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PTS-FORSCHUNGSBERICHT IGF 16850RECYCLINGFÄHIGES PRODUKTDESIGN VON WASSERBASIERENDEN INKJET-DRUCKERZEUGNISSEN

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E. Hanecker, T. Stocker, R. Gericke:

Recyclingfähiges Produktdesign von wasserbasieren-den Inkjet-Druckerzeugnissen (Produktdesign Inkjet) PTS-Forschungsbericht 22/11

Januar 2015, zweite geringfügig überarbeitete Auflage März 2015

Papiertechnische Stiftung (PTS) Heßstraße 134 D - 80797 München

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Ansprechpartner:

Dr. Elisabeth Hanecker Tel. 089/12146-495 [email protected]

Thomas Stocker Tel. 089/12146-498 [email protected]

Papiertechnische Stiftung PTS Papiertechnisches Institut PTI Heßstraße 134 80797 München

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Das Forschungsvorhaben IGF 16850 N der AiF-Forschungs-vereinigung PTS wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Dafür sei an dieser Stelle herzlich gedankt.

Unser Dank gilt außerdem den beteiligten Firmen für die Probenbe-reitstellung und für die freundliche Unterstützung bei der Projekt-durchführung.

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1(31)

PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de PTS-FB 22/11

Recyclingfähiges Produktdesign von wasserbasierenden Inkjet-Druckerzeugnissen

E. Hanecker, T. Stocker, R. Gericke Inhalt

1 Zusammenfassung 2

2 Abstract 4

3 Einleitung 6

4 Versuchsdurchführung 8

4.1 Striche und Papiere 8

4.2 Herstellung gestrichener und stärkebeschichteter Papiere 9

4.3 Herstellung von Inkjet-Drucken 9

4.4 Methoden und Messverfahren 10

5 Hilfsmittel zur Agglomeration pigmentbasierter Inkjettinten 11

6 Bewertung geeigneter Additive zur Unterstützung des Austrags von pigmentbasierten Tinten 15

7 Auftrag einer Opferschicht 17

8 Bedruckbarkeitsprüfung der Muster und Deinkbarkeitsprüfung 19

9 Überprüfung der Deinkbarkeit oberflächenmodifizierter Inkjet-Drucke 23

10 Wirtschaftlichkeitsbetrachtung 28

Literatur 30


E. Hanecker, T. Stocker, R. Gericke: Produktdesign Inkjet 2(31)


1 Zusammenfassung

Thema Recyclingfähiges Produktdesign von wasserbasierenden Inkjet-Druckerzeugnissen.

Ziel des Projektes

Ziel des Projektes war, die durch die Zunahme der digitalen Druckerzeugnisse im Altpapier auftretenden Probleme bei der Aufbereitung des Altpapiers zu vermin-dern, um auch einen zukünftigen Einsatz von Altpapier bei der Herstellung von graphischen Papieren gewährleisten zu können.

Der Lösungsweg sah eine Verbesserung der Recyclingfähigkeit durch die Modifizierung der Papieroberfläche vor. Dabei sollte eine bessere Verankerung der pigment- und farbstoffbasierten Inkjetfarben bzw. eine Agglomeration und / oder Adsorption der Tinten erzielt werden umso eine Flotierbarkeit in heute gängigen Altpapieraufbereitungsanlagen sicherzustellen ohne Qualitätseinbußen bei der Bedruckbarkeit zu erleiden.

Ergebnisse Inkjetdrucke auf ungestrichenen, nicht oberflächenbehandelten Papieren und LWC-Papieren für den Offsetdruck weisen unzureichende Deinkbarkeit auf, unabhängig von der zum Einsatz kommenden Inkjettinte.

Aufbauend auf Kenntnissen zu den Stabilitätsbereichen pigmentbasierter Tinten und der Abhängigkeit der Tintenstabilität vom Zusatz von Agglomerationsmitteln wurden Hilfsmittel für die Untersuchungen ausgewählt und hinsichtlich ihrer Agglomerations- bzw. Adsorptionsfähigkeit von Inkjettinten überprüft. Erfolgver-sprechende Additive wurden in eine Opferschicht eingebracht, diese im Techni-kumsmaßstab auf Rohpapier gestrichen und an einem industriellen Inkjetdrucker bedruckt. Deinkbarkeitsuntersuchungen zeigten, dass durch Modifikation der Oberfläche die Deinkbarkeit verbessert werden kann.

Abschließende Untersuchungen mit auf einer Pilotanlage gestrichenen Papieren bei Variation der Strichzusammensetzung bestätigen, dass bei Einsatz von Spezialpigmenten mit hoher spezifischer Oberfläche die Deinkbarkeit von Inkjettinte verbessert werden kann. Eine Satinage wirkt sich hinsichtlich der Deinkbarkeit positiv aus.

Schlussfolgerungen

Das Projekt konnte Ergebnisse zur Modifikation der Papieroberfläche zur Ver-besserung der Deinkbarkeit von Inkjettinten generieren. Daneben wurde auch die Verarbeitbarkeit der einzelnen Additive erfolgreich gezeigt. Eine Beschichtung mit Additiven, die den Austrag von Tinten unterstützen sollten, wies positive Ergebnisse auf. Es wurde gezeigt, dass durch Oberflächenmodifizierung bei Inkjet Druckmustern hinsichtlich kritischer Deinkbarkeitsparameter keine Grenz-werte über- bzw. unterschritten wurden, aber noch nicht für alle Prüfparameter die Zielwerte erreicht wurden.

Kostengünstige Modifizierungen, die sich allein auf die Papieroberfläche be-schränken, werden auch künftig nicht ausreichen, um die Ziele einer guten Bedruckbarkeit im Offset- und Inkjetdruck sowie vergleichbarer Deinkbarkeit vollständig zu erreichen. Weiterentwicklungen auch bei den Inkjet Druckmaschi-nen und Tinten sind anzustreben.




Nutzen und wirtschaftliche Bedeutung des Forschungsthemas für kleine und mittlere Unternehmen (kmU)

Die Druckereien können ein deinkbares Inkjet-Produkt mittels Zertifikat anbieten und leisten somit einen Beitrag zu einem umweltfreundlichen Inkjet-Produkt.

Für die Anwenderbranchen, d. h. die von den Ergebnissen profitierenden Unter-nehmen der Wertschöpfungskette, besitzt das Projekt das Potenzial zur recyc-linggerechten Gestaltung von Druckprodukten, zur Sicherung des Marktes von Printmedien und mittel- bis langfristig zur Sicherung des Altpapiereinsatzes bei der Erzeugung graphischer Papiere mit all seinen ökologischen und ökonomi-schen Vorteilen beizutragen.




2 Abstract

Theme Recyclable product design of water-based inkjet printing products

Project objective Aim of the project was to reduce difficulties in the treatment of paper for recycling caused by growing shares of digital print products, to ensure the future usability of paper for recycling for graphic paper production.

The envisaged approach was to improve the recyclability by modifying the surface of the papers. The modification was aimed at improving the adhesion of pigment- and dye-based inkjet inks or their agglomeration and/or adsorption to ensure their floatability in commonly used treatment plants without quality losses regarding printability.

Results Inkjet prints on uncoated papers without surface finish and on LWC offset papers are insufficiently deinkable, regardless of the type of inkjet ink used.

Suitable agglomeration aids were selected based on the knowledge about the stability limits of pigment-based inks and dependence of ink stability on the dosing of agglomeration aids. The selected aids were tested on their agglomera-tion effect and adsorption power for inkjet inks. The most promising additives were included in a coating colour formulation, applied on base paper by means of a pilot coater, and the coated papers were printed in an industrial inkjet printer. Deinkability tests showed that the deinkability could be improved by the surface modification.

Final tests of papers coated with varying formulations in a pilot coater confirmed that the deinkability of inkjet inks can be improved by special pigments with high specific surface. Calendering has a positive effect on deinkability as well.

Conclusion The project has led to findings about suitable modifications of paper surfaces to improve the deinkability of inkjet inks. The processability of selected additives could be demonstrated. The coating of papers with additives promoting ink removal led to positive results. The thresholds of critical deinkability parameters were complied with by all test prints on modified paper surfaces, but there are still a number of test parameters whose target values have yet to be reached.

Cost-effective modifications limited to the paper surface only will not be sufficient in future to fully ensure the desired printability in offset and inkjet processes as well as a comparable deinkability of the print products. Further improvements and developments are needed especially in the fields of inkjet presses and inkjet inks.




Economic relevance of this research subject for small and medium enter-prises (SME)

Printers can offer inkjet products with certified deinkability and thus environmen-tally friendly inkjet print products. The improved deinking of difficult-to-deink papers for recycling allows paper mills to improve the quality of their finished stock.

For companies in the value chain, benefits from the project results include the recycling-friendly design of print products to protect the future market of printed media and ensure the medium to long-term utilisation of paper for recycling in the production of graphic papers, with all its ecological and economic advantages.




3 Einleitung

Zunahme der Inkjet-Technologie

Der Anteil an digitalen Druckerzeugnissen ist in den letzten Jahren deutlich gestiegen [1, 2]. Vor allem im Bereich schnell laufender (high speed) Inkjet-Drucke wird eine deutliche Steigerung erwartet. Signifikante Fortschritte im Bereich der Inkjet-Druckkopftechnologie, die in den letzten Jahren erzielt worden sind, ermöglichen es heute höchst zuverlässige und produktive Inkjet-Drucksysteme für den digitalen Vollfarbproduktionsdruck herzustellen. Diese vorwiegend mit wasserbasierten Tinten betriebenen Drucksysteme ermöglichen aufgrund der zugrundeliegenden Kostenstruktur für das auf ihnen erzeugbare Druckgut völlig neue oder nun wirtschaftlich produzierbare Druckapplikationen. Daher wird allgemein ein nachhaltiges Wachstum im Bereich des digitalen Vollfarbdruckes erwartet [3].

Deinkbarkeit von Inkjet-Drucken

Der Deinkingprozess ist zur Druckfarbenentfernung von Deinkingware optimiert, die hauptsächlich Offset- und Tiefdruckerzeugnisse, also hydrophobe Druckfar-ben enthält. Neueste Generationen von Inkjet-Drucken enthalten jedoch wasser-basierende Farbpigmente, die mit konventionellen alkalischen Deinkingchemika-lien durch Flotation nicht entfernbar sind. Auch Farbstoff-basierte Inkjet-Tinten können wegen ihrer Löslichkeit nicht durch Flotation entfernt werden.

Probleme mit InkJet-Drucken

Steigende Mengen an mit wasserbasierenden Druckfarben bedruckte Produkte in graphischem Altpapier stellen Betreiber von Deinkinganlagen vor ein wesentli-ches Problem, weil bereits geringe Mengen an wasserbasierenden Druckfarben im Altpapier die Qualität der deinkten Faserstoffe in hohem Maße negativ beein-flussen können [4]. Schon Anteile von 10 % Inkjet-Drucken in holzfreien Altpa-pierstoffen führen zu einem Weißgradabfall um bis zu 9%-Punkte.

Deinkbarkeit von Inkjet-Drucken

Ergebnisse von Deinkbarkeitsuntersuchungen mit Inkjet-Drucken auf Standard-papieren zeigen, dass aufgrund negativer Deinkbarkeitspunkte eine Einstufung „Nicht zum Deinken geeignet“ erfolgt [5]. Wasserbasierende Inkjet-Drucke führen zu unzureichender Helligkeit des deinkten Stoffs, ungenügender Druckfarbenent-fernung und Anreicherung kleiner Druckfarbenpartikel im Kreislaufwasser. UV-Inkjet-Drucke führen zu hoher Schmutzpunktfläche, die das optische Erschei-nungsbild erheblich beeinflusst.

Lösungsmöglichkeiten zum Deinken von Inkjet-Drucken

Die grundsätzlichen Lösungsmöglichkeiten zum Deinken von Inkjet-Tinten sind:

• Veränderungen im Deinkingprozess • Entwicklung deinkbarer Inkjet-Farben • Verbesserung der Deinkbarkeit des Systems Druckfarbe und Papier.

Die Verbesserung des Systems Druckfarbe und Papier, also ein recyclinggerech-tes Produktdesign, stand im Vordergrund dieses Projekts.




Forschungsziel Ziel des Projektes war es, die Probleme der Altpapieraufbereitung, die durch den zunehmenden Anteil an digitalen Druckerzeugnissen, vor allem Inkjet-Drucken in graphischen Altpapieren zu erwarten sind, technologisch effizient und wirtschaft-lich vertretbar zu lösen. Dadurch soll auch zukünftig der Altpapiereinsatz bei der Herstellung graphischer Papiere sichergestellt werden.

Das Forschungsprojekt verfolgte als Zielsetzung die Entwicklung von Konzepten für die Herstellung von Inkjet-Druckerzeugnissen, deren Deinkbarkeit weitestge-hend möglich ist. Dies sollte durch Modifizierung der Papieroberfläche erreicht werden.




4 Versuchsdurchführung

4.1 Striche und Papiere

Rohpapier für Laborversuche

Zur Durchführung der Versuche zur Agglomerations- bzw. Adsorptionseffizienz der ausgewählten Additive wurde ein Filterpapier mit einer flächenbezogenen Masse von 11 g/m² verwendet. Das Filterpapier war leicht zerfaserbar, nicht gestrichen und wies keinen Aschegehalt auf.

Rohpapier für Technikums-versuche

Für die im Technikum zu beschichteten Papiere wurde ein Rohpapier mit einer Grammatur von 80 g/m² verwendet, welches mit ca. 0,9 g/m² Stärke geleimt wurde. Durch die leichte Leimung, die eine Hydrophobierung der Fasern hervor-ruft sind die Fasern schon zum Teil vor dem Aufziehen der wasserbasierten Tinten geschützt.

Beschichtung – Stärke

Um den Einfluss der Strichkomponenten auf die Agglomerations- bzw. Adsorpti-onsfähigkeit zu vermindern wurden die Additive in eine Stärkematrix eingearbei-tet. Um eine möglichst geringe Wechselwirkung der Stärke mit den Tinten und Additiven zu gewährleisten wurde hierfür eine enzymatisch abgebaute Stärke mit einem Feststoffgehalt zwischen 16-19% herangezogen.

Zur Herstellung dieser beschichteten Labormuster wurde das Rakelauftragsgerät „K-Control-Coater“ des Herstellers Erichsen Testing Equipment benutzt. An diesem Gerät kann sowohl die Rakelgeschwindigkeit variiert werden, ebenso ist es möglich die Dicke des Nassfilms über den Durchmesser des eingesetzten Rakeldrahtes zu bestimmen.

Beschichtung – Pigmentstrich/ Opferschicht

Zum Aufbau der Opferschicht am Technikumscoater, einem Coater der Firma Jagenberg (heute Voith Paper Holding GmbH & Co. KG, Heidenheim) wurde ein zweischichtiger Strichaufbau gewählt. In die Deckschicht wurden die Additive eingearbeitet. Der Auftrag von Vor- und Deckstrich erfolgte nacheinander nach Trocknung der Vorstriche.

Ebenso wurden im Technikum die Papiere mit einer Stärkeschicht, welche die ausgewählten Additive enthielt beschichtet. Dies sollte als Vergleich zu den Laborpapieren dienen, welche zuvor auf die gleiche Weise beschichtet wurden.




4.2 Herstellung gestrichener und stärkebeschichteter Papiere

Jagenberg Coater

Zur Herstellung von gestrichenen Papieren, die für das Bedrucken an einem industriellen Inkjetdrucker geeignet sind und zur Verbesserung der Gleichmä-ßigkeit des Auftrags über die komplette Arbeitsbreite wurde die Coater-Anlage der Firma Jagenberg verwendet.

Als Egalisierungselement wurde ein Edelstahlrakel eingesetzt mit dessen Hilfe durch den Abstand zur gegenüberliegenden Walze die Auftragsmenge der Streichfarbe eingestellt werden kann. Die Geschwindigkeit mit der aufgetragen wurde betrug ca. 3 m/min.

Pilotmaßstab Für die Herstellung der Pilotmuster wurde der VESTRA-Pilotcoater eingesetzt. Er verfügt über fünf unterschiedliche Auftragswerke und eine moderne Streichfar-benaufbereitung. Mit einem offline arbeitenden 12-Walzen-Superkalander kann nachträglich die Oberfläche der Versuchspapiere geglättet werden.

Die Streichfarben wurden konventionell mit dem Düsenauftragswerk aufgetragen und mittels Stiff-Blade egalisiert. Der Auftrag erfolgte beidseitig mit jeweils 15 g/m². Die Streichgeschwindigkeit variierte geringfügig und lag zwischen 1100 bis 1400 m/min.

Beim Streichrohpapier wurde auf ein holzhaltiges Papier mit einer flächenbezo-genen Masse von 50 g/m² zurückgegriffen.

Ein Teil des Mustermaterials wurde einer leichten Satinage unterzogen. Dazu wurde der vorhandene Superkalander eingesetzt. Die Satinage erfolgte einheit-lich mit 5-Nips bei 40º C und einem Liniendruck von 150 kN/m.

Die Muster wurden anschließend für die weiteren Inkjet-Druckversuche konfekti-oniert und zwar in Rollen in 50 cm Breite mit 76 mm Hülse.

4.3 Herstellung von Inkjet-Drucken

Industrielle Inkjet Drucke

Die Inkjetdrucke erfolgten an der schnelllaufenden Produktionsmaschine „Co-lorStream“ bei der Fa. Océ in Poing. Diese verarbeitet Papierrollen bis zu einer Breite von 50 cm und druckt mit einer Geschwindigkeit von 100 m/min. Als Tinten kamen Pigmenttinten zum Einsatz.

Labordrucke Die im Labormaßstab beschichteten Papiere wurden mit handelsüblichen Tintenstrahldruckern bedruckt. Als Druckform diente die INGEDE 4c Test Page. Die Drucke mit pigmentbasierten Inkjet Tinten wurden mit dem HP Officejet Pro 8000 Enterprise Tintenstrahldrucker erstellt. Für die Drucke mit farbstoffbasierten Tinten wurde der Canon PIXMA Tintenstrahldrucker verwendet.




4.4 Methoden und Messverfahren

Deinkbarkeits-untersuchung und Bewertung

Die Untersuchung der Deinkbarkeit der Druckmuster erfolgte nach INGEDE-Methode 11: „Bewertung der Rezyklierbarkeit von Druckerzeugnissen - Prüfung der Deinkbarkeit“. Die zur Deinkbarkeit zugrunde gelegten Parameter sind die Qualitätsparameter Hellbezugswert Y, Schmutzpunktfläche A und Farbmaßzahl a* im deinkten Stoff sowie die Prozessparameter Ink Elimination IE und Filtrat-verdunklung ΔY. Die Ergebnisse der fünf Parameter werden mittels Schwell- und Zielwerten mit Punkten entsprechend der Deinkability Scorecard bewertet [ERPC/005/09: „Assessment of Printed Product Recyclability – Deinkability Score“]..

Analyse der Ad-ditivleistungsfä-higkeit

Zur Untersuchung der Leistungsfähigkeit der einzelnen Additive (Agglomerati-onsmittel, Adsorptionsmittel) wurden die einzelnen Substanzen in eine Stärke-matrix eingebettet und auf ein Filterpapier gestrichen.

Nach dem Trocknen wurden die Papiere mit handelsüblichen Tintenstrahldru-ckern bedruckt. Papiere die mit Agglomerationsmitteln beschichtet wurden, wurden mit pigmentbasierter Tinte bedruckt. Diejenigen Papiere, welche mit Adsorbenzien ausgestatten waren wurden sowohl mit pigment-, als auch mit farbstoffbasierter Tinte bedruckt.

Anschließend wurden die Druckmuster bei 2,5 % Stoffdichte in Gegenwart von Standard-Deinkingchemikalien (Einsatzmenge entsprechend INGEDE Methode 11) bei 45 ° C für 5 min im Standard-Desintegrator zerfasert. Nach der Zerfase-rung wurde mit Leitungswasser auf eine Stoffdichte von 0,5 % verdünnt.

Von den Stoffproben wurden Nutschenblätter nach INGEDE Methode 1 gebildet. 15 g des Filtrats der Nutschenblattbildung wurde in Anlehnung an INGEDE Methode 1 über einen Membranfilter filtriert. Zusätzlich wurden Laborblätter mit einer flächenbezogene Masse von 60 g/m² gebildet. Durch die Laborblattbildung wurde eine Wäsche simuliert. Diese diente dazu, den Anteil von an den Fasern haftenden Farben zu bewerten.




5 Hilfsmittel zur Agglomeration pigmentbasierter Inkjettinten

Vorgehen Zur Beurteilung der Agglomerationseffizienz einzelner Additive wurden Flo-ckungs(hilfs)mittel ausgewählt. Bei den Materialien handelte es sich um ver-schieden stark kationisch geladene Polymere unterschiedlichen Molekularge-wichts. Weiterhin sind auch multivalente Salze in die Versuchsreihen mit einbezogen worden.

Laborunter-suchungen zur Agglomeration

Als Rohpapier wurde ein Filterpapier verwendet, das frei von Additiven war. Die Additive wurden in eine Stärkematrix eingearbeitet und als „Strichschicht“ aufge-bracht. Diese Modellpapiere wurden bedruckt und im Anschluss daran unter alkalischen Bedingungen zerfasert. Die Bewertung erfolgte wie im Kapitel 4.4 beschrieben an Laborblättern und Filtraten.

Die Auswertung erfolgte nach folgenden Kriterien:

• Priorität 1: Hoher Hellbezugswert der Laborblätter (gewaschener Stoffs)

Geringer Anteil von an den Fasern haftenden Druckfarben

• Priorität 2: Hoher Hellbezugswert des Filtrats:

Geringer Anteil kleiner Tintenpartikel

Die Laboruntersuchungen hatten zum Ziel, die Fähigkeit der Polymere und Salze zur Agglomeration der Tinten zu bewerten und die jeweilige am besten eingestuf-te Substanz der beiden Klassen für den Einsatz in der Opferschicht auszuwäh-len.

Ausgewählte Agglomerati-onsmittel

Es wurden v.a. poylmere, polykationische, genauer polyelektrolytische Materia-lien mit kationischer Ladung, in die Untersuchung einbezogen, da diese viele mögliche Bindungsstellen für die anionisch geladenen Farbpigmente aufweisen.

Tabelle 1: Übersicht über kommerziell erhältliche (kationisch geladene) polymere Agglomerationsadditve mit unterschiedlicher Viskosität (Molekulargewicht); zusätzlich Dichte und pH-Wert

Kürzel Inhaltsstoffe pH Ρ Η Ladung

g/cm³ mPas

CTF PolyDADMAC 3-4 1,10 2600 kationisch

CCS Kation. Polymer 6 1,05 500 kationisch

CTM Kation. Copolymer 6 1,05 k.A. kationisch

PKL Quaternäres Polyamin 3 1,15 800 kationisch

PQU Polymeres quaternäres Ammoniumsalz

6,5-8,5 1,03-1,05 1.500-

2.500 kationisch

PEG Polyethylenglycol 4-7 1,13 85-95 Keine




Ausgewählte multivalente Salze

Bei der Auswahl der Salze wurde auch auf die Löslichkeit und den Einfluss relevanter Zugabemengen auf den pH-Wert berücksichtigt, um eine gute Verar-beitbarkeit gewährleisten zu können.

Tabelle 2: Übersicht über kommerziell erhältliche multivalente Salze mit unterschied-licher kationischer Ladung; zusätzlich Löslichkeit und pH-Wert

Kürzel Name pH Löslichkeit Ladung

(SDB) (SDB)

MgSO4 Magnesiumsulfat 5-8 gut in H2O zweifach

kationisch

CaCl2 Calciumchlorid 8-10 gut in H2O zweifach kationisch

Al(NO3)3 Aluminiumnitrat*) 2-4 sehr gut in H2O

dreifach kationisch

NH4NO3 Ammoniumnitrat 4,5-7,0 sehr gut in H2O

einfach kationisch

*) Das gestrichene Blatt war nach dem Trocknen sehr spröde, was zu Rissen und Brüchen schon bei geringer Belastung führte. Eine weitere Verarbeitung wurde verhindert.

Ergebnisse Eine Übersicht über die Effizienz der Agglomerationseffizienz polymerer Agglomerationshilfsmittel und multivalenter Salze von in den Tinten enthalte-nen Pigmenten ist in Abb. 1 und Abb. 2 zu sehen.

Die Referenzprobe (Rohpapier) weist eine sehr niedrige Helligkeit des Aus-gangsstoffs und des gewaschenen Stoffs auf. Dies ist ein Hinweis darauf, dass die Farbstoffpartikel bzw. –moleküle auf die Cellulosefasern des Papieres aufziehen und durch Wäsche nicht entfernbar sind. Die Helligkeit des Filtrats ist sehr hoch, da die an den Fasern anhaftenden Farbstoffe bzw. Pigmente nicht mehr zur Verdunkelung des Membranfilters beitragen.

Durch die Zugabe von Additiven sollten die Farbstoffpartikel daran gehindert werden an den Fasern aufzuziehen. Stattdessen sollten diese von den Agglo-merationsmitteln gebunden und gegebenenfalls ausgeflockt werden.

Um eine Aussage über die Effizienz der jeweiligen Additive treffen zu können und darauf aufbauend geeignete Additive zum Einsatz in einer Opferschicht zu ermitteln, müssen die Hellbezugswerte für die Filtrate und gewaschenen Stoffe kombiniert betrachtet werden. Ein hoher Helligkeitswert des Membranfilters weist auf ein Zurückhalten der Farbpigmente hin. Dies geschieht entweder durch das Aufziehen der farbgebenden Tintenbestandteile auf die Fasern oder die Agglomeration durch die eingesetzten Additive. Die Hellbezugswerte des gewaschenen Stoffs sind von besonderem Interesse, da sie einen Hinweis auf die Möglichkeit des Austrags der Additive mit Hilfe von Waschvorgängen bzw. Flotation geben. Zeigt der gewaschene Stoff hohe Helligkeitswerte, so wurde verhindert, dass ein Teil der Farbpartikel auf die Fasern aufziehen kann.




Agglomeration durch Polymere

Als grundlegende Erkenntnis kann festgehalten werden, dass bereits ungela-dene Polymere, wie Stärke oder Polyethylenglykol (PEG) einen Teil der Tinten-partikel abfangen können. Dies ist wahrscheinlich auf ihre Fähigkeit, durch Einlagerung von Wasser, aufzuquellen zurückzuführen. Durch dieses Aufquel-len wird die Wegschlaggeschwindigkeit der Tinten verringert, da das Lösungs-mittel und die Farbpigmente erst durch die Polymere hindurch diffundieren müssen Außerdem sind diese Polymerstrukturen wahrscheinlich in der Lage die Partikel in Ihrem Polymernetzwerk quasi zu fangen. Da dieses Fangen jedoch eher auf einer Anlagerung, als einer elektrostatischen Wechselwirkung wie bei Polyelektrolyten, basiert ist diese Anlagerung reversibel und würde sich in Deinking-Anlagen wieder lösen.

Deshalb sollten solche Materialien vor allem als Matrixmaterial oder Co-Binder eingesetzt werden. Hierbei kann die Verlangsamung der Wegschlaggeschwin-digkeit, bei gleichzeitigem Einsatz von polyelektrolytischen Substanzen, zu einer Erhöhung der Agglomerationsrate führen, da die Farbpigmente eine längere Verweildauer in den additivierten Strichbestandteilen haben und nicht sofort in die Faserstruktur des Rohpapiers eindringen können.

Für alle Additive konnten Hellbezugswerte von mindestens 75 bei den gewa-schenen Stoffen erhalten werden. Unter Berücksichtigung der Hellbezugswerte der Membranfilter konnte nur bei Einsatz des polymeren quaternären Ammoni-umsalzes (PQU) sowohl bei Membranfilter als auch bei dem Laborblatt hohe Werte erreichen werden.

Abb. 1: Hellbezugswerte Y der Filtrat- und Stoffproben der Versuche mit verschie-denen polymeren Agglomerationsmittel versehenen und mit Inkjet Tinte bedruckten Papiere. Y FP = Hellbezugswert des Stoffs (bestimmt am Nutschenblatt) Y RK = Hellbezugswert des gewaschenen Stoffs (bestimmt am Laborblatt) Y MF = Hellbezugswert des Filtrats (Membranfiltration)




Agglomeration durch multivalente Salze

Wie in Abb. 2 zu sehen ist, sind alle analysierten multivalenten Salze gut für die Agglomeration von Tinten, welche auf Farbstoffpigmenten basieren, geeig-net. Bei Einsatz der Salze weisen sowohl die Filtrate, als auch die gewasche-nen Stoffe hohe Hellbezugswerte auf. Die im Gegensatz zu polymeren Agglo-merationsmitteln erhöhte Agglomerationsfähigkeit könnte u.a. auf die höhere Löslichkeit der Salze in wässrigen Lösungen zurückzuführen sein. Dadurch können die Salze beim Wegschlagen des Lösungsmittels der Tinte gegebenen-falls wieder in Lösung gebracht werden, wodurch sie in der Lage sind anioni-sche Tintenpartikel zu agglomerieren. Daneben ist auch denkbar, dass durch die im Gegensatz zu polymeren Flockungsmitteln geringere Größe der Salzio-nen eine höhere Beweglichkeit der Ionen gegeben ist, was zu einer schnelleren Anlagerung an Tintenpartikel und dadurch zu einer größeren Agglomerations-geschwindigkeit führen könnte.

Nach der Auswertung der Ergebnisse wurde Calciumchlorid als dasjenige multivalente Salz mit der besten Agglomerationseffizienz für den Einsatz in der Opferschicht ausgewählt.

Abb. 2: Vergleich der Hellbezugswerte Y der Filtrat- und Stoffproben der Versuche mit verschiedenen multivalenten Salzen ausgestatteten und mit auf wässriger pigmentbasierter Inkjet Tinte bedruckten Papiermuster. Y FP = Hellbezugswert des Stoffs (bestimmt am Nutschenblatt) Y RK = Hellbezugswert des gewaschenen Stoffs (bestimmt am Laborblatt) Y MF = Hellbezugswert des Filtrats (Membranfiltration)




6 Bewertung geeigneter Additive zur Unterstützung des Austrags von pigmentbasierten Tinten

Vorgehen Verschiedene Additive wurden auf ihre theoretische Eignung für die Fixierung und den Austrag farbstoff- und pigmentbasierter ausgewählt und wie in den Kapiteln 4und 5 beschrieben auf ihre Leistungsfähigkeit in Bezug auf die Tinten-fixierung untersucht und bewertet.

Ausgewählte Adsorbentien

Eine Übersicht der in Frage kommenden Pigmente ist in Tabelle 3 zu sehen.

Tabelle 3: Übersicht über kommerzielle Absorberpigmente

Kürzel Inhaltsstoffe Partikel-größe

BET – Oberfl. pH

d50 [µm] m²/g

AER Hydrophile, pyrogene Kieselsäure < 1 380 3,7-4,7

GSL Kieselsäure 6,4 250 3-10

SKP Kieselsäure & Kaolinit 1,5 13 5-8

CLS Nat. Bentonith <15 k.A. 9-11

SIT Na-Al-Silikat 7,0 95 10,1

CIT Xonotlit (Ca-Silikat-Hydrat) 9 35 10-11

MAL Aluminum-Trihydroxid 1,2 6-8 k.A.

HSV1 Silica-Al-Zeolith <74 >550 k.A.

ZEL Klinoptilolith, Zeolith 20 500 7-8

Es wurden sowohl Pigmente großer innerer Oberfläche, als auch funktionalisierte Pigmente einbezogen. Mineralische Partikel mit besonders großer innerer Oberfläche stammten dabei aus den Stoffgruppen der Kieselsäuren und der Zeolithe. Des Weiteren kamen Schichtsilikate in Frage, welche in der Lage sind den Weg von Lösungsmitteln, hier v.a. Wasser durch die Beschichtung auf Grund ihrer einzigartigen Schichtstruktur zu verlängern. Im Zusammenspiel mit diversen, quellbaren Polymeren kann man diese Verzögerung der Wasserauf-nahme theoretisch sogar noch verlängern. Bei der Auswahl der Pigmente wurde darauf geachtet aus jeder Stoffgruppe mindestens einen Vertreter für die Versu-che auszuwählen.




Ergebnisse zur Fixierung

Die Ergebnisse der Untersuchungen der bedruckten Papiere sind in Abb. 3 zu sehen. Durch die Zugabe von absorbierenden Additiven sollten die Farbstoffmo-leküle bzw. –partikel daran gehindert werden zu den Fasern zu gelangen. Stattdessen sollten diese von den Absorbenzien gebunden werden.

Es wurden ebenso wie für die Agglomerationsmittel zur Auswahl der für die Anwendung in einer Opferschicht geeigneten Absorbermaterialien die Hellbe-zugswerte der Filtrate und gewaschenen Stoffe zusammen betrachtet.

Bei hohen Hellbezugswerten der Laborblätter (gewaschene Stoffe) wurde ein Teil der Partikel adsorbiert und dadurch verhindert, dass diese auf die Fasern aufziehen konnten.

Abb. 3: Vergleich der Hellbezugswerte Y der Filtrat- und Stoffproben der Versuche

der mit verschiedenen Adsorbentien additivierten und mit pigmentbasierter Inkjet Tinte bedruckten Papiermuster. Y FP = Hellbezugswert des Stoffs (bestimmt am Nutschenblatt) Y RK = Hellbezugswert des gewaschenen Stoffs (bestimmt am Laborblatt) Y MF = Hellbezugswert des Filtrats (Membranfiltration)

Für die Verwendung in einer Opferschicht wurden schließlich die Adsorbenzien Kieselsäuren AER und GSL ausgewählt. Bei Einsatz pigmentbasierter Tinten wies AER die besten kombinierten Ergebnisse hinsichtlich der Helligkeit des Filtrats und des gewaschenen Stoffs auf.




7 Auftrag einer Opferschicht

Vorgehen Aufbauend auf den Ergebnissen wurden Additive ausgewählt, die die besten Agglomerations- bzw. Absorptionseigenschaften für Farbstoffe bzw. Pigmente aufwiesen. Daneben wurde mit einer Auswahl von geeigneten Bestandteilen der Streichfarbe diese auf die Funktion als Opferschicht hin optimiert. Das Streichen der Opferschicht erfolgte schließlich mit Hilfe des Jagenberg Coaters im Techni-kum der Forschungsstelle.

Aufbau der Opferschicht als Deckstrich

Es wurde ein Strichsystem bestehend aus Vor- und Deckstrich verwendet. Der Vorstrich bestand aus grobem Calciumcarbonat, Latexbindern und Polyvinylal-kohol, das Auftragsgewicht betrug ca. 12-15 g/m². Im Deckstrich wurde ein Teil des Latexbinders durch eine hydrophobe, quellbare Stärke ersetzt. Hierdurch sollte der Deckstrich zusätzlich eine gewisse Sperrwirkung gegenüber den Farbbestandteilen der Tinten aufweisen bzw. die Penetration in tiefere Strich-schichten verzögern. Des Weiteren kam für den Deckstrich feineres Calciumcar-bonat zum Einsatz. Zusätzlich wurde dann ein Teil des Calciumcarbonates durch mineralische Additive, die für eine Absorption der Farbstoffe bzw. Pigmente sorgen sollten, ersetzt. Die entsprechenden Additive wurden nach den Ergebnis-sen der Vorversuche ausgewählt. Die besten Ergebnisse zeigten hier zwei Kieselsäuren mit hoher innerer Oberfläche und eine aminofunktionalisierte Mischung von Kieselsäuren und Kaolinit. Neben den mineralischen Additiven kam auch ein Polyelektrolyt als Polykation zum Einsatz und zuletzt Calciumchlo-rid als multivalentes Salz. Um den Einfluss der übrigen Strichkomponenten zu ergründen wurde zusätzlich eine Referenzprobe erstellt.

Tabelle 4: Aufbau des Deckstriches für die Opferschicht.

Versuch Pigment Binder Co-Binder Additiv Teile

TV 0 Calcium-carbonat (90% < 2µm)

Styrol-Butadien-Latex

Stärke (hydrophob & quellbar)

Kein; Referenzpro-be

0




Kieselerde (BET= 380m²/g)

8




Kieselerde (BET= 250m²/g)

8




Aminofunkt. Kieselerde +Kaolinit

8




Polyelektrolyt (Poly-DADMAC)

15




Calciumchlo-rid 13,34




Streichen Die in Tabelle 4 beschriebenen Streichfarben wurden schließlich mit dem Jagen-berg Coater aufgebracht. Dazu wurde zunächst der Vorstrich gestrichen und getrocknet. Anschließend erfolgte das Aufbringen der verschiedenen Deckstri-che. Die Auftragsgeschwindigkeit betrug ca. 3 m/min, es wurden jeweils 11 – 13 g/m² Flächengewicht aufgetragen, sowohl für den Vorstrich, als auch für den Deckstrich. Der Strich wurde jeweils nur auf einer Seite aufgebracht. Als Rohpa-pier wurde ein mit 0,9 g/m² Stärke geleimtes Rohpapier mit einer Grammatur von 80 g/m² verwendet. Die Auswahl des Rohpapiers wurde aufgrund der erwarteten minimalen Beeinflussung der Additive durch diese Papiersorte getroffen. Des Weiteren eignete sich das Papier sehr gut zum Streichen auf dem Jagenberg Coater.

Aufbau der Opferstrich ohne Strichkompo-nenten

Damit es möglich war, die Wirkung der einzelnen Additive ohne zusätzliche Strichkomponenten zu untersuchen, wurden die Additive analog zu den Vorver-suchen in eine Matrix aus enzymatisch abgebauter Stärke eingebettet und analog mit dem Jagenberg Coater auf das Rohpapier aufgebracht.

Tabelle 5: Untersuchung der Wirksamkeit der Additive. Einbettung in enzyma-tisch abgebaute Stärke.

Ver-such

Matrix Additiv Teile

TV 6 Enzymatisch abgebaute Stärke Kein; Referenzprobe 0

TV 7 Enzymatisch abgebaute Stärke Kieselerde (BET= 380m²/g) 8

TV 8 Enzymatisch abgebaute Stärke Kieselerde (BET=250m²/g) 8

TV 9 Enzymatisch abgebaute Stärke Aminofunktionale Kieselerde+Kaolinit 8

TV 10 Enzymatisch abgebaute Stärke Polyelektrolyt (PolyDA-DMAC) 15

TV 11 Enzymatisch abgebaute Stärke Calciumchlorid 13,34

Verarbeitbarkeit Die Verarbeitbarkeit der einzelnen Rezepturen stellte sich als gut dar, auch die Kieselsäuren mit hoher innerer Oberfläche ließen sich trotz ihrer verdickenden Wirkung in wässrigen Lösungen verarbeiten. Auch stellte sich das Einbringen des polykationischen Additives und des multivalenten Salzes und der daraus resultierenden teilweisen Umladung der Streichfarbe als gut beherrschbar heraus.




8 Bedruckbarkeitsprüfung der Muster und Deinkbarkeitsprüfung

Vorgehen – Bedruckbarkeits-prüfung

Die am Jagenberg Coater hergestellten Technikumspapiere wurden bei „Océ Printing Systems“ an einem industriellen Inkjetdrucker bedruckt. Als Druckform kam die Standarddruckform INGEDE 4c Test Page für CMYK Druckfarben im Format A4 zum Einsatz. Die Flächendeckung betrug 200%. Die Muster wurden von Rolle gedruckt und wieder aufgerollt; dies konnte die Opferschicht ohne Probleme überstehen.

Die extrem hohe innere Oberfläche der Kieselsäure in TV1 führte zum Stauben der Strichschicht beim Drucken. Beim Einsatz solch einer Kieselsäure in größe-rem Maßstab ist es notwendig, die Zusammensetzung der Streichfarbe auf die jeweilige Anwendung hin zu optimieren.

Ein Teil der mit der enzymatisch abgebauten Stärke oberflächenmodifizierten Proben(TV-6 und TV-9) ließen sich auf der Druckmaschine nicht verarbeiten. Dies wird darauf zurückgeführt, dass die Stärkematrix nur einseitig aufgebracht wurde, was zu einem starken Wölben der Papiere führte.

Ergebnisse der Farbdichte-messung an den gestrichenen Papieren

Aus den Messungen der Farbdichte an der Oberfläche kann man sehen ob bzw. wie gut die Druckfarbe an der obersten Schicht fixiert wurde. Je höher die Messwerte der Farbdichte für die jeweiligen Farben desto höher ist der Anteil der an der Oberfläche verbliebenen Tintenpigmente. Des Weiteren zeigt eine hohe Farbdichte eine gleichmäßige Verteilung der Pigmente auf der Messfläche an. Eine Agglomeration der Pigmente verringert deren für Licht erreichbare Oberflä-che bspw. durch eine Art Stapelung der Pigmente. Ebenso wird eine durchge-hende Flächendeckung behindert, womit mehr weiße Bereiche zum Messwert der Farbdichte beitragen und diesen verringern.

0,40

0,50

0,60

0,70

0,80

0,90

1,00

Cyan Magenta Yellow Black

Farb

dich

te

Farbdichtemessung - Pigmentstrich

TV0 (Referenz, CaCO3) TV1 (SiO2, AER) TV2 (SiO2, GSL)

TV3 (SiO2, ASA) TV4 (PolyDADMAC, PQU) TV5 (CaCl2) Abb. 4: Farbdichtemessung der als Strichschicht aufgetragenen Opferschichtvarian-ten.




Da konventionelle mit Calciumcarbonat als mineralische Komponente hergestell-te Striche ein im Verhältnis geringeres Gesamtporenvolumen aufweisen, schla-gen die Lösungsmittel in einer Geschwindigkeit weg, dass den Tintenpigmenten genügend Zeit bleibt einen stabilen „Filterkuchen“ auszubilden.

Weitere gute Ergebnisse in Bezug auf die Farbdichte zeigten eine aminofunktio-nalisierte Kieselsäure und ein PolyDADMAC. Beide waren in der Lage die Tintenpartikel nahe der Oberfläche zu fixieren. Das PolyDADMAC wies etwas geringere Werte hinsichtlich der Farbdichte auf, was auf den zuvor erwähnten Agglomerationseffekt zurückgeführt werden kann.

Bei Einsatz der Kieselsäuren (amorphes Siliziumdioxid) waren die Farbdichten geringer (TV1, TV2). Aufgrund ihrer hohen inneren Oberfläche sind sie in der Lage das Lösungsmittel der Tinten schnell aufzunehmen und auch bei geeigne-ter Porengröße Tintenpartikel zu adsorbieren. Durch das schnelle Wegschlagen der Tintenlösungsmittel können auch Partikel mit in den Strich gerissen werden, was schließlich zu einer geringeren Farbdichte auf der Oberfläche führt. Die geringsten Farbdichtewerte wies das mit Calciumchlorid additivierte Papier auf. Dies könnte auf die sehr hohe Agglomerationsfähigkeit der Calcium-Ionen zurückzuführen sein. Die Pigmente der Tinten wurden also gut fixiert und agglo-meriert, was jedoch zu geringeren Farbdichtewerten führte.

Ergebnisse der Farbdichte-messung an den oberflächen-modifizierten Papieren

Der in Abb. 5 zu sehende Verlauf der mit einer Stärkematrix oberflächenmodifi-zierten bedruckten Papiere ähnelt dem Verlauf der gestrichenen Papiere (Abb. 4) stark. Auch hier ist eine im Vergleich zu den übrigen Farben niedrigere Farbdichte der Magentapigmente zu beobachten. Vor allem die Farbdichte der mit Calciumchlorid ausgestatteten Papiere (TV11) liegt hier teilweise 10 Punkte niedriger als bei gestrichenen Papieren. Die Farbdichten der besten gestrichenen Muster werden nicht erreicht.

0,40

0,50

0,60

0,70

0,80

0,90

1,00

Cyan Magenta Yellow Black

Farb

dich

te

Farbdichtemessung - Stärke

TV7 (SiO2, AER) TV8 (SiO2, GSL) TV10 (PolyDADMAC, PQU) TV11 (CaCl2)

Abb. 5: Farbdichtemessung der in der Stärkematrix aufgetragenen Additive.




Zusammen-fassung

Zusammenfassend konnte gezeigt werden, dass durch den Einsatz von Additi-ven ein Einfluss auf das Druckbild vorhanden ist. Des Weiteren weisen geringere Dichtewerte auf die Agglomeration der Tintenpigmente hin. Es kann festgehalten werden, dass für ein optimales Druckbild eine Optimierung des Strichaufbaus für den Inkjetdruck vorzunehmen ist. Dadurch können auch eventuelle durch die Additivierung entstehende Nachteile ausgeglichen werden.

Vorgehen – Deinkbarkeits-prüfung

Die Bewertung der Deinkbarkeit der Druckmuster erfolgte nach INGEDE Metho-de 11. Die Druckfarbenentfernung IE wurde nach Gleichung 1 unter Berücksich-tigung der unbedruckten Stoffe ermittelt.

Gleichung 1: Ink Elimination

R∞,UP = Reflexionsfaktor der undeinkten Probe R∞,DP = Reflexionsfaktor der deinkten Probe R∞,unpr = Reflexionsfaktor der unbedruckten Probe R bestimmt bei einer Wellenlänge von 700 nm

Bei einigen Druckmustern war es nicht möglich, die Filtratverdunklung zu be-stimmen, da durch die Gegenwart der Additive eine Filtration der Nutschenblatt-filtrate über Membranfilter nicht möglich war. Die Filtrate zeigten aber visuell keine bzw. geringe Verfärbung.

Deinkbarkeit der gestrichenen Papiere

Die Referenzprobe wies die beste Deinkbarkeit auf, die geringste Druckfarben-entfernung wurde bei Einsatz von Calciumchlorid erhalten. Bei Einsatz von Kieselerde war die Druckfarbenentfernung besser als bei Einsatz des Polyelekt-rolyten.

Abb. 6: Deinkbarkeit der gestrichenen Labormuster




Deinkbarkeit der oberflächen-modifizierten Papiere

Bei Einsatz von Kieselerde wurde keine negative Bewertung für die Druckfarben-entfernung erhalten. Die Muster, die als Additive Polyelektrolyt bzw. Calciumchlo-rid enthielten, wiesen unzureichende Druckfarbenentfernung auf.

Abb. 7: Deinkbarkeit der oberflächenmodifizierten Labormuster

Fazit Die Untersuchungsergebnisse zeigen, dass durch eine Oberflächenbehandlung die Deinkbarkeit verbessert werden kann. Schon die Behandlung mit einem CaCO3 Strich mit moderater Oberflächenporosität führt zu besser deinkbaren Inkjetdrucken.




9 Überprüfung der Deinkbarkeit oberflächenmodifizierter Inkjet-Drucke

Vorgehen Für weitergehende Untersuchungen wurden gestrichene Papiere herangezogen, die auf der Pilotanlage bei Variation der Strichzusammensetzung erstellt und unterschiedlich bedruckt wurden [6].

Zusätzlich standen Druckmuster der Arbeitsgruppe Digitaldruck des Zellcheming FA COAT zur Verfügung [2].

Als Basis diente der Vergleich der Deinkbarkeit eines konventionellen Offset Papiers, einmal mit Offset Farben, das andere Mal mit Inkjet Tinten bedruckt.

Streichfarbenzu-sammensetzung der Pilotversuche

Details zur Streichfarbenzusammensetzung, zu den Pilotversuchen und Druck-versuchen sowie zu den Druckformen sind nachfolgend zusammengefasst (Abb. 8). Die gestrichenen Papiere wurden an einer schnelllaufenden Versuchs-streichmaschine unter praxisnahen Bedingungen hergestellt. Der Auftrag der Streichfarben erfolgte beidseitig auf holzhaltiges Streichrohpapier in jeweils einer Schicht mit einem Düsenauftragswerk und Egalisierung mittels Stiff-Blade. Ein Referenzmuster wurde mit Offsetstrich hergestellt und dieser dann bei den weiteren Mustern mit 10 pph an gefällter Kieselsäure, gefälltem Calciumcarbonat und Calciumsilikathydrat modifiziert. Zusätzlich dazu wurde eine kostengünstige Rezeptur auf Basis grober und feiner Calciumcarbonate mit aufgenommen. Ein Teil des Mustermaterials wurde einer leichten Satinage unterzogen.

Abb. 8: Details zu den Pilot- und Druckversuchen

Zusammen-fassung der Ergebnisse der Bedruckbarkeit

Im Inkjetdruck erwies sich bei hohen Druckgeschwindigkeiten die Trocknung der Pigmenttinte auch bei den modifizierten Strichen als zu langsam. Lediglich im Falle des Musters mit Zusatz von 10 pph an gefällter Kieselsäure konnte eine nahezu vollständige Trocknung erreicht werden. Auch das Muster mit 10 pph Calciumsilikathydrat zeigte ein etwas schnelleres und besseres Wegschlagen als das Referenzmuster. Voraussichtlich können mit höheren Anteilen dieser Pig-mente eine gute Trocknung der Tinte erreicht werden.




Ergebnisse der Deinkbarkeits-untersuchungen der Offset- und Inkjetdrucke

Die Ergebnisse der Deinkbarkeitsuntersuchung sind nachfolgend dargestellt. Alle Muster mit modifizierter Oberfläche weisen deutlich mehr als 71 Punkte (Deinka-bility scores) auf und werden als „Gut deinkbar“ eingestuft.

Des Weiteren können folgende Schlussfolgerungen aus den Ergebnissen gezogen werden:

• Die Muster mit Offsetdruck sind allesamt besser deinkbar als die Muster mit Inkjetdruck.

• Die Spezialpigmente mit hoher spezifischer Oberfläche können die Deinkbarkeit von Inkjettinte verbessern. Die Muster mit 10 pph an Ca-Silikathydrat zeigten die besten Ergebnisse

• Eine Satinage wirkt sich hinsichtlich der Deinkbarkeit positiv aus.

Abb. 9: Vergleich der Deinkbarkeit von Offsetdruck und Inkjetdruck auf gestrichenen Papieren bei Variation der Streichfarbe(Pilotanlage)




Ergebnisse der Deinkbarkeits-untersuchungen bei Variation der Inkjettinten

In einer weiteren Versuchsreihe erfolgte eine Variation der Inkjettinte. Als Druck-form wurde die INGEDE Testpage 4 c verwendet. Die Druckmuster wurden mit der Standard Schwarztinte (SS) bedruckt, die auch für den Vergleich zwischen Offset- und Inkjet-Druck eingesetzt wurde. Zusätzlich kam eine Premium Schwarztinte (PS) zum Einsatz, die eine höhere Brillanz des Druckbildes hervor-ruft.

Bei Einsatz der Standard Schwarztinte (SS) wiesen alle Muster mit modifizierter Oberfläche eine gute Deinkbarkeit auf. Bei Einsatz der Premium Schwarztinte wurde lediglich für das satinierte Druckmuster eine gute Deinkbarkeit erzielt. Die anderen Muster wiesen aufgrund des höheren Anteils an Pigmenten in dieser Inkjettinte eine zu hohe Filtratverdunklung auf.

Abb. 10: Vergleich der Deinkbarkeit von Inkjetdruck auf gestrichenen Papieren bei Variation der Streichfarbe (Pilotanlage) und bei Variation der Inkjettinte

Druckmuster der Arbeitsgruppe Digitaldruck des Zellcheming FA COAT

Eine Arbeitsgruppe im Zellcheming Fachausschuss COAT arbeitete an der prinzipiellen Entwicklung eines kostengünstigen gestrichenen Papiers, dass sowohl im Offset als auch im Inkjet Verfahren gleichermaßen gut bedruckbar ist [2]. Als Basis für die Versuche wurde ein Rezept für ein matt gestrichenes Papier für Rollenoffset verwendet. Untersucht wurden die Einflüsse des Pigments, der Bindemittelsorte und –menge. Als Pigmente dienten ein gemahlenes Calci-umcarbonat aus dem Vergleichspunkt, sowie Abmischungen mit einem speziell für Inkjet entwickelten Calciumcarbonat und einer hochabsorptiven pyrogenen Kieselsäure, letztere in kleineren Mengen.

Die Bindemittel waren Produkte auf Basis Styrolbutadien und Styrolacrylat. Die weiteren Hilfsmittel waren PVA und ein synthetischer Verdicker.

Auf der Basis eines Offset Papiers konnte mit relativ geringen Änderungen ein Produkt erzeugt werden, dass auch im Inkjet Druck für einfache Anforderungen geeignet ist. Die für die Inkjet Eignung notwendige Verringerung des Bindemittel-gehalts führte allerdings, wie zu erwarten, zu verstärktem Rupfen im Offset Druck. Ein Papier, das beide Anforderungen sehr gut erfüllt, konnte nicht reali-siert werden und erscheint nach diesen Erfahrungen mit den getesteten Inkjet Tinten auch kaum möglich.




Ergebnisse der Deinkbarkeits-untersuchungen

Tabelle 6: Strichrezepturen für den Pilotversuch:

Die Pilotmaschinenrollen wurden bei der Firma Océ auf einer Océ ColorStream 3700 mit einer Geschwindigkeit von 100m/min bedruckt. Verwendet wurden wasserbasierte Pigmenttinten. Die Tintenauftragsmenge mit bis zu 400% war vergleichsweise hoch und sollte schwierige Bedingungen simulieren.

Die Tintentrocknung war bei beiden Papieren immer noch auf kritischem Niveau für Vollfarbdruck, es konnten jedoch akzeptable Ergebnisse bei monochromem Druck und Vierfarbdruck mit geringer Bedeckung erreicht werden

Die Deinkbarkeitsuntersuchungen mit den Versuchsprodukten Nr. 2 unsatiniert und 4 satiniert ergaben alle eine akzeptable Deinkbarkeit.

Abb. 11: Deinkbarkeit von inkjetbedruckten LWC Papieren aus dieser Untersu-chung




Zusammen-fassung der Ergebnisse

Eine Zusammenfassung der Deinkbarkeitsergebnisse der als gut deinkbar eingestuften Inkjet Druckmuster im Vergleich zu konventionellem Offset Papier, einmal mit Offset Farben, das andere Mal mit Inkjet Tinten bedruckt ist nachfol-gend dargestellt.

In Abb. 12 ist zu erkennen, dass durch Oberflächenmodifizierung bei den Inkjet Druckmustern hinsichtlich der kritischen Parameter keine Grenzwerte über- bzw. unterschritten werden, aber noch nicht für alle Prüfparameter die Zielwerte erreicht sind. Modifizierungen, die sich allein auf die Papieroberfläche beschrän-ken, werden auch künftig nicht ausreichen, um die Ziele einer guten Bedruckbar-keit im Offset- und Inkjetdruck sowie vergleichbarer Deinkbarkeit vollständig zu erreichen. Weiterentwicklungen auch bei den Inkjet Druckmaschinen und Tinten sind anzustreben.

Abb. 12: Ausgewählte Deinkbarkeitsparameter und Zusammenfassung der Ergebnisse




10 Wirtschaftlichkeitsbetrachtung

Marktent-wicklung bei graphischen Papieren

Seit einigen Jahren sinken die Absatzmengen an graphischen Papieren und Überkapazitäten müssen abgebaut werden. Es gibt verschiedentlich Diskussio-nen darüber ob und in welchem Ausmaß dieser Trend anhalten wird, aber insgesamt wird man wohl von einer Abnahme der Mengen ausgehen müssen. Die Möglichkeiten der Personalisierung und der gezielteren Ausstattung der gedruckten Medien für den spezifischen Endverbraucher lassen die Absatzmen-gen für z. B. Inkjet Papiere deutlich ansteigen. Die höhere Werbewirksamkeit einer persönlichen Ansprache ist sicherlich einer der Hauptgründe für diese Entwicklung. Möglich geworden sind die steigenden Mengen durch die Einfüh-rung von schnelllaufenden Inkjet Druckmaschinen in den letzten Jahren durch führende Hersteller.

Schätzt man den Medienbedarf einer solchen Maschine auf ca. 400 t/a, und die Anzahl der schon heute im Markt befindlichen Drucker auf 650 Maschinen ergibt sich rechnerisch ein Bedarf an Inkjet Papieren von 260.000 t/a. Bei einem Anteil an gestrichenen Papieren von 10% ergeben sich 26.000 t gestrichene Inkjet Papiere pro Jahr [2].

Aktuellen Recherchen zufolge ist der Markt bereit, für ein Hybridpapier ca. 20-30% mehr zu bezahlen als für gestrichene Offsetqualitäten. Dabei sollten aber die Haptik und die optischen Eigenschaften der Papiere weitgehend denen von gestrichenen Offsetpapieren entsprechen. Gegenüber einem reinen Offsetpapier muss zudem eine signifikant höhere Druckqualität im Inkjetdruck erzielt werden können. Dies bedeutet, dass gestrichene Papiere für hybride Druckanwendun-gen momentan nicht merklich über 800 €/t liegen sollten [2].

Gestrichene Papier für den Offsetdruck bewegen sich momentan bei etwa 610 bis 625 €/t. Der Einsatz von Kieselsäure bzw. Ca-Silikathydrat mit dem höheren Preis für das Pigment würde zu einer Kostenerhöhung um das 1,27 – 1,9-fache führen

Kosten-steigerung für Deinkinganlagen durch Wäsche

Die Zunahme von nicht deinkbaren Inkjet-Drucken ist in heutigen Deinkinganla-gen mit deutlich höheren Verlusten verbunden, wenn die Anforderungen an die Qualitätseigenschaften sichergestellt werden müssen.

Der Einsatz einer Wäsche erhöht die heute schon anfallenden Stoffverluste durch Flotation von heute üblicherweise 15 % auf ca. 30 % und höher. Dadurch werden sowohl die Kosten für die Entsorgung, vor allem aber für den Rohstoff Altpapier durch Mehrverbrauch höher. Die Installation einer erforderlichen Wäsche zur Entfernung von Inkjet Pigmenten anstelle einer heute üblichen Nachflotation würde die Kosten für Energieeinsatz, Altpapiermehrverbrauch und Entsorgung um das ca. 1,2-fache für die Herstellung von DIP erhöhen.




Wirtschaftlicher Vergleich

Bei einem Altpapiereinsatz von 4,4 Mio. t für die Produktion von graphischen Papieren im Jahr in Deutschland wäre der Einsatz einer Wäsche mit einer Erhöhung der Kosten um etwa 94 Mio € pro Jahr für die Herstellung von deink-tem Stoff verbunden.

Für 26.000 t gestrichene Inkjet Papiere pro Jahr ergeben sich selbst bei Ver-dopplung der Kosten für den Strich hingegen nur Kosten von ca. 12 Mio €.

Nutzung der Ergebnisse

Die Entwicklung deinkbarer Inkjet-Drucke kommt sowohl Papierfabriken als auch Druckereien zugute. Die Druckereien können damit ein deinkbares Inkjet-Produkt mittels Zertifikat anbieten und leisten somit einen Beitrag zu einem umwelt-freundlichen Inkjet-Produkt.

Die Verbesserung des Austrags von Inkjet Pigmenten ist vor allem für Papierfab-riken mit Deinkinganlagen zur Herstellung von Papieren mit hohen Anforderun-gen an die optischen Eigenschaften von Bedeutung, wie Erzeuger von graphi-schen Papieren, weiße Decke von Faltschachtelkarton und Wellpappenrohpapiere sowie Tissue.




Literatur

1 Schulze-Hagenest, D. Status and trends in digital printing including inkjet. 14. PTS-CTP-Deinking-Symposium, München: PTS 2010, PTS Symposium: DE 1004.

2 Croll, D., & Papier, G.

Papiere für HSWO und High-Speed Inkjet - Möglichkeiten und Grenzen. PTS Streicherei Symposium, 17. – 19. September 2013, München.

3 Fromm, M. Digitaler Massendruck – überzeugende Zukunftsaussichten mit herausfordernden Aufgaben. Vortragsband PTS Symposium Papier und Bedruckbarkeit 2010, R. Sangl (Hrsg.), München: PTS 2010, PTS Symposium: CP 1010.

4 Carré, B., Magnin, L., & Ayala, C. Digital prints: a survey of the various deinkability behaviour, www.ingede.com.

5 Faul, A., & Oberndorfer, J. The challenge to deink inkjet prints together with recovered papers from household. Conference Papers, 2010 TAPPI PEERS Conference, Norfolk, Virginia, USA, October 2010.

6 Kleebauer, M., Keller, G., & Gemeinhardt, J. Computer-assisted development of coating concepts for the optimisation of print quality by simultaneous application of offset, flexo and inkjet printing. Research report www.ptspaper.com.


www.ptspaper.de

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