Quellvermögen

Das Thema Quellvermögen spielt eine bedeutende Rolle in der Welt der Wellpappe und ihrer Verpackungslösungen. Als hygroskopisches Material reagiert faserbasiertes Papier auf Feuchtigkeit: Es nimmt Wasser auf, quillt und verändert dabei Volumen und mechanische Eigenschaften. Das betrifft sowohl Liner als auch Wellenpapier (Fluting) und beeinflusst Stabilität, Maßhaltigkeit, Rill- und Biegefähigkeit sowie das Verhalten bei Lagerung und Transport. Zusätzlich wirken kapillare Effekte an Schnittkanten (Kantenbenetzung) und Klebestellen, wodurch lokale Feuchtegradienten entstehen können. Diese führen je nach Einwirkzeit und Feuchtequelle zu anisotropen Dimensionsänderungen, die sich in Praxisprozessen wie Stanzen, Rillen, Falzen und Verklebungen unmittelbar niederschlagen.

Definition: Was versteht man unter Quellvermögen?

Unter dem Quellvermögen versteht man die Fähigkeit eines festen Stoffes, Flüssigkeit aufzunehmen und dabei an Volumen zuzunehmen. In Bezug auf Wellpappe spricht man vom Quellvermögen, wenn Flüssigkeit in die Faserstruktur eindringt und zu einer Ausdehnung des Materials führt. Dieser Vorgang ist in Teilen reversibel (Trocknung führt zu Schrumpfung), kann jedoch bei starker oder langanhaltender Feuchtebelastung zu bleibenden Veränderungen führen. Relevant ist zudem die sogenannte Hygroexpansion: Längen- und Dickenänderungen in Maschinen- (MD) und Querrichtung (CD), die sich in Passungenauigkeiten und Planlagenproblemen äußern. In der Praxis liegen die Längenänderungen grob im Bereich von etwa 0,1–0,3 % je 10 % relativer Luftfeuchte (MD) und bis zu etwa dem Doppelten in CD; die Dickenzunahme kann feuchteabhängig mehrere Prozent erreichen, ohne die Festigkeitsverluste auszugleichen.

Abgrenzung und Terminologie

Feuchteaufnahme beschreibt den Massezuwachs durch Wasser; Quellung bezeichnet die Volumenzunahme infolge dieser Aufnahme. Die Kinetik der Aufnahme hängt von Porosität, Faserart, Leimung und Beschichtungen ab. Sorptions-Desorptions-Zyklen (An- und Abfeuchten) folgen oft Hysterese-Kurven: Das Material erreicht bei gleicher relativer Luftfeuchte unterschiedliche Gleichgewichtsfeuchten je nach Feuchteverlauf. Ergänzend wird zwischen frei zugänglichem Porenwasser, kapillar gebundenem Wasser und in der Faserstruktur chemisch bzw. physikalisch gebundenem Wasser unterschieden. Diffusionsprozesse im Materialverbund sind richtungsabhängig (Anisotropie) und werden durch Faserorientierung, Klebstoffbrücken und Fluting-Geometrie beeinflusst.

Physikalische Grundlagen der Quellung

Die Quellung von Faserstoffen ist das Resultat aus osmotischen Kräften, kapillarer Saugwirkung und Polarinteraktionen zwischen Wassermolekülen und hydrophilen Gruppen der Zellulose. Mit steigender relativer Luftfeuchte verlagert sich das Gleichgewicht der Sorptionsisotherme; infolge der Hysterese unterscheidet sich der Pfad beim Befeuchten vom Pfad beim Trocknen. Mechanische Beanspruchungen (Druck, Zug, Biegung) während feuchteinduzierter Zustandsänderungen fördern bleibende Setzungen und beeinflussen den Rückgang beim Austrocknen. Dadurch ergeben sich in Wellpappe Kopplungen zwischen Feuchte-, Zeit- und Lastverhalten (viskoelastisches Kriechen unter Feuchte).

Quellvermögen und seine Auswirkungen auf Wellpappe

Das Quellvermögen von Wellpappe hat sowohl positive als auch negative Auswirkungen. Dieses materialspezifische Phänomen kann unter bestimmten Umständen dämpfend wirken oder Presspassungen verbessern; unter anderen Bedingungen kann es jedoch zu Reduktionen der Festigkeit und Formstabilität führen. Die Auswirkungen auf die Wellpappe sind abhängig von Anwendungsart, Feuchtequelle (Luftfeuchte, Kondensation, direkter Flüssigkeitskontakt) und Einwirkdauer. Besonders kritisch sind Kanten- und Zonen mit hoher Spannungskonzentration (Rilllinien, Stanzradien), wo kleinste Feuchteunterschiede Verzug und Rissbildung verstärken können. Bei Transport und Lagerung beeinflussen Klimawechsel die Stapelstabilität (Top-Load) sowie die Funktionsfähigkeit von Verschlüssen, beispielsweise bei Stecklaschen oder Klebenähten.

Einfluss auf mechanische Kennwerte

Mit zunehmender Materialfeuchte sinken typischerweise Kantenstauchwiderstand (ECT) und der resultierende Kartonstapelwiderstand (BCT). Auch Biege- und Durchstoßfestigkeit, Berstfestigkeit sowie die Kanten- und Rillstabilität nehmen ab. Gleichzeitig steigt die Dicke (Caliper) moderat durch Quellung, was jedoch die Festigkeitseinbußen nicht kompensiert. Ergänzend reagieren Short-Span-Compression (SCT), Ring Crush (RCT) und Corrugating Medium Test (CMT) sensibel auf Feuchteänderungen. Praxisnah zeigt sich: Schon eine Erhöhung der relativen Luftfeuchte von 50 % auf 70 % kann deutliche Reduktionen bei ECT/BCT bewirken, insbesondere bei leichten Qualitäten und hohen Recyclinganteilen.

Formhaltigkeit, Planlage und Rillbarkeit

Heterogene Feuchteverteilung verursacht Wellenbildung, Schüsseln, Deckblattablösungen oder Aufreißen in der Rillung. Bedruckte oder beschichtete Oberflächen reagieren anders als unbeschichtete, was zu Spannungsunterschieden und Verzug führen kann. Präzise Rill- und Falzgeometrien sind bei erhöhtem Feuchteniveau kritischer. Typische Fehlerbilder sind Kantenwellen (Edge-Wave), Querwellen, Schälrisse entlang der Klebstoffbrücken sowie unsaubere Falzbilder. Beim Falzen steigen Faserbrüche und Weißbruchneigung, wenn die Feuchte nicht im Prozessfenster liegt.

Faktoren, die das Quellvermögen beeinflussen

Das Quellvermögen von Wellpappe wird durch verschiedene Faktoren beeinflusst. Dazu gehören der Feuchtigkeitsgehalt der Umgebung (relative Luftfeuchte), Temperatur, Luftwechsel, direkte Benetzung (Regen, Kondensat), Kontaktzeit und -intensität. Materialseitig spielen Grammatur, Faserzusammensetzung (Recyclinganteil, Faserlänge), Leimung (Stärke, Nassfestmittel), Oberflächenbeschichtungen sowie Wellenprofil (E-, B-, C-, BC-Kombinationen) eine Rolle. Auch Konstruktion, Rillbild und Flächendruck beeinflussen die Quell- und Schrumpfpfade. Vertiefende Grundlagen zu Maßhaltigkeit und Toleranzen bieten Ausführliche Erläuterungen zu Abmessungen und klimatischen Einflüssen. Ergänzend sind die Transportkette und das reale Nutzungsklima maßgeblich, insbesondere bei wechselnden Klimazonen (Seefracht, Kühlkette, Außenlager).

1. Umgebungsbedingungen: Relative Luftfeuchte und Temperatur bestimmen die Gleichgewichtsfeuchte; schnelle Wechsel fördern Kondensation und lokale Quellung.
2. Materialaufbau: Liner-Qualität, Fluting-Typ, Faserstoff und Leimung steuern Porosität und Wasseraufnahme.
3. Oberflächenschutz: Dispersions- oder Folienbarrieren reduzieren Benetzbarkeit und Sorption, beeinflussen aber Recyclingfähigkeit.
4. Belastungsdauer: Längere Einwirkzeiten verstärken Quellung und können zu bleibenden Dimensionsänderungen führen.
5. Mechanische Last: Unter Last verformtes, feuchtes Material zeigt verstärktes Kriechen und Setzerscheinungen.
6. Druck- und Verarbeitungsprozesse: Wasseranteil in Farben/Lacken, Trocknung, Heißluft- und IR-Einfluss sowie Rillgeometrie verändern lokal die Feuchtebilanz und damit Planlage und Rillbarkeit.
7. Lieferkette: Verpackungsdichte auf Paletten, Abdeckungen, Stretchfolieneinsatz, Zwischenlagen und Belüftung bestimmen Mikroklima und Entfeuchtungsgeschwindigkeit.

Vor- und Nachteile von Quellvermögen

Es gibt jedoch nicht nur Nachteile, die mit dem Quellvermögen von Wellpappenmaterialien verbunden sind. Der Faktor Quellvermögen kann unter Umständen auch Vorteile mit sich bringen:

• Nachgeben bei hohem Druck: Durch sein Quellvermögen kann das Material unter Druck nachgeben, anstatt zu brechen oder zu reißen. Dies erhöht die Flexibilität der Wellpappe und macht die Verpackung widerstandsfähiger gegen mechanische Belastungen.
• Absorption von Flüssigkeiten: Dank des Quellvermögens kann Wellpappe Flüssigkeiten aufnehmen, was in bestimmten Anwendungsfällen von Vorteil sein kann, etwa um geringe Leckagen kurzfristig zu binden.
• Dämpfungseffekte: Leichte Volumenzunahme und veränderte Porenstruktur können Stöße geringfügig abfedern und Vibrationen mindern.
• Passungsausgleich: In seltenen Fällen füllt die Quellung kleine Spalten und verbessert temporär den Formschluss in Einlagen oder Zwischenlagen.
• Temporäre Kantenabdichtung: Aufgequollene Randfasern können den kapillaren Aufstieg kurzzeitig bremsen und so die Benetzungsfront verzögern.

Jedoch sind auch Nachteile mit dem Faktor Quellvermögen von Wellpappe verbunden:

• Reduzierte Stabilität in feuchter Umgebung: Wenn Wellpappe Feuchtigkeit ausgesetzt ist, expandiert das Material. Dies kann dazu führen, dass die Verpackung ihre Form verliert und an Stabilität einbüßt.
• Verzerrungen und Risse: Durch das Ausdehnen und Zusammenziehen des Materials können Verzerrungen und sogar Risse auftreten, insbesondere an Rilllinien und Kanten.
• Maßänderungen: Hygroexpansion beeinträchtigt Passgenauigkeit, Stapelbild und Verschlussfunktion, etwa bei Steck- und Klebelaschen.
• Verklebung und Bedruckung: Hohe Feuchte schwächt Klebungen (Stärke-/Dispersionskleber) und kann das Druckbild beeinflussen (Trocknungsverzug, Glanzunterschiede).
• Gewichtszunahme: Feuchteaufnahme erhöht das Eigengewicht, was Transport- und Handlingsprozesse beeinflussen kann.
• Barrierebeeinträchtigung: Unzureichende oder beschädigte Beschichtungen verlieren bei dauerhafter Feuchte ihre Schutzwirkung; es drohen Aufquellen und Delamination.

Mess- und Prüfverfahren

Zur Beschreibung des Feuchteverhaltens werden standardisierte Prüfgrößen herangezogen. Der Cobb-Wert (z. B. Cobb60) nach DIN EN ISO 535 quantifiziert die Wasseraufnahme pro Fläche innerhalb definierter Zeit. Sinkende ECT- und BCT-Werte bei erhöhter Luftfeuchte zeigen die Festigkeitsabnahme im Kartonverbund. Zusätzlich geben Klimaprüfungen (z. B. Konditionierung nach 23 °C/50 % r. F.) Aufschluss über Gleichgewichtszustände und Dimensionsänderungen. Für die Auslegung im Einsatz ist die Kombination aus Sorptionskennwerten und mechanischen Prüfungen unter definierten Klimen besonders aussagekräftig.

• Cobb-Test: Wasseraufnahme in g/m²; niedrige Werte deuten auf reduzierte Benetzbarkeit hin.
• ECT/BCT: Kanten- und Boxstauchwiderstand als Funktionsmaß der relativen Feuchte.
• Dicken- und Längenänderung: Messung der Hygroexpansion in MD/CD zur Beurteilung der Maßhaltigkeit.
• SCT/RCT/CMT: Kurzzeit-Stauch-, Ring- und Wellenpapierprüfung zur Bewertung des Feuchteeinflusses auf Basispapiere.
• Klimacycling: Wechselklimabelastungen zur Simulation von Transport- und Lagerbedingungen (z. B. 23/50, 30/80, 5/85).
• Porosität und Luftdurchlässigkeit: Indirekte Aussage über Sorptionsverhalten und Benetzbarkeit (z. B. Gurley-Verfahren).

Normen, Richtlinien und typische Kennzahlen

Für Wellpappe und Basispapiere existieren etablierte Normen und Richtlinien, die Prüfbedingungen und Kennwerte festlegen. Relevante Beispiele sind DIN EN ISO 535 (Cobb), DIN EN ISO 3037 (ECT), ISO 12048 (BCT), ISO 9895 (SCT), ISO 7263 (CMT) sowie Vorgaben zur Probenkonditionierung (z. B. 23 °C/50 % r. F.). Typische Praxiswerte zeigen: Schon moderate Klimaabweichungen außerhalb des Standardkorridors (20–23 °C/50 ± 5 % r. F.) können die Planlage und die Stauchwerte merklich verändern. Eine dokumentierte Klimaführung entlang der Prozesskette hilft, Streuungen zu reduzieren.

Prävention und Steuerung in der Praxis

Um die Auswirkungen des Quellvermögens zu kontrollieren, sind konstruktive und organisatorische Maßnahmen sinnvoll.

• Konditionierung: Vor Verarbeitung und Einsatz an das Zielklima anpassen (typisch 23 °C/50 % r. F.).
• Klimagerechte Lagerung: Trocken, gut belüftet, geschützt vor Bodenfeuchte und Kondensat; Temperatur- und Feuchtespitzen vermeiden.
• Konstruktion: Ausreichende Sicherheitszuschläge bei Festigkeit und Rillgeometrie; kritische Zonen doppelt auslegen.
• Materialwahl: Geeignete Liner/Fluting-Qualitäten, ggf. Nassfestmittel oder Barrieren berücksichtigen (Recyclingfähigkeit beachten).
• Kontakt mit Flüssigkeiten minimieren: Innenbeutel, Umverpackungen oder Abdeckungen nutzen, direkte Benetzung vermeiden.
• Prozessführung: Feuchtemanagement in Druck, Lackierung und Trocknung; Rill- und Falzparameter an das Klimaniveau anpassen.
• Palettierung und Verpackungsdichte: Luftzirkulation ermöglichen, Palettenabstände einhalten, Abdeckungen so wählen, dass kein Schwitzwasser entsteht.
• Monitoring: Datenlogger für Temperatur/Feuchte im Lager und in der Transportkette einsetzen; Grenzwerte definieren und überwachen.

Anwendungsbeispiele

Typische Szenarien, in denen das Quellvermögen relevant wird:

• Kondensation im Umschlag: Temperaturwechsel beim Transport führt zu Feuchtefilmen und lokaler Quellung.
• Feuchte Güter: Produkte mit Restfeuchte (z. B. frische Waren) geben Wasser an die Umgebung ab.
• Längere Außenstandzeiten: Zwischenlagerung in unbeheizten Bereichen mit hoher Luftfeuchte begünstigt Quellung und Verzug.
• Rill- und Falzprozesse: Zu hohe Materialfeuchte verschlechtert Rillqualität und Falzbruchbild.
• Seetransport: Dauerhafte hohe r. F. und Temperaturschwankungen erfordern robuste Konstruktionen und geeignete Barrieren.
• Kühlkette: Kondensation beim Ein- und Ausschleusen aus temperierten Bereichen belastet Kanten und Klebenähte.

Fehlerbilder und Diagnose

Zur schnellen Ursachenanalyse helfen definierte Fehlerbilder und Prüfungen unter kontrollierten Klimen. Wiederholbare Tests vor und nach Klimabelastung zeigen, ob Quellung, Klebstoffversagen oder Planlagenprobleme dominieren. Sichtkontrolle, Maßprüfung in MD/CD und Schnittkantenanalyse (Mikroskopie) ergänzen mechanische Tests.

• Schüsseln/Verzug: Unterschiedliche Längenänderungen von Ober- und Unterdeckblatt; häufig druck- oder lackbedingt.
• Kantenwellen: Kapillare Wasseraufnahme an Schnittkanten; erkennbar an lokalem Aufquellen und Faserausriss.
• Rissbildung an Rillen: Überdehnung bei hoher Feuchte und ungünstigem Rillprofil.
• Delamination: Abheben der Deckschichten bei schwacher Klebung und hoher Feuchtebelastung.

Berechnung und Modellierung

Für die Auslegung von Verpackungen lassen sich Sorptionsisothermen, Diffusionsmodelle und feuchteabhängige Materialgesetze kombinieren. In vereinfachten Ansätzen wird die Hygroexpansion als lineare Funktion der relativen Luftfeuchte angenähert, ergänzt um Richtungsfaktoren für MD/CD. Mechanische Kennwerte (ECT/BCT) können mit Reduktionsfaktoren je Klimazustand bewertet werden, um Sicherheitszuschläge bei Konstruktion und Palettierung festzulegen.

Praxis-Checkliste

Die folgende kompakte Checkliste unterstützt die Planung und Verarbeitung unter wechselnden Klimen:

• Proben und Halbfabrikate vor Verarbeitung konditionieren und dokumentieren.
• Rilllinien, Stanzwerkzeuge und Falzparameter auf das reale Klimafenster abstimmen.
• Klebung unter Zielklima abprüfen; offene Zeiten und Pressdrücke anpassen.
• Palette so aufbauen, dass Luftzirkulation gewährleistet ist; Schwitzwasser vermeiden.
• Transportwege und -zeiten sowie Klimazonen der Supply Chain berücksichtigen.
• Bei feuchtegefährdeten Anwendungen Barrieren oder Innenverpackungen einplanen.

Zusammenfassung:

• Das Quellvermögen bezeichnet die Fähigkeit eines Materials, Feuchtigkeit aufzunehmen und aufzubewahren; für Wellpappe ist dies ein zentraler Faktor für Maßhaltigkeit und Festigkeit.
• Mit steigender Feuchte nimmt die Volumen- und Längenänderung zu, während mechanische Kennwerte (z. B. ECT/BCT) typischerweise sinken; gezielte Konditionierung und geeignete Materialwahl begrenzen Effekte.
• Vorteile wie kurzfristige Dämpfung oder Spaltfüllung stehen Risiken wie Verzug, Klebebeeinträchtigung und Stabilitätsverlust gegenüber.
• Prüfgrößen wie Cobb-Wert sowie Klimaprüfungen unterstützen die Beurteilung und Auslegung für feuchtebelastete Anwendungen.
• In Planung, Konstruktion und Lagerung sollten Feuchtepfade, Einwirkdauer und klimatische Schwankungen systematisch berücksichtigt werden, um reproduzierbare Ergebnisse zu erreichen.
• Richtlinien, Klimamanagement und belastbare Prüfpläne entlang der gesamten Prozesskette senken Streuungen und erhöhen die Funktionssicherheit von Verpackungen.