Quellbarkeitsprüfung

Die Quellbarkeitsprüfung spielt bei der Herstellung von Verpackungen eine bedeutende Rolle, insbesondere bei solchen, die aus Wellpappe hergestellt werden. Damit wird sichergestellt, dass das Material fehlerfrei ist und die Anforderungen des Herstellers erfüllt. Zu den wichtigsten Prüfverfahren gehört dabei die Quellbarkeitsprüfung, die die Qualität der Wellpappe sicherstellt. Sie dient sowohl der Wareneingangskontrolle als auch der laufenden Prozessüberwachung und liefert Hinweise auf das Feuchteverhalten, die Stabilität der Fasern sowie die Wirkung von Leimen, Stärken und Additiven im Verbundmaterial. Darüber hinaus unterstützt sie die Absicherung von Prozessfenstern entlang der gesamten Wertschöpfungskette – vom Papierrohstoff über den Klebeprozess bis zur Weiterverarbeitung – und hilft, Feuchteeinflüsse während Lagerung, Transport und Einsatz zu beherrschen. So lassen sich Verzug, Maßänderungen und Funktionsstörungen an Verpackungen vorausschauend erkennen und vermeiden.

Definition: Was versteht man unter Quellbarkeitsprüfung?

Unter einer Quellbarkeitsprüfung versteht man das Testverfahren, bei dem das Quellverhalten des Materials unter verschiedenen Bedingungen untersucht wird. Dabei kann die Prüfung sowohl bei Raumtemperatur als auch unter wärmeren Bedingungen stattfinden. Kennzeichnend für das Testverfahren Quellbarkeitsprüfung ist der qualitative Nachweis von vorhandenen Quellstoffen in der Wellpappe. Ergänzend werden häufig quantitative Kenngrößen ermittelt, etwa der prozentuale Dickenanstieg (Quellgrad), die Massenzunahme durch Flüssigkeitsaufnahme und die Quellkinetik (Zeitverlauf des Anschwellens). Zusätzlich wird die Reversibilität betrachtet: Inwieweit bilden sich Dicke und Planlage nach definierten Trocknungsphasen zurück, und welche bleibenden Veränderungen (Restquellung) verbleiben?

Die Quellung beruht auf der Fähigkeit hydrophiler Bestandteile, insbesondere der Zellulosefasern und stärke- oder leimbasierter Bindemittel, Wasser aufzunehmen und dadurch Volumen zuzulegen. Im Ergebnis erhält man Aussagen darüber, wie stark die Faserstruktur und die Verklebungen auf Flüssigkeitskontakt reagieren und ob bestimmte Quellstoffe im Material nachweisbar sind. Die Quellbarkeitsprüfung ist von reinen Wasseraufnahme-Tests (z. B. Flächenwasseraufnahme) und von mechanischen Festigkeitsprüfungen abzugrenzen, ergänzt diese jedoch sinnvoll. Typische Begleitphänomene sind Kapillarwirkung an Schnittkanten, Aufweichung von Leimfilmen sowie eine Verschiebung der Fasersättigungsgrenze; diese Effekte beeinflussen maßgeblich die Dimensionsstabilität und damit die Funktionsfähigkeit von Verpackungen.

In der Praxis wird die Quellbarkeitsprüfung häufig mit weiteren Prüfungen kombiniert, etwa mit Klimabelastungen (Wechselklima), Kurzzeitbefeuchtung und anschließender Festigkeitsmessung. Dadurch lassen sich Zusammenhänge zwischen Quellgrad und Leistungskennwerten wie Kantenstauchwiderstand (ECT) oder Stapelstauchwiderstand (BCT) unter feuchtegeprägten Bedingungen herstellen.

Anwendung und Durchführung der Quellbarkeitsprüfung

Die Quellbarkeitsprüfung findet eine weitreichende Anwendung in der Wellpappindustrie. Bei dieser Prüfung wird die Probe bei vorgegebenen Bedingungen, zumeist bei erhöhter Temperatur, in Wasser eingetaucht. Der resultierende Quellvorgang ermöglicht die Untersuchung der molekularen Struktur sowie der Porosität der Wellpappe. Damit trägt die Prüfung wesentlich zur Produktqualität bei. Sie kommt typischerweise bei Materialwechseln, Rezepturanpassungen (z. B. Stärkeanteil), feuchtebedingten Reklamationen sowie bei der Freigabe neuer Lieferchargen zum Einsatz. Zusätzlich wird sie zur Absicherung von Prozessänderungen (z. B. Klebstoffviskosität, Auftragsmenge, Trocknung) und zur Bewertung von Feuchteschutzmaßnahmen (Hydrophobierung, Barrierebeschichtungen, Kaschierungen) genutzt.

Probenvorbereitung und Konditionierung

Für reproduzierbare Ergebnisse werden repräsentative Proben aus unterschiedlichen Zonen der Wellpappe entnommen (Orientierung längs und quer zur Welle). Die Zuschnitte werden auf definierte Formate gebracht und vor der Prüfung unter normähnlichen Klimabedingungen (beispielsweise 23 °C und 50 % relativer Feuchte) ausreichend konditioniert. Erfasst werden Ausgangsdicke, Ausgangsmasse und gegebenenfalls die visuelle Beschaffenheit (Klebebereiche, Wellenprofil, Decklagen). Um Randeinflüsse zu reduzieren, sollten Kanten sauber geschnitten, störende Rillungen vermieden und Proben mit ausreichendem Abstand zu Feeder-Kanten und Klebelaschen entnommen werden. Eine ausreichende Stichprobengröße (z. B. n ≥ 5 je Orientierung) erhöht die statistische Aussagekraft.

Prüfschritte und Prüfparameter

Im Regelfall wird die Probe vollständig oder teilflächig in deionisiertes Wasser eingetaucht. Je nach Fragestellung erfolgen Messungen bei Raumtemperatur oder unter erhöhter Temperatur, um den Quellvorgang zu beschleunigen. Sinnvolle Zeitpunkte für Zwischenmessungen liegen etwa bei 1, 5, 10, 30 und 60 Minuten. Nach dem Entnehmen wird die Oberfläche kurz und gleichmäßig abgetupft, bevor Dicke und Masse erneut erfasst werden. Alternativ existieren Zyklenprüfungen (mehrfache Befeuchtung/Trocknung), die das Langzeitverhalten simulieren. Die Wasserqualität (z. B. Leitfähigkeit, pH-Wert), die Badtemperatur (mit enger Toleranz) und die Eintauchtiefe sollten dokumentiert werden, um Vergleichbarkeit über Serien hinweg sicherzustellen.

Kennwerte und Auswertung

Typische Kennwerte sind:

• Dickenquellgrad: prozentuale Zunahme der Materialdicke gegenüber dem Ausgangswert
• Massenzunahme: prozentuale Gewichtszunahme durch Wasseraufnahme
• Quellrate: zeitlicher Verlauf der Quellung (Steigung der Quellkurve)
• Optische Befunde: Delamination, Aufrauen, Aufplatzen der Wellen oder Beeinträchtigung der Klebenaht

Der qualitative Nachweis von Quellstoffen erfolgt über charakteristische Veränderungen (z. B. ausgeprägtes Anschwellen in Klebebereichen). Grenz- und Richtwerte werden intern festgelegt und auf das jeweilige Produktprofil abgestimmt. Ergänzend sind Restdicke nach Trocknung, Rückstellverhalten der Planlage sowie die Auswertung von Quellkurven (Plateauausbildung, Zeitkonstanten) hilfreich. Für Serienfreigaben werden häufig Regelkarten geführt, um Trends und Streuungen frühzeitig zu erkennen.

Fehlerquellen und Reproduzierbarkeit

Zu den häufigsten Einflussgrößen zählen unzureichende Klimatisierung, ungleichmäßiges Abtupfen nach dem Eintauchen, Temperaturabweichungen des Prüfmediums, unterschiedliche Probenorientierung sowie Rand- und Kantenwirkungen. Eine sorgfältige Probenahme, standardisierte Handhabung und die Dokumentation aller Randbedingungen erhöhen die Vergleichbarkeit. Weitere Fehlerquellen sind variierende Messkräfte am Dickenmessgerät, unzureichend kalibrierte Waagen, Zeitmessfehler bei Zwischenmessungen sowie kapillare Effekte an offenen Kanten bei teilflächiger Benetzung.

Relevanz der Quellbarkeitsprüfung für die Wellpappenproduktion

Die Relevanz der Quellbarkeitsprüfung für die Produktion von Wellpappe ist hoch. Durch die Prüfung wird sichergestellt, dass die verwendeten Rohmaterialien die Anforderungen des Herstellers erfüllen. Bei Unstimmigkeiten können rechtzeitig Korrekturen vorgenommen werden. Die Qualitätskontrolle erfolgt dabei stets unter den strengen Auflagen der Wellstar-Packaging GmbH, die das Wellpapp-Lexikon herausgibt. Zudem liefert die Prüfung Entscheidungsgrundlagen für Materialauswahl (Papierqualitäten, Wellenkombinationen) und Prozessparameter, wenn Verpackungen in feuchtebelasteten Lieferketten eingesetzt werden.

Praktisch wirkt sich das Quellverhalten auf Dimensionsstabilität, Klebeverbund, Planlage und Festigkeiten aus. Übermäßiges Quellen kann zu Verzug, Delamination oder Maßänderungen führen und damit Weiterverarbeitungsschritte sowie Passgenauigkeit beeinträchtigen. Für die Auslegung von Toleranzen und Prüfplänen sind weiterführende Grundlagen zu Abmessungen in Prüfprotokollen hilfreich, um Quellkennwerte mit Maßhaltigkeit und Funktionsanforderungen in Beziehung zu setzen. In Kombination mit ergänzenden Prüfungen lässt sich so das Feuchte- und Nassverhalten robust bewerten. Daraus abgeleitete Maßnahmen reichen von der Anpassung der Leimrezeptur über optimierte Trocknungsbedingungen bis hin zur Auswahl feuchteunempfindlicher Decklagen oder zusätzlicher Barrieren.

Vor- und Nachteile der Quellbarkeitsprüfung

Ein Vorteil des Verfahrens liegt auf der Hand: Es bietet eine zuverlässige Methode zur Prüfung der Materialeigenschaften und zur Sicherstellung der Produktqualität. Weiterhin ist es für Anwender leicht durchführbar und kostengünstig. Jedoch gibt es auch Nachteile, die berücksichtigt werden sollten: Das Material wird während der Prüfung stark beansprucht und kann dabei Schaden nehmen. Möglicherweise erweist sich die Herstellungsweise der Wellpappe auch als Quelle für Quellstoffe, deren Nachweis zur Verzögerung der Produktion führen kann. Trotz dieser Schwierigkeiten bleibt die Quellbarkeitsprüfung ein unerlässliches Verfahren in der Qualitätssicherung des Herstellers. Aussagekräftige Ergebnisse setzen neben standardisierten Arbeitsanweisungen eine konsequente Dokumentation und regelmäßige Kalibrierung der Messmittel voraus.

• Vorteile: Frühe Erkennung feuchteempfindlicher Rezepturen, einfache Laborumsetzung, gute Vergleichbarkeit bei standardisierten Bedingungen, direkte Beobachtung von Delamination oder Verbundschwächen, Ableitung konkreter Prozessmaßnahmen (z. B. Anpassung von Leimauftrag und Trocknung), sinnvolle Kombination mit Klimatests und nachfolgenden Festigkeitsprüfungen.
• Nachteile: Destruktiver Charakter, Ergebnisabhängigkeit von Temperatur/Zeiten/Probenorientierung, begrenzte Übertragbarkeit auf reale Klimaschwankungen, keine Aussage zur mechanischen Festigkeit ohne Zusatzprüfungen, potenzielle Randeffekte bei teilflächiger Benetzung, zusätzlicher Zeitbedarf für ausreichende Konditionierung und Replikatmengen.

Zusammenfassung:

• Die Quellbarkeitsprüfung bezeichnet eine kontrollierte Analyse, die ermittelt, wie sehr Materialien, beispielsweise Wellpappe, unter Einfluss von Flüssigkeit anschwellen oder quellen.
• Diese Prüfung ist für Unternehmen, die Verpackungen aus Wellpappe herstellen oder nutzen, von besonderem Interesse, da sie Aufschluss gibt, wie robust und widerstandsfähig das Material gegen Feuchtigkeit ist.
• Die Ergebnisse der Quellbarkeitsprüfung tragen maßgeblich zur Qualitätskontrolle bei, indem sie helfen, die optimalen Eigenschaften der Wellpappe für eine zuverlässige und langlebige Verpackung sicherzustellen.
• Sie ergänzt andere Verfahren zur Beurteilung des Feuchteverhaltens und ermöglicht die Bewertung von Quellstoffen, Klebeverbund und Strukturstabilität im Nasszustand.
• Standardisierte Probenahme, definierte Klimatisierung und die Auswertung von Quellgrad, Massenzunahme und Quellrate sind entscheidend für belastbare Resultate.
• Die Einbindung der Messwerte in interne Spezifikationen unterstützt die Fertigungssicherheit sowie die vorbeugende Qualitätssicherung entlang der Prozesskette.
• Im Zusammenspiel mit Klimabelastungen und anschließenden Festigkeitsprüfungen lassen sich Auswirkungen auf ECT/BCT und Planlage praxisnah quantifizieren.
• Eine sorgfältige Dokumentation der Prüfparameter (Wasserqualität, Temperatur, Zeiten, Messkraft) und eine ausreichende Stichprobengröße erhöhen Vergleichbarkeit und Aussagekraft.
• Die gewonnenen Erkenntnisse erleichtern die zielgerichtete Auswahl von Papierqualitäten, Klebstoffsystemen und Schutzmaßnahmen für feuchteexponierte Anwendungen.