Fachartikel Papiertechnik

Der vollendete Rand für die Inboard-Barriere-Schicht

ANDRITZ hat eine neuartige Randführung für die Vorhangbeschichtungsdüsen von Papier und Karton entwickelt und patentieren lassen. Die Randführung ist mit neuster Technik ausgestattet, dem so genannten Wasserstrahl-Streckschnitt Verfahren. Das neue System ermöglicht es erstmals, Barriere-Schichten in Inboard-Betrieb auf Kartonbahnen aufzutragen, die völlig frei von Beschichtungsfehlern an den Rändern sind. Die neue Technik ist beim Auftragen von sehr dünnen bis hin zu sehr großen Barriere-Schichten einsetzbar. Ein besonderes Highlight ist, dass das neue Randsystem einen 24-Stunden-Dauerbetrieb der Düse ermöglicht, ohne dass eine Unterbrechung der Produktion zur Reinigung erforderlich ist.

Dr.-Ing. Eduard DavydenkoDipl.-Ing. Andreas Pesch

Die Kartonhersteller arbeiten an der Entwicklung von umweltfreundlichen Barriere-Beschichtungen von Karton zum Schutz des Endproduktes vor Sauerstoff- und Mineralölmigration. Beim Auftragen von Barriere-Schichten hat sich in den letzten Jahren die Curtain Coating Technologie etabliert. Der Beschichtungsprozess mit einem Curtain Coater erfordert einen perfekt stabilen Vorhang, um eine Beschichtung von einer sehr guten Qualität zu erhalten. Die Nassfilmdicke muss über die Bahnbreite und auch an den Rändern so konstant wie möglich sein. Ohne Randführung würde sich der Vorhang in eine Trapezform zusammenziehen und ein sehr schlechtes Querprofil im Randbereich erzeugen. Die Randführung ist somit ein sehr wichtiger Baustein eines Curtain Coaters. Die Randeffekte beeinflussen außerdem maßgeblich die Produktivität der Maschine. Umso erstaunlicher ist, dass dieses Element bisher in den meisten Betrachtungen, insbesondere bei der Barriere-Beschichtung, vernachlässigt wurde.

Stand der Technik

Der Vorhang wird im freien Fall infolge der Schwerkraft beschleunigt. Mit zunehmendem Abstand von der Austrittskante der Düse wird der Vorhang durch die Wirkung der Schwerkraft und der Oberflächenspannung von den Rändern zur Mitte gezogen. Die Breite des Vorhangs wird dadurch schmaler. Um das Zusammenziehen des Vorhangs zu verhindern, wird er mit Hilfe von Randführungselementen an den Rändern geführt. Die einfachste und am häufigsten verwendete Randführung ist eine Overboard-Randführung. Abb. 1 zeigt eine typische Ansicht einer Vorhangbeschichtungsanlage für die Overboard-Fahrweise. Die Overboard-Randführung hat mehrere Nachteile. Die Trennung des Vorhangs erfolgt verfahrensbedingt direkt an der Kante der Papierbahn. Abhängig von den Eigenschaften der verwendeten Streichfarbe kann es dabei zu Ablagerungen der Farbe auf der Rückseite der Papierbahn und auf der Oberfläche der Leitwalzen kommen. Außerdem ist es oftmals nicht möglich, die überflüssige Farbe wieder zu verwenden.

Alternativ zur Overboard-Beschichtung wird auch die so genannte Inboard-Beschichtung verwendet. Bei der Inboard-Fahrweise ist die Breite des Vorhangs kleiner als die Bahnbreite. Bei dieser Fahrweise muss die Streichfarbe im Randbereich sehr gleichmäßig verteilt werden. Andernfalls werden sich Probleme mit der Beschichtung der Papierbahn in Form von Randwulsten und nicht getrockneten Rändern ergeben. Die Konstruktion und der Betrieb der Randführung sind bei einer Inboard-Beschichtung viel komplizierter als bei
einer Overboard-Beschichtung. Trotz dieses zusätzlichen Aufwandes, ist es in vielen Anwendungen effizienter, diese Art der Randführung zu verwenden.

Abb. 2 zeigt ein typisches Beispiel für eine Inboard-Vorhangbeschichtungsanlage.

Die Anwendung dieser Randleisten bei Barriere-Beschichtungen zeigte dann aber, dass sich die Hilfsflüssigkeit von der Streichfarbe nicht mehr sauber trennen lässt. Ein Teil der Streichfarbe fließt zusammen mit der Hilfsflüssigkeit in die Absaugvorrichtung. Die Barriere-Streichfarbe zeichnet sich insbesondere durch eine sehr schnelle Aushärtung aus. Die Farbe bindet so schnell ab, dass eine Reinigung nicht mehr möglich ist. Es kommt zu Anhaftungen von Partikeln der Streichfarbe an der unteren Platte der Vorrichtung und im Saugschlitz. Nach einiger Zeit sind die Ablagerungen so massiv, dass es zu Unterbrechungen der Produktion kommt. Damit ist eine wirtschaftliche Produktion mit der klassischen Inboard-Randführung nicht möglich.

Alternativ zu den oben erläuterten Overboard- und klassischen Inboard-Beschichtungen wird die Inboard-Beschichtung auch in Kombination mit mechanischen Trennelementen verwendet. Mit Hilfe dieser Elemente wird der Vorhang geteilt und der Vorhangrand aus der Beschichtungszone in die Wanne geleitet. Die Trennvorrichtung besteht gewöhnlich aus einer Klinge, Auffang- und Ablauffläche mit einem gekühlten Hohlraum. Das Aufschneiden des Vorhangs erfolgt unmittelbar vor dem Auftreffen auf die Papierbahn. Die Schneidklinge wird mit einer Reinigungsflüssigkeit gespült. Die Kühlung der Auffang- und Ablauffläche soll eine Anhaftung der Streichfarbe vermeiden.

Die mechanischen Trennelemente haben sich beim Auftragen von Pigmentstrich auf Karton gut bewährt. Beim Einsatz von Barriere-Farben aber bilden sich, aufgrund der spezifischen Eigenschaften, wieder Ablagerungen und Verkrustungen an der Klinge. Dadurch wird der reibungslose Betrieb gestört. Es kommt häufig vor, dass schon nach einem Tambour eine Unterbrechung der Produktion zum Zwecke der Reinigung erfolgen muss. Außerdem muss der Vorgang ständig überwacht werden. Das Problem der Ablagerungen ist jedoch geringer ausgeprägt als bei Randleisten mit Absaugvorrichtungen. In der Literatur sind dazu mehrere Lösungseinsätze bekannt, um Ablagerungen zu minimieren, aber verhindern lassen sie sich nicht.

In der Tabelle 1 sind herkömmliche Randführungen und ihre Nachteile speziell für Barriere-Beschichtungen zusammengefasst. Es wird deutlich, dass es bisher kein Verfahren für Barriere-Beschichtungen gab, das geeignet war, einen dauerhaften und wirtschaftlichen Produktionseinsatz zu ermöglichen.

Funktionsprinzip der neuen Randführung

Abb. 3 zeigt das Funktionsprinzip der neuen Randführung. In der optimalen Position wird eine Wasserstrahl-Düse in Abstand von 40–50 mm zum Vorhang angeordnet. Der Winkel zwischen dem Strahl und dem Vorhang beträgt 20–40°. Durch die winklige Anordnung der Wasserstrahl-Düse zum Vorhang wird der Vorhang geteilt und der Rand auf der Innenseite gestreckt. An der Schnittstelle hinter dem Vorhang bildet sich ein stabiler Meniskus aus. Im Gegensatz zum herkömmlichen Wasserstrahltrennverfahren, bei dem der Vorhang durch die kinetische Energie des Wasserstrahls getrennt wird, handelt es sich um ein Streckverfahren, bei dem der Vorhang am Wasserstrahl haften bleibt und dabei gedehnt wird. Der Vorhang wird dabei, entlang des Wasserstrahls, immer dünner. Schließlich wird er, beim Unterschreiten der minimalen Schichtdicke, sanft getrennt. Durch die Streckung wird die Streichfarbe auf der Innenseite auf einer größeren Fläche verteilt und die Schicht an der Trennstelle extrem dünn. Aufgrund der geringen Farbmenge im Randbereich kann sich keine signifikante Randwulst mehr ausbilden.

Experimentelle Untersuchungen

Hinsichtlich der Optimierung der neuen Randführung wurden zahlreiche Versuche an einer Pilotdüse durchgeführt. Die Abb. 4 zeigt den Aufbau des Prototyps mit winklig angeordneter Wasserstrahl-Düse. Der Prototyp ist mit einer Vollstrahldüse ausgestattet. Zur Trennung des Vorhangs werden keine hohen Wasserdrücke (2 bis 3 bar) benötigt, was den Aufbau der Anlage einfach, wirtschaftlich und sicher gestaltet. Der Wasserstrahl wird so ausgerichtet, dass das Wasser neben der Papierbahn abgeleitet wird. Dadurch lässt sich der Abstand vom Trennpunkt zur Papierbahn zusätzlich minimieren. Bei örtlich stabiler Schnittkante lassen sich so minimale Randschnittverluste erreichen, was die Produktivität der Anlage weiter erhöht. Die Versuche wurden an zwei Barriere-Farben mit unterschiedlicher Viskosität durchgeführt. Es hat sich gezeigt, dass das Verfahren generell sehr robust auf Änderungen bei den Farbeigenschaften und den Produktionsparametern reagiert. Es mussten während der Versuche keine Änderungen bei den Einstellungen des Wasserstrahls vorgenommen werden.

Abb. 5 zeigt im direkten Vergleich die Beschichtungsränder (im noch feuchten Zustand) nach der Beschichtung mit zwei unterschiedlichen Randführungen. Links wird der Rand mit einer mechanischen Trennvorrichtung dargestellt. Im Vergleich dazu zeigt das rechte Bild das Ergebnis mit der neuen Randführung. Es ist deutlich ein Unterschied bei der Randwulst zu erkennen. Während bei der mechanischen Trennvorrichtung die Randwulst deutlich zu sehen ist, kann man am Beschichtungsrand der neuen Randführung keine Randwulst mehr erkennen.

Abb. 6 zeigt die Aufnahme der fertigen Rollen. Während die Randwulst bei der mechanischen Trennung zu einer Verklebung der Lagen geführt hat (Bild links), sind die Rollen beim neuen Verfahren völlig frei von Beschichtungsfehlern (Bild rechts).

Zusammenfassung

Die Curtain Coater Düse mit neuem Verfahren ermöglicht es erstmals, Barriere-Schichten in Inboard-Betrieb auf Kartonbahnen aufzutragen, die völlig frei von Beschichtungsfehlern an den Rändern sind. Dabei wurde das Problem der Wulstbildung gelöst, indem der Vorhang durch eine besondere Anordnung eines Wasserstrahls auf der Innenseite gestreckt wird. Dadurch werden Verunreinigungen in der Produktionsanlage und Verklebung der Lagen in der Rolle vermieden. Während bei herkömmlichen Randführungen nur kurze Betriebsintervalle möglich sind, ermöglicht die neue Randführung einen wartungsfreien 24 h Dauerbetrieb der Düse, da sich aufgrund des speziellen Verfahrens keine Ablagerungen am Schneidelement bilden können. Minimale Randschnittverluste erhöhen die Produktivität der Anlage. Der einfache Aufbau des Systems lässt zudem einen wirtschaftlichen und für das Bedienpersonal sicheren Betrieb zu.