SubscribeIm Zusammenhang mit den beachtlichen Geschwindig- keitssteigerungen, die beim Papier-streichen mit dem Vorhang- beschichtungsverfahren erreicht wurden, werden immer wieder Fragen aufgeworfen, wo die Geschwindigkeitsgrenzen für dieses Beschichtungs-verfahren liegen.
Der zweite Fragenkomplex, der immer wieder mit der Vorhangbeschich-tung angesprochen wird, betrifft die erreichbare Glattheit der beschichteten Ober-flächen. In der Arbeit wird die Vorhangbeschichtung einführend beschrieben, und die numerischen Methoden, die bei der Auslegung von Vorhangbeschichtungsverfahren An-wendung finden, werden erwähnt.
Es wird gezeigt, dass die maximal erreichbare Gesch-windigkeit nicht nur eine verfahrenstechnische Frage darstellt, sondern stark von der Rheologie der Streichfarben beeinflusst wird. Letzteres betrifft auch die erreichbare Glat-theit der beschichteten Oberflächen. Die Betrachtungen wurden von den Autoren für den Einzel- und Mehrschichtauftrag durchgeführt. Die Ergebnisse der Untersuchungen sind in der Arbeit zusammenfassend beschrieben.
1 Einleitung
Die hier vorliegenden Darstellungen basieren auf Untersuchungen zum Schichtauftrag auf Papier (Papierstreichen), mit dem Vorhangbeschichtungsverfahren, die am LSTM-Erlangen durchgeführt wurden. Die Arbeiten erhielten die Unterstützung der Bayerischen For-schungsstiftung und der Stiftung Industrieforschung und wurden von einem Firmenkonsor-tium begleitet.
Ziel der Untersuchungen war es, am LSTM-Erlangen entwickelte numerische Berechnungsverfahren für die Vorhangbeschichtung dahingehend zu erweitern, dass die Fluideigenschaften in den Auslegerechnungen berücksichtigt werden konnten.
In die am LSTM-Erlangen durchgeführten Untersuchungen gingen zwar die Überlegungen zu allen Komponenten einer Vorhangbeschichtungsanlage ein, doch umfasst der Schwerpunkt die eigentliche Filmbildung und die Wechselwirkung des auffallenden Films mit dem zu beschichteten Substrat. Die wichtigsten Ergebnisse der hier zusammenfassend beschrie-benen Untersuchungen sind in den Dissertationen von U. Lange [1] und G. Sünderhauf [2]enthalten.
Abb. 1: Komponenten einer Vorhangbeschichtungsanlage und Mitdarstellungen wesentlicher Abmessungen.
Die am LSTM-Erlangen durchgeführten Untersuchungen bestanden im Wesentlichen aus numerischen Berechnungen. Die Ergebnisse wurden jedoch in Experimenten verifiziert. Der größte Tel der Berechnungen wurde für eine Substratgeschwindigkeit von Us = 1.800 m/s durchgeführt.
Die Ergebnisse zeigten, dass diese Geschwindigkeiten und vor allem noch höhere, bei heutigen Versuchen angestrebte Geschwindigkeitsgrenzen verfahrenstech-nische Verbesserungen des eigentlichen Beschichtungsprozesses erfordern, aber auch Anpassung der rheologischen Eigenschaften der Beschichtungsflüssigkeit.
2 Ergebnisse Der Durchgefurten Untersuchungen
Bei der Beschichtung von Papier mit Pigmentstreichfarben ist für die Qualität der auf-getragenen Schicht deren Defektfreiheit und die Einhaltung einer vorgegebenen Auf-tragsmenge über die Länge und Breite der Papierbahn entscheidend. Insbesondere im Hinblick auf die Einhaltung des Streichgewichts bietet sich das vordosierte Verfahren der Vorhangbeschichtung an, weil hier die Auftragsmenge unabhängig von Stoff- und Be-triebsparametern kontrolliert werden kann.
Ebenso entfällt bei den herkömmlichen Ver-fahren des Papierstreichens die auftretende Rückdosierung, wie sie heute noch beim Pa-pierstreichen mit Rakeleinrichtungen Anwendung finden. Aus diesem Grunde lässt das Verfahren des Vorhangstreichens völlig neue Möglichkeiten und Produktqualitäten bei der Papierbeschichtung erwarten.
Um die Technik der Vorhangbeschichtung mit Pigmentstreichfarben verfahrenstechnisch zu beherrschen, sind grundlegende Verständnisse der Strömungsvorgänge beim Beschich-tungsvorgang von entscheidender Bedeutung. Die am LSTM-Erlangen durchgeführten numerischen Arbeiten dienten deshalb dazu, die für die technische Nutzung des Vorhang-streichverfahrens benötigten Erkenntnisse zu gewinnen.
Ausgehend von den strömungsmechanischen Charakterisierungen der zu beschichten-den Streichfarben wurden umfangreiche numerische Studien zum Einfluss der Betrieb-sparameter und der Rheologie der Streichfarben auf dem Beschichtungsvorgang durch-geführt. Anhand der durch numerische Simulation erhaltenen Resultate konnten wesentli-che Anforderungen an die rheologischen Eigenschaften der Streichfarben formuliert wer-den.
So ist mit der Belastung der Streichfarbe im Auftraggebiet des Vorgangs auf das Sub-strat, in Abhängigkeit von der Beschichtungsgeschwindigkeit und der Auftragsmenge, eine maximal zulässige Viskosität verbunden. Es zeigte sich, dass die maximal mögliche Beschichtungsgeschwindigkeit umso niedriger ist, je höher die Viskosität der Streichfarbe bei hohen Scherraten ist. Mit Erhöhung der Auftragsmenge lässt sich jedoch eine erhöhte Viskosität für die aufzutragende Streichfarbe wählen.
Ergebnisse, wie sie bei den Berechnungen am LSTM-Erlangen erhalten wurden, gehen für die Parameter, die in der unten aufgeführten Tabelle aufgezeigt sind, aus den Abbildun-gen hervor, die untenstehend gezeigt werden.
Abb.2: Stromlinien und Geschwindigkeiten im Vorhang im Bereich des Auftreffens auf das Substrat
Abb.3: Scherrate und Dehnrate im Auftreffgebiet des Films. Dehnrate im Koordinatensystem der Stromlinien.
Die am LSTM-Erlangen durchgeführte Studie zeigte auf, dass die Viskosität der Streichfarbe entscheidend dafür ist, in welcher Weise der „Streichfarbenvorhand“ auf das Substrat übertragen wird.
Bei niedrigen Viskositäten wird die Streichfarbe durch Scherung von der bewegten Papierbahn vom Vorhang „abgestreift“, wohingegen sie bei hoher Viskosität unter Dehnbeanspruchung der Farbe auf das Substrat abgelegt wird. Betrachtet man sich die Fließkurven von Streichfarben, so fällt auf, dass mit zunehmendem Feststoffanteil die Viskosität ansteigt. Der Auftrag von niedrigen Strichgewichten bei hohen Bahngeschwindigkeiten kann daher bei hohen Feststoffgehalten nur bedingt realisiert werden.
Da hohe Feststoffgehalte hinsichtlich des Trocknungsaufwands und der Strichqualität oftmals gefordert sind, wurden in den vergangenen Jahren für das Vorhangstreichen von Papier neuartige Streichfarben entwickelt, die den auftretenden spezifischen Anforderungen bei hohen Streichgeschwindigkeiten gerecht werden und gleichzeitig die gewünschten Eigenschaften der Streichschicht liefern.
Der Tendenz, bei größerem Feststoffgehalt auch höhere Viskositäten zu erhalten, kann durch geeignete Wahl der Pigmentart und -größenverteilung sowie durch gezielte Zugabe und Modifizierung von Binder und Verdicker entgegengewirkt werden. Wie aus den Studien hervorging, kann durch geringfügige Änderung der Menge an zugegebenem Verdicker die Viskosität in einem weiten Bereich eingestellt werden. Die Studie zeigte weiterhin, dass eine Erhöhung der Fluidtemperatur die Viskosität ebenfalls abfallen lässt.
Somit gibt es bei Bestrebungen mit der Vorhangbeschichtung hohe Geschwindigkeiten zu nutzen, alle Möglichkeiten der Anpassung der Fluideigenschaften an die Anforderungen des Beschichtungsverfahrens.
Die obigen Aussagen betreffen die Erkenntnisse, die aus den Arbeiten in Erlangen bzgl. Des Auftreffens auf das zu beschichtende Substrat hervorgingen. Betrachtet man die Ausbildung von Fehlstellen im Vorhand selbst oder aber das Verhalten des Vorhangrandes, so ergeben sich gelegentlich andere Anforderungen an die Fluideigenschaften.
Insbesondere spielt für diese Fragstellungen auch der Wert der Oberflächenspannung eine entscheidende Rolle. Durch Auswahl eines geeigneten Tensids kann dieser gezielt beeinflusst und damit die Beschichtungsströmung stabilisiert werden. Eine höhere Temperatur des Fluids hat auch bezüglich der Oberflächenspannung eine absenkende Wirkung. Aus diesem Grund sollte das Vorhangstreichen von Papier daher eher bei erhöhter Temperatur erfolgen.
Eine Empfindlichkeitsanalyse der Beschichtungsströmung, bei der das Verhalten der Strömung gegenüber äußeren Störquellen untersucht wurde, ergab, dass Schwankungen des Volumenstroms in einem mittleren Frequenzbereich von ca. 30 Hz keinen Einfluss auf die Stabilität des Vorhangs hatten. Strömungen des Vorhangs durch Luftbewegung zeigten jedoch beachtliche Einwirkungen auf den Vorhang.
Erwartungsgemäß führten Druckstörungen in der Umgebungsluft, die an der Vorhangoberfläche wirksam werden, zu großen Schwankungen der aufgetragenen Filmdicke. Die Fortpflanzung von Störungen im Vorhang in Form von Wellen kann auch gezielt genutzt werden, um die dynamische Oberflächenspannung, verursacht durch die Diffusion der Tenside, zu bestimmen. Da Verweilzeiten der Flüssigkeit im Vorhang relativ kurz sind (ca. zwischen 0.05 und 0.25 s) und der Vorhang durch das Fallen gestreckt wird, ist der Vorhang über seine gesamte Länge vom dynamischen Verhalten der Oberflächenspannung geprägt.
Insbesondere bei hohen Beschichtungsgeschwindigkeiten stellt der Einzug von Luft zwischen Substrat und Streichfarbe einen limitierenden Faktor dar. Es wurde daher in den Erlanger Betrachtungen mit Hilfe numerischer Berechnungen die durch die Bewegung der Papierbahn und den fallenden Vorhang induzierte Luftströmung an der Vorhangrückseite näher untersucht.
Um bei hohen Geschwindigkeiten ohne störenden Lufteintrag beschichten zu können, ist diese Luftströmung geeignet zu beeinflussen. Ein Vergleich zwischen dem Abrakeln der durch das Substrat geschleppten Luftschicht und einem Absaugen von Luft nach unten durch das poröse Papiersubstrat ergab, dass bereits durch die Entfernung einer geringern Luftmenge durch das Substrat hindurch der auf den Vorhang wirksame Druck der Umgebungsluft, und damit die Gefahr des Lufteintrags, erheblich vermindert werden kann.
Zur Ergänzung der erhaltenen Simulationsergebnisse wurden Versuche an einer Pilot-Beschichtungsanlage durchgeführt. Es zeigte sich, dass mit dem Vorhangverfahren auch bei einer relativ rauhen Kartonoberfläche eine gute Abdeckung erzielt werden kann, die Struktur des Rohkartons sich jedoch auf die Oberfläche der Beschichtung überträgt.
Mit dem Vorhangverfahren wird demnach ein Konturstrich erzeugt, bei dem Vertiefungen in der zu beschichtenden Oberfläche nur bedingt aufgefüllt werden. Um eine möglichst ebene Papieroberfläche zu erzielen, sollte das Vorhangverfahren daher in Verbindung mit einem Vorstrich eingesetzt werden, bei dem Unebenheiten der Rohpapieroberfläche zuvor ausgeglichen werden.
3. Ausblick
Die oben beschriebenen Erkenntnisse geben den Stand des Wissens an, wie er vor ca. fünf bis sechs Jahren vorgelegen hat. Die damals durchgeführten Arbeiten werden in enger Kooperation zwischen der TSE Troller AG, der FMP Technology GmbH und dem LSTM-Erlangen aufgegriffen und aufbauend auf aus Computersimulationen gewonnenen Erkenntnissen und praktischen Erfahrungen weiter entwickelt - insbesondere im Hinblick auf den Mehrschichtauftrag.
Während die oben zusammengefassten Ergebnisse mit Bestrebungen in Verbindung standen, die Vorhandbeschichtung für Beschcihtungsgeschwindigkeiten von 2.000 m/min auf eine fundierte Basis zu stellen, streben die Untersuchungen des Konsortiums um die Firmen TSE und FMP qualitativ hochwertige Beschichtungen bis zu 3.000 m/min an.
Um diese zu erreichen müssen Experten für Beschichtungswerkzeuge, Hersteller von Beschichtungsanlagen und Strömungsmechaniker eng zusammen arbeiten. Jeder muss dabei seinen Spezialkenntnisse in die gemeinsamen Bemühungen einbringen, um die Vorhandbeschichtung an Ihre Grenzen heran zu führen.
Referenzen:
[1] Ulrich Lange: Strömungsmechanische Optimierung von Komponenten einer Vorhangbeschichtungsanlage, Technische Fakultät der Universität Erlangen-Nürnberg, 1995.
Anschrift: Schott Glaswerke; FES/Lag Ma/120, Hattenbergstr. 10, D-55014 Mainz
[2] Gerhard Sünderhauf: Strömungsuntersuchung des Vorhangstreichens von Papier, Technische Fakultät der Universität Erlangen-Nürnberg, 2001.
Anschrift: Robert Bosch GmbH; FV/SLE3-Sh, Postfach 10 60 50, D-70049 Stuttgart