Füllstoff

Im Bereich der Verpackungsherstellung spielt Wellpappe eine zentrale Rolle. Insbesondere die Funktion des Füllstoffs kann nicht hoch genug eingeschätzt werden. Er ist maßgeblich für die Eigenschaften, die der endgültige Verpackungsartikel aufweist, und beeinflusst Struktur, Optik, Bedruckbarkeit sowie prozessrelevante Kenngrößen auf Ebene der für Wellpappe eingesetzten Papierbahnen.

In der Praxis bestimmen Füllstoffe nicht nur die Optik (Helligkeit, Opazität) und Haptik (Glätte), sondern auch wichtige Kenngrößen wie Druckbild, Feuchteverhalten, Klebstoffaufnahme sowie die resultierenden Festigkeiten der erzeugten Papiere (Liner, Wellenstoff) und damit der fertigen Wellpappe. Eine gezielte Dosierung, eine geeignete Partikelgrößenverteilung und die Oberflächenchemie der Partikel sind dafür maßgeblich. Zusätzlich beeinflussen Partikelform (kubisch, plättchenförmig, nadelig), spezifische Oberfläche und Dispergierbarkeit die Retention, die Entwässerung und die Porenstruktur des Papiers, was wiederum das Verhalten beim Verkleben, Rillen, Ritzen und Falten der Wellpappe steuert.

Definition: Was versteht man unter Füllstoff?

Im Kontext der Herstellung von Wellpappe bezeichnet der Begriff Füllstoffe Materialien, die gezielt zur Verbesserung bestimmter Eigenschaften in den Produktionsprozess eingebracht werden. Sie dienen dazu, die strukturelle Stabilität und die Oberflächenqualität der Wellpappe zu beeinflussen, Materialkosten zu steuern oder optische und haptische Merkmale zu verbessern. Typische Füllstoffe sind beispielsweise Kreide, Ton oder in bestimmten Anwendungen feindisperse mineralische Partikel; die Wahl des Systems richtet sich nach Rezeptur, Zielwerten und Prozessbedingungen.

In der Papier- und Kartonherstellung für Wellpappe werden Füllstoffe überwiegend in die Faserstoffmatrix eingebracht. Häufige Vertreter sind Calciumcarbonat (Kreide; als PCC oder GCC), Kaolin (Ton) und Talkum. Sie erhöhen die Opazität, verbessern die Oberflächenglätte und können das Flächengewicht beziehungsweise die Rohstoffkosten beeinflussen. Gleichzeitig wirken sie auf Retention, Porosität und die Bindung zwischen Fasern, was mittelbar die Festigkeit beeinflusst. Ergänzend werden Füllstoffe in Strichsystemen (Pigmentstriche) eingesetzt, um die Oberfläche für hochwertige Druckanwendungen zu konditionieren; dies erfordert eine abgestimmte Interaktion mit Leimung und Stärkeauftrag.

Abgrenzung: Füllstoffe, Additive und Füllmaterial

• Füllstoffe (in Papieren): Mineralische oder organische Partikel, die in die Papierstruktur integriert werden, um optische, haptische oder ökonomische Ziele zu erreichen.
• Additive: Funktionsstoffe (z. B. Stärke, Leimungsmittel, Retentionsmittel), die chemisch-prozessuale Eigenschaften steuern, jedoch nicht primär als volumenbildende Partikel dienen.
• Füllmaterial in Verpackungen: Umgangssprachlich wird „Füllstoff“ auch für lose Polster- oder Hohlraumfüllmaterialien verwendet, die im Packgutraum Schutz bieten (z. B. Papierpolster, Schüttmaterial). Diese Bedeutung ist von der materialspezifischen Definition klar zu trennen.
• Pigmentstriche: Beschichtungssysteme auf Basis von Pigmenten (z. B. Kaolin, PCC) und Bindern, die nicht als Massefüllstoff, sondern oberflächlich appliziert werden und das Druck- sowie Beschriftungsverhalten gezielt beeinflussen.

Einsatzbereiche von Füllstoffen in der Wellpappe

Je nach Zielsetzung kann die Zusammensetzung und Art des Füllstoffs variieren. Während einige Hersteller vornehmlich auf Füllstoffe setzen, welche die Materialkosten senken, verwenden andere spezifische Füllstoffe zur Erhöhung der Produktqualität. Häufig geht es jedoch auch um eine Kombination aus beiden Aspekten. So wird etwa in vielen Fällen auf Kreide als Füllstoff zurückgegriffen, da diese nicht nur kostengünstig ist, sondern auch zu einer verbesserten Druckqualität beiträgt. In Recyclingfaser-basierten Systemen spielen Retentionsmanagement und Filtrierbarkeit der Prozesswässer eine besonders große Rolle, damit die Zielwerte für Opazität, Glätte und Festigkeit zugleich erreicht werden.

Zielgrößen und Wirkprinzipien

• Druck- und Darstellungsqualität: Erhöhte Opazität, bessere Oberflächenglätte und homogenere Farbwiedergabe.
• Prozessstabilität: Beeinflussung von Retention, Entwässerung und Formation in der Papiermaschine; Wechselwirkung mit Leimung und Stärkeauftrag.
• Ökonomie: Substitution teurer Faseranteile, Anpassung des Flächengewichts, potenzielle Energie- und Rohstoffeinsparungen.
• Feuchte- und Barriereverhalten: Steuerung von Saugfähigkeit (z. B. Cobb), Oberflächenenergie und Porosität als Basis für Klebung, Druck und nachgeschaltete Konfektionierung.
• Runnability: Einfluss auf Bahnbrüche, Scher- und Entwässerungsverhalten, Papierformation und Staubbildung im Prozess.

Einfluss auf mechanische Eigenschaften

• Festigkeiten von Liner und Wellenstoff: Füllstoffgehalt wirkt typischerweise senkend auf Zug- und Druckfestigkeiten (z. B. SCT, RCT) sowie auf Berst- und Kantenstauchwiderstand (ECT) der späteren Wellpappe.
• Biegesteifigkeit und Kompression: Änderungen in Dichte, Porosität und Bindungsflächen wirken auf Biegesteifigkeit und Stapelfähigkeit (BCT) der Wellpappe, insbesondere in Abhängigkeit von Klima (Temperatur/Feuchte) und Konditionierung.
• Klebeverhalten: Oberflächenenergie und Saugverhalten beeinflussen die Leimpenetration und die Qualität der Klebebindung an der Wellpappenanlage.
• Kurzzeit- vs. Langzeitverhalten: Füllstoffsysteme können Zeitstand- und Ermüdungseigenschaften beeinflussen; dies ist relevant für Langzeitlagerung und Transportbeanspruchung.

Beispiele gängiger Füllstoffsysteme

• Calciumcarbonat (PCC/GCC): Verbessert Helligkeit und Glätte, kosteneffizient; kann jedoch die Festigkeit mindern.
• Kaolin (Ton): Wirkt positiv auf Opazität und Druckbild, beeinflusst die Entwässerung und Retention.
• Talkum und Mischsysteme: Spezifische Effekte auf Oberflächen, Harz- und Pitchkontrolle; Einsatz abhängig vom Rohstoffmix (Primär- vs. Sekundärfasern).
• Dolomit und kombinierte Systeme: Alternative Carbonate oder Mischungen mit Pigmentstrichen, um Opazität, Tonwertzuwachs und Oberflächenenergie gezielt abzustimmen.

Für eine praxisnahe Einordnung von Formaten und Einsatzbereichen bietet die praxistaugliche Auswahl passender Verpackungen ab Lager zusätzliche Orientierung.

Dosierstrategien und Prozessfenster

Die optimale Einbringung von Füllstoffen hängt von pH-Wert, Wasserchemie, Flockungsgrad, Scherprofil und der Wahl der Retentionsmittel ab. Cationische, anionische und mikropartikuläre Systeme (z. B. Silika-, Bentonit-basiert) werden kombiniert, um Partikel effektiv an die Faser zu binden und Feinanteile zu kontrollieren. Ziel ist eine hohe Erstretention bei gleichzeitig stabiler Entwässerung, minimalem Staubanfall und konstanter Formation. Inline-Überwachung (z. B. Trübung, Aschegehalt, Zeta-Potential) unterstützt die Prozessführung.

Füllstoffe und ihre Auswirkungen auf die Umwelt

Ein weiterer wichtiger Aspekt im Umgang mit Füllstoffen ist deren Auswirkung auf die Umwelt. Hierbei ergeben sich vielfältige Aspekte, denn sowohl die Auswahl des Füllstoffs als auch dessen Abbau und Entsorgung haben wesentlichen Einfluss auf die Umweltbilanz des endgültigen Produkts. So können ökologisch unbedenkliche Füllstoffe einen Beitrag zu einer ressourcenschonenden Produktionskette leisten. Neben dem CO₂-Fußabdruck sind Wasserverbrauch, Staubemissionen, Transportdistanzen und die Verwertung der mineralischen Rückstände in der Kreislaufwirtschaft relevante Einflussgrößen.

Rohstoffherkunft und Verarbeitung

• Gewinnung: Mineralische Füllstoffe stammen überwiegend aus Tagebau/Steinbruch; Aufbereitungsschritte (Mahlen, Klassieren) beeinflussen Energieeinsatz und CO₂-Fußabdruck.
• Transport und Logistik: Partikelgröße und Schüttdichte wirken auf Transporteffizienz; lokale Verfügbarkeit reduziert Emissionen.
• Aufbereitung und Bindemittel: Dispergierhilfen und Oberflächenbehandlungen ermöglichen stabile Suspensionen; deren Einsatz sollte in die Gesamtökobilanz einfließen.

Recycling, Aschegehalt und Entsorgung

• Aschegehalt: Hohe Füllstoffanteile erhöhen den mineralischen Rückstand im Recycling (Schlämme), was die Aufbereitung und Entsorgung beeinflussen kann.
• Faserkreislauf: Füllstoffe verbleiben bei der Wiederaufbereitung teilweise im Stoff; dies kann die Papierqualität steuern, erfordert jedoch eine angepasste Prozessführung.
• Verwertungspfade: Mineralische Anteile sind thermisch inert; bei energetischer Verwertung verbleibt Asche, die entsprechend zu handhaben ist.
• Sekundärnutzung: Je nach Reinheit sind Anwendungen in der Baustoffindustrie oder als Zuschlag möglich; lokale Regularien sind zu beachten.

Regulatorische Aspekte

• Kontakt mit empfindlichen Inhalten: Je nach Einsatzzweck sind migrationsarme Systeme und konforme Rezepturen relevant (z. B. lebensmittelnahe Anwendungen).
• Staub- und Arbeitsplatzschutz: Feinkörnige Füllstoffe erfordern geeignete Staubminderungs- und Absaugkonzepte.
• Dokumentation: Sicherheitsdatenblätter, Spezifikationen und Freigaben bilden die Basis für eine regelkonforme Nutzung im jeweiligen Anwendungsbereich.

Vor- und Nachteile von Füllstoffen

Die Verwendung von Füllstoffen bietet verschiedene Vorteile. So können sie dazu beitragen, Materialkosten zu senken und gleichzeitig die Produktqualität zu verbessern. Darüber hinaus kann durch die Auswahl umweltfreundlicher Füllstoffe auch ein positiver Beitrag zur Ökobilanz geleistet werden. Allerdings gibt es auch einige Nachteile zu beachten. So kann eine hohe Füllstoffdichte dazu führen, dass die Wellpappe an Stabilität verliert. Zudem können Füllstoffe, insbesondere solche auf Mineralbasis, schwer abbaubar sein und so zur Umweltbelastung beitragen. In der Praxis gilt es, den Zielkonflikt zwischen Optik, Bedruckbarkeit und Festigkeit im definierten Prozessfenster auszubalancieren.

• Vorteile: Höhere Opazität und Oberflächenqualität; potenzielle Kostenvorteile; gezielte Steuerung von Saugverhalten und Bedruckbarkeit; Ressourcenentlastung durch Fasersubstitution.
• Nachteile: Mögliche Reduktion der Festigkeiten (SCT, ECT, BCT); Mehraufwand in Retention/Entwässerung; Einfluss auf Recyclingströme und Ascheaufkommen; Staub- und Handling-Themen.
• Abhängigkeiten: Wirkung ist abhängig von Faserqualität (Primär-/Sekundärfasern), Partikelgröße, Form, Oberflächenchemie und vom gesamten Papierrezeptur- und Prozessdesign.
• Prozessrisiken: Instabile Retention, Trübungsspitzen und Störungen der Entwässerung können zu Bahnbrüchen, Staubbildung und Qualitätsschwankungen führen.

Praxis und Qualitätssicherung

• Dosierbereiche: Der optimale Anteil ist materialspezifisch und wird durch Zielwerte für Optik, Festigkeit und Verarbeitbarkeit begrenzt.
• Prüfmethoden: Typisch sind Aschegehalt (z. B. Glühverlust), Opazität/Weiße, Glätte sowie Festigkeiten nach gängigen Normverfahren.
• Prozessstabilität: Retentionsmanagement und angepasste Leimung sind zentrale Stellhebel zur Sicherung konstanter Qualität.
• Datengestützte Optimierung: Statistische Prozessregelung, Versuchspläne (DoE) und Inline-Sensorik (z. B. Zeta-Potential, Trübung, Feststoffgehalt) unterstützen die robuste Einstellung des Zielniveaus.

Normen und Messgrößen

Für die Beurteilung der Wirkung von Füllstoffen sind standardisierte Prüfverfahren relevant, darunter Kennwerte wie Grammatur und Dicke, Oberflächenglätte, Porosität/Permeabilität, Wasseraufnahme (z. B. Cobb), Opazität/Weiße, Reibungskoeffizient sowie Festigkeiten (SCT, RCT, ECT, BCT). Einheitliche Klimabedingungen bei der Konditionierung der Prüfkörper sichern die Vergleichbarkeit der Ergebnisse.

Zusammenfassung:

• Füllstoffe sind Materialien, die dazu dienen, in Verpackungen Freiräume zu füllen und somit die darin enthaltenen Waren vor Beschädigungen zu schützen.
• Insbesondere bei Verpackungen aus Wellpappe spielen sie eine bedeutende Rolle, da diese oft für schwere oder empfindliche Produkte verwendet werden, die einen zusätzlichen Schutz benötigen.
• Füllstoffe können aus verschiedenen Materialien bestehen, dazu gehören beispielsweise Kunststoff, Papier, Stroh oder Polystyrol und sie sind ökologisch je nach Material und Herstellungsverfahren mehr oder weniger gut verträglich.
• In der Papierherstellung für Wellpappe bezeichnet „Füllstoff“ ferner mineralische Partikel (z. B. Kreide, Kaolin), die gezielt in die Faserstruktur eingebracht werden, um Optik, Haptik und Prozessparameter zu steuern.
• Ein höherer Füllstoffanteil kann die Bedruckbarkeit verbessern, wirkt jedoch tendenziell mindernd auf Festigkeitskennwerte wie ECT, RCT oder SCT und erfordert abgestimmte Retention sowie Klebstoffführung.
• Ökologische Aspekte betreffen Abbau und Aufbereitung der Mineralien, den Aschegehalt im Recyclingkreislauf sowie Arbeitsschutzmaßnahmen beim Handling feiner Partikel.
• Die Abgrenzung zwischen Füllstoff (in der Papiermasse), Additiven (Funktionschemie) und Füllmaterial (Hohlraumfüllung im Packgutraum) ist wesentlich für eine korrekte Einordnung.
• Eine robuste Prozessführung mit geeigneter Dosierung, Retentionschemie und qualitätsgesicherten Messverfahren stellt sicher, dass optische Zielwerte und mechanische Anforderungen der Wellpappe zuverlässig erreicht werden.