Quellungsverhalten

Das Verständnis von Wellpappe und ihre einzigartigen Eigenschaften ist für viele Unternehmen von großer Bedeutung. Ein besonders interessantes Merkmal von Wellpappe ist das Quellungsverhalten. Dieser Begriff bezieht sich auf die Veränderung von Wellpappe unter dem Einfluss von Feuchtigkeit und kann bedeutende Auswirkungen auf die Qualität der Schutzfunktion und die Dimensionsstabilität des Materials haben. Je nach Einsatzumgebung beeinflusst die Feuchteaufnahme mechanische Kennwerte, Planlage und Passgenauigkeit deutlich. In der Praxis betrifft dies die gesamte Lieferkette: vom klimakontrollierten Lager über den Transport in wechselnden Klimazonen bis hin zur Verarbeitung an Stanz- und Klebemaschinen. Schwankende Umgebungsbedingungen, Kondensationseffekte und die Gleichgewichtsfeuchte der Fasern bestimmen, wie stark Wellpappe quillt, schwindet und sich in Länge, Breite sowie Dicke verändert.

Definition: Was versteht man unter Quellverhalten?

Unter dem Quellungsverhalten versteht man die Fähigkeit von Wellpappe, bei Zugabe von Feuchtigkeit aufzuquellen. Dies geschieht aufgrund der pflanzlichen Fasern in der Pappe, die hygroskopisch sind, Feuchtigkeit adsorbieren und dadurch ihr Volumen erhöhen. Dabei spielen diverse Faktoren wie die Beschaffenheit der Wellpappe (Liner, Wellenpapier, Flächengewichte), die Art der Verleimung (z. B. Stärkeleim), die ursprüngliche Feuchte sowie die Umgebungsklimata eine entscheidende Rolle. Auf Faser- und Papierniveau sind Sorptionsisothermen, Faserfeinheit und Bindungskräfte zwischen den Fasern maßgeblich; auf Verbundebene wirken Klebstoffschicht, Porenraum und Wellengeometrie zusammen.

Die Quellung zeigt sich in erster Linie als Dickenanstieg, kann jedoch auch zu längen- und breitenbezogenen Dimensionsänderungen führen. Aufgrund der Faserorientierung verhalten sich Bahnlaufrichtung (MD) und Querrichtung (CD) häufig unterschiedlich. Neben der Sorption (Feuchteaufnahme) ist auch die Desorption (Abgabe von Feuchtigkeit) relevant, da wiederholte Zyklen zu bleibenden Verformungen führen können. Diese Hysterese-Effekte beeinflussen Planlage, Rillverhalten und die Wiedererlangung der Ausgangsmaße nach klimatischen Wechseln. Zudem begünstigen Feuchtegradienten innerhalb des Querschnitts Biegemomente und Verzug.

Einflussfaktoren auf das Quellungsverhalten

Das Quellungsverhalten von Wellpappe kann durch zahlreiche Faktoren beeinflusst werden. Dazu zählen beispielsweise die Qualität der pflanzlichen Fasern, der Faserursprung (Recycling- vs. Frischfaser), die Leimrezeptur, das Ausgangsvolumen der Wellpappe, die Anzahl der Lagen sowie die aktuellen Umgebungsbedingungen. In Räumen mit hoher relativer Luftfeuchtigkeit kann eine erhöhte Quellung auftreten, während in trockenen Umgebungen die Quellreaktion vermindert sein kann. Des Weiteren spielt die Expositionsdauer gegenüber Feuchte und Temperatur eine Rolle. Barrierebeschichtungen, Leimauftrag und Wellenprofil (z. B. B-, C-, E-Welle) modifizieren zusätzlich das Verhalten. Ebenso wirken Randbedingungen wie Stapelhöhe, Luftzirkulation, Packungsdichte sowie das Vorhandensein von Feuchtesperren (Folie, Kaschierungen) auf die Feuchteaufnahme und die zeitliche Dynamik ein.

Material- und Konstruktionsaspekte

• Faserqualität und -aufbereitung: Feinere, stärker verfestigte Fasern quellen in der Regel anders als grobe, weniger verdichtete Recyclingfasern. Der Lignin- und Hemicellulose-Anteil sowie die Anzahl der Refiner-Durchgänge beeinflussen die Sorptionsfähigkeit.
• Flächengewicht und Lagenaufbau: Höhere Grammaturen und mehrlagige Konstruktionen können die Dickenquellung und das Planlagenverhalten beeinflussen. Dickere Liners und doppelte Wellen verlangsamen die Diffusion und verändern die Quellkinetik.
• Verleimung: Stärkeleim und Feuchtigkeitszugaben während der Wellkaschierung bestimmen, wie schnell Feuchte in den Verbund eindringt. Additive, Quervernetzer und Trocknungsgrad beeinflussen Wasseraufnahme und Klebefestigkeit im feuchten Zustand.
• Wellenprofil: Kleinere Wellen (z. B. E-Welle) reagieren anders auf Feuchteschwankungen als höhere Wellenprofile (z. B. C-Welle). Die Geometrie verändert sowohl den Weg der Feuchtediffusion als auch die Biege- und Stauchsteifigkeit.
• Oberflächenbehandlung: Hydrophobierungen und Barrierebeschichtungen verzögern die Wasseraufnahme und reduzieren kurzfristiges Quellen. Beschichtungen können jedoch das Trocknungsverhalten (Desorption) verzögern und Hystereseeffekte verstärken.
• Papierlaufrichtung und Schnittlage: Die Ausrichtung der Fasern relativ zu Rillung, Perforation und Stanzkontur bestimmt die anisotrope Längen- und Breitenänderung und damit die Passgenauigkeit.
• Kantenversiegelung: Offene Schnittkanten nehmen Wasser rasch auf; eine Versiegelung kann lokale Quellung und Kantenaufbruch minimieren.

Umgebungs- und Prozessbedingungen

• Relative Luftfeuchte (rF) und Temperatur: Typische Prüf- und Einsatzklimata (z. B. 23 °C/50 % rF) dienen als Referenz; Abweichungen erhöhen die Variabilität der Kennwerte. Hohe rF bei erhöhten Temperaturen beschleunigt Diffusion und Quellung.
• Expositionsdauer: Kurze Feuchteimpulse wirken meist oberflächlich; länger anhaltende Feuchte führt zu tieferer Durchfeuchtung und stärkeren Dimensionsänderungen. Zyklische Belastungen verursachen bleibende Deformationen.
• Konditionierung: Vorlagerung und Akklimatisierung an ein Zielklima stabilisieren das Verhalten und verbessern die Reproduzierbarkeit. Gleichgewichtsfeuchte (EMC) ist eine zentrale Zielgröße.
• Transport und Umschlag: Temperaturwechsel (z. B. vom Außenbereich in temperierte Zonen) können Kondensation erzeugen, die das Quellen beschleunigt. Seetransporte mit salzhaltiger, feuchtwarmer Luft wirken besonders belastend.
• Verarbeitungsparameter: Rillspalt, Stanzdruck, Falzwerkzeuge und Klebstoffauftrag beeinflussen, wie empfindlich Zonen auf Feuchte reagieren.
• Stapeldruck und Lagerart: Hohe Lasten bei gleichzeitig hoher rF begünstigen Kriechen, Dickenänderung und bleibende Setzerscheinungen.

Auswirkungen von Quellungsverhalten auf die Verpackungsfunktion

Die Folgen des Quellungsverhaltens können erhebliche Auswirkungen auf die Qualität von Wellpappe haben. Bei zu hoher Quellung sinken häufig Kantenstauchwiderstand (ECT), Flachstauchwiderstand (FCT) und die Stapelfestigkeit (BCT). Dadurch verringert sich die tragende Funktion, und es können Passungenauigkeiten an Faltkanten sowie ein Verlust der Planlage auftreten. Zugleich kann durch das Quellen ein gewisser Dämpfungseffekt entstehen, der empfindliche Güter gegen Stöße unterstützt. Der Nettoeffekt hängt vom Anwendungsfall, der Klimabelastung und der Materialauswahl ab. Zusätzlich beeinflusst Quellung die Automatisierbarkeit in Abpacklinien, das Rüstverhalten an Faltschachtelklebern und die Funktion von Einlagen, Polstern sowie Trays, wenn Toleranzen eng ausgelegt sind.

Praktisch relevant sind insbesondere:

• Planlage und Verzug: Ungleichmäßige Feuchteaufnahme von Innen- und Außendecke führt zu Welligkeit oder Schüsseln.
• Rill- und Falzverhalten: Überquollene Rillzonen können aufbrechen oder unpräzise laufen; Klebelaschen verlieren in kritischen Klimata an Stabilität.
• Maßtoleranzen: Längen-, Breiten- und Dickenänderungen erschweren das Zusammenspiel mit Einlagen, Automatisierung und Etikettierung sowie die Passung im weiteren Prozess.
• Druck- und Veredelungsqualität: Feuchtebedingte Oberflächenänderungen beeinflussen Farbannahme und Trocknung.
• Palettierung und Ladeeinheit: Maßänderungen beeinträchtigen die Lagenbildung, Umreifung und Folienstabilisierung, was die Transportsicherheit beeinflusst.
• Verschlussmittel: Klebebänder, Etiketten und Heftklammern zeigen bei geänderter Oberflächenenergie und Dicke ein anderes Verhalten.

Besonders bei passgenauen Zuschnitten ist zu berücksichtigen, dass Feuchte die Geometrie verändert. Weiterführend hilft der Beitrag Auswirkungen auf die maßlichen Abmessungen von Zuschnitten, die Toleranzbetrachtung fachlich einzuordnen. Ergänzend sollten funktionskritische Maße (z. B. Stecklaschen, Steckschlitze) mit Klimasicherheitsaufschlägen geplant und validiert werden, um prozessstabile Verpackungslösungen zu gewährleisten.

Vor- und Nachteile von Quellungsverhalten

Das Quellungsverhalten von Wellpappe bringt sowohl Vorteile als auch Nachteile mit sich. Ein Vorteil ist, dass die aufquellende Struktur eine zusätzliche Dämpfung für verpackte Produkte bieten und so die Schutzwirkung in bestimmten Szenarien erhöhen kann. Ein Nachteil jedoch ist, dass die Quellung unter Umständen Festigkeit und Stabilität beeinträchtigt, was zu Maßabweichungen, Verformungen oder reduzierter Stapelfähigkeit führen kann. Dieses Wechselspiel zwischen positiven und negativen Effekten erfordert eine genaue Abwägung und Anpassung der Packstrategien sowie der klimatischen Rahmenbedingungen. Für klimatisch anspruchsvolle Routen (z. B. feucht-warme oder stark schwankende Umgebungen) sollten Materialien, Barrieren und Konstruktionen gezielt aufeinander abgestimmt werden.

Nutzen und Risiken im Überblick

1. Nutzen: Kurzzeitige Stoßdämpfung, potenziell verbesserte Formschlüssigkeit bei geringfügigem Dickenanstieg, reduziertes Spiel in Hohlräumen. In Kombination mit passgenauen Einlagen kann die temporäre Volumenzunahme helfen, Bewegungen des Packguts zu minimieren.
2. Risiken: Abfall der mechanischen Kennwerte bei Feuchteanstieg, Planlagenprobleme, Rissgefahr in Rillbereichen, unsaubere Faltungen, Toleranzüberschreitungen. Bei Dauerbelastung können sich bleibende Änderungen einstellen, die die Funktion von Verschlüssen und die Stabilität ganzer Ladeeinheiten beeinträchtigen.

Messgrößen, Prüfhinweise und Praxis

Zur objektiven Beurteilung des Quellverhaltens dienen Kombinationen aus Klimakonditionierung und mechanischen Prüfungen. Üblich ist die Konditionierung bei 23 °C/50 % rF, optional ergänzt um höhere rF-Stufen. Der Wasseraufnahmewert (Cobb) gibt Hinweise auf die Geschwindigkeit der Feuchteaufnahme an der Oberfläche; ergänzend werden Dickenänderung und Massezunahme beobachtet. ECT/FCT/BCT-Tests vor und nach Klimabelastung zeigen den Einfluss der Quellung auf die Tragfähigkeit. Relevant sind zudem Normen und standardisierte Abläufe (z. B. ISO 187 zur Klimatisierung von Papier, ISO 535 für Cobb, ISO 3034 zur Dickenmessung bei Wellpappe, ISO 2233 zur Klimakonditionierung von Packmitteln), um Ergebnisse vergleichbar zu machen.

• Klimakammer-Prüfungen: Sorptions- und Desorptionszyklen zur Bewertung der Reversibilität (Hysterese) und Stabilisierungseffekte. Sequenzen mit wechselnder rF/Temperatur bilden reale Transportprofile ab.
• Dickenmessung: Erfassung des Quellmaßes über die Zeit zur Ableitung charakteristischer Kurven. Die Kombination aus Dicken- und Massenzunahme erlaubt Rückschlüsse auf die Diffusionskinetik.
• Funktionsprüfungen: Rill-, Falt- und Klebeversuche nach Feuchteexposition zur Beurteilung der Verarbeitungssicherheit.
• Feuchtegehalt: Bestimmung der Gleichgewichtsfeuchte und des Feuchtegehalts (z. B. Trockenschrankmethode), um Materialzustände reproduzierbar zu erfassen.
• Barrierebewertung: Untersuchungen zur Wasserdampfdurchlässigkeit (WVTR) von Beschichtungen und Folien, um die Schutzwirkung im Verbund zu quantifizieren.
• Transportsimulation: Kombinierte Klima- und Kompressionstests (z. B. BCT nach Konditionierung) für belastbare Aussagen zur Ladeeinheitenstabilität.

Praxisempfehlungen zur Beherrschung des Quellungsverhaltens

Durch geeignete Maßnahmen lässt sich das Risiko feuchtebedingter Probleme deutlich verringern, ohne die Vorteile der Wellpappe zu verlieren. Ein systematisches Feuchtemanagement entlang der Prozesskette – vom Wareneingang bis zur Auslieferung – ist dabei zentral.

• Klimagerechte Lagerung und Akklimatisierung: Materialien vor der Weiterverarbeitung in das vorgesehene Einsatzklima überführen und ausreichend akklimatisieren. Luftzirkulation und kontrollierte rF unterstützen ein stabiles Gleichgewicht.
• Prozessfenster definieren: Rillen, Falzen und Kleben in stabilen Klimabereichen durchführen; Feuchteeinschleppung im Prozess minimieren. Vorrangig in produktionsnahen Zonen sollte Kondensation vermieden werden.
• Materialwahl: Je nach Anforderung Barrierepapiere, hydrophobierte Qualitäten oder angepasste Wellenprofile einsetzen. Auch die Auswahl geeigneter Klebstoffsysteme trägt zur Stabilität unter Feuchte bei.
• Konstruktion optimieren: Zuschnittgeometrien und Rillzonen so auslegen, dass moderate Quellung toleriert wird; Toleranzen realistisch planen. Kritische Bereiche (Laschen, Steckverbindungen) mit Sicherheitsmargen ausstatten.
• Verpackungsprüfung im Zielklima: Funktions- und Transportsimulationen nach Klimabelastung durchführen, um Kennwerte im Anwendungsszenario zu verifizieren.
• Schutzmaßnahmen im Versand: Bei feuchter Umgebung temporäre Sperren (Innenbeutel, Hauben, Zwischenlagen) nutzen und Umreifung/Folierung an angepasste Abmessungen und Steifigkeiten auslegen.
• Lager- und Stapelkonzept: Stapelhöhen, Palettenlayouts und Druckverteilung auf die klimatischen Bedingungen abstimmen, um Setzerscheinungen zu begrenzen.

Normative Grundlagen und Terminologie

Für eine einheitliche Bewertung sind klare Begriffe und Normen hilfreich. Wichtige Konzepte sind Gleichgewichtsfeuchte (Equilibrium Moisture Content, EMC), Sorptions- und Desorptionsisothermen sowie die Unterscheidung von MD/CD-Verhalten. Referenzklimata (z. B. 23 °C/50 % rF) nach verbreiteten Standards ermöglichen die Vergleichbarkeit. Prüfhinweise und Definitionen finden sich u. a. in international anerkannten Normen für Papier, Pappe und Packmittel, die Konditionierung, Wasseraufnahme, Dicke, Stauch- und Biegeeigenschaften abdecken.

Beispiele aus der Praxis

In der Kaltkette führt der Wechsel zwischen Kühlraum und Umgebung oft zu Kondensationsfeuchte auf Packmitteln; lokal beschleunigte Quellung kann Rillzonen schwächen. Bei Seefracht bewirken lange Expositionen gegenüber feuchtwarmer Luft Dickenanstiege und reduzierten BCT, was höhere Sicherheitszuschläge bei der Palettierung erfordert. Im E-Commerce mit dichter Innenpolsterung verändern geringe Längen- und Breitenänderungen die Passung zu Einlagen und Inserts; eine frühe Akklimatisierung der Zuschnitte und realistische Toleranzen verbessern die Prozessfähigkeit.

Modellierung und Vorhersage des Quellverhaltens

Zur Prognose der Maßänderungen werden einfache Abschätzungen (Prozentänderungen je rF-Stufe) bis hin zu diffusionsbasierten Modellen genutzt. Praktisch bewährt sind Kennlinien, die Dicken- und Gewichtszunahme über der Zeit in definierten Klimata abbilden. Aus MD/CD-spezifischen Dehnungswerten lassen sich Passmaßänderungen für kritische Konturen ableiten. Für die Dimensionierung von Kartonagen und Ladeeinheiten empfiehlt sich die Kombination aus Materialkennwerten, Klimaprofilen und Sicherheitsfaktoren für Stauch- und Biegebelastungen.

Zusammenfassung:

• Wellpappe kann sich bei Feuchtigkeitsaufnahme ausdehnen, was als Quellungsverhalten bezeichnet wird. Dies kann die Stabilität, die Planlage und die Form von Kartonagen beeinflussen. Anisotrope Effekte in MD/CD und Hysterese zwischen Sorption und Desorption sind dabei typisch.
• Das Quellungsverhalten ist ein wichtiger Faktor bei der Auswahl geeigneter Wellpapp-Qualitäten und beim Auslegen von Packprozessen. Es ermöglicht, die Auswirkungen von Umgebungsklimata auf Konstruktion und Funktion vorherzusagen und zu berücksichtigen. Normgerechte Konditionierung und standardisierte Prüfungen sichern die Vergleichbarkeit.
• Die Beachtung des Quellungsverhaltens unterstützt eine längere Nutzungsdauer und eine konsistente Leistungsfähigkeit, da unerwünschte Verformungen, Maßabweichungen oder Funktionsstörungen reduziert werden können. Prüfungen unter definierten Klimabedingungen und eine sorgfältige Toleranzplanung sind dafür zentral.
• Praxisnahes Feuchtemanagement – von der Materialakklimatisierung über barrierewirksame Maßnahmen bis zur Transportsimulation – hilft, Risiken zu minimieren und die Verpackungsfunktion unter wechselnden Klimata abzusichern.