Fachartikel Papiertechnik

Stärke im Topstrich

Ein Projekt unter wissenschaftlicher Leitung der Papiertechnischen Stiftung (PTS), gefördert von der Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe (FNR) mit der Nummer FNR-506, hatte das Ziel, den Stärkeeinsatz im Deckstrich von Bogenoffsetpapieren und Faltschachtelkartonagen durch Verminderung stärkebedingter Druckungleichmäßigkeit zu erhöhen.

Ein nach wie vor großes Hindernis für einen erhöhten Einsatz von abgebauten und teils modifizierten Stärken als (Co-)Binder im Papierstrich, ist die durch Stärke scheinbar hervorgerufene Druckungleichmäßigkeit (engl. Mottling). Daher werden (modifizierte) Stärken, die teilweise je nach Anforderung sogar bessere Eigenschaften liefern können als synthetische Binder, gerade bei drucktechnisch anspruchsvollen Papieren lediglich im Vorstrich und Mittelstrich eingebracht.

Die Papiertechnische Stiftung und Projektpartner aus der Papier- und Stärkeindustrie hatten sich in diesem Forschungsprojekt das Ziel gesetzt, den Stärkeeinsatz im Deckstrich durch geeignete Modifikation unterschiedlicher Stärketypen zu erhöhen. Durch den Einsatz verschiedener analytischer Methoden sollte darüber hinaus die Korrelation der Druckungleichmäßigkeit mit der Migrations- und Agglomerationsneigung der Stärke aufgezeigt werden.

Stand der Technik –

Stärke im Papierstrich

Stärke als nachwachsender Rohstoff ist in nativer und chemisch modifizierter Form eine ökologisch und wirtschaftlich günstige Alternative zu synthetischen Papierhilfsmitteln. Stärke hat neben der Funktion als natürliches Bindemittel einen positiven Einfluss auf das Wasserrückhaltevermögen und Laufverhalten der Streichfarbe. Weiterhin wirkt Stärke als Träger für optische Aufheller (OBA) und führt zu verbesserten Papier- und Druckeigenschaften (vor allem verbesserte Steifigkeit).

Die Frage, ob Stärke im Deckstrich von graphischen Papieren und Faltschachtelkartonagen eingesetzt werden kann, ist bereits seit langer Zeit ein großes Diskussionsthema in der Papierindustrie. In der Fachliteratur gibt es bereits Ansätze, um Latex im Topstrich zu substituieren, dennoch ist dies immer mit negativen Auswirkungen auf die Papierqualität verbunden. Aus diesem Grund herrscht in der deutschen Papierindustrie Zurückhaltung, wenn es darum geht, den Stärkeeinsatz zu erhöhen. Eine Verschlechterung der Zielparameter (Bedruckbarkeit, Optik, etc.) wird von Kunden nicht akzeptiert.

Mottling – das „Urproblem“ der

Papierindustrie

Mottling zählt bei den Produkten des Offsetdruckes zu den häufigsten und vor allem den kostenträchtigsten Reklamationen. Mottling wird als ungleichmäßiges Ausdrucken einer Vollton- oder Rasteroberfläche definiert, weswegen sich der Ausdruck „unruhiger bzw. wolkiger Ausdruck“ in der Praxis durchgesetzt hat. Gemäß einer veröffentlichten Statistik sind 42 Prozent
aller Reklamationen für Bogenoffset-Papiere auf dieses Phänomen zurückzuführen. [1]

Die Ursachen für Mottling sind vielfältig. Gestrichene Papiere weisen oft
Ungleichmäßigkeiten beziehungsweise Dichteschwankungen in der Strichverteilung auf. Diese lokalen Inhomogenitäten sind für das unterschiedliche Quellvermögen und die Absorptionsfähigkeit des Striches verantwortlich. Inhomogenes Benetzungsverhalten der Druckfarbe auf dem Papier und die im Strich vorhandene unregelmäßige Verteilung der Binder/Pigmente lassen die Druckfarbe partiell ungleichmäßig penetrieren. In diesem Fall spricht man von „Backtrap Mottling“ (Abbildung 1).

Laborversuche mit kommerziell

verfügbaren Stärken

Im ersten Arbeitsschritt des Forschungsvorhabens war es zunächst im Labormaßstab wichtig herauszufinden, welchen Einfluss eine Teilsubstitution des synthetischen Binders durch Stärke im Deckstrich auf die Streichfarbenrheologie, die Papieroptik und vor allem auf die Bedruckbarkeitseigenschaften hat. Hierzu definierte der Stärkehersteller Südzucker Gruppe Ausgangsstärken (Kochstärke SZ 2699 und die kaltwasserlösliche Type SZ 2701), die in die Standardrezepturen der Projektpartner Sappi Ehingen und Smurfit Kappa Hoya eingearbeitet wurden. Es erfolgten Streichversuche auf festgelegten vorgestrichenen Substraten (Papier und Faltschachtelkarton) in den PTS-Laboratorien.

Mit Hilfe eines Prüfbau-Probedruckgeräts wurden Mottling-Tests durchgeführt und bildanalytisch mit der Bildanalysesoftware DOMAS der PTS ausgewertet. In Abbildung 2 kann beispielhaft der Druckungleichmäßigkeitsindex (BTM-Rank = Back Trap Mottling rank) in Abhängigkeit vom Stärkeanteil im Deckstrich eingesehen werden. Je höher der BTM-Rank ist, umso stärker ist die Druckunruhe ausgeprägt.

Anhand der durchgeführten Versuchsreihen im Labor zeigte sich, dass die Erhöhung des Stärkeanteils im Topstrich zu keiner Verschlechterung des Druckbildes führt. Auch die Versuchsmuster D1 und K1 (Abbildung 2), wo Latex zu 100 Prozent substituiert wurde, wiesen sehr gute Druckergebnisse im Labormaßstab auf. Weiterhin hatte ein erhöhter Stärkeanteil im Deckstrich keinen negativen Einfluss auf die Papierweiße, die Opazität und den Farbraum Lab. Darüber hinaus waren die Streichfarben gut zu verarbeiten.

VESTRA-Versuche

Auf der Grundlage der positiven Streichergebnisse im Labormaßstab, erfolgte die Übertragbarkeit ausgewählter Rezepturen auf den Pilotcoater VESTRA (Abbildung 3).

Die Streichversuche zeigten, dass hohe Stärkemengen im Deckstrich von graphischen Papieren im Technikumsmaßstab problemlos eingesetzt werden können. Auch ein Streichversuch mit
sieben Teilen Stärke im Deckstrich ohne Latexzugabe zeigte gute Ergebnisse auf. Dies konnte vor allem auf die hohen Feststoffgehalte der Streichfarben und die gute Rohpapierqualität zurückgeführt werden.

Problematischer erwiesen sich Streichversuche mit den Faltschachtelkartons. Der erhöhte Stärkegehalt im Deckstrich führte im Vergleich zur Referenz (nur SA-Latex) zu einer starken Druckunruhe im Rahmen von industriellen Druckversuchen.

Eine mögliche Erklärung lieferte die ungleichmäßige Oberfläche des Rohkartons, die sich in den Dichteschwankungen beziehungsweise in der unterschiedlichen Absorptionsfähigkeit des Deckstriches widerspiegelt. Die unterschiedliche Bindemittelbeladung an der Oberfläche führte womöglich zur variierenden lokalen Eindringgeschwindigkeit der Druckfarbe und begünstigte folglich das Mottling.

Analytik zur

Stärkecharakterisierung

Parallel zu den Streichversuchen im Labor und am Pilotcoater VESTRA wurden umfangreiche Arbeiten zur Stärkecharakterisierung mittels analytischer Verfahren durchgeführt. Mit der Raman-Mikroskopie ist es gelungen, die Stärkeverteilung an der Oberfläche und in z-Richtung analytisch zu erfassen. Hierzu wurde ein Modellstrichsystem ausgearbeitet, mit dem verschiedene Stärken auf ihre Migrations- und
Agglomerationsaffinität charakterisiert wurden.

Für die Modell-Streichfarben wurden 50 Teile Stärke und 50 Teile Latex verwendet. Um eine möglichst hohe Spektrenintensität zu erreichen und Störungen der Messung zu vermeiden, wurde auf den Einsatz von Pigmenten und weiteren Additiven verzichtet. Die Streichfarbe wurde mittels Laborrakel auf die vorgestrichenen Papiere mit
einem Strichgewicht von circa 30 g/m2 aufgetragen. Die Messungen erfolgten mit einem Witec Alpha 300M+ mit
532 nm Laser an der Oberfläche und am Querschnitt der Proben.

Die Messungen an der Oberfläche (Abbildung 4) ermöglichen Aussagen über die Gleichmäßigkeit der Vermischung beider Binder. Stärke 1 zeigt Bereiche mit reiner Stärke, sogenannte Stärkedomänen, die auf nicht vollständig gelöste Stärke zurückzuführen sind. Stärke 2 und Stärke 3 zeigen eine wesentlich homogenere Verteilung.

Um die Verteilung der Stärke in z-Richtung zu bestimmen, wurden Messungen am Querschnitt der Proben durchgeführt (siehe Abbildung 5).

Neben dem Modell-Strich ist auch der Vorstrich und das Rohpapier erkennbar. Neben den Stärkedomänen bei Stärke 1, ist bei Stärke 3 eine Migration an die Oberfläche erkennbar. Die Übertragbarkeit dieser Ergebnisse auf pigmenthaltige Rezepturen gestaltete sich jedoch schwierig und erfordert weitere Untersuchungen.

Stärkemodifizierungen

Auf der Grundlage der gewonnenen Erkenntnisse führte die Südzucker Gruppe gezielte Stärkemodifizierungen durch. Das Hauptaugenmerk lag dabei auf der Hydrophobierung der Stärke, auch unterschiedliche Abbaugrade wurden geprüft. Ein weiterer Ansatzpunkt war die Einarbeitung von Compatibilizern, wie sie bei Stärkecompounds zur Verbesserung der Verbindung von Stärke mit Polymeren eingesetzt werden. Die Produkte wurden sowohl als Kochstärken, als auch in kaltquellender Form getestet. Als Referenz kam eine oxidierte, nicht weiter modifizierte Maisstärke SZ 2776 zum Einsatz.

Alle modifizierten Stärken wurden in die Standardrezepturen der beiden Papierfabriken eingearbeitet. Es konnte im Labormaßstab jedoch kein signifikanter Einfluss der Modifikationen auf Mottling erkannt werden. Die Druckqualität der stärkehaltigen Striche war vergleichbar mit der Referenz.

Betriebsversuch bei
Sappi Ehingen

Im Rahmen weiterer VESTRA-Versuche wurden die modifizierten Stärken (siehe Abbildung 2) an der Pilotanlage gefahren, um die finalen Rezepturen für die Betriebsversuche zu definieren.

Streichversuche mit der Rezeptur von Sappi Ehingen zeigten nur marginale Unterschiede der modifizierten Stärken hinsichtlich Mottling im Vergleich zur Referenz auf, sodass keine signifikanten Aussagen zum Einfluss der Stärkemodifikation auf Mottling ausgesprochen werden konnten. Es wurde entschieden, die kostengünstige kaltwasserlösliche Stärke SZ 2701 für Betriebsversuche in Ehingen einzusetzen.

Aufgrund der möglichen Risiken im Produktionsmaßstab entschied man sich zunächst geringere Stärkeanteile im Deckstrich (1 und 1,5 Teile) zu fahren. Die Qualität der gestrichenen Muster blieb im Vergleich zum Standard unverändert.

Es konnten keine auffälligen Einbußen hinsichtlich Weiße, Farbraum Lab und Glanz beobachtet werden. Die Mottlingergebnisse waren bei den Stärkeversuchen besser als die Referenz. Auch der geforderte Feststoffgehalt konnte mit höherem Stärkegehalt erreicht werden. Die einzige Einschränkung war das schlechte Innenfalzverhalten bei einem Stärkeversuch.

Betriebsversuch bei
Smurfit Kappa Hoya

Abschließende VESTRA Versuche mit Smurfit Kappa zeigten auf, dass neben der Referenz die Stärke SZ 2776 die geringste Neigung zu Mottling zeigte. Diese wurde folglich als einzige Stärke für Betriebsversuche eingesetzt.

Man entschied sich den SA-Latex durch vier Teile SZ 2776 zu ersetzen. Der Betriebsversuch bei Smurfit Kappa konnte problemlos gefahren werden. Die Druckqualität der gestrichenen Stärke-Muster war der Referenz gleichwertig. Alle Faltschachtelkartons waren rupffest und zeigten nur geringe Unterschiede hinsichtlich Wegschlagverhalten auf.

Bezüglich Optik konnte festgestellt werden, dass trotz der konstanten Weiße der Versuch mit Stärke im Topstrich eine höhere Rauigkeit und folglich einen niedrigeren Glanz hatte. Auch die Abdeckung der Oberfläche war leicht schlechter.

Zusammenfassung

Im Rahmen von zahlreichen Laborversuchen und Betriebsversuchen in zwei Papierfabriken zeigte sich, dass deutlich höhere Mengen an Stärke im Deckstrich ohne negativen Einfluss auf das Druckbild eingesetzt werden können als bisher angenommen. Die Herstellung, Verarbeitung und die Laufeigenschaften von stärkehaltigen Streichfarben waren an den Streichmaschinen der beteiligten Projektpartner unauffällig. Das Druckbild der hergestellten Muster war mit der kommerziellen Qualität der Referenzen vergleichbar. Geringfügige Einbuße hinsichtlich Optik und Strichbruch waren die wenigen Auffälligkeiten beim erhöhten Stärkeeinsatz.

Sowohl im Labor- als auch Betriebsmaßstab war es generell schwierig Korrelationen zwischen Stärketyp beziehungsweise -modifikation und Mottling aufzustellen, da die Unterschiede hinsichtlich Druckungleichmäßigkeit gering waren. Jedoch zeigte es sich, dass unter anderem der Einsatz von Streichfarben mit hohen Feststoffgehalten und die gute Qualität des Rohpapiers zielführend für einwandfreie Drucke waren.

Die in der Papierindustrie weit verbreiteten Vorurteile bezüglich eines nachteilhaften Effekts des Stärkeeinsatzes hinsichtlich Mottlings konnten auf Grundlage der erfolgten Technikums- und Betriebsversuche nicht bestätigt werden.

Quellen:

[1] Gliese, T., Gane, P.: Mottling-Probleme bei holzfreien, gestrichenen Papieren, Wochenblatt für Papierfabrikation. 2005, 6.

[2] Abschlussbericht Projekt „Stärke im Topstrich“