Zugfestigkeit

Die Zugfestigkeit von Wellpappe ist ein wesentlicher Faktor, der ihre Anwendung in vielen Bereichen der Verpackungsindustrie bestimmt. Sie wird jedoch oft übersehen, obwohl sie eine entscheidende Rolle für die Dauerhaftigkeit der Wellpappe spielt und deren Qualität maßgeblich beeinflusst. Als mechanischer Kennwert beschreibt sie, wie sich faserbasierte Verbundstrukturen unter Zugbelastung verhalten, und liefert damit eine belastbare Grundlage für die Auslegung von Kartonagen, Transportverpackungen und schützenden Außenschichten. Für das Verständnis anderer Leistungskennwerte – etwa Kantenstauchwiderstand oder Stapelstabilität – ist die Kenntnis der Zugfestigkeit von Ausgangspapieren und der fertigen Wellpappe hilfreich. Ebenso lassen sich daraus Rückschlüsse auf Materialeffizienz, Konvertierbarkeit und die Anpassung an klimatische Einflussgrößen ziehen.

Definition: Was versteht man unter Zugfestigkeit?

Unter der Zugfestigkeit versteht man die Widerstandsfähigkeit, die ein Material aufbringt, wenn man versucht, dieses Material auseinanderzuziehen. Es handelt sich hierbei um einen technischen Parameter, der beim Design und bei der Entwicklung von Verpackungen aus Wellpappe eine wichtige Rolle spielt. Üblicherweise wird die Zugfestigkeit als maximale Spannung (Kraft pro Fläche) bis zum Bruch angegeben, meist in N/mm² (entspricht MPa), und über die Spannungs-Dehnungs-Kurve ermittelt. Bei faserbasierten Materialien ist zudem die Prüfrichtung relevant: In Maschinenrichtung (MD) liegen die Werte häufig höher als in Querrichtung (CD), was sich unmittelbar auf das Verhalten von Wellpappe unter Last auswirkt.

Für Papiere (Decken- und Wellenpapiere) wird neben der Zugfestigkeit häufig auch der Zugindex (Nm/g) betrachtet, der die Festigkeit in Relation zur Flächenmasse setzt. Dieser Kennwert erleichtert den Vergleich verschiedener Papiersorten und hilft, das Verhältnis von Materialeinsatz zu erreichbarer Leistung zu bewerten. Ergänzend wird oft die Energie bis zum Bruch (Zähigkeit) sowie die Zugsteifigkeit bewertet, um Deformationsverhalten, Rissinitiierung und Rückfederung besser einzuordnen.

Terminologie und Abgrenzung

In der Praxis werden Begriffe wie Zugfestigkeit, Reißfestigkeit (umgangssprachlich) und Zugindex teilweise synonym verwendet. Technisch zu unterscheiden sind zudem Kennwerte wie E-Modul (Steifigkeit im elastischen Bereich) und Dehnfähigkeit bis zum Bruch. Für Wellpappe ist die Richtungsabhängigkeit (MD/CD) und die Schichtstruktur (Deckenpapiere, Welle) wesentlich, da sie die effektive Lastaufnahme und die Versagensmechanismen beeinflussen.

Die Messung der Zugfestigkeit

Die Zugfestigkeit wird gemessen, indem man eine Probe des Materials nimmt und innerhalb einer festgelegten Geschwindigkeit streckt, bis sie bricht. Dieser Prozess wird meist von einer Universalprüfmaschine durchgeführt. Die bei der Dehnung auftretende Kraft wird dann durch die ursprüngliche Querschnittsfläche des Probenmaterials geteilt. Dies ergibt die Zugfestigkeit des Materials. Für Papiere kommen genormte Streifenproben zum Einsatz; die Messlänge, Probenbreite und die Vorschubgeschwindigkeit sind dabei definiert, um vergleichbare Ergebnisse zu erhalten.

Für reproduzierbare Ergebnisse sind standardisierte Rahmenbedingungen erforderlich. Dazu zählen die Konditionierung der Proben (typisch 23 °C und 50 % r. F.), definierte Probengeometrien und -breiten, eine konstante Prüfgeschwindigkeit sowie die exakte Erfassung von Kraft und Verlängerung. Die Auswahl der Prüfrichtung (MD/CD) und der Probenlage (Deckenpapier, Wellenrichtung, Verbund) beeinflusst die Werte signifikant. Normative Referenzen (z. B. für Papierzugversuche) legen darüber hinaus die Ermittlung der Dicke, die Vorlast, den Dehnmessweg und die Berechnungsvorschriften fest.

Probenvorbereitung und Prüfumgebung

• Klimatisierung der Proben vor der Prüfung (Konstanz von Temperatur und relativer Luftfeuchte).
• Saubere, gratfreie Kanten zur Vermeidung vorzeitiger Kerbbrüche.
• Dokumentation der Probenlage (MD/CD) und der Materialschichten (Decklagen, Welle).
• Gleichmäßige Einspannung und Vermeidung von Schlupf in den Klemmbacken.
• Ermittlung der Probendicke nach gängiger Norm und Berücksichtigung in der Querschnittsberechnung.
• Kalibrierte Kraft- und Wegaufnehmer sowie regelmäßige Überprüfung der Prüfgeschwindigkeit.

Die Probengeometrie folgt etablierten Normen. Breite, Messlänge und Dicke gehen direkt in die Berechnung ein; auf diese Weise werden Ergebnisse zwischen Laboren vergleichbar. Hilfreich ist die Orientierung an genormten Abmessungen der Zugproben nach Norm, um systematische Messfehler zu vermeiden.

Ergebnisgrößen und Interpretation

• Maximale Zugspannung: höchster Spannungswert vor dem Bruch.
• Bruchdehnung: Dehnung am Bruch; Hinweis auf Sprödigkeit oder Duktilität.
• Elastizitätsmodul (E-Modul): Steigung im elastischen Bereich; Maß für Steifigkeit.
• Zugindex (bei Papieren): Zugfestigkeit bezogen auf die Flächenmasse; ermöglicht Materialvergleiche.
• Zugsteifigkeit: Produkt aus E-Modul und Querschnittsgeometrie; wichtig für Biege- und Faltverhalten.
• Energie bis Bruch (Zähigkeit): Fläche unter der Spannungs-Dehnungs-Kurve; Maß für Schädigungstoleranz.

Messunsicherheit und Kalibrierung

Wiederholbarkeit und Vergleichbarkeit setzen kalibrierte Sensorik, definierte Probengeometrie und standardisierte Auswertemethoden voraus. Einflussfaktoren sind unter anderem Klemmdruck, Vorschädigungen an den Kanten, die tatsächliche Dehnmesslänge sowie die Erfassungsrate der Messwerte. Eine regelmäßige Verifizierung mit Referenzmaterialien erhöht die Aussagekraft der Messreihen.

Der Einfluss der Zugfestigkeit auf die Qualität der Wellpappe

Die Zugfestigkeit der Wellpappe bestimmt maßgeblich, wie gut ein Karton hohen Belastungen standhält, ohne seine Form zu verlieren. Ein hoher Zugfestigkeitswert bedeutet, dass der Karton unter Belastung weniger wahrscheinlich reißt oder sich verformt. Dies ist besonders wichtig für Unternehmen, die sicherstellen müssen, dass ihre Produkte während des Transports und der Lagerung sicher und unbeschädigt bleiben. Darüber hinaus wirkt sich die Zugfestigkeit auf die Dauerhaftigkeit von Kanten, Stanzungen und Rillungen aus und beeinflusst die Performance in automatisierten Verpackungsprozessen.

In der Praxis wirkt die Zugfestigkeit auf mehrere Leistungsaspekte:

• Rissinitiierung und -ausbreitung: Widerstand gegen Anrisse an Kanten, Stanzungen und Perforationen.
• Stapel- und Transportbeanspruchungen: Stabilität bei dynamischen Lasten (Vibration, Beschleunigung) und beim Handling.
• Konvertierung: Verhalten beim Rillen, Stanzen, Falten; ausreichend zähe Deckpapiere reduzieren Bruchkanten.
• Klimasensibilität: Bei erhöhter Feuchte sinken die Festigkeitswerte; dies ist in Logistik- und Lagerkonzepten zu berücksichtigen.
• Falt- und Rillqualität: Zugsteife Decklagen unterstützen saubere Falzkanten und reduzieren Faserbrüche an Sichtflächen.

Zusammenhang zu anderen Kennwerten

Die Zugfestigkeit der eingesetzten Papiere korreliert mit weiteren Prüfwerten der Wellpappe. So profitieren Kantenstauchwiderstand (ECT) und Kistenstapeltest (BCT) indirekt von hochwertigen, zugfesten Deckenpapieren, während zu geringe Zähigkeit die Schädigungstoleranz bei Kerben und Stanzungen reduziert. Die Bewertung erfolgt stets im Zusammenspiel mit Flächenmasse, Feuchtegehalt, Klebstoffqualität und Wellengeometrie. Ergänzend liefern Kennwerte wie SCT (Short-Span-Compression), RCT (Ring Crush) und Berstfestigkeit Hinweise auf das Druck- und Reißverhalten unter anderen Beanspruchungsarten.

Vor- und Nachteile von Zugfestigkeit

Ein offensichtlicher Vorteil der Zugfestigkeit von Wellpappe ist, dass sie die Gesamtfähigkeit der Verpackung erhöht, Gewicht und Druck standzuhalten. Dies reduziert das Risiko von Beschädigungen und liefert damit einen Mehrwert für Unternehmen, die auf eine ungestörte Lieferkette angewiesen sind. Ein möglicher Nachteil wäre, dass Verpackungslösungen mit hoher Zugfestigkeit typischerweise teurer in der Herstellung sind. Darüber hinaus kann es passieren, dass Wellpappe mit sehr hoher Zugfestigkeit schwieriger zu schneiden oder zu formen ist, was den Produktionsprozess erschwert. Eine ausgewogene Spezifikation hilft, Materialaufwand, Verarbeitungssicherheit und Leistungsanforderungen angemessen zu balancieren.

• Vorteile: Höhere Sicherheit gegen Aufreißen an Kanten, bessere Performance bei mechanischer Beanspruchung, robustere Konvertierung und geringere Reklamationsquoten durch Transportschäden.
• Nachteile: Potenziell höherer Materialeinsatz, anspruchsvollere Verarbeitung (z. B. Stanzdruck, Messerstandzeiten), engere Prozessfenster bei Feuchte- und Klimaschwankungen.

Praktische Hinweise und Einflussfaktoren

• Fasermix und Flächenmasse: Längere Fasern und optimierte Flächengewichte fördern die Zugfestigkeit, beeinflussen aber das Gewicht.
• Klebstoffsystem und Prozessführung: Homogene Verklebung zwischen Welle und Deckenpapieren verhindert lokale Schwachstellen.
• Feuchtehaushalt: Kontrollierte Lagerung und klimatisierte Verarbeitung stabilisieren die Festigkeitswerte.
• Richtungsabhängigkeit (MD/CD): Konstruktive Ausrichtung der Hauptzugrichtungen zur Lastaufnahme erhöht die Sicherheit.
• Oberflächenbehandlung: Leim-, Streich- und Imprägnierprozesse können das Zug- und Rissverhalten beeinflussen.
• Prozesskontrolle: Statistische Prozessüberwachung von Grammatur, Feuchte und Klebstoffauftrag sichert konstante Qualität.

Typische Anwendungsfälle und Designimplikationen

Für Versandkartons, Trays und Displays ist eine ausreichende Zugfestigkeit der Deckpapiere relevant, um Risse an Rillungen und Stanzkonturen zu vermeiden. In feuchtebelasteten Anwendungen (z. B. gekühlte Lieferketten) sollte die Spezifikation die Reduktion der Festigkeit bei höherer relativer Luftfeuchte berücksichtigen. Bei stark belasteten Verpackungen mit langen Lager- und Transportwegen sind ausgewogene Kombinationen aus Zugfestigkeit, E-Modul und Zähigkeit empfehlenswert, um sowohl kurzfristige Spitzenlasten als auch Langzeitbeanspruchungen zu beherrschen.

Abgrenzung zu verwandten Prüfverfahren

Die Zugfestigkeit charakterisiert das Materialverhalten unter Zugbeanspruchung. Andere Prüfungen adressieren komplementäre Aspekte: Der Kantenstauchwiderstand (ECT) bewertet die Druckstabilität von Wellpappekanten, der Box Compression Test (BCT) die Stapeltragfähigkeit kompletter Kisten. RCT und SCT prüfen das Druckverhalten von Papieren, während die Berstfestigkeit Aussagen zum Widerstand gegen multidirektionale Beanspruchung liefert. Für eine belastbare Auslegung sollten diese Kennwerte im Verbund betrachtet werden.

Beispielhafte Auslegung

Wird eine Verpackung für empfindliche Produkte mit hohem Transportanteil entwickelt, kann ein höherer Zugindex der Deckpapiere die Toleranz gegenüber punktuellen Belastungen an Kanten und Öffnungen erhöhen. Gleichzeitig sind Rillgeometrie, Stanzbild und Klebqualität an die Materialzähigkeit anzupassen, um Bruchkanten und Faserabrisse zu minimieren.

Häufige Fehlerquellen bei der Prüfung

• Unzureichende Klimatisierung der Proben vor der Messung.
• Uneinheitliche Probenbreiten oder beschädigte Kanten.
• Schlupf in den Klemmbacken oder ungleiche Klemmkräfte.
• Unklare Dokumentation von Prüfrichtung und Schichtaufbau.
• Falsche Dickenmessung und damit fehlerhafte Querschnittsbestimmung.
• Zu hohe oder zu niedrige Prüfgeschwindigkeit im Vergleich zur Normvorgabe.

Zusammenfassung:

• Die Zugfestigkeit ist ein bedeutsamer technischer Wert, der angibt, wie viel Zugkraft ein Material widerstehen kann, bevor es bricht. Dies ist besonders relevant für Unternehmen, die Verpackungen aus Wellpappe suchen, da die Stabilität des Materials von zentraler Bedeutung ist.
• Im Kontext der Verpackungsindustrie ist die Zugfestigkeit von Wellpappe unerlässlich für Transport und Lagerung, da sie bestimmt, wie viel Gewicht eine Verpackung tragen kann, ohne zu reißen oder ihre Form zu verlieren.
• Anhand der Zugfestigkeit können Unternehmen die Qualität verschiedener Wellpapparten vergleichen und entscheiden, welche für ihre spezifischen Verpackungsanforderungen am geeignetsten ist. Darüber hinaus hilft sie dabei, die Effizienz der Verpackungsproduktion zu verbessern und Kosten zu minimieren.
• Normgerechte Probenvorbereitung, definierte Prüfrichtungen (MD/CD) und konstante Umgebungsbedingungen sind entscheidend, um verlässliche, vergleichbare Messwerte zu erhalten.
• Die Kombination aus Zugfestigkeit, Bruchdehnung und E-Modul ermöglicht eine differenzierte Beurteilung von Rissanfälligkeit, Zähigkeit und Steifigkeit und unterstützt die konstruktive Auslegung.
• Ein bewusster Umgang mit Feuchte, Fasermix, Flächengewicht und Prozessparametern hilft, Zielwerte über die gesamte Wertschöpfung stabil zu halten.
• Im Zusammenspiel mit ECT, BCT, RCT, SCT und Berstfestigkeit entsteht ein ganzheitliches Bild der Leistungsfähigkeit von Wellpappe in der Anwendung.