern im Gegensatz zu Papier, wo meist mit Probestapeln mit je 5 übereinander liegenden Proben gearbeitet wird. Bei der Einzelblattmessung sind mindestens 10 Probenstücke erforderlich und bei der Stapelmessung mindestens 4 Probestapel. Ebenso wie man sich mit Hilfe der Flächengewichtsbestimmung quer zur Laufrichtung ein Bild über die Gleichmäßigkeit des Kartons verschaffen kann, ist dies mit Hilfe der Dickenmessung möglich.  Man bestimmt einfach die Dickenschwankungen eines Bogens quer zur Laufrichtung.

Kennt man das Flächengewicht und die Dicke, lässt sich leicht das spezifische Volumen ermitteln.

Spezifisches Volumen =          mittlere Dicke µm

                                          mittleres Flächengewicht g/m²

In DIN 53 105 ist das exakte Verfahren erläutert. Es empfiehlt sich natürlich, das spezifische Volumen aus dem Mittelwert mehrerer Einzelmesswerte zu errechnen. Das spezifische Volumen für die Kartonsorten GD 1 und CD 2 beträgt z.B.:

GD 1 größer als 1,5 cm³/g

GD 2 kleiner als 1,4 cm³/g

Für die Faltschachtelherstellung ist die Dicke von Bedeutung z.B. bei der Herstellung der Stanz- und Rillwerkzeuge. Das spezifische Volumen ist ein Maß für die Steifigkeit des Kartons, denn hohes spezifisches Volumen ist praktisch gleich- zusetzen mit hoher Biegesteifigkeit.

Man könnte fast geneigt sein anzunehmen, je höher das spezi­fische Volumen eines Kartons, desto besser. Dies trifft je­doch nicht zu. Mit zunehmendem Volumen nimmt zwangsläufig der Faserverbund im Karton ab,weil das Fasergefüge lockerer wird und dadurch ergeben sich natürlich Nachteile_f wie z.B. staubende Schnittkanten und damit verbundene Schwierigkeiten im Druck. Außerdem sinkt mit zunehmendem Volumen die Ober­flächenglätte ab. Es geht also auch hier darum, den opti­malen Kompromiß zwischen positiven und negativen Einflüssen zu finden. Die heute auf dem europäischen Markt angebotenen Kartonsorten und -qualitäten erfüllen diesen Kompromiß, ob­gleich in den letzten Jahren ein Trend zu höheren spezi­fischen Volumen im Interesse optimaler Biegesteifigkeit zu verzeichnen ist. Dieser Trend trägt allerdings vornehmlich den Wünschen des Faltschachtelabpackers Rechnung.

Biegesteifigkeit

Die Biegesteifigkeit - der Widerstand, den eine Probe einer Auslenkung aus der Normallage entgegensetzt - ist wohl die wichtigste mechanische Eigenschaft von Karton. Es gibt eine Unzahl verschiedener Prüfmethoden für ihre Bestimmung. Um eine Vergleichbarkeit der Meßergebnisse zu ermöglichen, wurden zwei Prüfprinzipien genormt und zwar im Jahr 1974 mit DIN 53 121 die sogenannte Balkenmethode und 197 5 die Vornorm DIN 5 3 123 für das sogenannte Resonanzlängenverfahren.

Balkenmethode: Das Prinzip der Meßmethode ist die Biegung eines an einem Ende befestigten Prüfstreifens im elastischen Bereich des Kartons. Da eine Überdehnung der Meßstreifen eine Verfälschung der Meßergebnisse zur Folge hat, ist die Prüfung mit sehr kleinen Biegewinkeln wichtig. Hierfür hat sich ein Biegewinkel von 5° bewährt.

Diese Forderung wird z.B, von dem nach der Prinzipskizze abgebildeten schwedischen Prüfgerät erfüllt.

Messung der Biegesteifigkeit nach dem Zweipunkt-Verfahren:         

Neben dem Zweipunkt-Verfahren wurde auch das sogenannte Dreipunkt- und Vierpunkt-Verfahren genormt. Von praktischer Bedeutung ist jedoch nur noch das Dreipunkt-Verfahren, wobei die Probe an beiden Enden aufliegt und in der Mitte durchgebogen wird.

Resonanzlängenverfahren:   

Beim Resonanzlängenverfahren wird die Kartonprobe in Schwingung versetzt und durch den Aus­schlag der Probe bei einer konstanten Frequenz auf seine Elastizität bzw. Biegesteifigkeit geschlossen» Das, gemäß DIN 53 123 genormte französische Prüfgerät ist nachstehend abgebildet:

Die Probenmessungen der beiden beschriebenen Geräte sind recht unterschiedlich. Für das erstgenannte Gerät sind Probestreifen der Abmessungen 70 x 38 mm und für letzteres Abmessungen von 250 x 25 mm besonders geeignet. Damit ergeben sich auch die Haupteinsatzgebietei Das nach der Balkenmethode konstruierte Prüfgerät für Biegesteifigkeits-messungen an Faltschachtelausschnitten und das Resonanz­längenverfahren für Messungen an Karton»

Die beiden abgebildeten Prüfgeräte erfüllen derzeitig die Forderung nach einer DIN-gerechten Biegesteifigkeitsprüfung -d.h. im elastischen Bereich - am besten. Nach dem Prinzip der Balkenmethode gibt es jedoch auch andere Prüfgeräte, die reproduzierbare Meßergebnisse liefern. Speziell in der Kartonindustrie hat das nach dem Zweipunkt-Verfahren konstruierte amerikanische Taber-Gerät weite Verbreitung gefunden. 

Voraussetzung für den Einsatz dieses Gerätes ist jedoch, daß der Biegewinkel bei 15° limitiert wird.

Für die Biegesteifigkeitsmessung ist die Klimatisierung der Proben unerläßlich, da der Feuchtigkeitsgehalt stark in das Meßergebnis eingeht. Das heißt, feuchter Karton ist lappiger als trockener Karton und trockener ist steifer. Um die Ergebnisse der vorgenannten drei Geräte vergleichen zu können, ist eine Umrechnung der gerätespezifischen Werte in international gültige SI Einheiten erforderlich« Danach wird die Biegesteifigkeit in Nmm (Newton x Millimeter) ausgedrückt . Beim Resonanzlängenprüfgerät erhält man das Meßergebnis bereits in Nmm. Eine Umrechnung ist also nicht mehr erforderlich.

Für die gerätespezifischen Meßwerte der Geräte nach Lorentzen + Wettres und Taber in Sl-Werte gelten folgende Umrechnungsfaktoren:

Lorentzen-Wettres                 Faktor   2,466
Taber/15°                               Faktor   0,520

Beispiel: 100 Taber-Einheiten sind also 52 Nmm

Der wissenschaftliche Nachweis für die Vergleichbarkeit der Meßergebnisse der vorgenannten Prüfprinzipien und Geräte wurde von H.J. Hohmann erbracht, dem deutschen Wissenschaftler, der sich wohl am stärksten für die Normung der Biegesteifigkeitsmessung eingesetzt hat. Nach der normgerechten Bestimmung der Biegesteifigkeit nun zu ihrer praktischen Bedeutung. Zunächst läßt sich aus dem Vergleich der Biegesteifigkeit in Längs- und Querrichtung das sogenannte Längs-/Querverhältnis errechnen. Hierzu ein Beispiel:

Ermittelt man in Längsrichtung 25 Nmm und in Querrichtung 10 Nmm, dann entspricht dies einem Längs-/Querverhältnis von 2,5:1.

Bekanntlich ist das Längs-/Querverhältnis ein wichtiges Konstruktionsmerkmal von Karton für Faltschachteln. Der Faltschachtelhersteller ist im Regelfall an möglichst kleinen Verhältniszahlen interessiert. Am interessantesten sind jedoch die technologischen Zusammenhänge zwischen der Biegesteifigkeit des Kartons einerseits und den Gebrauchseigenschaften daraus gefertigter Faltschachteln andererseits.

Technologische Zusammenhänge:

Nachstehend Teile eines vom Verfasser und Kollegen im Jahr 1977 veröffentlichten Arti­kels zum Thema "Praktische Bedeutung der Biegesteifigkeit von Faltschachtelkarton für den Abpacker". Dieser Titel wurde seinerzeit gewählt, weil Biegesteifigkeit in erster Linie ein Thema für den Kunden der Faltschachtelindustrie ist, denn beim Herstellungsprozeß von Faltschachteln spielt die Biegesteifigkeit nur eine untergeordnete Rolle.

Bei den einzelnen Phasen, beginnend von der Faltschachtel­herstellung bis zum Gebrauch der Faltschachtel beim Endverbraucher spielt die Biegesteifigkeit des verwendeten Faltschachtelkartons bei folgenden Kriterien eine Rolle:

. Beim Packmittelhersteller sind es besonders der Biegewiderstand und das Rückstellmoment der Faltschachtelrillungen, welche den Klebevorgang beeinflussen.

. Beim Abpacker dagegen Aufrichtewiderstand, Rückstellmoment und Ausbeulwiderstand der Faltschachtel, die beim Abpackprozeß eine wichtige Rolle spielen und natürlich der Stauchwiderstand, welcher für problemlose Lagerung und sicheren Transport des Füllguts verantwortlich ist. Beim Endverbraucher sind es die Schutz- und Gebrauchsfunktionen der Faltschachtel, die überzeugen müssen. Sie werden weitgehend von der Steifigkeit des verwendeten Kartons bestimmt.

Die beim Klebevorgang, Abpacken, Transport und der Handhabung auftretenden Beanspruchungen sind in erster Linie dynamischer Natur, wogegen bei der Lagerung überwiegend statische Kräfte wirken.

Aus dem Gesagten wird ersichtlich, daß folgende drei von der Biegesteifigkeit direkt beeinflußten wichtigen Eigenschaften für die Gebrauchstüchtigkeit von Faltschachteln stehen. Dies sind:

. Aufrichtewiderstand

. Ausbeulwiderstand

. Stauchwiderstand

Diese drei  Kriterien sollen nachfolgend definiert und ihre Bedeutung näher betrachtet werden.

Aufrichtewiderstand

Unter dem Aufrichtewiderstand einer Faltschachtel versteht man den Widerstand, der beim Faltvor­gang in einer Rillinie auftritt. Um eine gute Scharnierwir­kung in den Rillinien zu erzielen, was besonders wichtig beim automatischen Aufstellen ist, ist neben der einwand­freien Ausführung der Rillung eine gewisse Mindestbiege-steifigkeit des verwendeten Kartons erforderlich. Bei der Verwendung von zu lappigem Karton ist eine exakte Biegung auf Schnellaufenden Verpackungsmaschinen nicht mehr möglich, M, Bauer hat aus dem Verhältnis von Biegemoment am unge­rillten Karton - also der Biegesteifigkeit - und dem Biege­moment an gerilltem Karton eine Maßzahl für die Biege­willigkeit abgeleitet, die als wichtigstes Kriterium für die Maschinengängigkeit von  Faltschachteln angesehen wird.

Ausbeulwiderstand:

Unter dem Ausbeulwiderstand versteht man den Widerstand, den eine Faltschachtel beim Befüllen der Formänderung - bedingt durch das Eigengewicht des Füllgutes - entgegensetzt. Der Ausbeulwiderstand ist eine direkte Funktion der Biegesteifigkeit des Kartons und ganz besonders wichtig bei pulvrigen und flüssigen Füllgütern» Durch das Ausbeulen nimmt die Störanfälligkeit in der Abpackanlage zu und das optische Erscheinungsbild wird beeinträchtigt.

Stauchwiderstand:

Unter dem Stauchwiderstand versteht man den Widerstand, den eine befüllte und verschlossene Faltschachtel vertikalen Belastungen entgegensetzt. Der Stauchwiderstand einer Faltschachtel wird stark von der Biegesteifigkeit des verwendeten Kartons beeinflußt. Es sind sogar eine Reihe von Formeln bekannt, mit deren Hilfe sich aus den Abmessungen einer Faltschachtel und der Biegesteifigkeit des verwendeten Kartons der zu erwartende Stauchwiderstand theoretisch ermitteln läßt. Am bekanntesten ist die BRDA-Formel (Boxboard Research and Development Ass., USA).

In der Praxis wird man jedoch nicht auf die labormäßige Bestimmung des Stauchwiderstands verzichten können. Wenngleich der Stauchwiderstand nicht im selben Umfang wie der Ausbeulwiderstand von der Biegesteifigkeit des verwendeten Kartons abhängt, so ist doch sicher, daß die Biegesteifigkeit materialseitig der wichtigste Faktor ist, wenn Stauchwiderstand gefordert wird.

Feuchtigkeitsgehalt und Klima 

Karton und Feuchtigkeit

Der Hauptrohstoff von Karton sind Pflanzenfasern« Es sind hygroskopische Stoffe, die in Abhängigkeit vom Feuchtig­keitsgehalt der sie umgebenden Luft stehen. Karton nimmt solange Feuchtigkeit auf bzw. gibt sie ab, bis zwischen Karton und Luft ein Gleichgewichtszustand erreicht ist» Ist also z.B. die Raumluft relativ trockener als der in ihr gelagerte Karton, wird die Luft dem Karton Feuchtigkeit entziehen» Der Karton trocknet also aus, er wird randwellig.

Ist ein Austrocknen oder eine Feuchtigkeitsaufnahme des Kar­tons unerwünscht, muß man dafür Sorge tragen, daß der Feuchtigkeitsgehalt der den Karton umgebenden Luft mit dem gewünschten Feuchtigkeitsgehalt des Kartons in Gleichgewicht steht. Man schafft also ein von äußeren Einflüssen unabhängiges, ein künstliches, Klima.

Der Feuchtigkeitsgehalt von Karton hängt nicht zuletzt von der Art der verwendeten Rohstoffe ab. Holzschliff nimmt z.B, mehr Feuchtigkeit auf als Zellstoff, Wie unterschiedlich die Feuchtigkeitsaufnahme der Kartonrohstoffe bei unterschied­licher Luftfeuchtigkeit bei einer Temperatur von 20°C sein kann, zeigt folgende Tabelle * (aus FOGRA praxis report Nr. 23/März 1978) :

Rel. Luftfeuchte   40    50    60    70      80 % r.F.

Holzschliff            8,0   9,0   9,6   10,0   10,5

                                                                            } % abs.Feuchte 

Zellstoff                5,2   6,0   7,5    8,0     8,5

Die relative Luftfeuchtigkeit    

Luft nimmt bei einer bestimmten Temperatur nur eine bestimmte Wassermenge in Form von Wasserdampf auf und zwar um so mehr, je höher die Temperatur der Luft ist. Hat die Luft die der jeweiligen Temperatur entsprechende, höchstmögliche Wassermenge aufgenommen (Taupunkt), bezeichnet man sie als gesättigt. Setzt man die absolute Feuchtigkeit zu der höchstmöglichen Feuchtigkeit ins Verhältnis, erhält man die relative Feuchtigkeit %

Da die höchstmögliche Feuchtigkeit der Luft stark von der Temperatur abhängt, ist auch die relative Feuchtigkeit temperaturabhängig. Nachfolgende Tabelle zeigt die Abhängigkeit der relativen Feuchtigkeit von der Temperatur:

Wie stark der Feuchtigkeitsgehalt der Luft von der Temperatur abhängt, macht auch folgendes Beispiel klar:

Die 100 % ige Luftfeuchte bei 10°C beträgt 9,4 g/m³. Wird die Luft nun auf 20°C erwärmt, sinkt die relative Luftfeuchtigkeit bei gleichem Wasserdampfgehalt auf 50 %‚ denn die Wasseraufnahmefähigkeit der Luft beträgt bei 20°C bereits 17,3 g/m³. Kühlt sich die Luft hingegen bei gleichem Wasserdampfgehalt ab, so steigt die relative Luftfeuchtigkeit, bis der Taupunkt (100 %) erreicht ist. Eine noch weitere Abkühlung führt dann zum Niederschlag von Wasser.

Folgen falscher Klimahaltung

Bei Wasseraufnahme dehnt sich Karton, bei Wasserentzug schrumpft er. Wird der Karton nicht in Feuchtigkeitsgleichgewicht mit seiner Umgebung gehalten, treten für den Drucker, Verarbeiter und Abpacker eine ganze Reihe von Schwierigkeiten auf. Die gravierendsten sind Passerdifferenzen beim Mehrfarbendruck, Welligkeit und Brüchigkeit von Kartonbogen und der daraus gefertigten Faltschachteln und Faltschachtelzuschnitte.

Da das Klima in Lager- und Verarbeitungsräumen nicht stets geändert werden kann, um schädlichen Feuchtigkeitstransport auszuschließen, muss der Feuchtigkeitsgehalt des Kartons zum Klima passen. Zwischen der kartonerzeugenden und der karton- verarbeitenden Industrie wurden deshalb die eingangs bereits erwähnten Grenzwerte für relativen und absoluten Feuchtegehalt von Karton vereinbart:

 < 400 g/in2 45 60 % r.F. 6,5 — 9 % H20

 > 400 g/rn2 50 — 65 % r.F. 7 — 9,5 % H20

Die Messung muss bei 20 +1- 2°C erfolgen.

Bei dieser Festlegung wurde auch der Einfluss der wenigen hygroskopischen Strichbestandteile, die sich bei niedrigeren Flächengewichten verstärkt bemerkbar machen, berücksichtigt.

An dieser Stelle noch ein Hinweis zur Verpackung von Kartonstapeln und Faltschachteln. Sie sollte wasserdampfdicht sein und erst geöffnet werden, wenn der Karton bzw. die Faltschachteln die Raumtemperatur angenommen haben, um Verarbeitungsschwierigkeiten zu vermeiden.

Bei einer Temperaturdifferenz von 10°C muss z.B. bei einem Stapelvolumen von 1 m³ mit einer Angleichzeit von ca. einem Tag gerechnet werden. Diese Maßnahme erübrigt sich natürlich, wenn Luftfeuchtigkeit und Temperatur in Lager und Arbeitsraum übereinstimmen. Trotzdem kann es zu erheblichen Schwierigkeiten kommen, wenn aus Termingründen zwischen Anlieferung im Lager und Weiterverarbeitung keine ausreichende Temperaturangleichung erfolgen konnte. Derartige Temperaturabweichungen treten naturgemäß meist im Winter bei niedrigen und im Sommer bei hohen Außentemperaturen auf.

Relative Feuchte und absoluter Wassergehalt   

(unter Verwendung einer Prüfvorschrift der Fa. Prüfbau/ Peissenberg)

Praktische Erfahrungen haben gezeigt, dass bei den Verarbeitungsprozessen der papier- und kartonverarbeitenden Industrie die relative oder Gleichgewichtsfeuchte hinsichtlich des Zustands des zu verarbeitenden Papiers oder Kartons weit mehr aussagt als der absolute Wassergehalt. Dies liegt daran, dass mit der Gleichgewichtsfeuchte nur jener Teil des Wassers im Karton gemessen wird, welcher an der Oberfläche einen Wasserdampfpartialdruck erzeugt, chemisch gebundenes Wasser dagegen nicht.

Unter absoluter Feuchte    

versteht man dagegen den gewichtsmäßigen Wassergehalt von Karton im Verhältnis zu seinem Trockengewicht. Damit kann zwar sein chemisches Verhalten beschrieben werden, das “aktive‘ Wasser hingegen beherrscht die Stabilität des Kartons und definiert seinen Charakter besser.

Für Papier- und Kartonverarbeitungsprozesse ist also die Gleichgewichtsfeuchte die aussagefähigere Feuchtekennzahl als der absolute Wassergehalt. Fortschrittliche Kartonerzeuger messen in zunehmendem Maße die Gleichgewichtsfeuchte.

Messung der relativen Feuchtigkeit: 

Im Gegensatz zu Luft lässt sich an Karton die relative Feuchtigkeit nicht unmittelbar messen. Man muss sich der Gleichgewichtsfeuchte bedienen.

Die Gleichgewichtsfeuchte (GF) wird wie folgt definiert:             

Bei hygroskopischen Materialien wie z.B. Karton, die gegen ihre Umgebung wasserdampfdicht abgeschlossen sind, nimmt die um- gebende Luft eine relative Feuchtigkeit an, die dem Feuchtegehalt des Kartons entspricht. Dadurch ist es möglich, durch Messung der unmittelbar über dem Karton befindlichen Luftschicht auf den Feuchtezustand im Inneren des Kartons zu schließen. Karton mit 50 % GF steht z.B. dann mit der Umgebungsluft im Gleichgewicht, wenn diese 50% relative Feuchte hat.

Diese bis vor einigen Jahren am weitesten verbreitete Methode zur Bestimmung der relativen Feuchtigkeit von Karton war das Haarhygrometer. Das Prinzip dieses verhältnismäßig einfachen Geräts beruht auf den hygroskopischen Eigenschaften des natürlichen Haars. Bei Wasseraufnahme aus der Luft dehnt es sich aus, und bei Trocknung zieht es sich zusammen. Beim Haarhygrometer macht man sich diese Eigenschaft zunutze. Ein unter Spannung stehendes Haarbündel betätigt über ein Hebelsystem einen Zeiger, der auf einer Skala die relative Luftfeuchtigkeit anzeigt.

Derartige Geräte besitzen jedoch einige Nachteile, die zu ihrer Ablösung durch moderne elektronische - leider auch erheblich teurere Geräte geführt haben. Die Nachteile von Haarhygrometern sind geringere Messgenauigkeit, häufigere Nacheichung und langsameres Ansprechvermögen. Trotz dieser Probleme lassen sich ausreichend genaue Messungen der Gleichgewichtsfeuchte an Karton mit diesen Gerätetypen durchführen. Eine Ausnahme bilden jedoch Schiedssprüche. Hierbei wird der sich Rechtfertigende normalerweise nur durch Messwerte modernster Meßmethoden überzeugen lassen.

Im Gegensatz zu Stechhygrometern erfüllt das Haarhygrorneter im Thermo-Hygrograph noch stets uneingeschränkt die Anforderungen der Praxis bei der Kontrolle des Raumklimas. Auf einem Diagrammstreifen werden gleichzeitig Temperatur und relative Feuchtigkeit über je nach Gerätetyp 24 Stunden oder 7 Tage aufgezeichnet:

Bei elektronischen Messgeräten sind die vorgeschriebenen Nachteile der Haarhygrometer weitgehend beseitigt. Der Hauptvorteil dieser Geräte liegt darin, dass sie schneller auf Feuchtigkeitsänderungen reagieren und damit mehr Kontrollmessungen pro Zeiteinheit zulassen als dies mit Haarhygrometern möglich wäre.

Elektronische Feuchtigkeitsmessgeräte arbeiten nach dem Prinzip der elektrolytischen Hygrometer. Dabei wird die vom Feuchtigkeitsgehalt abhängige elektrische Leitfähigkeit eines hygroskopischen Salzes gemessen. Normalerweise werden Lithium-Chlorid-Salze verwendet. In dem Messfilter befindet sich also im Gegensatz zum Haarhygrorneter anstatt eines natürlichen Haarbündels eine Lithium-Chlorjd-Messzelle, durch die Strom fließt und deren Leitfähigkeit sich mit variierendem Feuchtigkeitsgehalt ändert.

Nachstehend die Abbildung (aus einer Firmenzeitschrift der Rotronic AG in Zürich) eines elektronischen Feuchtigkeits- und Temperaturmessgeräts mit einem Schwertfühler zur Stapelmessung (in Stapel steckend) und einem Aufsetzfühler (links des Anzeigegeräts):

Derartige Geräte lassen sich außer mit Schwertfühlern für die Stapelmessung auch mit Aufsetz-, Luft- und Bahnfühlern ausrüsten.

Wie eingangs erläutert, besteht zwischen dem Feuchtigkeitsgehalt der Luft und ihrer Temperatur eine direkte Abhängigkeit. Deshalb sollte die Gleichgewichtsfeuchte bei konstanten Temperaturen gemessen werden (20 +/- 2°C) bzw. bei jeder Messung die Temperatur festgestellt werden. Um dies zu ermöglichen, sind moderne Prüfgeräte kombinierte Feuchtigkeits- und Temperaturmessgeräte.

Bestimmung des Wassergehalts

Der Wassergehalt bzw. der absolute Feuchtegehalt von Karton ist nur ein indirektes Maß für seinen durch Feuchtigkeitsgehalt beeinflussten Charakter. Der Vollständigkeit halber sei jedoch die Bestimmung des Wassergehaltes kurz beschrieben. Zur Bestimmung des Wassergehaltes wird eine Probe bei 105°C bis zur Gewichtskonstanz getrocknet. Der dadurch eingetretene Gewichtsverlust, ausgedrückt in Prozent, ist der Wassergehalt. Die Methode ist mit DIN 53 103 genormt.

Durch die von K.A. Falter an der FOGRA durchgeführten Arbeiten und Veröffentlichungen wurde ein beachtlicher Beitrag zum besseren Verständnis dieser für die kartonerzeugende und kartonverarbeitende Industrie wichtigen Zusammenhänge geleistet.

Saugfähigkeit gegen Wasser   

Hier ist zu unterscheiden nach Saugfähigkeit der Kartonvorderseite und der Kartonrückseite.

Normalerweise ist die Saugfähigkeit gestrichener Kartonsorten ausreichend, um Druckprobleme, verursacht durch zu langsames Wegschlagen des Wischwassers, zu vermeiden. Trotzdem treten hier und da speziell bei höheren Strichgewichten Benetzungsprobleme auf, die durch zu geringes Wegschlagvermögen erklärt werden können. Man spricht in derartigen Fällen häufig von "speckigem" Strich.

Die Rückseite von Faltschachtelkarton sollte leicht geleimt sein. Man erhält damit ein kontrolliertes Wegschlagvermögen der Wasserphase von Dispersonsleimen, die zur Verklebung von Faltschachteln eingesetzt werden.

Bei der Verklebung von Faltschachteln, und dies speziell auf schnell laufenden Packmaschinen beim Kunden, geht es darum, ein möglichst schnelles Abbinden des Klebers zu erzielen; andererseits darf der Leim aber auch nicht vom Karton absorbiert werden, bevor die zu verklebenden Flächen aufeinander gedrückt werden. In der Praxis haben sich folgende Grenzwerte bewährt:

Netzzeit:                     > Decke         1 500 sec

< Rückseite       500  sec

Die Netzzeit wird durch Auftragen eines gefärbten Wassertropfens mittels Pipette und Bestimmung des Zeitraums (Stoppuhr) bis zum völligen Wegschlagen des Tropfens ermittelt.

Die Bestimmung der Wasseraufnahme nach DIN 53 132 (CobbTest) eignet sich hier weniger, weil bei dieser Methode nur die Wassermenge bestimmt wird, die pro Flächeneinheit in einem vorgesehenen Zeitraum von Papier oder Karton absorbiert wird. Der Test lässt keine verlässliche Aussage zu, wie schnell das Wasser absorbiert wurde, wohl aber, wie gut die Leimfestigkeit ist.

Die Bestimmung der Netzzeit sollte ein fester Bestandteil der Rohwareneingangskontrolle sein, da Abweichungen meist erst beim Kunden bemerkt werden und dann zu erheblichen Störungen führen können.

Bestimmung des Spaltwiderstandes  

Unter dem Spaltwiderstand versteht man die Kraft, die erforderlich ist, den in Lagen gefertigten Karton zu spalten. Man spricht deshalb auch öfters von der Bestimmung der Lagenfestigkeit. In der Praxis treten eine Vielzahl von Beanspruchungen auf, die eine Lockerung des Materialgefüges bewirken, die im Extremfall zum Spalten des Kartons führen kann. Es handelt sich vornehmlich um Zugbeanspruchungen wie z.B. Farbspaltungskräfte beim Offsetdruck, die senkrecht zur Kartonoberfläche wirken, und Scherbeanspruchungen, die durch die Biegung des Materials im Laufe des Verarbeitungsprozesses verursacht werden. Man muss also unterscheiden zwischen Zug- und Scherbeanspruchung.

Grundsätzlich können folgende beiden Methoden zur Bestimmung des Spaltwiderstandes empfohlen werden:

1. Die so genannte Brecht- Knittweis- Methode zur Bestimmung des Spaltwiderstandes unter Beanspruchungen, die senkrecht zur Probenoberfläche wirken, also Zugkräfte.

2. Die dynamische Spaltwiderstandsprüfung auf einem Probedruckgerät mit hochviskosen Rupfölen, wobei Zug- und Scherkräfte auf die Probe einwirken. 

Die Bestimmung des Spaltwiderstandes auf einem Probedruckgerät ist praxisgerechter, allerdings auch erheblich aufwendiger. Steht kein Probedruckgerät zur Verfügung bzw. geht es in erster Linie um eine Bestimmung des Spaltwiderstandes senkrecht zur Probenoberfläche, empfiehlt sich das erstgenannte Prüfverfahren. Die von Brecht und Knittweis am Institut der Papierfabrikation/Darmstadt entwickelte Prüfmethode stellt eine relativ einfache Zusatzeinrichtung zu einem Zugfestigkeitsprüfer dar. Vorrichtung zur Prüfung des Spaltwiderstandes: Messprinzip ist eine von einer Probenkante ausgehende Spaltbeanspruchung. Die Probe (30x30 mm) wird mittels beidseitig haftenden Klebebands zwischen zwei Metallklötze geklebt und so auseinander gezogen, dass die Krafteinwirkung längs der Probenkante erfolgt. Die zum Spalten der Probe erforderliche Kraft wird mittels dem Zugfestigkeitsprüfer gemessen und ergibt ein Maß für den Spaltwiderstand.

Spalten von Karton kann einerseits zu geringe Gefügefestigkeit des Kartons bedeuten, andererseits spielen jedoch auch Verarbeitungsbedingungen eine entscheidende Rolle. W. Hildenbrand stellt fest, dass Presseurdruck, Einlaufwinkel der Kartonbahn und Presseurhärte an Tiefdruckanlagen einen wichtigen Einfluss auf die Spaltbeanspruchung von Karton ausüben.

Schnittqualität    

Um ein möglichst langes Waschintervall zu erhalten, muss der Bedruckstoff bei der Kartonherstellung frei von Begleiterscheinungen wie Staub in Form von Faserbruchstücken, Füllstoff- und Strichteilchen, und nach sauberen und faserfreien Längs- und Querschnitten möglichst fremdkörperfrei sein. Diese Erscheinung wird noch von dem Trend gefördert, immer mehr billigere Halbstoffe zur Erzielung eines höheren Volumens im Interesse hoher Biegesteifigkeit zu verwenden.

Die vom Faltschachtel-Verwender gewünschte Eigenschaft, eine möglichst hohe Biegesteifigkeit zu erhalten, erzeugt aber beim Faltschachtelhersteller in vielen Fällen erhöhte Kosten durch verstärkte Staubentwicklung, die durch moderne Gummituchwaschanlagen auf ein Minimum reduziert werden können.

Bei Staub ist grundsätzlich nach Oberflächen- und Schnittkantenstaub zu unterscheiden. Oberflächenstaub liegt lose oder leicht haftend (elektrostatische Aufladung) auf der Kartonoberfläche Er entsteht beim Übereinanderschieben der Bogen beim Querschneiden des Kartons. Weitere Schwierigkeiten verursacht der Schnittstaub, der durch den Formatschnitt zwischen die Bogen gelangt, die auf den Gummitüchern und Druckplatten Qualitätsmängel und Maschinenstillstände zum Zweck der Gummituchreinigung hervorrufen. Der Reinigungszyklus, ausgedrückt in Anzahl Bogen zwischen zwei Waschungen, wird “Waschintervall‘ genannt. Ein sauberer Schnitt lässt

sich durch Betrachtung der Schnittkante in Schräglicht und

Abreiben der Schnittkante mit einem schwarzen Sainttuch und

Beurteilung der Abriebmenge bestimmen. Ein weiteres Verfahren ist das Abziehen des Schnittstaubes mit Hilfe von transparentem Selbstklebeband und Sichtbarmachen durch Aufkleben auf eine schwarze Unterlage.

  Mit dem zunehmenden Einsatz von Holzschliff und Altpapier für Faltschachtelkarton und der Volumenerhöhung zugunsten eines Biegesteifigkeitsgewinnes werden die durch Schnitt- staub verursachten Druckprobleme trotz der Weiterentwicklung der Schnittmethoden nicht kleiner werden. Daher werden immer mehr automatische Gummituchwascheinrichtungen in den Offsetmaschinen installiert, um Zeit und Geld zu sparen.

Weiße der Oberfläche

Faltschachtelkarton-Sorten werden unterschieden nach

 - ungestrichen

- gestrichen, in der Regel 16 - 18 g/m²

- gußgestrichen

Gestrichene Kartons ergeben ein besseres Druckbild, eine brillantere Farbwiedergabe und einen höheren Glanz nach der Lackierung als ungestrichene Sorten. Mit zunehmendem Strich- gewicht nimmt aber auch die Weiße zu, eine wichtige, oft vorn Kunden als Verkaufsargument geforderte Eigenschaft der Faltschachtel. Zur Prüfung der Weiße bietet sich der visuelle Vergleich mit Vergleichsproben unter einer Tageslichtquelle an oder die Messung des Reflexionsfaktors mit einem Reflexionsfotometer nach DIN 53 145, Teil 2 ‘Messgrundlagen zur Bestimmung des Reflexionsfaktors an fluoreszierenden Proben“ (Zeiss-Elrepho Remissionsfilter 457 Tappi, gemessen mit UV-Anteil). Letzteres ist wichtig, weil heute fast alle Striche fluoreszierende Bestandteile enthalten und bei Nichtberücksichtigung dieser Tatsache Fehlmessungen die Folge wären.

Folgende Reflexionsfaktoren sollten von hochwertigen Faltschachtelkartonsorten mindestens erreicht werden:

- Ungestrichene Sorten                  79 %

- Gestrichene Sorten > 12 g/m²    82 %

- Gestrichene Sorten > 18 g/m²    84 %

Neben einer ausreichenden Weiße sollte die Kartonoberfläche staubfrei sein, keine Abdrücke oder hoch stehende Fasern aufweisen und frei von Einschlüssen sein. Die Oberfläche muss letztlich den Anforderungen des Offsetdrucks auf einer Mehrfarbenmaschine genügen.

Glätte und Glanz   

Die Bestimmung der Glätte hat in den letzten Jahren stark an Bedeutung verloren. Dies liegt einerseits an der Verbesserung der Kartonoberfläche und andererseits an den nur bedingt aussagefähigen Messergebnissen auf den stehenden Prüfverfahren. Der Glanz, eine weitere Oberflächeneigenschaft, wird in Verbindung mit der Lackierung von Faltschachtelkarton in einem besonderen Kapitel behandelt.

Rillbarkeit     

Über Rillbarkeit und den Rillbarkeitsbereich von Faltschachtelkarton wurden mehrere Forschungsarbeiten veröffentlicht und eine Reihe von Prüfgeräten entwickelt. Speziell D.J. Hine von PIRA/England und die Papiertechnische Stiftung München haben auf diesem Gebiet intensiv gearbeitet. Hauptziel dieser Arbeiten ist es, die technologischen Vorgänge der Verformung und Auffächerung der Einzellagen von Faltschachtelkarton im Bereich der Rillung exakt zu beschreiben und mittels geeigneter Prüfgeräte den Rillvorgang auf Stanztiegeln und Stanzautomaten praxisnah zu simulieren.

Für den Praktiker bieten sich grundsätzlich zwei Methoden der Bestimmung des Rillbarkeitsbereichs von Karton in Längs-. und Querrichtung an:

- Die Bestimmung des Rillbarkeitsbereichs mittels eines Prüfgeräts gemäß DIN 55 437 oder

 - der praktische Versuch mit einem Einnutzenwerkzeug auf einem Stanztiegel.

Die möglichst praxisnahe Prüfung ist bei der Bestimmung des Rillbarkeitsbereichs besonders wichtig, weil hier neben der Bestimmung der Verformungseigenschaften des Kartons ebenso die Auslegung des Stanzwerkzeugs (Bandstahlschnitt) und der Matrize (Zurichtung) geprüft werden. Die Faustregel Rillnutbreite ist quer zum Faserlauf 1 1/2 mal Kartondicke plus Breite der Rilllinie und parallel zum Faserlauf 0,1 - 0,2 mm weniger, kann nur noch als Richtwert angesehen werden.

 Der Rillbarkeitsbereich wird nach DIN 55 437 wie folgt definiert:

“Der Rillbarkeitsbereich von Karton ist der Bereich, in dem unter Einhaltung festgestellter Rillbedingungen eine einwandfreie Rillung erzielt wird. Zu seiner Festlegung sind die Rillbedingungen wie Rillmesserbreite, Rillnutbreite und Eintauchtiefe des Rillmessers erforderlich“.

Eine gute Rilleinstellung liegt dann vor, wenn sich auf der Kartonrückseite auf der gesamten Probelänge eine trapezförmige Wulst bildet, die Kartonlagen gleichmäßig aufgefächert sind und die Kartondecke keine Risse aufweist. Neben der richtigen Rilleinstellung spielen die für den Karton verwendeten Halbstoffe, die Kartondicke und der Feuchtigkeitsgehalt eine Rolle. Vornehmlich aus Zellstoff hergestellte Kartonsorten bereiten normalerweise keine Schwierigkeiten, da Zellstoff-Fasern zäh und biegsam sind. Schwieriger lassen sich jedoch einwandfreie Rillungen an Kartonsorten herstellen, die vornehmlich aus spröderen Holzschliffen hergestellt sind. Dicker Karton lässt sich schwerer rillen als dünner. Das im Karton enthaltene Wasser wirkt als Weichmacher. Mit zunehmendem Feuchtigkeitsgehalt nimmt die Verformbarkeit und da- mit seine Rillbarkeit zu. Bei der Verarbeitung von trockenem Karton ist also neben der Prüfung der Bedruckbarkeit besonders auf die Rillbarkeit zu achten.

Für die reibungslose Verarbeitung von Faltschachteln auf schnell laufenden Packmaschinen sind die Rückstellkräfte der Rillungen ein ganz entscheidendes Kriterium.

Bedruckbarkeit    

Faltschachteln werden hauptsächlich im Offsetdruck und Tiefdruck bedruckt. Die Qualität der Bedruckung ist das Ergebnis des komplexen Zusammenspiels folgender vier Haupteinflussgrößen:

- Das zu bedruckende Material (Faltschachtel-Karton)

- Druckfarben und Druckhilfsmittel

- Druckverfahren und deren Maschinen

- Können des Druckers

Im Rahmen der Kartonprüfung sei hier nur kurz auf die Kriterien Rupffestigkeit des Kartons und Wegschlagvermögen der Druckfarbe eingegangen.

Rupftest    

Unter Rupfen versteht man eine Beschädigung der Kartonoberfläche durch die von der Druckfarbe beim Trennvorgang Druck- bogen vom Druckzylinder ausgeübten Zugkräfte. Rupfen tritt dann ein, wenn die Zugkräfte der Farbe gegenüber der Oberflächenfestigkeit des Kartons zu hoch sind. Typische Beschädigung aufgrund zu geringer Rupffestigkeit ist das Aus- brechen von Strichteilen aus der Kartonoberfläche.

Die Bestimmung der Rupffestigkeit erfolgt auf einem Probedruckgerät, auf dem mit verschiedenen Geschwindigkeiten bei konstanter Farbviskosität gedruckt und festgestellt wird, bei welcher Druckgeschwindigkeit das Rupfen einsetzt. Diese Geschwindigkeit gilt als Maß für die Rupffestigkeit. und wird als Rupfgeschwindigkeit bezeichnet.

Die so genannte Wachsstift- oder Dennison- Methode zur Bestimmung der Rupffestigkeit sollte nicht mehr angewendet werden, da heute fast sämtliche Kartonstriche thermoplastische Bestandteile enthalten, die diese Methode unbrauchbar machen. Diese Methode ist nur für ungestrichene Karton- Sorten zu empfehlen.

Wegschlagtest    

Das Wegschlagverhalten der Druckfarben auf dem Karton ist von entscheidender Bedeutung für das Trocknen der Farbe und den Zeitpunkt der Weiterverarbeitung. Die Schnelligkeit des Wegschlagens wird maßgeblich von der Oberflächenbeschaffenheit und der Saugfähigkeit des Kartons bestimmt.

Copyright © 2005 Peter Schmid - Wissenschaftliche Beratung
Stand: 18. Juni 2006