2005
and loss in whiteness when using UV-varnish
Henrik Sjöström
EXAMENSARBETE
Grafisk Teknologi
Nr: E 3308 GT
Grafisk Teknologi, 120p E 3308 GT
Månad/År
08-05
Examinator
Jan-Erik Nordström
Handledare vid företaget/institutionen
Tommy Andersson
10 poäng
Namn
Henrik Sjöström
Företag
AssiDomän Cartonboard
Titel
Sambandet mellan bestrykningsreceptur och sänkningen av ytans vithet vid UV-lackering
Nyckelord
Vith et, ljushet, ljusspridning, ljusabsorption, brytningsindex, pigment, porstruktur, UV-lack
Högskolan Dalarna 781 88 Borlänge Röda vägen 3
Telefax: 023-77 80 50 URL: http://www.du.se/
Sammanfattning
AssiDomän tillverkar kartong till förpackningsindustrin. Inom detta område är vitheten på kartongy- tanen viktig parameter. För att höja intrycket av förpackningen samt skapa en skyddande yta lackas ofta förpackningen med UV-lack efter tryck. Efter lackning kan då otryckta lackade ytor uppfattas som mindre vita. För att ta reda på om bestrykningssammansättningen har betydelse har ett fem olika bestrykningar blandats. Pigmenten som använts i bestrykningarna är karbonat, kaolin och titandioxid i olika kombinationer. Kartong har sedan bestrukits med dessa och därefter lackerats med UV-lack.
Lackningen har gjorts i tre olika lackmängder. Mätningar har sedan gjorts gällande framförallt vithet.
Den samverkan som sker mellan ljus, materialet och dess struktur är av stor vikt för att skapa en yta med goda optiska egenskaper. Resultaten i detta försök visar att lacken påverkar de optiska egenska- perna och framförallt vitheten. De lackerade ytorna fick en gulton efter lackering vilket kan ha att göra med lackens egenskaper. Vitheten hade en något mindre minskning för den bestrykning som bestod av karbonat och titandioxid. Skillnaden var dock mycket liten då alla bestrykningar fick en sänkning av vitheten med cirka 11-13 procentenheter oberoende av utgångsvärdet i vithet för respektive bestryk- ning innan lackning. Positivt var att det kunde konstateras att den bestrykning som hade det högsta vithetsvärdet före lackning också hade det efter lackning med ett normalt lackpålägg vilket betyder att en hög vithet är av betydelse även om den bestrukna ytan ska lackas.
Den sänkning av vitheten som sker kan ha flera tänkbara orsaker. En tänkbar orsak kan vara att lack- en förstör den porösa struktur som ger den viktiga ljusspridningen i bestrykningsskiktet. Resultaten visar också att lackens egenskaper tycks vara av stor betydelse. Den gulton som framträdde efter lack- ning tyder på en ökad absorption av vissa ljusvåglängder. Något som också pekar på detta är att alla fem bestrykningarna fick en liknande sänkning av vitheten. För att säga exakt vad som är orsaken eller vilken kombination som påverkar vitheten mest krävs ytterliggare tester. Olika UV-lacker kan testas eftersom endast en UV-lack har använts i dessa försök. En närmare studie av gränsyta mellan UV-lacken och bestrykningsskiktet bör också göras för att se hur lacken påverkar bestrykningsskiktets struktur.
Programme
Graphic Art Technology, 120p
Reg number
E 3308 GT
Year-Month-Day
05-08-09
Examiner
Jan-Erik Nordstöm
Supervisor at the Company/Department
Tommy Andersson
Exents
15 ECTS
Names
Henrik Sjöström
Company/Department
AssiDomän Cartonboard
Title
The connection between coating composition and loss in whiteness when using UV-varnish
Keywords
whiteness, brightness, light-scattering, light-absorption, refractiv index, pigments, pore structur, UV-varnish.
Högskolan Dalarna 781 88 Borlänge Röda vägen 3
Telefon: 023-77 80 00
Telefax: 023-77 80 50 URL: http://www.du.se/
Summary
AssiDomän produces cartonboard for the packaging industry. Within this field whiteness is an impor- tant parameter. To increase the visual impression and to create a protective layer the board is often UV-varnished. After varnishing unprinted areas has the tendency to appear less white than before. To see if different coatings react differently when varnished with focus on loss of whiteness, five different top coatings have been mixed. The pigments used in this test are calsium carbonate, kaolin and titan dioxide. With these top coatings a precoated board has been coated and then varnished with UV-var- nish. The varnishing is done in three different thicknesses. Thereafter measurements have been done focusing on whiteness. The interaction between light, material and its structure is of great importance to get a surface with good optical properties. The results from these tests show that the varnish affects the optical properties of the coated surface, especially the whiteness. After varnishing a yellow tone appears which can be connected to the properties of the varnish. The loss in whiteness was quite similar with all coatings, around 11-13 percentage points. A positive result was that the coating with the hig- hest value in whiteness before varnished also had the highest value after it had been varnished. This tells us that high values in whiteness are of importance even if the surface is to be varnished.
The loss in whiteness can be connected to different causes or a combination of causes. One cause could be that the varnish destroys the pore structure in the coating which is important for light scattering.
The results show that the properties of the varnish are of great importance. The varnish gives a higher light absoption of different wavelengths. To be able to give an exact answer to what causes the loss in whiteness more studies need to be done. Different UV-varnishes could be tested. A closer look at the surface between the coating and the varnish could also be done to see how they connect.
Förord
Ett stort tack vill jag rikta till all personal på Tech Center vid AssiDomän Frövi som jag haft kontakt med under de sju veckor som jag tillbringade vid bruket. Framför allt vill jag tacka Mattias, Mona och Maria på tryck- labb samt min handledare Tommy Andersson. Dessa personer var till stor hjälp med praktiska saker och gjorde vistelsen i Frövi trivsam.
Jag vill också rikta ett tack till min examinator, Jan-Erik Nordström, som har kommit med många tips under arbetets gång.
Då detta examensarbete avslutar tre år av studier vill jag tacka övrig per- sonal och elever på Grafisk Teknologi som varit med under dessa tre år.
Falun 05-08-09 Henrik Sjöström
5
Företagspresentation
AssiDomän Frövi är ett av världens ledande kartongföretag och ägs av Sveriges största skogsägare, Sveaskog. År 1889 startades en fabrik för framställning av slipmassa och två år senare startades också ett pap- persbruk. Samtidigt som detta skedde stängdes den järnproduktion som startades redan år 1550. År 1904 startades även framställning av sulfat- massa.
Idag använder de sig av en kartongmaskin, KM5, som byggdes år 1981 och var då en av världens största. Åren 1995-1998 genomgick den en modernisering och har en kapacitet på 380 kton per år. Samtidigt moder- niserades också sulfatfabriken och blekeriet. 1982 hade de en kartongpro- duktion som uppgick till cirka 90 kton och 2004 var produktionen ca 350 kton. Idag har företaget har ca 680 anställda.
Deras hemmamarknad är Europa och de exporterar mer än 90 procent av produktionen. Huvudkontoret ligger i Frövi där de också har en av fyra försäljningsavdelningar. De övriga tre avdelningarna ligger i London, Paris och Hamburg. Förutom dessa avdelningar så har de agenter i Schweiz, Spanien, Italien och Polen. I jämförelse med övriga kartongpro- ducenter så är AssiDomän den sjunde största producenten av kartong i världen.
Frövi har en djup kunskap om förpackningsfunktionalitet som möjliggör högre processeffektivitet och genomslagskraft hos förpackningen. Nedan följer några exempel på vad Frövi kan bidra med för att skapa en bra förpackning:
Konstruktionstester för att säkerställa att funktion och design går hand i hand.
Förståelse av behoven genom förpackningens hela livscykel Beräkning av balans mellan styrka och minimal materialmängd Produktion av kundspecifika prototyper: funktionella egenskaper och kreativa förpackningslösningar
Experimentell trycksimulering
Testmöjligheter: lukt, smak, produktsäkerhet Omfattande problemlösningsmöjligheter
Möjligheter att lösa tekniska frågor vid kundens anläggning
.
. .
.
. .
. .
AssiDomän tillverkar kartong under fyra olika produktnamn: Frövi Liquid, Frövi Light, Frövi Carry och Frövi Bright. Frövi Liquid är som det låter en vätskekartong. Den finns i två varianter en obestruken och en bestruken. De övriga tre produkterna går under förpackningskartong.
Dessa tre produkter består av fyra skikt med massa samt en bestrykning på toppsida. Det som skiljer dessa produkter åt är Frövi Light och Carry har en oblekt baksida medan Frövi Bright även har en blekt baksida.
AssiDomäns vision lyder som följer:
”AssiDomän Cartonboard skall
hos kunder inom väl definierade segment uppfattas som den bäste kartongleverantören”
AssiDomäns affärsidé lyder som följer:
”AssiDomän Cartonboard skall tillgodose
utvalda kunders behov av högkvalitativ kartong för effektiva, kreativa och funktionella förpackningslösningar”
7
Innehållsförteckning
1. Inledning
9
1.1. Bakgrund 9
1.2. Syfte 9
1.3. Mål 9
1.4. Metod 9
1.5. Avgränsningar 9
2. Pappersoptik
10
2.1. Brytningsindex 10
2.2. Ljusspridning och ljusabsorption 10
2.3. Vithet 11
2.4. Ljushet 12
3. Bestrykning
14
3.1. Bestrykningsstrukturen 14
3.2. Bestrykningssmeter 15
3.2.1. Bestrykningspigment 15
3.2.1.1. Kaolin 16
3.2.1.2. Kalciumkarbonat-GCC 17
3.2.1.3. Precipitated calcium carbonate-PCC 18
3.2.1.4. Titandioxid 18
3.4. Bindemedel 19
3.5. Partikelstorlek 19
3.6. Porstorlek 20
4. Färgmätning
21
4.1. Vithet 22
4.2. CIE Lab 22
5. Lackering
23
5.1. Lacker 23
5.2 UV-system 23
6. Genomförande
25
6.1. Smetberedning 25
6.2. Bestrykning 27
6.3. Lackering 28
6.3.1. Framtagande av metod för lackering 30
6.3.2. Överförd lackmängd 31
6.3.3. Lackmändsnivåer 32
6.4. Mätresultat 32
6.4.1. Förbestruken kartong 33
6.4.2. Karbonat och titandioxid 33
6.4.3. Kaolin och titandioxid 34
6.4.4. Karbonat 34
6.4.5. Karbonat och kaolin 34
6.4.6. Kaolin 35
6.4.7. Plastfilm 35
7. Slutsats
36
8. Diskussion
39
9. Referenser
41
Bilaga A
Tidsplan (1 sida)
Bilaga B
Lackmetod (2 sidor)
Bilaga C
Mätvärden (5 sidor)
Bilaga D
Diagram (3 sidor)
Bilaga E
Smetrecept (5 sidor)
9
1 Inledning
1.1 Bakgrund
AssiDomän Frövi tillverkar bestruken kartong för förpackningsändamål.
En mycket viktig kvalitetsparameter är att kartongens yta uppfattas som
”vit”. Kartongen säljs till konverterare som tillverkar förpackningsmate- rial genom främst tryckning, bigning och stansning. För att få önskade egenskaper i form av skydd för förpackningens yta och vissa optiska egenskaper som t ex glans är det vanligt att man lackar ytan. Efter att ytan lackats har det visat sig att den lackade ytan ibland uppfattas som mindre vit än den olackade.
1.2 Syfte
Att studera och kartlägga hur bestrykningsskiktets sammansättning och egenskaper påverkar lackerbarheten med framförallt UV-härdande sys- tem och särskilt med avseende på den sänkning av ytans vithet som kan följa efter lackning.
1.3 Mål
Att klarlägga om det finns vissa bestrykningsrecepturer som genom sina egenskaper när de är bestrukna på en kartongyta får en lägre sänkning av vitheten efter lackning med UV-lack
1.4 Metod
Arbetet inleddes med en litteraturstudie. Den experimentella delen omfattar framtagande i labskala av ett antal modellbestrykningar och karaktärisering av dessa. Viktiga parametrar är bl.a. optiska egenskaper, porstorlek och porvolym. De olika bestrykningarna har lackats. De lacka- de proverna har sedan karaktäriserats genom olika optiska mätningar.
1.5 Avgränsningar
Då projektet är tidsbegränsat har endast de uppmätta resultaten legat till grund för de slutsatser som redovisats. För djupare analyser av hur lackens och bestrykningens samverkan skulle mer tid behöva avsättas.
För att inte arbetet skulle bli för stort har även pigmenten begränsats till tre olika och endast en sorts UV-lack har använts.
2 Pappersoptik
När man talar om en pappersytas optiska egenskaper handlar det om papperets ljushet, opacitet och färg. Utseendet hos en pappersyta beror av en växelverkan mellan materialet och det påfallande ljuset och en upple- velse i den mänskliga hjärnan när det från materialet reflekterade ljuset träffar det mänskliga ögat. Den växelverkan mellan ljus och material som ger papperet dess optiska egenskaper påverkas av råmaterialet, tillverk- ningsprocessen och den slutliga strukturen i papperet. 1
2.1 Brytningsindex
En grundläggande optisk egenskap är hur ljuset bryts och reflekteras när det passerar genom ett medium. Detta beskrivs genom materialets bryt- ningsindex. Brytningsindex är förhållandet mellan hastigheten i materia och i vakuum (299 792 458 m/s). När man talar om att ljuset bryts menar man att ljuset ändrar riktning när det går från ett medium till ett annat
2. Ett högre brytningsindex betyder att ljuset bromsas upp mer, det är optiskt tätare.
2.2 Ljusspridning och ljusabsorption
När ljus träffar en fiber eller en partikel kommer en del av ljuset att reflekteras medan den största delen kommer att tränga in i materia- let, absorberas. Väl inne i materialet kommer en del av ljusenergin att omvandlas till värme. Det ljus som inte omvandlas till värme kommer att passera genom materialet, transmitteras och möta andra ytor där denna process upprepas. 3
Ljusspridningen är beroende av brytningsindex och antalet ljusspridande ytor. Ljusspridningen sker när ljus reflekteras och bryts mot partiklar och gränsytor mellan partiklar och luft. För pappersytor är hög ljusspridning bra då papperet blir opakare och vitare. 4
När ljus träffar en pappersyta inträffar en rad olika optiska fenomen. Det första fenomenet kallas reflektion och betyder att det infallande ljuset reflekteras mot fibrer och pigment och skickas tillbaka i olika riktningar.
Allt ljus reflekteras inte direkt utan en del ljus färdas genom fibrer och pigment. Ljuset kommer då att spridas i olika riktningar vid gränsytorna mellan de olika materialen eller luft, detta kallas refraktion. En del av ljuset reflekteras sedan mot nya ytor och når sedan pappersytan. En del av det ljus som passerar genom fibrer och pigment absorberas och övergår till värme. Diffraktion uppträder när ljuset möter partiklar eller porer som är lika stora eller mindre än ljusvåglängden, d.v.s. mindre än 1 mikrometer. De kommer att svänga med i ljusvågrörelsen och fungera
1 Fellner & Norman 1998. s. 353 2 Pauler 1993. s. 9
3 Pauler 1993 s. 9 4 Pauler 1993 s 34
11 som säten för nya ljuskällor. Reflektion, refraktion och diffraktion bildar tillsammans ljusspridningen. 5
När man talar om ljusabsorption menar man hur mycket av det infal- lande ljuset som absorberas av materialet. Denna absorption styr hur mörkt materialet kommer att upplevas, stor absorption ger en mörkare yta. När absorptionen skiftar mellan olika våglängder upplever vi mate- rialet som färgat. 6
2.3 Vithet
Vad som är en vit yta är en subjektiv upplevelse. Människor upplever ofta att en yta som har en lite blåaktig ton ser vitare ut. På grund av detta så står det klart att vithet är en färgupplevelse och mätningar av vithet måste vara baserade på färgmätning. Genom åren har det tagits det fram en mängd olika ekvationer för att beskriva vithet. 7
5 Pauler 1993. s 10-11 6 Pauler 1993. s. 34 7 Pauler 1993. s. 73-81
Figur 2.1 Optiska fenomen som inträffar när ljus träffar en pappersyta (Källa: Pauler 1993. s 10).
Reflektion Refraktion
Absorption Diffraktion
Den för dagen vanligaste mätmetoden är med hjälp av CIE XYZ och dess tristimulusvärden. Man mäter CIE-vithet (W) med en spektrofotometer.
Det värde som redovisas är baserat på reflektionsvärdet för hela det synliga våglängdsområdet. Värdet kan överstiga 100, på grund av att om fluorescerande vitmedel används ger det en ökning av mängden synligt ljus om det infallande ljuset innehåller UV-ljus 8. En närmare beskriv- ning av hur vitheten beräknas finns under kapitel 4.1.
De tre koordinaterna L, a och b representerar var i CIE-färgrymden en uppmätt punkt ligger. Ett positivt a-värde går mot rött och ett negativt mot grönt. Ett positivt b-värde går mot gult och ett negativt mot blått. L är ett procentuellt värde som beskriver luminansen. Svart har värdet 0
% och rent vitt har värdet 100 %. 9
2.4 Ljushet
På en pappersyta vill man i regel ha så hög ljushet som möjligt. Ljusheten bestäms av ljusspridningen och ljusabsorptionen. Dessa benämns som bestrykningsskiktets ljusspridningskoefficient (s) och absorptionskoef- ficient (k). Ljusheten hos ytan förbättras när ljusspridningskoefficienten ökar och absorptionskoefficienten minskar. Opaciteten ökar när båda ökar.
Eftersom det är en yta som skall tryckas är de ljusspridande egenska- perna av största intresse. Ljusspridningskoefficienten styrs av bryt- ningsindex för pigment och bindemedel och antalet ljusbrytande ytor.
Genom att använda pigment med liten partikelstorlek ökar man antalet ljusspridande ytor och får därmed ett högre s-värde, ökad ljushet och opacitet. 10
Ljusheten mäts genom att man jämför hur mycket ljus som reflekteras från den uppmätta ytan mot reflektansen från en absolut vit yta, detta ger en reflektansfaktor. En absolut vit yta kommer att ge värdet 100 pro- cent och en absolut svart yta kommer att ge värdet 0 procent.
Ett substrat kan innehålla olika färgade substanser som gör att ljus inom olika våglängdsområden kommer att reflekteras olika. För att kunna få värden som är jämförbara har man därför enats om att mäta ISO-ljushet med en speciell våglängd, 457 nm vilket är ett blått ljus. För att kunna få fram ljus av endast denna våglängd använder man sig av ett filter som betecknas R 457.
För att resultatet vid mätning av ljushet ska bli bra är det viktigt att man mäter på ett tjockt prov eller en bunt så att resultatet inte har påverkats av bakgrunden.
8 Olsson 1999. s. 186-187 9 Brown 2000. s. 759-760 10 Olsson 1999. s. 58
13 Man kan även mäta ljushet vid en våglängd av 557 nm, gul-grönt ljus.
Denna våglängd representerar det område där det mänskliga ögat är som känsligast. Det värde som man då får fram kallas Y-värde och ger en bättre uppfattning om hur ljus en yta uppfattas än ISO-ljushet. 11
Genom att använda sig av små partiklar med stor specifik yta höjer man ljusheten och s-värdet. Att tänka på är att ju mindre partiklarna blir ju mindre blir också porerna i bestrykningsskiktet. Om partikel- och porstorleken minskas till mindre än halva ljusvåglängden avtar ljus- spridningen vilket sänker ljusheten. Genom dessa fakta kan man konsta- tera att ljusheten och ljusspridningskoefficienten påverkas i hög grad av bestrykningsskiktets porstruktur.
S-värdet påverkas inte bara av porstrukturen utan den är även våg- längdsberoende. Om man jämför ljusspridningskoefficienten för en lera- baserad bestrykning kan man se att s-värdet är högst för våglängder på 400 nm för att sedan sjunka stadigt ner till 700 nm.
Vilka pigment som används i bestrykningskikten har också betydelse för ljusheten. Genom att använda sig av olika pigment kan man skapa olika hög porositet. En hög porositet är positivt för s-värdet.
Det kan vara värt att kommentera att baspapperets eller baskartongens ljushet tillsammans med hur stort smetpålägg som görs är av betydelse.
Ljusheten kommer att öka med smetpålägget om bassubstratet har lägre ljushet än smeten. Det omvända sker om bassubstratet är ljusare än smeten.
Efter att bestrykningen har torkat kalandreras ofta materialet. Detta kommer att ge en sänkning av ljusheten. Desto hårdare linjetryck som används desto mer sänks ljusheten. Hur stor sänkningen blir beror på baspapperets egenskaper och skiktsammansättning. 12
11 Olsson 1999. s. 186-187 12 Engström 1992. s. 199-208
3 Bestrykning
För att ge kartongen en bra tryckyta bestryker man den. Genom att bestryka kartongens yta höjs en rad egenskaper. Man får en jämnare yta då bestrykningen fyller igen ojämnheter i baskartongen. Bestrykningen ger också en porös yta med många små porer vilket höjer absorptions- egenskaperna vid tryckning och ljusspridningen. Genom att bestryka kartongen kan man också höja ytans ljushet. 13
De optiska egenskaperna hos bestrykningskiktet bestäms i första hand av pigment och bindemedel. 14
3.1 Bestrykningsstrukturen
När man trycker på ett bestruket papper är det framför allt den översta delen som samverkar med färgen. På grund av detta kan det vara smidigt att dela in bestrykningen i en förbestrykning på ett tiotal mikrometer och en toppbestrykning på ett tiotal mikrometer. Strukturen och den kemiska sammansättningen av dessa lager är mycket viktiga egenska- per. Toppskiktet påverkar starkt färgbehovet och tryckglansen medan porositet och porstorlek i förbestrykningen bestämmer färgens sättning.
Pigmenten är de som påverkar skiktets slutliga struktur allra mest.
Pigmentens form bestämmer hur kontaktytorna mellan pigmenten blir samt storleken på luftfickorna. Ett oregelbundet kalciumkarbonat har mindre kontaktytor än ett platt kaolinpigment och ger på det sättet större luftfickor. På grund av sin oregelbundna form ger kalciumkarbonat en porös struktur som ger vatten större möjlighet att tränga in i struk- turen ner till fibrerna som sedan sväller. De platta kaolinpigmenten ger en mindre porös struktur då de har större kontaktytor mellan varandra.
Kaolin orienterar sig platt i lagret vilket gör att de ger en högre ytglans än kalciumkarbonat.
En viktig komponent i bestrykningen är latex som används för att binda ihop pigmenten i bestrykningssmeten samt ge den en god förankring till substratets yta. Denna beståndsdel påverkar färgsättningen på flera vis.
Till att börja med påverkar den porositeten och porstorleksfördelningen som påverkar separationen av oljan i färgen. Latex absorberar också olja genom att svälla, detta är beroende av latexets egenskaper. För mycket latex sänker ytglansen och porositeten. Det gör även så att den stänger luftfickorna som finns i bestrykningsskiktet. 15
Det är känt att den maximala ljusspridningen för ett pigment sker vid en speciell partikelstorlek, men bestrykningen kan också ses som en matris som innehåller hålrum som är ljusspridningspunkter. Ljusspridningen beror av den porösa strukturen och speciellt mikroluftfickorna och inte
13 Pauler 1993. s 393 14 Pauler 1993. s 102 15 Brown 2000. s. 714ff
15 partiklarna i strukturen. Partikelstorleken, storleksfördelningen och formen på partiklarna styr formen och storleken på mikroluftfickorna.
Detta gäller för konventionella bestrykningar som innehåller pigment med låga brytningsindex som kaolin och kalciumkarbonat. Eftersom ljusspridningen beror på bestrykningens porösa struktur är det troligt att de faktorer som påverkar strukturen också påverkar ljusspridningen.
Alltså, förändringar i ljusspridningskoefficienten för en given blandning reflekterar förändringen i strukturen. Ett sådant exempel är variationen i ljusspridningskoefficienten beroende på hur mycket bestrykning som appliceras. Större pålägg ger en lägre ljusspridningskoefficient. 16
Ytglans, oljeabsorption och ljusspridning går att relatera till volymen på luftfickorna. Skikt med oregelbundna kalciumkarbonatpartiklar har visat sig ge betydligt högre volym på luftfickorna än platta kaolinpar- tiklar. Volymen hos luftfickorna är lägst då partiklarna i skiktet är av samma form, till exempel kaolin och talk och ökar vid en blandning av kalciumkarbonat och kaolin. 17
3.2 Bestrykningssmeter
Bestrykningssmeter för kartong och papper är komplicerade system då de innehåller en rad olika komponenter förutom vatten. I stort kan man dela in dessa komponenter i tre olika grupper: pigment, bindemedel och till- satskemikalier. Av dessa komponenter så är pigmenten den dominerande och har en andel på 80-95 viktprocent av smeten. Bindemedeltillsatsen ligger på 5-20 viktprocent och de övriga tillsatserna har en andel på 1- 2 viktprocent. Ett färdigt bestrykningsskikt har en tjocklek på ca 5-20 mikrometer. 18
Ett vanligt värde på porositeten på ett bestrykningskikt är 35 %. 19 3.2.1 Bestrykningspigment
Som nämnts ovan så består bestrykningsskiktet till största del av pig- ment. Pigmenten är vita och bör inte bestå av partiklar större än 15 mikrometer då de kan orsaka streck i ytan. Det finns en mängd olika pigment som går att använda för bestrykning. Bland de vanligaste är kalciumkarbonat, kaolin och titandioxid.
Något som är av stor vikt är bestrykningsskiktets ljusspridning och ljusabsorption. Dessa två parametrar styr ytans ljushet och opacitet.
Hos kartong är ljusspridningen i bestrykningsskiktet den viktigaste egenskapen. För att få en så bra ljusspridning som möjligt ska det vara så stor skillnad i brytningsindex mellan de medier som ljuset passerar.
Bestrykningssmeten består till viss del av bindemedel som också har ett
16 Brown 2000. s. 716-717 17 Brown 2000. s. 717
18 Fellner & Norman 1998. s. 394 19 Fellner & Norman 1998. s. 394
brytningsindex. Detta ligger ofta något under brytningsindex för pigmen- ten. Detta gör att gränsytor mellan pigment och bindemedel sprider ljus sämre än gränsytor mellan pigment och luft. Skillnaden i brytningsindex mellan pigment och luft är större.
Ett poröst bestrykningsskikt ökar antalet ljusspridande ytor vilket gör att porositeten hos bestrykningsskiktet har betydelse för ljusspridningen samt ljusheten och opaciteten. Pigmentens storlek och specifika yta spe- lar också en roll. Små pigmentpartiklar med stor specifik yta ger bättre ljushet och höjer ljusspridningskoefficienten (s). Genom att minska par- tiklarna så minskar man även porstorleken. Det finns dock en gräns för hur små partiklar man bör använda sig av. Om porstorleken minskas till mindre än halva ljusets våglängd kommer porernas förmåga att sprida ljus att försämras. Resultatet blir att ljusspridningskoefficienten (s) och ljusheten kommer att försämras. Detta säger att ljusheten och ljussprid- ningskoefficienten beror på bestrykningskiktets porstruktur. 20
3.2.1.1 Kaolin
Detta är det vanligaste bestrykningspigmentet. Det finns olika fraktioner (storlekar) av lera vilket styr deras användningsområde. De grovkor- niga fraktionerna används som fyllmedel och de finkorniga fraktionerna används som bestrykningspigment. Lerans form är sexkantig och i flak staplade på varandra. Genom att dela upp, delaminera, staplarna i tun- nare plattor minskar man partikelstorleken vilket har en positiv inver- kan på bestrukna kvaliteter. Genom delaminering kan man göra en grov fyllmedelslera till en bra bestrykningslera.
Lera är ett vanligt förekommande mineral. De största fyndigheterna finns framförallt i Georgia, USA, sydvästra England och i Brasilien. Den engelska leran är primär vilket betyder att den ligger kvar där den bil- dades. Den lera som bryts i Georgia är sekundär vilket betyder att den förflyttat sig från där den bildats. 21
På grund av sin form ger en bestrykning med lera en ökad glans och skikten är relativt styva. Lerans densitet ligger runt 2,6 g/m2 och har ett brytningsindex på ca 1,56-1,57.
20 Fellner & Norman 1998. s. 394ff 21 Olsson 1999. s. 59-60
Figur 3.1 Kaolinpigment i förstoring
17 Kalcinerad lera betyder att den är upphettad till 650-700 C. Detta ger en lera med låg densitet som ger god opacitet. Den måste dock användas tillsammans med annan lera då den ger slamman en hög viskositet. Den används framförallt för tunna papper. 22
Denna lera har ungefär samma brytningsindex som vanlig lera men har en specifik yta som ligger på 17 till skillnad mot vanlig lera som har en specifik yta på 8. 23
3.2.1.2 Kalciumkarbonat - GCC
Det vanligaste bestrykningspigmentet näst lera är kalciumkarbonat. Till denna kategori hör krita, marmor och kalksten. I Sverige är mald marmor den vanligaste varianten. Kalciumkarbonat har ett brytningsindex på ca 1,6 och densiteten ligger mellan 2700-2800 kg/m3. Kalciumkarbonat har några fördelar jämfört med lera. Det har högre ljushet, kräver mindre bindemedel, är billigare, kan slammas till högre torrhalt och ger en smet där man kan hålla en högre torrhalt. Pigmentet ger en matt yta men kan blandas med SPS-lera,vanligt använd engelsk kvalitet) med upp till 30 delar utan att sänka den glans som leran ger. För att dessa egenskaper ska kunna utnyttjas måste pappersmaskinen ha en neutral eller alkalisk miljö. Detta på grund av att kalciumkarbonat sönderdelas i en sur miljö under utveckling av koldioxid. 24
Det finns en del fördelar med att hålla en ganska hög andel kalcium- karbonat i pigmentblandningen. Fördelarna är pris, reologi, ljushet och torrhalt. Om kvaliteten skall glättas kan man använda mycket kalcium- karbonat utan att ge avkall på glansen. 25
Det material som används för att tillverka GCC kommer att påverka
22 Olsson 1999. s. 60 23 Pauler 1993. s 9 24 Olsson 1999. s. 65-66 25 Olsson 1999. s. 90
Figur 3.2 Karbonatpigment i förstoring
ljusheten och opaciteten hos bestrykningsskiktet. Krita ger den lägsta ljusheten och marmor den högsta. Tillsammans med detta så har parti- kelstorlek och andelen karbonat i bestrykningen en viktig roll. Ljusheten hos pigmenten ligger mellan 86 – 96 % (R 457). Nya generationer av GCC för bestrykning med jämn partikelstorlek höjer täckförmågan/opacitet och glansen och kan därför minska användandet av andra dyra pigment (extenders). Fyndigheter av kalciumkarbonat finns över hela världen men framförallt i Europa. 26
3.2.1.3 Precipitated calcium carbonate – PCC
PCC är en variant av krita som skapas genom att man bränner kalksten.
Kalksten är inte helt ren utan har mörka inslag. Dessa orenheter sänker ljusheten. Genom att rena kalkstenen tar man bort dessa orenheter och man får något som kallas för PCC. Vid tillverkning av PCC har man möjligheten att styra partikelstorleken, fördelningen i partikelstorlek och partikelformen. Man kan även styra ytegenskaperna hos kalcium karbo- natet. PCC-partiklar har en avlång form som har visat sig vara bra. Den ger en god täckförmåga och ett löst packat skikt med många luftfickor vilket är positivt för ljusspridningen. PCC har en ISO-ljushet som ligger på 95 %.
I högglansiga dubbel- och trippelbestrukna kvaliteter har det visat sig att PCC med liten partikelstorlek är mycket bra. Plastpigment kan bytas ut mot PCC för att ge en mer kostnadseffektiv bestrykning. Genom att använda sig av PCC kan man få en hög glans med lättare kalandrering vilket betyder högre bulk, styvhet, opacitet och ljushet än med andra pigment. 27
3.2.1.4 Titandioxid (TiO2)
Det finns två typer av titandioxid som används inom bestrykning, rutile och anastase. Det som skiljer dem åt är tillverkningsprocess och egen- skaper. Rutile har en mer kompakt struktur viket ger den ett högre brytningsindex, stabilitet och högre densitet. Titandioxid är det mest stabila vita pigmentet och är därför inte giftigt och räknas som ett säkert material. 28
26 Brown 2000. s. 100 27 Brown 2000. s. 141-150 28 Brown 2000. s. 125
Figur 3.3 Titanpigment i förstoring
19 De främsta egenskaperna hos titandioxid som leder till dess goda optiska egenskaper är dess höga brytningsindex, optimal partikelstorlek och hög reflektion av synligt ljus. 28 Den största fördelen med titandioxid är att det har ett brytningsindex, anastase ca 2,5 och rutile ca 2,7 beroende på vilken variant som används. 29
För att ljusspridning i bestrykningskiktet skall ske måste brytningsindex i mediet och pigmenten vara skilda åt. Om man använder pigment med ett index på 1,5-1,6 och ett latex med samma index kommer ingen ljus- spridning att ske i gränsytorna mellan dem. Den ljusbrytning som då sker är endast den mellan pigment och luft eller mellan latex och luft.
Titandioxid som har ett högt index skulle ge ljusspridning även om luft saknades i bestrykningen på grund av skillnaden i brytningsindex gen- temot övriga beståndsdelar 30. Titandioxid har en god täckförmåga och passar därför bra i bestrykningar för kartong med låg ljushet vilket ger produkten en god ljushet. Densiteten hos titandioxid är ganska hög, 4,2 g/m3 för rutile och 3,9 g/m3 för anastase . Partikelstorleken är liten jäm- fört med andra pigment, 0,2 mikrometer. En nackdel med detta pigment är att det är dyrt. 31
3.4 Bindemedel
Bindemedlets uppgift i bestrykningen är att binda ihop pigmentpartik- larna och att skapa en bra förankring till kartongen. Det finns två grup- per som bindemedlen kan delas in i, vattenlösliga bindemedel och latex.
Det är vanligt att en kombination mellan dessa två används. På grund av att bindemedlet försämrar viktiga egenskaper hos bestrykningen för- söker man hålla halten så låg som möjligt. Egenskaper som försämras är ljushet, opacitet och andra tryckrelaterade egenskaper. Förklaringen till detta är att med en hög andel bindemedel kommer porerna i bestryk- ningsskiktet att täppas igen av bindemedlet 32. Mängden bindemedel beror på den kombination av det som används. Utöver detta så spelar pigmentens art och partikelstorlek in. För papper används i regel endast så mycket bindemedel att tillräcklig ytstyrka uppnås. När det gäller kar- tong så måste även kravet på att ytan skall kunna klistras uppfyllas. Vid kartongbestrykning används ca 16-20 delar per 100 delar pigment. 33
3.5 Partikelstorlek
Genom att använda sig av en liten partikelstorlek förbättrar man opa- citeten och glansen. En nackdel som följer med detta är att behovet av bindemedel ökar. Sänkningen av opaciteten som då sker är lägre än den höjning som mindre partikelstorlek ger.
28 Brown 2000. s. 126-127 29 Olsson 1999. s. 68 30 Brown 2000. s. 126-127 31 Olsson 1999. s. 68 32 Pauler 1993. s. 65 33 Olsson 1999. s. 71-72
För att ta reda på partikelstorleken mäter man sedimentationshastig- heten i vatten. Med hjälp av Stokes lag kan man sedan beräkna diame- tern för en sfärisk partikel med samma densitet, som sedimenterar med samma hastighet som pigmentpartikeln. Diametern betecknas ekviva- lent sfärisk diameter.
Resultaten kan sedan redovisas i form av kurvor där y-axeln represente- rar andelen partiklar i viktprocent med mindre diameter än x. X-axeln representerar partikelstorlek med störst diameter först och sedan fallan- de. I diagrammet anges också masktätheten, ex 325 mesh med en lodrät linje som skär x-axeln vid den punkt som representerar masköppningen.
Partikelstorlek är dock inte något som bruket mäter upp utan det finns redan angivet när pigmenten levereras. Partikelstorleken anges som hur stor andel av pigmenten som har en partikelstorlek mindre än 0,2 mik- rometer. 34
En egenskap som påverkas av partikelstorleken är ytstyrkan. Desto min- dre partiklar som används i bestrykningssmeten desto sämre ytstyrka vid samma mängd bindemedel. 35
3.6 Porstorlek
Porstorleken har en betydelse för ljusspridningen. Ljusspridningen uppstår mellan luft och material och det är därför som porerna har bety- delse. Precis som för pigmenten så får porerna inte bli mindre än halva ljusets våglängd, 0,2 mikrometer, på grund av att ljusspridningen då avtar. Detta beror på att ljuset går runt partiklarna och porerna utan att påverkas om de är för små. Genom att använda finare pigment kommer dess specifika yta att öka vilket är bra för ljusspridningen. Ett exempel är natriumaluminiumsilikatpigment (NaAlSiO2) som har en hög specifik yta och är ett specialpigment som ger ultrafina porer men ingen bra ljus- spridning på grund av att porerna blir för fina. 36
Valet av pigment och bindemedel tillsammans med typ av torkning och efterbehandling påverkar porstrukturen i bestrykningen.37
34 Tobias Söderholm 35 Olsson 1999. s. 55ff 36 Pauler 1993. s. 90-91 37 Forbes 1998. s. 698
21
4 Färgmätning
Färgmätning bygger på Youngs trefärgteori. Genom att mäta hur mycket grönt, rött och blått ljus som reflekteras kan man sedan uttrycka detta i kulör, mättnad och ljushet. De tre färgerna representeras av X (röd), Y (grön) och Z (blå) och kallas för tristimulusvärden. För att bestämma dessa värden behöver man färgöverföringsfunktioner. Dessa funktioner togs fram genom att man lät försökspersoner blanda blått, grönt och rött ljus så att det matchade ett monokromatiskt ljus (ljus av en viss våglängd). Detta gjordes för varje våglängd från mörkblått 360 nm till rött 780 nm. Testerna gav tre serier mätvärden för varje våglängd som betecknas x (λ), y(λ) och z(λ). Värdena är framtagna genom försök och saknar därför matematisk uttryck. Dessa värden finns i två varianter beroende på vilken betraktningsvinkel som har använts i försöken, 2 grader (1931) och 10 grader (1964). 38
För att förstå dessa värden definierade CIE en så kallad färgtriangel även kallad Helmholtz färgtriangel. I denna triangel omformas X, Y och Z till kromacitetskoordinaterna x och y på följande vis. 39
x = X / X+Y+Z y = Y / X+Y+Z
Dessa värden avsätts sedan i ett diagram. Om man tänker sig ett mate- rial som har monokromatisk reflektans, d.v.s. R = 100 % vid 380 nm och 0 % vid övriga våglängder får man fram en punkt som har en färgnyans som motsvarar 380 nm. Genom att upprepa detta för övriga våglängder får man en hästskoformad kurva som beskriver läget för de monokroma- tiska färgerna. En neutralpunkt får man då materialet reflekterar 100 % av hela färgspektret. Den motsvarar ljuskällans färgkoordinater. Kurvan samt neutralpunkten ser något annorlunda ut för 2 graders och 10 gra- ders betraktningsvinkel. 40
Genom att mäta ett materials tristimulusvärden, X, Y och Z, och sedan räkna ut kromacitetskoordinaterna kan en punkt markeras i färgtri- angeln. Denna punkt beskriver materialets färgnyans och färgmättnad.
Färgmättnaden som är samma sak som spektral renhet kan beräknas genom att beräkna förhållandet mellan neutralpunktens och punkt x,y avstånd till randen av den spektrala linjen. 41
38 Pauler 1993. s. 57ff 39 Pauler 1993. s. 63 40 Pauler 1993. s. 63 41 Pauler 1993. s. 65
För att fullständigt kunna beskriva en färg räcker inte endast x och y utan man måste också ange färgens ljushet, Y-värdet. Detta värde ger färgkroppen en tredje dimension. Högsta möjliga färgmättnad ändras med Y-värdet. 42
4.1 Vithet
Vitheten (W) enligt CIE är baserad på tristimulus för X, Y och Z för 10 graders betraktningsvinkel och D65-ljus. I formeln ingår Y, x, och z.
W = Y- 1700(y-yn)-800(x-xn) där
Y = Y-värdet
x, y = kromacitetskoordinaterna
xn, yn = kromacitetskoordinaterna för D65-ljuset
Vitheten är sammansatt av luminansen Y och ett färgtillskott (Y-1700 (y-yn)-800 (x-xn)).Vitheten ökar när den går mot blått och sjunker när den går mot gult.
Vithetsberäkningen kompletteras också med en formel som beskriver ett röd/grönt färgstick som där:
T=650(y-yn)-900(x-xn)
Resultat med positiva T-värden betyder att ytan har en grönton och nega- tiva resultat betyder att den rödton. 43
4.2 CIE Lab
Detta färgsystem är en utveckling av CIE-triangeln (1931). Studier visa- de att det mänskliga ögat har lättare att uppfatta skillnader i de mörkare tonerna. Färgsystemet är uppbyggt av ett a-värde som går från rött till grönt. B-värdet beskriver gult till blått och L-värdet fungerar som en grå- skaleaxel. För att kompensera för ögats känslighet i mörka områden har man gjort en omräkning av Y-värdet, som represeteras av L-värdet, så att det bättre ska stämma överens med den subjektiva upplevelsen.
Genom denna omräkning ger samma upplevda kulörförändring en lika stor förflyttning i färgsystemet oberoende om förändringen sker i mör- kare eller ljusare områden. 44
42 Pauler 1993. s. 66 43 Pauler
44 Pauler
23
5 Lackning
Det är mycket vanligt att man lackar trycksaker efter det att de har tryckts. Lackning kan beskrivas som en form av ytbehandling. Genom att lacka en yta ges den både estetiska och funktionella egenskaper. De estetiska egenskaperna får man genom att lacker ger ytan en högre glans vilket ger trycksaken en lite exklusivare karaktär. Genom att använda sig av partiell lackning, vilket betyder att endast utvalda delar lackeras, kan man skapa effekter som höjer intrycket av trycksaken. Lacken har även funktionella egenskaper då den skapar ett skyddande lager mot slitage. Detta är positivt då man vill att trycksaken skall se lika bra ut på hyllan efter distribution som före. En annan funktionell egenskap som lacken har är att den ger en yta som kan hanteras tidigare efter tryck- ning än en yta som är tryckt men inte lackerad.
5.1 Lacker
Det finns ett antal olika lacker som används. Presslack är en oljebaserad lack och kan användas i samma tryckverk som vanlig tryckfärg. Lacken går att fås i olika glansvärden och ställer inga krav på den tryckfärg som används. Den högsta glansen ger denna lack om den trycks ”vått-i- torrt”.
Vattenbaserad lack, så kallad dispertionslack, ger högre glans även om den trycks ”vått-i-vått”. Den är vanlig vid produktion av livsmedelsför- packningar då den är luktfri samt att den har en mindre tendens till att gulna. Dispertionslack finns att få som både matt och blank.
Den tredje varianten av lack är UV-lack. Precis som dispertionslacken så går den att få som matt eller blank. Som namnet antyder så använder man sig av UV-ljus för att härda lacken i denna process. För att kunna använda sig av denna lack måste man således ha en speciell utrustning som är speciellt anpassad för just denna typ av lack. Denna typ av lack ger en yta med mycket hög glans samt en mycket hård yta som ger ett bra skydd mot fukt, smuts och slitage. 45
5.2 UV-system
UV-härdande system använder sig av ultraviolettljus för att skapa reak- tioner som härdar materialet. Det UV-ljus som används kan vara riktat på lite olika sätt. Det kan vara i form av ett större antal strålar som till- sammans bildar en area av ljus, det kan vara som en mindre riktad stråle eller genom en bred stråle av ljus. Styrkan på UV-ljuset beror på med
45 www.svensktpapper.se
vilken intensitet (watt) som ljuset skickas ut med och på hur stor area detta ljus sprids. Systemen kan också vara utrustade med tidsstyrning som gör att tiden för exponeringen av ljuset kan styras.
Konfigurationen på en enhet kan variera men i stort består de av en strömkälla, en UV-ljuskälla och en kammare för ljuskällan som ger skydd mot strålningen för omgivningen.
UV-ljus som används i dessa utrustningar kan delas in i olika våglängds- områden. UVA har våglängder mellan 315-400 nm och får vissa pigment att fluorescera. Den påverkar inte mänsklig vävnad så mycket att den är farlig. UVB har sitt område mellan 280-315 nm. Denna strålning används i solarier och i vissa industriella utrustningar. Det är inte bra att utsätta sig för långvarig exponering av denna strålning. UVC har sitt våglängdsområde mellan 200-280 nm. Långvarig exponering av denna strålning ger irriterad hud och ögon. 46
När material härdas med UV-strålning sker härdningen helt utan värme.
För att detta ska kunna ske krävs det att det som ska härdas är UV- transparant. De flesta material som härdas på detta vis är polymerbase- rade. Polymerer är stora molekyler som är uppbyggda av ett stort antal likadana molekyler, monomerer.
46 http://industrial-adhesives.globalspec.com
25
6 Genomförande
Testerna har gjorts genom att ett antal olika bestrykningssmeter har blandats. Därefter har dessa smeter bestrukits på plastfilm och på förbe- struken kartong. Genom att använda plastfilm ges möjligheten att mäta upp eller karaktärisera bestrykningsskiktets egenskaper för sig. Genom att sedan bestryka en förbestruken kartong med samma smet kan man få en uppfattning hur egenskaperna hos dels bestrykningsskiktet och dels den förbestrukna kartongen påverkar varandra. Därefter har de bestrukna kartongerna lackats för att kunna se hur bestrykningsmeter- nas egenskaper hos den bestrukna kartongen påverkas av lackningen.
Efter det att ytorna bestrukits har de lackerats för att framförallt se hur kartongens vithet påverkas av lacken. Mätningar har gjorts gällande vithet, ljushet (R 457), X, Y, Z och CIE Lab.
6.1 Smetberedning
I försöket har fem stycken olika smeter blandats. Pigmenten som har använts är karbonat, kaolin och titandioxid. Det karbonat som har använts är en blandning av två olika karbonat. Det ena är ett medelfint karbonat med en ISO-ljushet på 94 % och en partikelstorleksfördelning på 63 viktprocent av partiklarna mindre än 2 mikrometer. Den är i första hand avsedd för förbestrykning av papper och kartong. Det andra är ett finmalt karbonat med en ISO-ljushet på 94 % och en partikelstorleksför- delning på 90 viktprocent av partiklarna mindre än 2 mikrometer. Detta karbonat har ett brett användnings område inom bestrykning av kar- tong och papper, både för matta och glättade kvaliteter. Leran som har använts är en välprocessad kvalitet med mycket bra glansegenskaper.
Den har en ljushet på 90-92 % och en partikelstorleksfördelning på 96- 100 viktprocent av partiklarna mindre än 2 mikrometer. Titandioxiden som har använts är en rutile med en ljushet på 96 %. 47
Utformningen av recepten har diskuterats fram tillsammans med Tobias Söderholm, processingenjör på AssiDomän. Pigment som använts är sådana som finns tillgängliga på AssiDomän. Beståndsdelar som binde- medel och övriga tillsatser har inte varierats, varje smet har lika delar bindemedel och förtjockare.
När man skapar ett recept för en bestrykningssmet har man alltid 100 delar pigment. Använder man olika pigment så är de alltid 100 delar tillsammans i en smet, till exempel 50 delar lera och 50 delar karbonat.
Bindemedel och övriga tillsatser tillsätts sedan i delar av pigmentens torrvikt.
47 Produktblad från pigmentleverantör
Nedan finns en tabell som visar pigmentinnehållet i de fem olika sme- terna. För en mer detaljerad beskrivning av recepten se bilaga E längre bak i rapporten.
Recepten är gjorda så att de ska bilda en smetmängd på en liter.
Torrhalten på den slutliga bestrykningssmeten är av betydelse. I detta försök är torrhalten satt till 55 %. Detta gör att den kommer att fung- era bra både på plastfilm och på förbestruken kartong. I recepten finns angivet vilken torrhalt som pigmenten har. Detta är den torrhalt som pigmenten har när de levereras till bruket. För att receptet skall stämma måste man mäta upp torrhalten hos pigmenten så att den stämmer över- ens med den torrhalt som står angiven i receptet. Om torrhalten skiljer sig får man räkna om hur mycket av övriga tillsatser som skall användas då de är baserade på andelar av pigmentets torrvikt. Ändringarna sker automatiskt i receptet då man lägger in den nya torrhalten för pigmentet.
I detta fall skiljde sig torrhalten hos karbonatet och recepten där detta pigment ingick korrigerades något.
Bestrykningssmeternas beståndsdelar är tillförda i en speciell ordning.
Pigmenten tillsattes först följt av bindemedel och vatten. När detta var gjort sattes blandningen på omrörning i ca femton minuter. Under omrör- ningen blandades lut i för att höja pH-värdet på smeten. Till sist blanda- des förtjockare till smeten. Förtjockaren behöver ett pH på 9 för att den ska fungera och det är därför som man tillsätter lut.48
Kaolin Karbonat Titandioxid
Smet 1 80 delar 20 delar
Smet 2 80 delar 20 delar
Smet 3 50 delar 50 delar Smet 4 100 delar
Smet 5 100 delar
48 Mattias Linquist
Figur 6.1 Pigmentfördelning i blandade smeter
27
6.2 Bestrykning
Bestrykningarna är gjorda i labbskala med hjälp av en bänkbestry- kare. Bestrykning med hjälp av en bänkbestry- kare fungerar på föl- jande sätt. Substratet spänns fast på bor- det med hjälp av en klämma i ena änden.
Därefter monterar man fast en stav som har till uppgift att stryka ut smeten. Stavarna finns i ett antal olika varianter beroende på
hur stort smetpålägg man vill ha. Stavarna är försedda med olika stora räfflor och på detta sätt varieras smetpålägget. Större räfflor ger större smetpålägg. När detta är gjort fyller man en spruta med den smet som man vill använda och lägger sedan ut den längs den monterade staven.
För att bestryka substratet startar man nu maskinen och staven rör sig över substratet med en bestämd hastighet. Hastigheten på staven kan ändras vilket gör att man kan justera pålägget en aning på detta sätt också.
För att kunna kontrollera hur stort pålägget har blivit väger man sub- stratet innan bestrykningen. När bestrykningen är utförd vägs substra- tet igen för att ta reda på hur mycket smet som lagts på. För att kunna räkna ut hur stort pålägget har blivit uttryckt i g/m2 måste arean av den bestrukna ytan mätas. Genom att dividera vikten med den uppmätta arean i kvadratmeter och sedan multiplicera den med smetens torrhalt får man fram resultatet uttryckt i g/m2. Nedan följer ett exempel på en sådan uträkning.
Substratets vikt i gram: 11 g
Substratets vikt i gram efter pålägg: 11,6 g Pålägget i gram: 11,6 - 11,0 = 0,6 g
Bestruken yta i m2: 0,21 x 0,21 = 0,0441 m2 Smetens torrhalt i procent: 54,28 %
Figur 6.2 Bänkbestrykare
Pålägget i g/m2: 0,6 / 0,0441 x 0,5428 = 7,4 g/m2
Då bänkbestrykningen ger vissa variationer i bestrykningsskiktet har flera plastfilmer bestrukits med samma smet och med så lika pålägg som möjligt. Det ger då möjlighet att få ett större antal mätvärden för varje bestrykningssmet som sedan kan analyseras och ge en bättre bild av egenskaperna.
När detta var gjort bestryktes också kartong. Kartongen som har använts är en förbestruken kartong. Förbestrykningen har gjorts i AssiDomäns pilotbestrykare. En pilotbestrykare är en separat bestrykare som används för att göra olika försök på. Förbestrykningen är en blandning av 85 delar krita och 15 delar lera.
6.3 Lackning
Prüfbau heter företaget som har tillverkat maskinen som har använts till lack- ningen. De kallar den för
”Multipurpose Printatbility Testing machine”. Den är uppbyggd av ett antal enheter som är monterade tillsammans efter varan- dra. Detta exemplar är utrustat med ett fuktverk, två tryckverk, ett lackverk och en UV-tork. Proverna
som används i maskinen består av tillklippta remsor som fästs i en prov- bärare i plast. Eftersom varje enskild del styrs separat kan enheterna användas enskilt eller i följd. Varje enhet har reglage för hastighet, kraft i intrycket och fördröjning innan nästa enhet. Enheterna är utrustad med ett antal olika löstagbara trissor för att kunna köra olika slags tester.
Maskinen klarar av att köra ett antal olika substrat till exempel papper, folie, kartong, textilier, metall m.m.
AssiDomän Frövi har nyligen bytt ut sin gamla maskin mot en ny med fler delar än den gamla maskinen. Den extra utrustningen är lackverk samt UV-torken.
Den första delen är ett fuktverk som kallas för ”Offset Attachment”.
Denna del är till för att kunna simulera fuktvattnets påverkan på sub- strat och färg vid offset tryckning. Genom denna enhet får man möjlighet att köra olika tester där fuktvatten kan vara en källa till olika problem.
Exempel på sådana problem är färgsättning, färgvägran, trappning och Figur 6.3 Prüfbau
29 nappning. På fuktverket kan man justera mängden vatten som applice- ras samt farten som provet passerar med.
Efter fuktverket följer en tryckdel med två tryckenheter. Enheten har en speciell del för infärgning som består av två oscillerande och tempererade stålvalsar samt en gummivals. Färgen appliceras på gummivalsen som sedan roterar mot de tempererade valsarna och en jämn färgfilm skapas.
När infärgningen är klar läggs de trissor som skall trycka provet mot gummivalsen och färgas in. När detta är gjort flyttas trissorna upp till tryckenheterna och provet kan tryckas. Det finns en rad olika trissor att använda som består av metall eller gummi. I tryckverken kan olika tes- ter köras som till exempel back-trap-mottling, set-off, delaminering med mera. Varje tryckenhet har reglage för att justera hastighet och hur stort tryck som provet ska utsättas för i trycknypet.
Efter tryckdelen kommer en lack- och bestrykningsenhet. Denna enhet kan köras med två olika uppsättningar. Den ena uppsättningen består av en överföringstrissa i metall samt ett rakelblad som fördelar rätt mängd lack över trissan. Det finns flera trissor som används och skiljer sig genom att de har olika nedsänkningar som skall styra mängden som överförs till provet. Lacken appliceras med en pipett i stillastående läge med rakelbladet nerfällt mot överföringstrissan. Därefter startas lackver- ket och lacken får distribueras på trissan under ett antal sekunder. När lacken är distribuerad körs provet igenom.
Den andra varianten är mer avancerad. Den är uppbyggd av fyra trissor. För överfö- ring till provet används en gummitrissa till skillnad mot första metoden. Här appli- ceras lacken på en gummi- beklädd trissa som har två oscillerande trissor anslutna till sig som fördelar lacken.
Oscillerande betyder att de snurrar samtidigt som de rör sig fram och tillbaka i sid- led. När den gummibeklädda trissan ansluts till överfö-
ringstrissan startar distributionen av lacken. När lacken är väl distribu- erad körs provet igenom på samma sätt som i den första metoden. Denna metod är främst till för lacker med högt klibb. Denna enhet har precis som tryckenheten reglage för hastighet och hur stort trycket i nypet skall vara.
Figur 6.4 Lack- och bestrykningsenhet
Den sista delen består av en UV-tork. Den är till för att kunna härda UV- färger och UV-lack. Den är utrustad med två stycken UV-lampor som var och en kan köras separat eller tillsammans. Varje lampa har två olika lägen för vilken styrka de ska lysa med samt att det finns möjlighet att styra hastigheten genom torken.
6.3.1 Framtagande av metod för lackering
Eftersom lackerings- och UV-enheten är nya har de inte hunnit användas innan dessa tester och krävde därför framtagande av en metod för lack- ering och efterföljande UV-torkning.
Som nämnts tidigare så är Prüfbauen utrustad med två möjliga upp- sättningar för lackering. Den uppsättning som är utrustad med rakel och metalltrissor testades först. Anledningen till att denna metod tes- tades först var att den antogs fungera bättre med tanke på att den lack som skulle användas var lågviskös. Lackverket med oscillerande trissor antogs fungera bäst med en mera högviskös lack.
De inställningar som ingår i processen är hastigheten som provet skall köras genom lackverket med, hur lång tid som behövs för att skapa en jämn film på trissan och vilket tryck som ska ligga an då provet passerar nypet i lackverket. Efter lackverket ska lacken härdas med UV-ljus vilket gör att inställningar gällande vilken fördröjning som ska vara innan pro- vet går igenom UV-torken och med vilken hastighet det ska passera också måste tas fram. Lampornas styrka skulle också bestämmas.
Det första som kontrollerades vart överföringen av lacken till provet.
Det finns tre olika överföringstrissor. Skillnaden mellan dessa är hur stort pålägg de ger. Pålägget regleras genom att trissorna har olika djup i förhållande till den yta som rakeln vilar på. Rakeln som skrapar bort överflödigt lack kan justeras i olika vinklar. Det tryck som den lägger mot trissan kan också justeras genom att spänna eller släppa på en fjäder.
De första testerna visade att oberoende av vilken inställning som valdes blev överföringen till provet dålig. Rakelns tryck mot trissan blev för stort så att lacken inte kunde passera mellan rakeln och trissan.
För att kunna överföra en jämn film över hela provet fick läget på armen som håller rakeln ändras. Armen ändrades så att rakeln endast tang- erade trissan. Denna förändring gav resultatet att lack applicerades över hela trissans bredd, även där rakeln ska vila. Detta säger att trycket mot trissan måste vara lätt och att man är tvungen att acceptera lack över hela trissan. Det gör också att den mängd lack som trissan för över
31 bestäms mer av hur lätt tryck som används än nivåskillnaden på tris- san. Genom att denna ändring krävdes försvann möjligheten att göra kontrollerade ändringar med de reglage som var tillgängliga. I och med att rakeln inte kunde ligga emot trissan behövdes en stor mängd lack appliceras på denna för att kunna färga in hela trissan med lack. Till följd av detta skapades vallar med lack längs kanterna på den lackade ytan vilket gjorde det svårt att bestämma den mängd lack som överförts till provremsan.
På grund av de problem som uppstod med den ovan nämnda uppsättning- en testades också den uppsättning som var utrustad med två oscillerande trissor. Då den använda lacken var lågviskös oscillerade inte de två tris- sorna då de drivs med hjälp av den friktion som skapas mellan dessa och den trissa som lacken appliceras på. Trots att trissorna inte oscillerade gav denna metod en bättre lack film som gav mindre vallar i utkanterna på den lackerade ytan. De oscillerande trissorna fungerade ungefär som en rakel istället. Beslutet togs att denna metod skulle användas då den skulle göra det enklare att bestämma den till provet överförda mängden lack.
Tester gjordes med varierande hastighet med vilken provet passerade lackverket samt varierande av trycket i lacknypet hittades en kombina- tion som gav ett bra resultat. Det kan nämnas att den variation som olika inställningar gav var relativt liten.
För UV-enheten togs också anpassningar fram genom att variera olika inställningar. De inställningar som kunde regleras var styrkan på det ljus som skulle härda lacken samt med vilken hastighet som provet passerade igenom UV-enheten. Det som var av vikt i detta fall var att den lackade ytan skulle ha härdats riktigt när den passerat. Försöken visade att den lackerade ytan härdades med alla de olika inställningar som testades. En inställning med låg hastighet valdes och med de två UV-lamporna på med hälften av den maximala effekten. Detta gav en väl härdad lackyta.
Den fullständiga metoden finns redovisad som bilaga B.
6.3.2 Överförd mängd lack
Genom att väga trissan med lack på och sedan väga den efter att provrem- san passerat kunde den överförde mängden beräknas. Den mängd lack i gram som försvunnit från trissan kunde sedan omvandlades till överförd mängd i gram per kvadratmeter då den lackade arean var känd. Då det skapades små vallar av lack samt att det överfördes en liten mängd lack innan och efter den yta som skulle beräknas antogs det verkliga pålägget vara något under det beräknade.
För att se hur lacken täcker bestrykning- en och hur tjockt lacklager som lades på har bilder tagits i genomskärning. Detta är gjort av Carita Diedrichs i ett svep- elektronmikroskop. Bilden är förstorad 300 gånger. Eftersom lacken läggs på i ett mycket tunt lager kan det vara svårt att se det. Detta på grund av att lacken inte innehåller några spårämnen, grundäm- nen. För att underlätta så har ett lager bestrykningssmet lagts ovanpå lackytan som blir väl synligt. På detta sätt gjordes det möjligt att se lacken genom att den ligger mellan två, i mikroskopet synliga lager. Det visade sig att den lackmängd som överförts till provet var ganska hög.
Resultatet som bilderna gav visade att den överförde mängden var högre än vid
normal produktion. Enligt Tommy Andersson, applikationsspecialist på AssiDomän, så är en normal nivå på ett lackskikt ca 1-3 mikrometer. De bilder som togs visade också att pålägget var mindre än de uppmätta värdena men skillnaden var mindre än den antogs vara från början. På grund av detta så gjordes ytterliggare tester för att få en nivå på lackskik- tet som skulle stämma bättre överens med verkligheten.
Genom att applicera en mycket liten mängd lack på trissan som de oscil- lerande trissorna går mot lyckades en normal lackmängd överföras. Det visade sig också att den rätta funktionen på de oscillerande trissorna fungerade med denna lackmängd.
6.3.3 Lackmängdsnivåer
För att kunna se hur de optiska egenskaperna påverkas av lacken lack- erades varje bestrykning i tre olika nivåer. Den lägsta nivån har en lack- mängd ca 2 mikrometer. Nästa nivå ligger på ligger på ca 6 mikrometer och den högsta nivån ligger på ca 12 mikrometer. För att komma upp i den högsta nivån har proverna körts två gånger genom lackeringen.
6.4 Mätresultat
För varje bestykningssmet har fem plastfilmer bestrukits med så lika stort pålägg som möjligt. Varje plastfilm har sedan mätts på fem olika punkter på grund av de variationer i skikten som blir vid bänkbestryk- ning. Detta ger 25 värden för respektive smet på plastfilm.
Figur 6.3 Tvärsnitt av lack- erat prov förstorat i svepelek- tronmikroskop
33 Mätningarna har gjorts på den bestrukna plastfilmen, den förbestrukna kartongen, den toppbestrukna kartongen och den lackerade kartongen. De värden som har mätts upp är vithet, ljushet (R 457) och Lab. Mätningarna har gjorts i en spektrofotometer som heter Color Touch Model ISO. Alla mätningar är gjorda med D65-ljus och 10 graders betraktningsvinkel.
Alla ytor har mätts på ett flertal punkter. Genom dessa värden har sedan ett medelvärde räknats fram för att ha som jämförelse mellan de olika smeterna. Då samma förbestrukna kartong har använts som grund för alla toppbestrykningar så har den karaktäriserats endast en gång. De värden som mätningarna gav var som förväntade sett till bestrykning- arnas sammansättning utan att titta på de exakta värdena. De bestryk- ningsmeter som innehöll titandioxid fick högst värden medan den med enbart kaolin hade de lägsta värden. Noterbart och väntat så framträder kaolinets främsta egenskap, att ge en hög glans, mycket tydligt i de bestrykningssmeter där den har blandats in. Detta syns mycket väl med blotta ögat och glansen har inte mätts upp utan bara noterats.
Under respektive bestrykningssmet i detta kapitel redovisas uträknade medelvärden. Fullständiga resultat redovisas längre bak i rapporten i bilaga C.
6.4.1 Förbestruken kartong
Den förbestrukna kartongen som tagits från pilotbestrykaren mättes upp för att kunna se vilka utgångsvärden den gav och att den gav ett likadant utgångsläge för alla bestrykningarna. Mätningarna är gjorda på ett antal slumpvis uttagna ark. Resultatet visade att kartongytans egenskaper hade en mycket liten spridning på värdena.
6.4.2 Karbonat och titandioxid
Den förbestrukna kartongen med en toppbestrykning bestående av 80 delar karbonat och 20 delar titandioxid gav som väntat de bästa värdena om man ser till de optiska egenskaperna. Här ser man den betydelse som titandioxiden har med sina goda optiska egenskaper, i form av sin opti- mala partikelstorlek och sitt höga brytningsindex. Karbonat och kaolin är de två pigment som har de största andelarna i de bestrykningar som har blandats. Karbonaten har jämfört med kaolin en hög ljushet vilket tillsammans med titandioxiden ger bestrykningen dess goda optiska egenskaper. Denna kombination av pigment har de bästa värdena på alla parametrar som uppmätts.
Vithet R 457 L a b
Medelvärde 68,29 77,98 92,18 -0,18 2,75
Figur 6.4 Medelvärden för förbestruken kartong
