Quellverhalten

Im Kontext der Herstellung und Nutzung von Wellpappe kommt dem Quellverhalten entscheidende Bedeutung zu. Es handelt sich dabei um eine wesentliche Eigenschaft, die die Qualität, Maßstabilität und Beständigkeit des Materials charakterisiert. Besonders relevant ist das Verhalten bei wechselnder Luftfeuchte, Kondensation oder direktem Wasserkontakt, da Papier als hygroskopischer Faserverbund Feuchte aufnimmt und dadurch seine Dimensionen, Steifigkeit, Kleb- und Oberflächeneigenschaften verändert. Die daraus resultierende hygroskopische Dehnung (Hygroexpansion) beeinflusst sowohl die Prozessführung in der Wellpappenanlage als auch die Leistungsfähigkeit der fertigen Verpackung im Einsatz.

Definition: Was versteht man unter Quellverhalten?

Das Quellverhalten bezieht sich auf die Fähigkeit eines Materials, Feuchtigkeit aufzunehmen und aufzuquellen. Bei der Herstellung von Wellpappe ist das Quellverhalten des eingesetzten Papiers entscheidend, da es die strukturelle Integrität und Funktionalität der fertigen Verpackung beeinflusst.

Technisch betrachtet beschreibt Quellung die dimensions- und volumenbezogene Reaktion der Cellulose- und Hemicellulosefasern auf Wasser. Man unterscheidet dabei häufig zwischen Dickenquellung (Z‑Richtung) und Längen-/Breitenänderung in Maschinen- (MD) und Querrichtung (CD). Die Ausprägung ist anisotrop: In CD fällt die Längenänderung üblicherweise stärker aus als in MD. Neben der sofortigen, diffusionsbedingten Ausdehnung treten zeitabhängige Effekte (Sorption/Desorption) sowie Hysterese auf, die das Rückstellverhalten beeinflussen.

Abgrenzung: Quellverhalten (Dimensionsänderung) ist nicht identisch mit reiner Wasseraufnahmefähigkeit. Letztere wird oft separat über Kennwerte wie Cobb (g/m²) erfasst, während Quellung als prozentuale Dicken- oder Längenänderung beziehungsweise als absolute Maßänderung angegeben wird. In der Praxis werden beide Größen ergänzend betrachtet, um die Feuchteempfindlichkeit und Maßhaltigkeit von Papieren und Wellpappe systematisch zu bewerten.

Einfluss des Quellverhaltens auf Herstellungsprozess und Produktqualität von Wellpappe

Das Quellverhalten des Papiers bestimmt maßgeblich, wie gut sich die Wellpappe formen und verarbeiten lässt, und hat damit direkten Einfluss auf die Produktion. Ein hoher Quellgrad kann zu Problemen beim Formen führen und das Risiko von Fehlern und Beschädigungen erhöhen. Zudem hat das Quellverhalten Auswirkungen auf die Haltbarkeit und Beständigkeit der fertigen Verpackung. Auch die Wechselwirkung mit Klebstoffwasser, Vorheizer-Temperaturen und der Maschinenumgebung führt zu Feuchtegradienten, die Eigenspannungen und Verzug begünstigen.

In der Produktion beeinflussen Feuchtezufuhr (z. B. aus dem Klebstoff, durch Vorheizer und Umgebungsbedingungen) und die anschließende Trocknung das Feuchteprofil über die Dicke der Bahn. Ungleichmäßige Quellung zwischen Deck- und Wellenbahn begünstigt Verzug (Warp), Wellenbruch, ungleichmäßige Rillbarkeit und klebtechnische Abweichungen. In der Anwendung führen Feuchtewechsel zu Steifigkeitsverlust, reduzierten Kanten- und Stapelbelastbarkeiten sowie zu Maßänderungen, die die Passgenauigkeit beeinträchtigen.

Einfluss auf Maßhaltigkeit und Passgenauigkeit

Schon geringe Änderungen des Feuchtegehalts können sichtbare Dimensionsänderungen verursachen. Das betrifft Zuschnitttoleranzen, Rillabstände, Aufrichtverhalten und die Verschlussqualität (Closure-Qualität). Aus Sicht der Konstruktion ist daher die Kontrolle des Feuchtehaushalts zentral, um eine stabile Geometrie zu gewährleisten. Weitere Hinweise zum Zusammenhang bietet ein Beitrag zum Einfluss von Feuchte auf Abmessungen und Passgenauigkeit. Praktisch relevant sind zudem Registerhaltigkeit beim Druck, die Passung von Einlagen sowie die Toleranzkette beim automatisierten Aufrichten.

Produktionsrelevante Effekte

• Verzug (Warp): Asymmetrische Quellung oder Trocknung zwischen den Lagen führt zu konkavem/konvexem Verzug.
• Klebefehler: Übermäßige Wasserzufuhr verzögert die Aushärtung stärkehaltiger Klebstoffe; es drohen Delamination oder „Fischmäuler“.
• Rill- und Stanzqualität: Gequollenes Material zeigt veränderte Fasermobilität; Kantenfasern können reißen, Kantenpressung variiert.
• Mechanische Kennwerte: Erhöhter Feuchtegehalt reduziert typischerweise ECT/BCT sowie Biege- und Flachstauchwerte.
• Oberfläche: Quellung modifiziert Rauheit und Porosität und wirkt auf Druckbild und Reibungseigenschaften.
• Registerhaltigkeit: Hygroexpansion verändert Längen und Abstände; Druck- und Stanzregister können driften.
• Mikrodefekte: Spannungswechsel durch Feuchtezyklen fördern Mikro-Risse an Rillungen und Kantenabrisse.
• Prozessenergie: Zusätzliche Entfeuchtung erfordert mehr Wärmeleistung; ineffiziente Trocknung erhöht den Energiebedarf.

Zusammenhang mit mechanischen Kennwerten

Die Feuchteabhängigkeit lässt sich über typische Tests abbilden: Kantenstauchwiderstand (ECT), Stapelstauchwiderstand (BCT), Biegesteifigkeit und Flachstauchwiderstand (FCT) sinken mit steigender relativer Luftfeuchte. Deshalb ist die Konditionierung vor Prüfungen essenziell, um reproduzierbare Ergebnisse zu erzielen. Ergänzend zeigen RCT/SCT (Ring Crush/Short-Span Compression) auf Papierebene die Sensitivität des Faserverbunds gegen Feuchte, was auf die Wellpappe übertragbar ist.

Neben der absoluten Feuchte spielt die Geschwindigkeit der Feuchteänderung eine Rolle: Schnelle Feuchtesprünge führen eher zu ausgeprägten Gradienten und damit zu Verzug, während langsame Anpassung ein homogeneres Quellniveau begünstigt.

Prüfung des Quellverhaltens bei der Qualitätskontrolle

Die Überprüfung des Quellverhaltens gehört zur Qualitätskontrolle in der Wellpappenproduktion. Dabei wird festgestellt, wie schnell und in welchem Ausmaß das Papier bei Kontakt mit Feuchtigkeit aufquillt. Der Quellgrad ist ein Indikator für die Wasseraufnahmekapazität des Papiers. Eine zu hohe Wasseraufnahme kann die Qualität der Wellpappe beeinträchtigen, indem sie zu einer schnellen Durchfeuchtung und damit verbundenen Strukturverlust führt. Für belastbare Aussagen sind repräsentative Proben, definierte Prüfklimata und nachvollziehbare Prüfpläne erforderlich.

Prüfklima und Konditionierung: Übliche Standardklimata (z. B. 23 °C/50 % r. F.) dienen der Vergleichbarkeit. Proben werden vor der Messung ausreichend konditioniert, da bereits geringe Abweichungen im Feuchtegehalt messbare Unterschiede verursachen. Bei Vergleichsmessungen sollten identische Vorbehandlungen und Ruhezeiten verwendet werden, um Sorptionshysterese zu minimieren.

Messansätze:

• Dickenquellung: Bestimmung der relativen Dickenänderung nach definierter Befeuchtung oder partiellem Wasserkontakt.
• Längen-/Breitenänderung: Erfassung der Dimensionsänderungen in MD und CD über Zeit oder bei Feuchteschritten.
• Wasseraufnahme (ergänzend): Cobb‑Messung (z. B. 60 s) als Hilfsgröße, die mit Quellneigung korreliert, diese jedoch nicht ersetzt.
• Feuchtegehalt: Gravimetrisch (Trockenschrank) oder kapazitiv zur Einordnung des Feuchteniveaus.
• Hysteresecharakterisierung: Sorptions- und Desorptionszyklen zur Bewertung der Reversibilität der Maßänderungen.
• Profilmessungen: Querprofil der Feuchte (Deckbahn/Wellenbahn) zur Identifikation asymmetrischer Zustände.

1. Proben zuschneiden, Kanten versäubern, initiale Dicke/Abmessungen erfassen.
2. Definierten Feuchteimpuls setzen (Klimakammer, Wasserkontakt, Nebel).
3. Zeitabhängige Messreihen (Quellrate) und Endwerte dokumentieren.
4. Rücktrocknung beobachten, um Reversibilität und Hysterese zu bewerten.
5. Ergebnisse statistisch auswerten (Mittelwert, Standardabweichung, Ausreißerprüfung) und mit Spezifikationen vergleichen.

Interpretation: Kritisch sind hohe Quellraten, starke Anisotropie (CD ≫ MD) und ausgeprägte Hysterese, da sie Maßänderungen und Verzug in Produktion und Anwendung begünstigen. Sinnvoll sind Referenzkurven (Feuchte vs. Ausdehnung) für eingesetzte Papiersorten, um Konstruktions- und Prozessfenster belastbar festzulegen.

Normen und methodische Hinweise

Für die Konditionierung von Papier und Wellpappe wird häufig auf standardisierte Klimata Bezug genommen (z. B. ISO 187). Die Wasseraufnahme wird typischerweise über ISO 535 (Cobb) ermittelt. ECT (ISO 3037), BCT (gängige Prüfverfahren nach international etablierten Standards) sowie FCT und Biegesteifigkeit werden in konditioniertem Zustand geprüft, um die Feuchteabhängigkeit vergleichbar zu dokumentieren. Für die Dickenmessung eignen sich genormte Verfahren mit definierter Anpresskraft, um Messartefakte zu vermeiden.

Messunsicherheit und Praxis

Messungen des Quellverhaltens reagieren empfindlich auf Probenzuschnitt, Kantenqualität, Anpressdruck der Messfühler und zeitliche Abläufe. Eine klare Definition der Prüfsequenz, das Vermeiden von Zugspannungen beim Konditionieren und die Verwendung kalibrierter Geräte reduzieren die Messunsicherheit. Ergänzend helfen Kontrollkarten (Statistical Process Control), Trends frühzeitig zu erkennen.

Vor- und Nachteile von Quellverhalten

Ein geringer Quellgrad ist bei der Herstellung von Wellpappe vorteilhaft, da er eine gute Formbarkeit und Stabilität des Materials gewährleistet. Außerdem wird die Wasseraufnahme minimiert, was vor allem bei der Verwendung der Verpackungen für feuchte oder kühl gelagerte Produkte wichtig ist. Allerdings kann ein zu geringer Quellgrad die Verarbeitung des Papiers erschweren und die Produktionsgeschwindigkeit verlangsamen. Ausbalancierte Quell- und Trocknungsprofile unterstützen eine robuste Weiterverarbeitung und reduzieren Ausschuss.

• Vorteile moderater Quellung: Ausreichende Faserbeweglichkeit bei Rillen/Stanztätigkeiten, bessere Falzbarkeit ohne Faserbruch, reduzierte Sprödigkeit.
• Nachteile ausgeprägter Quellung: Maßänderungen, Verzug, sinkende Steifigkeit und Festigkeiten, erhöhte Ausschussquoten bei Klimawechseln.
• Trade-off: Die optimale Balance hängt von Faserstoff, Leimung, Grammatur, Klebstoffsystem und Endanwendung (Trocken-/Feuchtbereich) ab.
• Anwendungsbezug: Für gekühlte Lieferketten und feuchte Umgebungen sind reduzierte Quellneigung und stabile Oberflächeneigenschaften besonders wichtig; im Trockenbereich kann eine moderate Quellung die Falzbarkeit unterstützen.

Beeinflussende Faktoren und Optimierungsansätze

• Faserrohstoff und Recyclinganteil: Längere Fasern und geeignete Stoffaufbereitung können Quellverhalten und mechanische Stabilität positiv beeinflussen.
• Leimung und Additive: Interne/oberflächliche Leimung (z. B. hydrophobe Systeme) und Nassfestmittel reduzieren Wasseraufnahme und Quellneigung.
• Grammatur und Dichte: Höhere Flächengewichte und verdichtete Oberlagen zeigen oft geringere Quellmaße, jedoch potenziell veränderte Verarbeitbarkeit.
• Klebstoffmanagement: Minimierung unnötiger Wasserzufuhr, kontrollierte Gelpunktbildung und gleichmäßige Wärmeführung an Vorheizern.
• Prozessklima: Stabilisierung von Temperatur und relativer Luftfeuchte entlang der Prozesskette; Vermeidung von Feuchtegradienten.
• Lagerung und Logistik: Klimagerechte Zwischenlagerung, kondensationsarme Umgebungen, ausreichende Akklimatisation vor der Weiterverarbeitung.
• Konstruktive Aspekte: Rillgeometrien und Zuschnitt so auslegen, dass maßliche Toleranzen bei Feuchtewechseln abgefangen werden.
• Maschinenparameter: Anpassung von Vorheizer-Wickelwinkeln, Bahnzug, Leimfilmdicke und Trocknerleistung zur Angleichung der Feuchteprofile zwischen Deck- und Wellenbahn.
• Beschichtungen/Oberflächen: Hydrophobe Toplayer, Dispersions- oder Barrierebeschichtungen können die Wasseraufnahme und Quellrate begrenzen.
• Druckprozesse: Wasserlast aus wässrigen Farben/Lacken berücksichtigen; gegebenenfalls Zwischentrocknung und Re-Konditionierung einplanen.

Praxisempfehlungen

In der Praxis bewährt sich ein konsistentes Feuchte- und Temperaturmanagement über alle Prozessstufen, vom Papierlager über die Wellpappenanlage bis zur Weiterverarbeitung. Prozessbegleitende Feuchteprofile (inline/atline), klare Grenzwerte und regelmäßige Funktionsprüfungen der Vorheizer und Klebstoffauftragsaggregate reduzieren Schwankungen. Für kritische Anwendungen sind Design-Reserven bei Rillabständen und Zuschnittmaßen sinnvoll, um hygroskopische Maßänderungen abzufangen.

Zusammenfassung:

• Das Quellverhalten bezieht sich auf die Fähigkeit eines Materials, Feuchtigkeit aufzunehmen und dabei sein Volumen zu vergrößern.
• Im Kontext von Verpackungen aus Wellpappe, ist das Quellverhalten besonders relevant, da die Festigkeit der Verpackung durch das Aufnehmen von Feuchtigkeit möglicherweise beeinträchtigt wird.
• Eine Kontrolle und Bewertung des Quellverhaltens kann Unternehmen dabei helfen, hochwertige, widerstandsfähige und sichere Verpackungslösungen zu wählen.
• Praktisch relevant sind Quellrate, Anisotropie (MD/CD) und Hysterese, da sie Maßhaltigkeit, Verzug und mechanische Kennwerte direkt beeinflussen.
• Durch gezielte Materialwahl, Leimung, Prozessklimaführung und Klebstoffmanagement lässt sich das Quellverhalten beherrschen und reproduzierbar in den Herstellprozess integrieren.
• Standardisierte Konditionierung und ergänzende Kennwerte (z. B. Cobb, ECT, FCT, BCT) ermöglichen eine vergleichbare Bewertung der Feuchteempfindlichkeit.
• Eine abgestimmte Auslegung von Zuschnitt, Rillung und Prozessparametern reduziert das Risiko von Maßabweichungen, Verzug und Funktionsstörungen in der Anwendung.