Faseranalyse

Im Kontext der Wellpappenindustrie spielt die Faseranalyse eine wesentliche Rolle bei der Ermittlung der Eigenschaften und Qualitätsindikatoren des Materials. Durch diese analytischen Verfahren ist es möglich, gezielt auf die Bedürfnisse der Unternehmen, die Verpackungen aus Wellpappe nutzen, einzugehen und die Produktqualität zu gewährleisten. Dabei werden Rohstoffschwankungen transparent gemacht, Prozessparameter besser steuerbar und Zielwerte für Papier- und Wellpappenprüfungen verlässlicher erreicht. Die Faseranalyse verbindet somit Rohstoffcharakterisierung mit praxisrelevanten Leistungskennwerten der daraus gefertigten Papiere und Wellpappformate. Zusätzlich unterstützt sie die effiziente Materialnutzung, reduziert Ausschussraten und liefert belastbare Daten für Auditierungen, Lieferantenbewertung und kontinuierliche Verbesserungsprozesse entlang der gesamten Prozesskette von Stoffaufbereitung bis Konfektionierung.

Definition: Was versteht man unter Faseranalyse?

Im Rahmen der Faseranalyse analysiert man Fasereigenschaften von Rohstoffen, um ihre Qualität und Eignung für bestimmte Anwendungen zu bestimmen. Besonders im Bereich der Herstellung von Wellpappe ist diese Analyse relevant, da Faserqualität und -zusammensetzung die Produktqualität maßgeblich beeinflussen. Ziel ist die objektive Beschreibung der Faserpopulation eines Stoffes, einschließlich Faserlängenverteilung, Feinanteil, Faserbreite, Kräuselung (Curl) und Knickhäufigkeit (Kink), sowie der chemischen und morphologischen Merkmale (z. B. Lignin- und Aschegehalt, Helligkeit).

Faseranalyse umfasst sowohl die Bestimmung der Herkunft (Primärfasern, Sekundärfasern, Mischung verschiedener Zellstoffsorten) als auch die Bewertung der mechanischen und optischen Eigenschaften der resultierenden Papiere. Sie dient als Grundlage, um Rezepturen zu optimieren, Schwankungen zu minimieren und definierte Qualitätsprofile stabil zu halten. Ergänzend werden Einflüsse der Stoffaufbereitung (Raffination, Dispergierung, Reinigen) sowie Additivsysteme betrachtet, um die Wechselwirkungen zwischen Faseroberfläche, Feinanteil und Klebstoffaufnahme hinsichtlich Stabilität, Rillbarkeit und Weiterverarbeitung nachvollziehbar zu machen.

Ziele und Nutzen im Überblick

• Rohstoffcharakterisierung: Erkennen, welche Faserarten und -qualitäten vorliegen (Nadelholz- vs. Laubholzanteile, Recyclinganteil, Stoffaufbereitung).
• Prozesssteuerung: Ableiten von Stellgrößen in Stoffaufbereitung und Papierherstellung (Raffinationsgrad, Entwässerung, Sieb- und Pressenpartien).
• Qualitätssicherung: Absichern von Zielwerten für Steifigkeit, ECT-/SCT-/CMT-Korrelationen und Verklebungsverhalten.
• Risikominderung: Frühzeitiges Erkennen von Qualitätsabweichungen, Chargenschwankungen und Verunreinigungen (Fremdfasern, Shives, Fines).
• Lieferantenqualifizierung: Abgleich von Spezifikationen, Wareneingangsprüfungen und Freigabekriterien anhand definierter Faserprofile.
• Kosten- und Materialeffizienz: Reduktion von Überqualitäten, gezielter Einsatz von Faserqualitäten und Minimierung von Ausschuss.
• Reklamationsmanagement: Objektive Ursachenanalyse durch nachvollziehbare Daten und Trends aus Labor- und Produktionsmessungen.

Wie wird eine Faseranalyse im Bereich der Wellpappe durchgeführt?

Die spezifischen Methoden der Faseranalyse im Bereich der Wellpappe umfassen eine Vielzahl von Tests und Untersuchungen. Das kann die Ermittlung der Faserlänge, Faserfestigkeit oder Faserzusammensetzung beinhalten. Es besteht auch die Möglichkeit der analytischen Bestimmung der Faserherkunft durch Mikroskopie und spektroskopische Methoden. Ergänzend kommen automatisierte Bildanalysesysteme und Normprüfungen zum Einsatz, um reproduzierbare und vergleichbare Ergebnisse zu erzielen. In modernen Umgebungen werden Laborergebnisse zunehmend mit Inline- und Atline-Sensorik verknüpft, um Prozessfenster stabil zu halten und Regelstrategien datenbasiert zu unterstützen.

Typische Messgrößen und Kennwerte

• Längenbezogene Parameter: gewichtete mittlere Faserlänge, Längenverteilung, Anteil sehr kurzer Fragmente (Fines).
• Geometrie: Faserbreite, Koarsheit (Masse pro Längeneinheit), Curl/Kink-Indizes, Zellwanddicke (indirekt).
• Reinheit: Anteil Grobstoff/Shives, Fremdfasern, Klebstoffreste (Stickies) im Recyclingstoff.
• Chemische Kennwerte: Kappa-Zahl/Ligningehalt (bei Primärfasern), Aschegehalt, pH-Wert, Leitfähigkeit.
• Entwässerung/Drainage: Schopper-Riegler (°SR) oder Canadian Standard Freeness (CSF) als Indikatoren für Raffinationsgrad und Blattbildung.
• Oberflächen- und Bindungsrelevanz: Wasserhaltevermögen (WRV), Ladungszustand/Zeta-Potenzial, Fibrillierungsgrad als Indikatoren für Bindekräfte und Leimungswechselwirkungen.
• Festigkeitsnahe Indizes: Zero-Span-Zugfestigkeit (fasergestützte Festigkeit), Faserbruch- versus Faserverbundversagen in Bruchflächenanalysen.

Methoden und Geräte

• Lichtmikroskopie/Polarisation: Identifikation von Faserarten, Beurteilung von Fibrillation und Schädigungen.
• Automatisierte Faseranalysatoren: Bildbasierte Systeme (z. B. FQA-ähnliche Verfahren) zur schnellen Erfassung von Längen-, Breiten- und Feinanteilsverteilungen.
• Spektroskopie: FTIR oder Raman zur qualitativen Bestimmung chemischer Gruppen und potenzieller Verunreinigungen.
• Elektronenmikroskopie (SEM): Detaillierte Oberflächen- und Bruchkantenanalyse, insbesondere bei Fehlersuche.
• Asche- und Helligkeitsmessung: Thermogravimetrie und optische Messung für mineralische Anteile und optische Eigenschaften.
• Ladungs- und Oberflächenanalytik: Zeta-Potenzial- und Leitfähigkeitsmessung zur Bewertung von Additiv- und Feinstoffinteraktionen.
• Mechanische Kurzprüfungen: Zero-Span-Tests, Faserklemmversuche und Mikrozug zur Abschätzung der Fasereigenfestigkeit.

Probenahme, Präparation und Statistik

• Repräsentativität: Proben aus laufender Produktion, verschiedenen Bahnbreitenpositionen und Zeitpunkten, um Streuungen abzubilden.
• Standardisierte Aufbereitung: Dispergieren, Sieben und definierte Verdünnungen zur Vermeidung von Agglomeraten.
• Kalibrierung: Geräteabgleich mit Referenzmaterialien und regelmäßige Prüfmittelüberwachung.
• Datenbewertung: Mittelwerte mit Konfidenzintervallen, Verteilungsanalysen und Trendbetrachtungen im Zeitverlauf.
• Wiederholungen und Blindproben: Absicherung der Messpräzision durch Doppelbestimmungen, Kontrollkarten und Messunsicherheitsabschätzungen.

Einfluss der Faseranalyse auf die Qualität von Wellpappe

Das Verständnis und die Kontrolle der Fasereigenschaften durch Faseranalysen sind entscheidend für die Produktqualität im Bereich der Wellpappe. Da hier die Fasern den hauptsächlichen Rohstoff darstellen, hat jede Änderung der Faserzusammensetzung oder -qualität direkte Auswirkungen auf die Produkteigenschaften, wie Stabilität, Steifigkeit, Haltbarkeit der Wellpappe. Ebenso wirkt sich die Faserstruktur auf Klebstoffannahme, Rillbarkeit und Verarbeitungsstabilität aus.

Zwischen Faserparametern und Papier-/Wellpappenkennwerten bestehen häufig belastbare Korrelationen:

• Faserlänge und Steifigkeit: Längere, intakte Fasern begünstigen höhere Biege- und Kantenstabilität (SCT/ECT).
• Fines und Porenstruktur: Ein höherer Feinanteil verbessert oft die Blattdichte, kann jedoch Entwässerung und Verklebungsverhalten beeinflussen.
• Raffinationsgrad: Erhöhte Fibrillation steigert Bindungskräfte, kann aber Sprödigkeit und Rissanfälligkeit erhöhen.
• Recyclinganteil: Mehr Umläufe verändern die Morphologie (verkürzte Fasern, erhöhte Steifigkeit der Zellwand), was Prozessparameter anpasst.

Durch gezielte Faseranalyse lassen sich Rezepturen für Decken- und Wellenpapiere so ausbalancieren, dass geforderte Leistungswerte bei gleichzeitiger Materialeffizienz zuverlässig erreicht werden. Zudem lassen sich Maschinenrichtwerte, Leimparameter und Trocknungsprofile auf Basis der Faserkennwerte stabil einstellen, wodurch Schwankungen im Endprodukt reduziert und die Weiterverarbeitungssicherheit erhöht werden.

Normen, Prüfbezüge und Dokumentation

• Relevante Normen: u. a. ISO- und TAPPI-Standards für Faserlängenmessung, Schopper-Riegler/CSF und optische Kenngrößen.
• Prüfbezug: Verknüpfung von Faserkennwerten mit Papierprüfungen (SCT, CMT, RCT) sowie Wellpappenprüfungen (ECT, BCT-äquivalente Verfahren in deutscher Terminologie).
• Dokumentation: Rückverfolgbarkeit über Chargenprotokolle, Trenddiagramme und Grenzwertkataloge für die Wareneingangs- und Prozesskontrolle.
• Berichtswesen: Standardisierte Prüfberichte mit Messunsicherheiten, Kontrollkarten und Ursachen-Wirkungs-Analysen zur strukturierten Entscheidungsfindung.

Nachhaltigkeits- und Materialaspekte

Faseranalyse unterstützt die Bewertung von Umweltaspekten, etwa bei der Auswahl von Sekundärfasern, der Bestimmung der Umlaufzahl oder beim Einsatz alternativer Faserquellen. Ergänzend können Rohstoffoptionen mit speziellen Fasercharakteristika gesichtet werden; weiterführende Informationen bieten zum Beispiel Hintergründe zu nachhaltigen Lösungen aus Graspapier. Zusätzlich erlaubt die systematische Erfassung von Feinstoffanteil, Asche und Kontaminanten eine zielgerichtete Optimierung von Wasser- und Energieeinsatz sowie eine Reduktion von Prozesshilfsstoffen, was sich positiv auf Ressourceneffizienz und Kreislaufführung auswirkt.

Vor- und Nachteile von Faseranalyse

Durch die Durchführung einer Faseranalyse können Unternehmen die Qualität und Leistung ihres Wellpappenmaterials sicherstellen. Dies ermöglicht eine kontinuierliche Qualitätskontrolle und Gelegenheit zur Verbesserung. Eine mögliche Herausforderung bei der Durchführung von Faseranalysen ist der Aufwand in Bezug auf Zeit und Ressourcen, die notwendig sind, um aussagekräftige und genaue Ergebnisse zu erhalten. Außerdem benötigen einige Methoden spezifisches Know-how und spezialisierte Ausrüstung. In der Praxis zahlt sich der Einsatz aus, wenn Messergebnisse konsistent dokumentiert, mit Prozessdaten verknüpft und für klare Regelstrategien genutzt werden.

• Vorteile: Höhere Prozessstabilität, verlässlichere Zielwerte, evidenzbasierte Rezepturoptimierung, bessere Korrelation zu Funktionsprüfungen.
• Herausforderungen: Anspruchsvolle Probenpräparation, Kalibrierungsaufwand, Interpretationskompetenz notwendig, Investition in Messsysteme.
• Grenzen: Faserkennwerte erklären nicht alle Eigenschaften; Einflüsse aus Leimung, Feuchte, Temperatur und Maschinenparametern müssen mitbetrachtet werden.
• Praxisaspekte: Nutzen entsteht insbesondere durch Regelkreise, die Labor- und Produktionsdaten zusammenführen (z. B. für ECT-Zielerreichung bei wechselnden Rohstoffen).

Praxisnahe Anwendungsszenarien

• Wareneingangskontrolle: Abgleich von Lieferchargen gegen Referenzprofile, um Abweichungen frühzeitig zu erkennen.
• Rezepturwechsel: Bewertung alternativer Faserquellen und Mischungsverhältnisse auf Stabilität und Verarbeitbarkeit.
• Fehlersuche: Identifikation von Ursachen bei Einbrüchen in ECT-/SCT-Werten oder bei Verklebungsproblemen.
• Kontinuierliche Verbesserung: Aufbau von Datenbasen zur Trendanalyse und zur präventiven Qualitätssicherung.
• Scale-up und Transfer: Absicherung von Laborergebnissen in der Produktion durch Atline-Checks, Versuchspläne und schrittweise Parameteranpassungen.

Zusammenfassung:

• Die Faseranalyse ermöglicht die exakte Bestimmung der Eigenschaften einzelner Fasern, was bei der Produktion von Wellpappe zum Einsatz kommt.
• Die Qualität der Verpackungen aus Wellpappe kann durch die Faseranalyse verbessert werden, indem genau festgestellt wird, welche Fasermischungen für optimale Stabilität und Belastbarkeit sorgen.
• Durch Faseranalyse können auch Umweltauswirkungen von Verpackungen minimiert werden. Man kann ermitteln, welche Fasern sich am besten recyceln lassen und somit den ökologischen Fußabdruck des Unternehmens reduzieren.
• Typische Kennwerte sind Faserlängenverteilung, Feinanteil, Koarsheit, Curl/Kink sowie Drainagekennzahlen; sie korrelieren mit Steifigkeit, Verklebungsverhalten und Verarbeitungsstabilität.
• Der Nutzen entsteht durch reproduzierbare Probenahme, standardisierte Messmethoden, saubere Kalibrierung und die Verknüpfung mit relevanten Papier- und Wellpappenprüfungen.
• In Kombination mit strukturiertem Berichtswesen und Regelstrategien liefert die Faseranalyse die Datengrundlage für stabile Prozesse, nachvollziehbare Qualität und wirtschaftliche Materialnutzung.