PTS-FORSCHUNGSBERICHT IGF 16193 OPTIMIERTE ... · nenten sowie Trocknungsrisse Probleme bereiteten....

FASERVERBUNDE RESSOURCEN OBERFLÄCHEN UMWELTRELEVANZ

PTS-FORSCHUNGSBERICHT IGF 16193OPTIMIERTE PAPIERBASIERENDE SUBSTRATE MIT HÖCHSTGLATTER, FILMÄHNLICHER OBERFLÄCHE FÜR ORGANISCHE ELEKTRONIK

Astrid Drexler: Filmähnliche Oberflächen 1(66)

OPTIMIERTE PAPIERBASIERENDE SUBSTRATE MIT HÖCHSTGLATTER, FILMÄHNLICHER OBERFLÄCHE FÜR

ORGANISCHE ELEKTRONIK

ASTRID DREXLER

Inhalt

Seite

1 Danksagung........................................................................................................................3

2 Zusammenfassung / Überblick ........................................................................................3

3 Stand der Technik..............................................................................................................4

3.1 Oberflächenoptimierung durch Beschichtung............................................................................. 5

3.2 Glätte und Porenfreiheit ............................................................................................................... 6

3.3 Vorhangstreichen als sinnvolle Auftragsmethode....................................................................... 6

3.4 Rauheitsanalytik ........................................................................................................................... 6

4 Vorgehen - Überblick.........................................................................................................7

5 Material und Methoden......................................................................................................8

5.1 Streichfarbenherstellung und Bewertung sowie Herstellung der Papiermuster ........................ 8

5.2 Bewertung der Hergestellten Papiermuster .............................................................................. 10

6 Rohstoffauswahl und Streichfarbenformulierungen...................................................11

6.1 Rohstoffauswahl ......................................................................................................................... 11

6.2 Streichfarbenformulierungen...................................................................................................... 16

7 Streichversuche auf Referenzsubstrat..........................................................................27

8 Analytik der Oberflächenrauheit und Topografie ........................................................30

9 Rückseitenbehandlung gg. Gleiten, Stauben und Kratzen sowie Analytik der Gleiteigenschaften...........................................................................................................32

9.1 Rückseitenbeschichtung ............................................................................................................ 32

9.2 Bewertung der Scheuerfestigkeit der Topbeschichtungen gegen die jeweilige Rückseitenbeschichtung ............................................................................................................ 33

10 Kombination der Strichschichten - Schichtaufbau .....................................................36

11 Untersuchung der Einflüsse von Trocknung und Streichaggregat ..........................39

12 Übertragung der Ergebnisse auf die Versuchsstreichanlage ....................................40

13 Durchführung von Beschichtungsversuchen auf der Versuchsstreichanlage .......43

14 Bewertung der Papiere....................................................................................................45

14.1 Allgemeine Vorgehensweise ..................................................................................................... 45

14.2 AFM-Untersuchungen................................................................................................................ 46

14.3 Funktionstüchtigkeit der Demonstratoren ................................................................................. 56


PTS-Forschungsberichte

14.4 Druckversuche............................................................................................................................ 57

15 Neuer Werkstoff – ökonomisch interessant .................................................................62

16 Schlussfolgerungen ........................................................................................................64

Literaturverzeichnis...................................................................................................................65



1 Danksagung

Das Forschungsvorhaben IGF 16193 N der AiF-Forschungsvereinigung PTS wurde im Programm zur Förderung der „Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF)“ vom Bundesministerium für Wirt-schaft und Technologie über die AiF finanziert. Dafür sei an dieser Stelle herzlich gedankt.

Unser Dank gilt insbesondere den beteiligten Unternehmen für die umfangreiche Bereitstellung von Versuchs- und Probenmaterial sowie die Durchführung von Untersuchungen.

2 Zusammenfassung / Überblick

Anlass für das Forschungsprojekt war der im Bereich der papierverarbeitenden Industrie bestehende harte Wettebewerb der Rohstoffe. Papier wurde in der Vergangenheit bis heute immer mehr durch Folien ersetzt und während für Kunststoffe eine Vielzahl neuer Anwendungsbereiche erschlossen werden konnte, erlauben die bei Papier bisher eingesetzten Standardproduktionsverfahren diese Funktionsbreite nicht. Ein innovatives Anwendungsgebiet für Papier wäre die Bedruckung mit orga-nischer Elektronik.

Ziel des Projektes war die Entwicklung eines Streichkonzeptes für die mehrlagige Beschichtung von papierbasierenden Substraten zur Verbesserung von Rauheit und Welligkeit bis in den Nanobereich.

Auf der Basis des Strichkonzepts sollte ein papierbasierendes Substrat hergestellt werden, das eine mittlere Rauheit von unter 60 nm Ra aufweist und als Träger für organische Elektronik geeignet ist.



Die vorgenommenen Untersuchungen zeigen, dass eine schrittweise Reduzierung der Rauheit durch einen schichtweisen Aufbau sinnvoll ist. Dabei sind feine, gefällte oder gemahlene Calcium-carbonate für die Vorglättung ausreichend. Für den Mittelstrich waren nanopigmentierte selbstnivel-lierende Streichfarben entwickelt worden, die jedoch aufgrund von Unverträglichkeiten der Kompo-nenten sowie Trocknungsrisse Probleme bereiteten. Die nanopigmentierten, selbstnivellierenden Streichfarben erwiesen sich im Projekt für die Funktionstüchtigkeit der Demonstratoren nicht als zwingend notwendig. Hier reichten bereits Striche mit plättchenförmigen Pigmenten um die De-monstratoren herstellen zu können. Für die oberste Strichschicht erwiesen sich polymere Beschich-tungen bestehend aus Ethylenvinylalkohol als sehr geeignet. Darüber hinaus liefern kommerziell ver-fügbare Produkte (wie z. B. eine PU-Acryl-Dispersion, die einen harten, chemisch resistenten Film erzeugt) vielversprechende Ergebnisse. Allerdings müssten diese Produkte vom Hersteller künftig an die Bedürfnisse des Papierstreichprozesses angepasst werden (Oberflächenspannung, Viskosität), denn mit herkömmlichen Verdickungs- und Netzmitteln konnte dies im Projekt nicht bewerkstelligt werden. Insbesondere für die Anwendung höchstglatter und defektfreier Beschichtungen müssen die Produkte frei von Partikeln sein.

Die im Projekt hergestellten (aufgedampften) Demonstratoren sind einige Minuten funktionstüchtig. Bei den gedruckten, leitfähigen Elementen zeichnet sich das veredelte Papiersubstrat im Vergleich zum Foliensubstrat durch eine ausgezeichnete Druckbildschärfe aus.

Die im Projekt generierten Ergebnisse können gut als Basis für eine weitere Entwicklung zum markt-reifen Produkt genutzt werden. Es sind noch individuelle Anpassungen sowohl in der Prozesstechnik als auch bei der jeweils individuellen Abstimmung der Strichrezepturen notwendig. Eine besondere Herausforderung bei der Entwicklung zum marktreifen Produkt wird die Gewährleistung der Dimen-sionsstabilität sowie die Reinheit des Substrates sein.

3 Stand der Technik

Die Ergebnisse des Forschungsvorhabens „Erzeugung polymerelektronischer Bauelemente und in-tegrierter Schaltungen auf Papier als Massenware durch Abstimmung von Papier, Druckstoff und Druckprozess“[1] zeigten bereits die prinzipielle Eignung von veredelten Papieren als Substrat zur Herstellung von organischer Elektronik.

Die durch Extrusionsbeschichtung hergestellten Substratoberflächen wiesen eine hohe Glätte in der Größenordnung weniger Nanometer auf, waren aber durch Kratzer, Einschlüsse und lokale Defekte massiv beeinträchtigt (vgl. Abb.1).

in der Vergangenheit wurden im Rahmen unterschiedlicher Projekte auch Barrierestriche im Detail betrachtet [2]: Beim Einsatz plättchenförmiger Pigmente bleibt auch beim Mehrfachstrich mit höchs-ten Bindemittelanteilen eine vergleichsweise hohe Oberflächenrauheit von ca. 200 – 400 nm (vgl. Abb. 2).



Pigmentfreie Polymerbeschichtungen auf extrusionsbeschichteten Substraten liefern in der Regel sehr glatte Oberflächen (40 – 80 nm). In einigen Fällen besteht jedoch die Gefahr, dass sich durch die Trocknung kristalline Strukturen bilden.

Abb. 1 Abb. 2 Abb. 3

3.1 Oberflächenoptimierung durch Beschichtung

Die Bedeutung der Streichfarbenzusammensetzung bei Rauheitsverringerung bis in den Nano-Bereich wird in der Literatur beschrieben. Es wurden Einflüsse der Glasübergangstemperatur des Binders, der Art des Cobinders und der Partikelgröße gefunden [3]. Die Auswirkung von Teilchen-form, Feststoffgehalt und der Pigmentzusammensetzung wurde von Vidal et. al [4] demonstriert. Ebenso existiert ein Zusammenhang zwischen der Teilchengröße und der Schrumpfung des Strich-filmes [5].

Die glattesten Oberflächen, welche bisher durch Streichen erzeugt wurden, enthalten keine Pigmen-te. Es haben sich Polymerdispersionen oder –lösungen bewährt, bei denen jedoch in manchen Fäl-len Phasentrennungseffekte oder Kristallisation [6] während der Trocknung die Ursachen für eine Rückrauung waren (vgl. Abb. 3).

Lt. Literatur werden diese Phänomene stärker von der Kinetik der Diffusion, als durch die Thermody-namik beeinflusst. Daher spielen vermutlich die Stoffeigenschaften (Kettenlänge, Schmelzpunkt, Glasübergangstemperatur etc.) und die Prozessbedingungen (Strichgewicht, Schichtdicke, Viskosität etc.) eine tragende Rolle bei der Erzeugung höchstglatter Oberflächen durch Streichen.

Die Strichrezepturen und die Schichtenabfolge sollten daher aufeinander abgestimmt sein. Die Schrumpfung der Beschichtung und die Entstehung von Welligkeit durch Diffusionsprozesse wäh-rend der Trocknung sollten bei der Entwicklung hochglatter Oberflächen beachtet werden [7, 8].

In der Patentliteratur wurden für organische Elektronik und gedruckte Elektronik bisher keine stan-dardgestrichenen Papiere, sondern nur spezialbeschichtete Substrate verwendet (extrusionsbe-schichtetes Papier, vakuumbeschichtete, metallisierte Kunststofffolien etc.) [9, 10, 11, 12].

Zahlreiche Veröffentlichungen und Patente betreffen den Bereich der Folienbeschichtung, wo Glät-ten bis hin zu wenigen Nanometern (unter 10 nm) erreicht werden. Eine wichtige Rolle spielen hier-bei Monomerzusammensetzung und Oberflächenladung der Polymerpartikel (Carboxylierungsgrad, vgl. Strukturbildung) [13, 14, 15]. So sind auch durch Beschichtung mit Emulsionspolymeren auf glatten Substraten Oberflächenrauheiten unter 30 nm erreichbar. Veröffentlichungen oder Patente zur Optimierung der Glätte von Papier bis in den Nanobereich (Rauheit unter 0,1 µm) durch mehrla-gige Beschichtung wurden nicht gefunden.



3.2 Glätte und Porenfreiheit

Für die pigmenthaltigen Streichfarben der mittleren Strichlagen ist es lt. Literatur von Vorteil wenn ein gleichmäiges Verfließen und Verdichten des Striches stattfinden kann [16]. Sie sollten deshalb so stabilisiert sein, dass weder eine Agglomeration noch eine Immobilisierung erfolgt.

Bei von Schicht zu Schicht abnehmender Partikelgröße wird mit der Rauheit gleichzeitig die Porosi-tät verringert [17]. Nach dem Stand der Technik ist dies eine Grundvoraussetzung für die Herstellung einer höchst glatten Oberfläche auf Papier: Nur dann können abschließend dünne Schichten selbstnivelierender Streichfarben zum Verschluss der restlichen Poren und zur Glättung der Rest-rauheiten aufgebracht werden, ohne dass diese in die Oberfläche eindringen.

Porenfreiheit ist jedoch nicht gleichzusetzen mit Barriere. Obwohl Barrieren gegen Wasserdampf und Gase (Sauerstoff, Kohlendioxid etc.) für viele Anwendungen organischer Elektronik erforderlich sind, wurde im Rahmen dieses Projektes die Herstellung von Barriereschichten nicht angestrebt. Barrieren basieren auf der Herstellung dichtester, defektfreier Molekularstrukturen (um den Faktor 100 bis 1000 kleiner als Poren). Diese stellt daher eine andere Zielsetzung dar.

3.3 Vorhangstreichen als sinnvolle Auftragsmethode

Das Vorhangstreichverfahren, bei dem die Beschichtungsmasse aus einer Schlitzdüse direkt auf das Papier dosiert wird, hat für die vorgesehene Anwendung im Vergleich zu den bisherigen Standard-auftragsverfahren mehrere Vorteile:

die Streichfarbe wird nicht in die Oberfläche gedrückt, sondern als gleichmäßiger Strich auf die Oberfläche gelegt.

die Viskosität der Streichfarbe liegt im Bereich unter 800 mPas und ermöglicht eine weiter-gehende Nivellierung

auch niederviskose Emulsionspolymere und gelöste Polymersysteme können appliziert wer-den

es lassen sich sehr geringe Strichmengen auftragen

die Strichoberfläche wird nach der Dosierung nicht mehr verkratzt (kontaktfreier Auftrag).

der Auftrag mehrerer Schichten in einem Durchgang ist möglich

3.4 Rauheitsanalytik

Die in der Papierindustrie üblichen Messverfahren zur Beurteilung der Rauheit nach PPS, Bekk oder Bentsen sind indirekte Messmethoden und stellen keine Möglichkeit zur Beurteilung der tatsächli-chen Oberflächenstruktur, im Sinne einer mittleren Höhe oder Tiefe der Rauheit, dar [18]. Eine Viel-zahl von Arbeiten wurden hierzu auch bereits an der PTS durchgeführt. Mit der Streifenprojektions-methode z.B. wurde eine Alternative zu den bisherigen Messverfahren entwickelt [19]. Für die Be-stimmung der Verwendbarkeit der Substrate für organische Elektronik sind diese Methoden nicht geeignet, da sie in den anzustrebenden Rauheitsbereichen keine Aussage mehr erlauben.

Für Strukturen in der Größenordnung von etwa 100 nm und kleiner eignen sich Verfahren, wie das Rasterkraftmikroskop AFM, das Rasterelektronenmikroskop REM oder ggf. interferenzoptische Ver-fahren.



4 Vorgehen - Überblick

Es erfolgte die Auswahl der Rohstoffe und Konzipierung von Strichformulierungen so, dass eine stu-fenweise Reduzierung der Rauheit und Porosität des Rohsubstrates ermöglicht wurde.

Die Streichfarbenformulierungen wurden auf Testsubstrate aufgetragen und hinsichtlich der Rau-heitsentwicklung der Oberfläche beurteilt. Gleichzeitig sollte das Schrumpfungsverhalten der Be-schichtungsformulierung auf Referenzsubstrat betrachtet werden. Hierzu sollten Strichauftrag und Trocknungsbedingungen variiert werden.

Die gestrichenen Papiere wurden satiniert, um den Glätteffekt des Kalanders zu bewerten.

Der Vergleich und die Messung der Topografie, der auf das Testsubstrat (Folie) gestrichenen Streichfarben, mit der Topografie des gestrichenen Papiersubstrats wurde mittels Rasterelektronen-mikroskopie (REM) durchgeführt.

Für die Papierrückseite wurde eine Beschichtung als notwendig erachtet, damit die sehr glatte Ober-fläche nach dem Aufwickeln nicht durch abgetragenen Staub oder offen liegende Cellulosefasern beschädigt wird. Zudem wirkt eine Rückseitenbeschichtung einem unerwünschten „curl“ des Papier-produktes entgegen. Die Rückseitenbeschichtung sollte neben der Fixierung und Überschichtung von losen Papierbestandteilen und Fasern die Oberflächentopografie weitestgehend erhalten damit beim Produktionsprozess ein optimaler Bahntransport erfolgt und problemlos das Papierbahn prob-lemlos aufzuwickeln ist (Vermeidung von Adhäsion, Verkleben, Lufteinschluss, Kernplatzer etc.).

Gleitverhalten und Abrasion (Stauben) bzw. Scheuerverhalten der rückseitig beschichteten Papiere wurden soweit möglich mit den für Papiere üblichen Standardverfahren (wie z.B. für hochglänzende Inkjet-Papiere) bestimmt und vergleichend bewertet. Beim Scheuern wurde, entsprechend der tat-sächlichen Beanspruchung, die Papierrückseite gegen die beschichtete Vorderseite gescheuert. Die Oberflächen wurden hinsichtlich ihrer Kratzfestigkeit optisch und messtechnisch beurteilt.

Die Streichfarbenformulierungen wurden im Schichtaufbau miteinander kombiniert und hinsichtlich der Wechselwirkungen bewertet. Beachtet wurde dabei vor allem, ob durch Grenzflächeneffekte oder Diffusions- bzw. Phasentrennungsvorgänge bei der Trocknung neue Raustrukturen entstehen.

Rezepturen und Strich-Formulierungen

Einzellaborversuche auf Testsubstrat

Welligkeits- und Rauheits-analytik

Rückseitenbehandlung ggf. Gleiten, Stauben und Kratzen

Analytik von Gleiteigenschaften und Scheuerfestigkeit

Kombination der Strich-schichten

Untersuchung der Einflüsse von Trocknung und Streich-aggregat und Übertragung der Ergebnisse auf die Ver-suchsstreichanlage

Übertragung der Ergebnisse auf die Versuchsstreich-anlage

Bewertung der Papiere und ggf. Ver-suchsoptimierung



Um den Einfluss der Trocknungsgeschwindigkeit auf die Oberflächenstruktur festzustellen, wurde bei unterschiedlichen Streichgeschwindigkeiten und Strichgewichten mit dem Curtain Coater Streich-farbe auf ein vorgestrichenes Papier auftragen. Die unter den unterschiedlichen Bedingungen her-gestellten Versuchsmuster wurden anschließend hinsichtlich ihrer Oberflächenstruktur untersucht. Aus den Resultaten konnten Folgerungen für die optimalen Versuchsbedingungen an der Pilot-streichmaschine gezogen werden.

Die für die Pilotversuche ausgewählten Streichfarben wurden vorab im Labor hinsichtlich Feststoff-gehalt und Viskosität für eine gute Verarbeitbarkeit an der Pilotanlage angepasst. Anschließend wurden an der Pilotanlage 7 Rollen an Vorder- und Rückseite beschichtet. Die Pilotmuster mussten aus technischen Gründen im Labor mit dem Deckstrich versehen werden, so dass sie im Anschluss am Fraunhofer Institut für Photonische Mikrosysteme in Dresden auf ihre Tauglichkeit für organische Elektronik geprüft werden konnten.

5 Material und Methoden

5.1 Streichfarbenherstellung und Bewertung sowie Herstellung der Papiermuster

Streichfarbenherstellung

Zur Herstellung der Streichfarben im Labor wurden die entsprechenden Mengen an Pigmentslurry in einem Edelstahlbehälter vorgelegt. Während des Mischvorgangs wurden die Slurries bzw. Farben mit einer Geschwindigkeit zwischen 500 und 5000 min-1, je nach sich einstellender Viskosität, ge-rührt. Wenn nicht anders erwähnt wurde als erste Komponente das Bindemittel zu der Pigmentsus-pension gegeben. Der Feststoffgehalt der Farben wurde je nach Versuchsreihe auf ca. 60% bis zu maximal möglichen Werten (ca. 70%) eingestellt. Der pH-Wert wurde auf 8-8,5 eingestellt.

Bewertung der Streichfarbenrheologie

Für die im Projekt verwendeten Streichfarben, insbesondere für die Deckschichten, ist es unerläss-lich, dass sie keine Fließgrenze [20] aufweisen. Substanzen mit einer Fließgrenze beginnen erst dann zu fließen, wenn die von außen wirkenden externen Kräfte größer sind als die internen Struk-turkräfte.

Die Messungen wurden mit dem Rheometer MCR 300 von Anton Paar aufgenommen. Als Messmo-dul wurde hierfür eine Platte-Platte-Geometrie mit 50mm Durchmesser und 1mm Spaltabstand ge-wählt. Die Streichfarbe wurde auf die Trägerplatte gegeben und die Messplatte auf 1mm Spaltab-stand geschlossen. Es galten folgende Meßbedingungen: 29 Meßpunkte á 30 sec., Profil: 2 bis 100 1/s linear; die Auswertung der Fließkurven t = f( p ) erfolgte über das Fließkurvenmodell nach Her-schel-Bulkley:

= HB + c· p mit HB

mit HB der Fließgrenze nach Herschel-Bulkley, c (Fließkoeffizient [Pas]) und der Hochzahl p (Herschel-Bulkley-Index). Es gilt p<1 für scherverdünnendes, p>1 für scherverdickendes und p=1 für Bingham-Verhalten.



Abhängig vom Auswerteverfahren differieren die Zahlenwerte der Fließgrenze. Dies spielte in die-sem Fall jedoch keine Rolle, da ein relativer Vergleich der Messwerte ausreichend war.

Die Nivellierfähigkeit der Streichfarben kann sehr gut optisch festgestellt werden indem man sich die beim Streichen mit einem Drahtrakel auftretenden Rakelstreifen zunutze macht [21] (vgl. Abb. 1 und Abb. 2).

Abb. 1

Abb. 2

Die Abbildungen zeigen als Beispiel jeweils eine Bogenoffset-Streichfarbe mit 64% Feststoffgehalt und einer Brookfieldviskosität von ca. 2200 mPas. Die Nivellierfähigkeit der Streichfarbe kann durch eine vergleichende optische Beurteilung von Rakelstreifen gut festgestellt werden. In Abb. 2 wurde die Hälfte des Latexbinders durch Milchsäurecasein ersetzt. Der Strich weist deutlich ausgeglichene-re Rakelkonturen auf. Die Methode wurde behelfsweise für dieses Projekt genutzt.

Streichfarbenauftrag im Labormaßstab

Die hergestellten Streichfarben wurden mit Hilfe eines halbautomatischen Drahtrakelgerätes (Control Coater der Firma Erichsen GmbH & Co. KG, siehe Abb. 3) auf das Streichrohpapier aufgetragen. Zum Auftragen wurde das Rohpapier in eine dafür vorgesehene Halterung geklemmt. Je nach ge-wünschtem Strichgewicht wurde ein geeignetes Rakel (Rakel 0 bis 8 mit abgestufter Drahtstärke bzw. Tiefe der gefrästen Rille) ausgewählt und die dafür passende Geschwindigkeit (Geschwindig-keit 1 bis 10) ermittelt. Wenn nicht anders erwähnt, wurden nach dem Streichen die Papiermuster in einen auf 110°C vorgeheizten Ofen 90 s lang getrocknet. Bei Bedarf wurde ein nach dem selben Prinzip funktionierendes Filmziehgerät der Firma Erichsen eingesetzt. Dort konnten entsprechende Filmziehrahmen mit einer definierten Aussparung (ca. 50 bis 200 µm) eingesetzt werden, so dass rakelstreifenfreie Filme mit entsprechender Nassfilmdicke erzeugt wurden.

Abb. 3



Satinage der Papiermuster

Die Satinage der Muster erfolgte mit einem 2-Walzen-Laborkalander der Firma Voith-Sulzer-Finishing, Krefeld. Die Satinagebedingungen betrugen bei allen Versuchen 800 dN Druck bei 80°C. Die obere Walze des Kalanders ist eine elektrisch beheizte Stahlwalze von 140 mm Durchmesser. Die untere, angetriebene Papierwalze von 170 mm Durchmesser wird hydraulisch gegen die Stahl-walze gepresst. Die nutzbare Arbeitsbreite beträgt 320 mm.

5.2 Bewertung der Hergestellten Papiermuster

Rasterkraftmikroskopie (AFM)

Für die Rasterkraftmikroskopie wurde ein Nanoscpe D3100 der Firma Digital Instruments verwendet. Es besitzt die Prüfklasse D und bedarf daher keiner Kalibrierung. Die Aufnahmen wurden vom Fraunhofer IPMS in Dresden erstellt.

Scheuerfestigkeit

Für die im Projekt durchgeführten Scheuertests wurde der Prüfbau Quartant Scheuertester mit ge-wichtsreduziertem Reibkörper (300g) verwendet (Abb. 4). Der Schlitten mit dem eingesetzten Reib-körper bewegt sich gemäß einer voreingestellten Anzahl an Scheuerhüben hin und her. Das am Reibkörper befestigte Reibmuster scheuert dabei gegen das stationär fixierte Scheuermuster.

Abb. 4

Als Prüfmuster (deren Kratzfestigkeit geprüft werden sollte) wurden Streifen im Format 11,5 x 5,5 cm zugeschnitten und jeweils auf die entnehmbaren Probenträger mit Klebefilm fixiert. Als Gegenmuster (Rückseitenbeschichtung) wurden Kreise mit 4,5 cm Durchmesser ausgestanzt und mit Doppelkle-beband an der Unterseite des Reibkörpers fixiert. Pro Muster wurden jeweils 5 Scheuertests durch-geführt mit jeweils 5 Scheuerhüben.



6 Rohstoffauswahl und Streichfarbenformulierungen

6.1 Rohstoffauswahl

Die aktuell im Markt angebotenen Folien sind für die vorgesehene Anwendung bei Weitem nicht technisch ausgereift. Die damit verbundenen Probleme bei der Produktion von Elementen organi-scher Elektronik geben deutliche Hinweise, auf welche Gegegebenheiten bei der Vorauswahl der Rohstoffe zu achten ist. Die angebotenen Foliensubstrate weisen für die vorgesehene Anwendung immer noch signifikante Oberflächendefekte auf. Des Weiteren sind manche Folien nur sehr schwer wasserfrei zu bekommen bzw. haben lange Trockenzeiten, so dass sie für eine „Massenproduktion“ nicht in Frage kommen. Differenzen in der Oberflächenspannung, Kratzer und Unreinheiten welche aus der Produktion resultieren, führen zu einer mangelhaften Haftung der Schichten sowie zu Leck-strömen und Kurzschlüssen. Die Ebenmäßigkeit der Oberfläche gilt daher als wichtigste Eigenschaft . Auf Basis klassisch-physikalischer Grundlagen lässt die „Welligkeit“ im Mikrobereich jedoch eine positive Auswirkung auf die Lichtauskopplung erwarten.

Bei den Pigmenten wurden Produkte mit unterschiedlicher Feinheit und Partikelform gewählt, um ei-ne stufenweise Reduktion der Rauheit erreichen zu können, andererseits sollten auch gefällte Pig-mente eingesetzt werden, da sie eine regelmäßige Oberflächenstruktur erwarten lassen. Die Auflis-tung der eingesetzten Pigmente beinhaltet die folgende Tabelle 1.

Im Folgenden werden die Bezeichnungen Px (für Pigment), Bx (für Bindemittel) und Sx (für Substrat) verwendet (siehe rechte Spalte der jeweiligen Tabelle).

Bez. Pigment FG [%] Teilchengröße pH-Wert

B.E.T. [m²/g]

Viskosität [mPas]

( Brookf. rpm)P1 GCC grob, HC60 77,1 60%<1µm P2 GCC fein HC95 77,9 95% < 1µm P3 PCC fein, Aragonit, nadel-

förmig 69,3 85% <1µm,

d50=0,39 10.2 10.2 200 (100)

P4 PCC rhomboedrisch 41,9 84,5%<1µm, d50=0,46

9.4 37.7 450 (100)

P5 GCC fein 100,0 85% < 1µm 12.5 P6 Kaolin 1 57,7 Aspect ratio 60:1,

45%<1µm 8,5 300 (100)

P7 Kaolin 2 60,2 Aspect ratio 40:1, 52%<1µm

7,5 180 (100)

P8 Kaolin 3 71,9 Aspect ratio 14:1 P9 monodisperses SiO2 ohne

Additiv 32,1 9,8 320-400

P10 Stabilisierte SiO2-Dispersion

34,0 Ca. 22 nm <7,0

P11 Silika-Sol kationisch 30,0 5-7 nm Ca. 10 P12 Silika-Sol kationisch Ca. 50 15-20 nm Ca. 10 P14 Hydraprint, delaminiertes

Kaolin Ca. 68 6-8 450 (20)

P15 Steaplus HAR T77 99,4

Tabelle 1



Als Bindemittel wurden harte und weiche Binder mit unterschiedlicher Glasübergangstemperatur TG, sowie lösliche Polymere (Polyvinyl- sowie Ethylenvinylalkohol) ausgewählt. Additive und Hilfsmittel, z. B. zur Optimierung der Viskosität, wurden nach Bedarf eingesetzt. Die Auflistung befindet sich in Tabelle 2.

Bez. Eingesetzt für

Beschreibung FG [%]

TG

[°C] MFT [°C]

B1 Binder wässrige Dispersion eines Copolymers aus Styrol und 1,3-Butadien, carboxyliert, pH 5-8

50 22 k.a.

B2 Binder Wässrige anionische Copolymerdispersion auf Basis von n-Butylacrylat, Styrol und Acryl-nitril

49,6 <10

B3 Binder Wässrige anionische Copolymerdispersion auf Basis von n-Butylacrylat, Styrol und Acrylnitril

49,5 <1

B4 RS Styrol-Acrylat-Dispersion 47,4 ~55 65 B5 Top Schellack-modifiziertes Styrolacrylat mit guter

Haftung auf Folien und nicht porösen Unter-gründen

49,0 ~91 <100

B6 Binder Polyvinylalkohol mit mittlerer Molmasse M=145.000 g/mol; Polymeristationsgrad 3.300;

100 k.A. k.a.

B7 Top Ethylenvinylalkohol 2117 100 k.A. k.a. B8 Top Ethylenvinylalkohol 3110 100 k.a. k.a. B9 RS /

Binder Kolloidal stabilisierte Dispersion eines Vi-nylacetat-Copolymers, pH=4-5; 500-4000 mPas;

56-58

6 0

B10 Top Schnelltrocknende PU-Acryl-Dispersion, es entsteht ein harter, elastischer, chemisch re-sistenter Film, pH = 7-8

33,8

B11 Binder Nicht-ionische thermisch modifizierte Mais-stärke mit geringem Abbaugrad (hohe Visko-sotät)

100

B13 Top Hochglänzender Acryllack, Drucklack B15 RS alkylaminofunktionelles Silikonwachs B16 Top selbstvernetzende, silikonhaltige Zubereitung

organisch-anorganisches Compound; pH=4,5-5,0; Säure- und Alkalibeständig sowie gegen hartes Wasser;

B17 Top 25% Schellack entwachst in KOH B20 RS Makroemulsion eines alkylmodifizierten Ami-

nosiloxans, pH= 5-7

B21 RS Polydimethylsiloxan, pH= 4,8-5,2 B22 Hilfsmittel Dispergiermittel Sokolan CP 10 45 B23 Hilfsmittel Netzmittel, Lumiten DF 100 B24 Verdicker Sterocoll FS 40 B25 Binder Milchsäurecasein 100 B26 Binder Acronal 500 D 49,6 B28 Hilfsmittel Netzmittel Surfynol SEF 100 B29 Verdicker Sterocoll DF3X

Tabelle 2



Als Streichrohsubstrat bzw. Referenzsubstrat für den Labor- und Pilotmaßstab wurden zunächst ver-schiedene, aufgrund ihrer Glätte, in Frage kommende Papiere und Folien diskutiert (Tabelle 3):

Bez. Beschreibung Dicke/ Flächenge-

wicht S1 PET-Folie vorbehandelt 175 µm S2 Folex- BG 32 plus, beschichtete PE-Folie rau, Ink-Jet-geeignet 100 µm S3 Folex Reprojet P, beschichtete PE-Folie glatt mit mikroporöser Be-

schichtung 190 µm

S4 Folarex HS1 matt, beschichtete PE-Folie, matt 190 µm S5 PE-Folie 1 125 µm S6 PE-Folie 2 125 µm S7 Streichrohpapier holzfrei, geleimt, ungestrichen, satiniert, für Labor-

und Pilotversuche 170 g/m²

S8 PE-beschichtetes papierbasiertes benetzungsfähiges Substrat 240 g/m² S9 Gussgestrichenes Papier 240 g/m² S10 Bilderdruckpapier 1 150 g/m² S11 Bilderdruckpapier 2 150 g/m²

Tabelle 3

Das für das Projekt verwendete Rohpapier sollte folgende Voraussetzungen erfüllen: gute Grund-glätte, gute Dimensionsstabilität bei Handhabung im Labor, gut benetzbar sowie in ausreichender Menge verfügbar.

Die REM-Aufnahmen der vorausgewählten Streichrohpapiere (siehe Tabelle 4) zeigen zum Teil sehr unregelmäßige Oberflächen und einen komplexen Schichtaufbau. Es muss folglich angenommen werden, dass das Verhalten bezüglich Rückrauung und Dimensionsstabilität sehr spezifisch für die-se Papiere ist, so dass die Ergebnisse nicht übertragbar auf andere Substrate wären. Gussgestri-chene Papiere, bieten sich aufgrund ihrer guten Vorglätte scheinbar an, zeigen aber nach der Be-schichtung mit wasserbasierten Streichfarben eine starke Rückrauung. Das Problem ist beim Offset-Druck bekannt und äußert sich dabei durch einen starken Glanzverlust.



Auf Basis der vorangegangenen Überlegungen wurde als Rohpapier ein Substrat gewählt, das im Markt bereits nach zusätzlicher PE-Beschichtung als Substrat für gedruckte organische Elektronik angeboten wird (siehe Abb. 5 und Abb. 6).

Abb. 5: Querschnitt S7

Abb. 6: Oberfläche S7

Zur Untersuchung der Nivellierfähigkeit der deren Homogenität und Kratzfestigkeit wurden die Streichfarben auf ein Referenzsubstrat aufgetragen. Aufgrund der Glätte und Transparenz eignen sich Folien dafür am besten. Aktuell werden neben Glasplatten als flexible Substrate Folien als Trä-ger für organische Funktionsstapelschichten eingesetzt. Deshalb wurde aus sechs verschiedenen Foliensubstraten (S1-S6) eine Folie bezüglich ihrer Glätte als Referenzsubstrat gewählt.

S10 Oberfläche 1000-fach S10_Querschnitt 1500- fach

S11 Oberfläche 1000-fach S11 Querschnitt 1500 -fach

Tabelle 4



S2 Oberfläche 200-fach S2 Oberfläche 1000-fach S3 Oberfläche 1000-fach S4 Oberfläche 200-fach

S4 Oberfläche 1000-fach S5 Oberfläche 1000-fach S5 Querschnitt 400-fach S6 Oberfläche 1000-fach

S6 Querschnitt 400-fach S1 Querschnitt 200-fach S1 Oberfläche 200-fach, PVA-Schicht

S1 Oberfläche 1000-fach, PVA-Schicht

S1 Querschnitt 200-fach, PVA-Schicht

S1 Querschnitt 1500-fach, PVA-Schicht

Tabelle 5

Die Referenzfolien Folien wurden mittels REM-Aufnahmen folgendermaßen beurteilt (siehe Tabelle 5:

S2: Abstandshalter auf der Oberfläche

S3: mikroporös, hohe Kapillarität der obersten Schicht

S4: extrem rau

S1, S5, S6 bezüglich Glätte sehr gut geeignet (siehe Abb. 7, Abb. 8, Abb. 9)



Abb. 7: Fo-lie S1

Abb. 8: Folie S5 Abb. 9: Folie S6

Die Folien S5 und S6 zeigten zahlreiche Benetzungsfehler (Polyvinylalkohol) und erwiesen sich da-durch als nicht geeignet. Die gleichen Benetzungsfehler traten auch bei der Folie S1 auf, jedoch nur vereinzelt und auf bestimmten Bögen, so dass diese für die folgenden Untersuchungen als Refe-renzsubstrat verwendet wurde. Die Trocknung bei 100°C im Trockenofen für max. 5 Min. war prob-lemlos möglich.

Zusätzlich wurden Randwinkel und Oberflächenspannung der Substrate gemessen. In Tabelle 6 sind die Mittelwerte von Benetzungswinkel und Oberflächenspannung wieder gegeben. Die Mess-werte der drei Folien liegen in der gleichen Größenordnung.

Benetzungswinkel OF-Spannung

S1 72,1 39,7

S5 72,8 39,8

S6 76,0 38,5

Tabelle 6

6.2 Streichfarbenformulierungen

Streichfarbenformulierungen Vorstrich

Die Streichfarben für den Vorstrich sollten einen optimalen Ausgleich und Abdeckung der Rohpa-pierstrukturen erreichen. Deshalb wurden im ersten Schritt zur Orientierung unterschiedliche Pig-mente mit jeweils 10 Teilen Bindemittel mittels Handrakel auf Rohpapier gestrichen, um die ausglei-chenden Eigenschaften der Pigmente beurteilen zu. Ebenso wurden die Bindemittel bezüglich ihrer Nivellierungseigenschaften bei gleichbleibendem Pigment untersucht (Rezepturen V04 bis V09, sie-he Tabelle 7 ).


RP-Nr. FG [%] V01 V02 V03 V04 V05 V06 V07 V08 V09 V10 V11 V12 V13 V14 V15 V22 V23 GCC P1 31,9 100 100 100 PCC P3 69,3 100 100 100 100 100 100 PCC P4 41,9 100 100 100 100 100 100 Kaolin P6 57,7 100 100 Latex B1 50,0 10 10 10 Latex B2 49,6 10 Latex B3 49,5 10 10 Latex B4 47,4 10 10 Latex B5 49,0 10 10 PVA B6 8,7 10 10 10 EVOH B7 9,2 10 10 Latex B9 48,4 10 10 Verdicker B24 40,0 0,2 0,2 0,2 0,3 0,3 0,3 0 0 0 0,1 0,2 0,1 0 0 0,15 0 0,27 pH-Wert 8,5 8,5 8,5 8,5 8,8 8,6 10,3 10,2 8,8 8,5 8,7 8,7 9,4 9,4 8,7 8,6 8,5 FG [%] gemessen 62,4 62,5 62,5 62 62,6 62,5 44,7 45,3 62,7 40,6 40,7 40,6 30,3 31,2 41,2 43,2 58,3 verdünnt auf FG % 33 52 Rakel 1 1 1 1 1 1 2 3 1 2 2 2 3 3 2 2 2 Auftragsgeschwindigkeit 3 3 3 3 3 3 3 3 3 2 2 2 2 3 2 3 5 Brookfield 20 2040 1980 1740 1640 1640 1400 2320 2620 1480 2320 2600 2120 1160 1220 2350 3520 1540 Brookfield 50 1040 1020 860 860 840 740 1420 1600 800 1020 1140 940 860 840 1040 2580 900 Brookfield 100 600 580 540 560 520 480 1040 1160 520 580 620 520 640 660 580 2260 660 Spindel 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 5 4 Auftragsgewicht [g/m²] 10 10 10 10 10 10 10 10 11 9 9 9 10 10 10 10 10 Bewertung Glätte pps [µm] satiniert 2,58 1,64 1,29 1,12 1,34 1,12 1,43 1,38 2,58 1,25 1,4 1,3 1,74 1,35 1,37 1,85 1,4 STABW pps satiniert 0,07 0,15 0,04 0,01 0,1 0,04 0,04 0,03 0,24 0,03 0,05 0,03 0,18 0,11 0,04 0,07 0,22 pps [µm] unsatiniert 2,44 2,47 2,2 1,45 1,94 1,71 2,8 3,38 6,33 1,9 2,3 2,13 4,79 4,23 2,3 3,51 3,56 STABW pps unsatiniert 0,06 0,04 0,07 0,02 0,07 0,05 0,04 0,06 0,12 0,06 0,08 0,07 0,11 0,12 0,1 0,01 0,06 pps [µm] Folie 2,6 2,87 2,27 1,5 1,52 1,48 2,69 4,65 1,66 0,75 0,85 0,73 4,7 2,45 0,71 3,28 1,74 STABW pps Folie 0,03 0,14 0,1 0,04 0,06 0,07 0,05 0,32 0,07 0,07 0,13 0,05 0,19 0,19 0,06 0,04 0,02

Tabelle 7


Fortsetzung Tabelle 7 FG [%] V16 V24 V25 V26 V27

Pigment GCC P2 77,9 100 Kaolin P7 60,7 100 100 Delam. Kaolin P14 67,1 100 100Latex B1 50,0 10 10 10PVA B6 8,7 10 10 Verdicker B24 40,0 0,3 0 0,22 0 0,16

Meßdaten Streichfarbe pH-Wert 8,5 9 8,5 8,8 8,5FG % gemessen 62,2 43,8 59,4 46,7 62,2verdünnt auf FG % 50 Rakel 1 2 2 2 1Auftragsgeschwindigkeit 3 3 4 3 2Brookfield 20 2140 2860 1800 5700 1840Brookfield 50 1040 2120 980 3860 960Brookfield 100 620 1860 660 2980 620Spindel 4 5 4 5 4Auftragsgewicht [g/m²] 10 10 10 10 10Bewertung Glätte pps [µm] satiniert 1,22 1,67 1,18 1,81 2,21STABW pps satiniert 0,03 0,08 0,02 0,08 0,11pps [µm] unsatiniert 1,63 2,88 1,84 3,8 3,75STABW pps unsatiniert 0,04 0,04 0,06 0,07 0,15pps [µm] Folie 0,64 1,9 1,12 3,65 2,17STABW pps Folie 0,04 0,02 0,08 0,19 0,05



Glätte Vorstrich bei 10g/m², 10T SB-Latex (B1)

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

Rohpa

pier

grob

es G

CC/P1

(V1)

fein

es G

CC/P2

(V16)

PCC Nad

eln/P3

(V4)

Kaolin

60:

1/P6 (V

23)

Kaolin

40:

1/P7(V

25)

dela

m. K

aolin/

P14 (V

27)

pp

s [µ

m]

unsatiniert satiniert

Abb. 10

Die Handrakelversuche dienten der Vororientierung und zeigen, dass die feinen gefällten Pigmente die Rauheit optimal reduzieren können (siehe Abb. 10). Das Ergebnis deckt sich mit den bisherigen Erfahrungen. In der Regel erzeugen Pigmente mit hoher anisotroper Geometrie (wie z. B. Kaolin oder Nadeln) eine hohe Glätte, da sie sich unter dem Blade oder Rakel gut ausrichten. Allerdings spielen für die Glätte einer Beschichtung Faktoren, wie der Feststoffgehalt und das Wasserrückhal-tevermögen der Streichfarbe ebenso eine Rolle. Die höhere Rauheit der kaolingestrichenen Papiere (ohne Satinage) hat, aller Erfahrung nach, ihre Ursache in der anspruchsvolleren Rheologie kaolin-haltiger Streichfarben. Die Rauheit der kaolinhaltigen Striche kann durch Satinage, wie Abb. 10 zeigt, auf ein vergleichbares Glätteniveau gebracht werden.

In Abb. 11 sind die Rauheitswerte bei gleichem Pigment, jedoch unterschiedlichem Bindemitteltyp dargestellt. Die Striche wurden auf das Foliensubstrat S1 per Handrakel aufgebracht. Die Abbildung zeigt den Einfluss des Bindemittels auf die Glätte am Beispiel PCC (P3) auf Foliensubstrat. Das Strichgewicht betrug jeweils mit 10g/m², der Anteil des Bindemittels jeweils 10 Teile. Die Brookfield-viskosität (100 rpm) erreichte bei allen Streichfarben einen Wert von etwa 600 mPas.

Die Rauheit der Oberflächen wurde mit der Methode nach Parker-Print-Surf beurteilt.

Die verschiedenen Bindemittel erzeugen bei gleichem Pigment unterschiedlich glatte Striche. Dies re-sultiert sowohl aus deren rheolgischen Eigenschaften, die zum Teil für die Nivellierung des Striches verantwortlich sind, sowie aus deren unterschiedlichem Schrumpfungsverhalten während der Trock-nung. Die Latexbinder mit Glasübergangstemperaturen zwischen 6 und 91°C bzw. Filmbildetemperatu-ren von 0 bis ca. 100°C (B1, B4, B5 und B9) schnitten dabei vergleichbar gut ab. Eine schlechtere Ni-vellierung lieferten Ethylenvinylalkohol sowie Polyvinylalkohol (B6 und B7).



0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

4,5

5

S1 B1 (V4) B4 (V5) B5 (V6) B6 (V7) B7 (V8) B9 (V9)

pp

s [µ

m]

Abb. 11

Im zweiten Schritt wurden dann Pigmentmischungen bezüglich ihrer Nivellierungseigenschaften un-tersucht (Rezepturen V2.1 bis V2.10, siehe Tabelle 8). Die Auftragsmenge betrug jeweils zwischen 8 und 11 g/m²


Rp-Nr. FG [%] V2_1 V2_2 V2_3 V2_4 V2_5 V2_6.1 V2_6.2 V2_7 V2_8 V2_9 V2_10 Pigment P5 72,7 100 50 50 P3 69,3 50 75 P4 41,9 100 25 50 75 50 P6 57,7 50 25 50 P7 60,2 75 50 25 100 P8 71,9 50 50 Summe Pigment 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 Bindemittel B3 49,5 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 Verdickungsmittel B24 40 0,15 0,2 0,1 0,1 Auftragsgewicht (g/m²) 10 10 9 10 11 9 8 11 9 9 10 Charakterisierung Streich-farbe

pH-Wert 8,4 8,5 8,5 8,5 8,5 8,5 8,4 8,4 8,4 8,4 8,4 FG gemessen [%] 41,3 53,4 48,7 44,7 59 59,2 60,2 69,0 63,0 68,4 51,7 Brookfield 20 2440 1900 2440 2540 260 1400 1700 2440 1280 2020 2720 Brookfield 50 1080 900 1100 1140 160 760 880 1260 640 1110 1240 Brookfield 100 600 520 630 640 140 480 540 800 400 740 700 Spindel 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 WRV n. SD-Warren 13 17,5 13,8 10,9 41,9 40,9 46 42,2 33,8 47,2 18,6 Mittelwert Fließgrenze n. Herschel-Bulkley

0 0 0 0 0,6 1,3 4,4 10,8 5,3 4,8 8,8

Herschel-Bulkley-Index p 0,01 0,01 0,01 0,01 0,52 0,23 0,27 0,26 0,31 0,40 0,39 Glätte Papiere Unsatiniert MW pps [µm] 2,38 3,97 3,76 3,85 4,00 3,83 3,68 3,39 3,40 4,80 6,84 Unsatiniert STABW pps 0,687 1,147 1,101 1,114 1,183 1,113 1,060 1,017 0,991 1,442 1,971 Satiniert MW pps [µm]

1,27 1,64 1,64 1,55 1,68 1,87 1,68 1,56 1,40 2,22 2,70

Satiniert STABW pps

Tabelle 8


Abb. 12 illustriert die Glätte verschiedener Pigmentmischungen bei jeweils 10 Anteilen Bindemittel. Die Rezepturen V2.1 bis V2.5 enthielten einen zunehmenden Anteil an Kaolin (0, 25, 50, 75 und 100 Teile) zu rhomboedrisch gefälltem CaCO3. Kaolinhaltige Streichfarben erzeugten eine weniger glatte Oberfläche. Der Anteil an Kaolin spielte dabei (im Labormaßstab) keine Rolle. Vergleichbare Glätte-werte liefern Streichfarben mit anderen Basispigmenten (gefällte Nadeln und gemahlene Pigmente, V2.6 bis V2.8).

Auf Basis der Ergebnisse kann nur eine orientierende Aussage getroffen werden, da für die Glätte auch Feststoffgehalt, Viskosität, Wasserrückhaltevermögen und die rheologischen Eigenschafaten der Streichfarbe eine wesentliche Rollen spielen. Die Größen lassen sich in der Praxis nicht unab-hängig voneinander einstellen, so dass bereits beim Einsatz unterschiedlicher Pigmente Schwierig-keiten beim Vergleich der Ergebnisse auftreten.

0,00

1,00

2,00

3,00

4,00

5,00

6,00

7,00

V2.1 V2.2 V2.3 V2.4 V2.5 V2.6.1 V2.6.2 V2.7 V2.8 V2.9 V2.10

pp

s [µ

m]

unsatiniert satiniert

Abb. 12

Streichfarben für Mittel- und Deckstrich

Die feinsten Streichpigmente haben eine Teilchengröße von D50=0.1-0.5 µm (feines PCC), d.h. die nächst feinere Pigmentschicht sollte um etwa eine 10er-Potenz kleiner sein, d.h. bei 0.3 µm Partikel-größe im Vorstrich, dann etwa 30 nm. Somit sollte die Porosität des vorhergehenden Striches opti-mal verringert werden. Es wurde deshalb angestrebt, nanopigmentierte Streichmassen herzustel-len. Casein ist in der Papierindustrie für seine guten Fließeigenschaften (Gussstrichpapiere) bekannt und wurde deshalb als bevorzugtes Bindemittel für das nanopigmentierte System erprobt .



Die nanoskaligen Pigmente mussten entsprechend den Anforderungen des Caseins gewählt wer-den: Auf dem Markt sind eine Vielzahl kationisch (sauer) dispergierter Silikasole erhältlich. Bei Ver-wendung von Casein ist jedoch ein anionisch dispergiertes Produkt notwendig, da Casein bei einem pH-Wert von etwa 10 (und höher) gelöst und angewandt wird [22]. So sind zwei Silicaprodukte ge-wählt worden, die einen pH-Wert von etwa 10 aufweisen und unterschiedliche Partikelgrößen (17-20 nm sowie 5-7 nm) haben (Rezepturen M1 bis M4, siehe Tabelle 9).

Des Weiteren wurden Polyvinylalkohol und Latex als Bindemittel für nanodisperse Silica verwendet (Rezepturen M5 bis M8).

FG (%)

M1 M2 M3 M4 M5 M6 M7

P12 (bindizil 9950) 50 100

P11 (Bindizil 830) 30 100 100 100

P9 (Ludox HS30) 32,1 100 100 100

Milchsäurecasein B25

13.7 25 25 30 35

PVA B6 9,6 25 30 10

pH-Wert Farbe 10.4 10.5 9,4 9,2 9,8

FG Farbe (%) 33.2 24.5 24.7 24.0 24,1 22,9 27,3

BV Spindel 4 4 4 4 4 4

BV 100 405 416 650 380 410 77

Tabelle 9

Für die oberste Strichschicht, welche die finale Glätte bildet, bieten sich in erster Linie wasserlösliche Polymere bzw. wasserbasierte Lacke an, deren nivellierende Eigenschaften am besten auf der ge-wählten Referenzfolie beurteilt werden können. Die Striche wurden zur Beurteilung mittels Handrakel bei gleichem Rakel und gleicher Auftragsgeschwindigkeit auf die Referenzfolie aufgetragen. Durch den mehr oder weniger guten Verlauf der Rakelstreifen ließ sich die Nivelliereigenschaft oft optisch schon gut beurteilen.

In den Rezepturen M1 und M2 wurden zunächst zwei Silicasole mit unterschiedlicher Teilchengröße verglichen. Das Sol mit dem höheren Feststoffgehalt (größere Teilchen) ist nur langsam in den Ca-seinbinder einzuarbeiten. Da sich das Sol mit den kleineren Teilchen sehr gut verarbeiten ließ, wurde anschließend damit weiter gearbeitet.

Die Striche zeigten durchwegs hochglänzende Oberflächen, wiesen jedoch starke Trocknungsrisse auf, welche bereits unter dem Mikroskop zu erkennen waren (Abb. 13). Eine Ursache dafür kann (bei der hohen inneren Oberfläche der Pigmente) ein zu geringer Bindemittelgehalt sein. Deshalb wurde mit den Rezepturen M3 und M4 der Bindemittelgehalt erhöht. Die Striche zeigten jedoch das gleiche Bild.



Abb. 13

Abb. 14

Die REM-Aufnahme in Abb. 14 zeigt, dass die Beschichtung eine sehr hohe Glätte und Abdeckung aufweist und damit grundsätzlich eine ideale Eignung für die angestrebte Anwendung besteht.

Für die Rissbildung bei den caseinhaltigen Streichfarben sind unterschiedliche Ursachen und ent-sprechende Maßnahmen denkbar. Eine Übersicht hierzu ist in Tabelle 10 gegeben.

Mögliche Ursache Maßnahme

Unverträglichkeit mit Untergrund Kombination der Strichschichten

Cobinder notwendig Kombination Casein mit Latex [23]

Herstellungsprozedur der Streich-farbe

Variation von Zugabereihenfolge und Temperatur

Zu harte Trocknung

Milde Trockenbedingungen: feuch-tes Klima, 80°C

Fehlende Vernetzung Zusatz eines Härters

Schichtdicke der zu trocknenden Schicht

Variation der Auftragsmenge

Tabelle 10

Die Rezepturvarianten der caseingebundenen Streichfarben sind der folgenden Tabelle (Tabelle 11) zu entnehmen:

FG (%) M9 M10 M11 M12 M13 M14

P11 (Bindizil 830) 30 100 100 100 100 100 100

Milchsäurecasein B25 13.7 35 40 45 45 45 28

Latex B26 49,6 7

Glyoxal (Ethandial) 40 0,5 0,3

CS- basierter Vernetzer 10 0,3

pH-Wert Farbe 10.5 10.4 10.4 10.3 10.3 10.1

FG Farbe (%) 24.0 23.2 22.8 16.8 17,2 26,8

BV Spindel 4 4 4 5 5 4

BV 100 (unverdünnt) 1900 690 716 2600 2250 450



BV 100 verdünnte Farbe

Tabelle 11

Ergebnisse

Zunächst wurde geprüft, inwieweit das Mengenverhältnis von Pigment und Bindemittel einen Ein-fluss auf die cracking-Tendenz des Striches hat. Aus diesem Grund wurde der Bindemittelanteil zwi-schen 25 und 45 Teilen in den folgenden Rezepturen variiert (T2, T3, T4, T7, T8). Die Trockenbe-dingungen betrugen zunächst konstant 110°C, das Auftragsgewicht konstant 6 g/m². Als Ergebnis konnte kein Unterschied im Erscheinungsbild des crackings festgestellt werden.

Bei anspruchsvollen Formulierungen spielen häufig die Herstellungsbedingungen, insbesondere die Temperatur, eine signifikante Rolle so dass in weiteren Versuchen die Temperatur des Caseinbin-ders auf 40°C angehoben wurde. Auch dies blieb hinsichtlich der cracking-Tendenz erfolglos.

Reines Casein trocknet über den gesamten Temperaturbereich von 25°C bis 110°C rissfrei. Bei der Rezeptur M12, bei welcher Glyoxal als Vernetzer zugegeben wurde, zeigte sich eine Abhängigkeit des crackings von der Trockentemperatur bei konstantem Strichgewicht von 3 g/m²: Bis 70°C trat kein cracking auf, während bei 110°C eine Rissbildung auftrat . Die Ergebnisse waren jedoch bei mehreren Wiederholungen der Streichversuche nicht einwandfrei reproduzierbar. Bei den anderen Rezepturen traten über die gesamte Temperaturspanne Trocknungsrisse auf. Fazit: Milde Trock-nungsbedingungen können bei bestimmten Rezepturen zu verbesserten bzw. rissfreien Oberflächen führen. Bei speziellen Beschichtungen wird das in der Praxis zum Teil bereits so gehandhabt. Aller-dings sind Trockenbedingungen bei sehr niedrigen Temperaturen nicht ökonomisch und werden da-her in der Praxis ungern angewandt.

Aus der Beschichtung von Ink-Jet-Papieren ist bekannt, dass die Zugabe eines Härters die Rissbil-dung wesentlich reduzieren kann [24].

Aus diesem Grund wurden zwei Härter erprobt: Glyoxal sowie ein Härter auf Basis modifizierter Car-bonsäuren. Im vorliegenden Fall wurde die Rissbildung durch die Härter jedoch nicht verringert.

Bei der Streichfarbenherstellung bewirkte die Zugabe des Härters einen starken Anstieg der Viskosi-tät (BV 100 ca. 2500 mPas), so dass der Feststoffgehalt durch Wasserzugabe auf 16.8% gesenkt werden musste.

In der Praxis wird bei der Streichfarbenzubereitung der Härter kurz vor dem Auftrag per Bypass über einen statischen Mischer in den Streichfarbenstrom gegeben, so dass die Farbe nach der Zugabe innerhalb eines engen Zeitfensters am Curtain Coater verarbeitet werden kann (nur bei Streichag-gregaten ohne Streichfarbenrückführung).

Die Verringerung der Auftragsmenge auf bis zu 0,3 g/m² führt zum Teil zum Verschwinden der Trocknungsrisse. Diese Versuche konnten jedoch nicht zuverlässig reproduziert werden. Um solch niedrige Auftragsmengen mittels Curtain Coater zu realisieren, sind sehr niedrige Feststoffgehalte der Streichfarbe notwendig, da eine Mindestauftragsmenge erforderlich ist, um einen stabilen Vor-hang erzeugen zu können. Des Weiteren ist eine Mindestschichtdicke erforderlich um die Rauheiten des vorhergehenden Striches optimal abzudecken. Aus diesen Gründen kann das Problem nicht ausschließlich über die Reduzierung des Strichgewichtes gelöst werden.

Polyvinylalkohol und Latex als Bindemittel für Silikapigmente

Neben Casein wurde auch Polyvinylalkohol und Latex als Bindemittel für Silikapigmente erprobt. Hierfür wurde ebenfalls ein basisch dispergiertes Pigment (P9, pH ca. 9,8) gewählt.



Bei den Rezepturen M 5 bis M7 wurde der Anteil an Polyvinylalkohol variiert. Die Streichfarben wur-den hergestellt und pH-Wert und Viskosität gemessen. Alle Streichfarben hatten nach der Herstel-lung ein transparentes Aussehen. Die Folien wurden nach der Beschichtung im Trockenofen bei 110°C getrocknet. Danach erschien die Beschichtung matt und opak. Daraus geht hervor, dass sich mit dem Trocknungsvorgang Aggregate oder Strukturen bilden, die so groß sind, dass Licht daran gestreut wird. Die REM-Aufnahmen bestätigten diese Annahme (Abb. 15).

Die Streichfarben sind von generellem Interesse für die gesuchte Anwendung, sind aber ohne weite-re Modifizierung nicht einsatzfähig.

Abb. 15

Die klare Beschichtungsmasse wurde in ein Reagenzglas gegeben und unter heißem fließendem Leitungswasser erwärmt. Unmittelbar nach der Erwärmung wurde die Streichmasse milchig trüb. Die Veränderung erwies sich nach Abkühlung als reversibel. Nach einem Tag Lagerung bei Raumtem-peratur wurde eine Phasentrennung (opake und transparente Phase) sichtbar. Die Streichfarbenfor-mulierung besitzt somit eine niedrige thermodynamische Stabilität

Fließgrenzen kaolinhaltiger Streichfarben

Für die im Projekt verwendeten Streichfarben war es von großem Vorteil, wenn sie keine Fließgren-ze aufwiesen, so dass eine gute Nivellierfähigkeit gegeben war [21]. Deshalb wurde bei verschiede-nen Streichfarben die Fließgrenze bestimmt.

Für die Konzipierung selbstnivellierender Streichfarben konnten allgemeingültige Regeln evaluiert werden, die bei weiteren Entwicklungsarbeiten beachtet werden sollten. Es wurden 10 Streichfarben bezüglich einer Fließgrenze nach Herschel-Bulkley untersucht. Generell treten Fließgrenzen dann auf, wenn die Feststoffkonzentration einen gewissen Wert überschritten hat [20]. Von besonderem Interesse sind Pigmentmischungen, welche Kaolin enthalten, da Kaolin naturgemäß zur Strukturbil-dung neigt.

Die nähere Betrachtung der Werte der Streichfarben V2.3, V2.8, V2.9 und V2.10 in Abb. 12 zeigte, dass das Vorhandensein einer Fließgrenze eine signifikante Auswirkung auf die Glätte haben kann. Die Streichfarben enthielten jeweils 50 Teile Carbonat und 50 Teile Kaolin.

V2.3 V2.8 V2.9 V2.10

FG (%) 48,7 63 68 51

BV 100 630 400 740 700

WRV (SD-Warren)

13,8 33,8 47,2 18,6

Fließgrenze keine 5,3 4,8 8,8

Tabelle 12



Die erhöhten Rauheitswerte der Rezeptur V2.10 wurden vermutlich durch das niedrige Wasserrück-haltevermögen WRV und das gleichzeitige Auftreten der Fließgrenze verursacht.

Ein niedriges WRV führt dazu, dass das in der Streichfarbe enthaltene Wasser vom Rohpapier auf-genommen wird, ehe sich der Strich nivellieren kann, was eine Zugabe von Cobindemittel oder WRV-Regler erfordert.

Abhängigkeit der Fließgrenze vom Anteil an Kaolin

-0,5

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

4,5

0 20 40 60 80 100

Anteile Kaolin zu PCC

Bu

lkle

y-F

ließ

gre

nze

[P

as

]

aspect ratio 60:1

aspect ratio 40:1

Abb. 16

Bei der Mischungsreihe mit steigendem Anteil an Kaolin (Aspekt ratio 40:1, steigender Feststoffge-halt) war nur bei der Streichfarbe mit 100 Teilen Kaolin eine scheinbare Fließgrenze von 0,58 Pas messbar. Hingegen beim Einsatz eines Kaolins mit höherem Aspekt ratio (60:1) war bei einem we-sentlich geringerem Anteil Kaolin bereits eine Fließgrenze messbar.

Der Vergleich von zwei 50:50 Mischungen mit gleichem Kaolin, jedoch unterschiedlichem Basispig-ment zeigt, dass die Fließgrenze etwa die gleiche Größenordnung besitzt (vgl. Tabelle 8, Rezeptu-ren V2_6 und V2_8). Als Daumenregel kann gelten: Um eine Fließgrenze in der Streichfarbe zu vermeiden, kann entweder ein Kaolin mit geringerem aspect ratio gewählt werden oder der Fest-stoffgehalt verringert, wenn ein genügend feines Pigment als Basispigment gewählt wurde.

7 Streichversuche auf Referenzsubstrat

Die bei den vorangegangenen Untersuchungen festgelegten Streichfarbenrezepturen wurden auf das Referenzsubstrat S2 mittels Drahtrakel aufgetragen und bei 100°C für 90s getrocknet. Die Folien wurden klimatisiert, anschließend wurde die Rauheit nach Parker-Print-Surf gemessen. Dabei wurde davon ausgegangen, dass die gemessene Rauheit bei den beschichteten Folien sich kumulativ aus zwei Faktoren ergibt:

Rauheit, erzeugt durch die Pigmente

Nivellierfähigkeit der Bindemittel als Ausgleich der Rakelstreifen



Mit der Auswertung wurde die Auswirkung des Bindemitteltyps auf die Nivellierfähigkeit der Streich-farbe betrachtet.

Im zweiten Schritt wurden die Folien bei verschiedenen Trockenbedingungen getrocknet. Bei nahezu wasserdichten Substraten kann das Wasser in der Beschichtung ausschließlich nach oben entwei-chen, so dass sich im Verlauf der Trocknung ein Konzentrationsgradient innerhalb der Schicht auf-baut. Bei harter Trocknung führte dies zu Spannungszuständen und Hautbildung auf der Oberfläche und die Beschichtungen waren in diesem Zustand anfällig für Riss- und Strukturbildung. Um diese Einflüsse ggf. beobachten zu können wurde die Verdampfungsrate jeweils gedrosselt und bei feuch-tem Klima über einer Wasserschale getrocknet. Es wurden vier verschiedene Trocknungsbedingun-gen eingestellt:

100°C über Wasserschale ohne Belüftung

100°C mit Belüftung

40°C über Wasserschale ohne Belüftung (Dauer nach Bedarf)

40°C mit Belüftung (Dauer nach Bedarf)

Mit der Auswertung wurde der Einfluss der Trocknungsbedingungen auf die Glätte der Striche be-wertet.

Glätte Vorstriche auf Referenzsubstrat S1

0

1

2

3

4

5

6

B1 B2 B3 B1 B4 B5 B6 B7 B9 B3 B4 B6 B7 B6 B6 B1 B1 B6

S1 P1 P3 P4 P6 P7 P14 P9

pp

s

Abb. 17

Bei Betrachtung der Auftragung in Abb. 17 stellt man fest, dass die Bindemittel B6 und B7 (Polyvi-nylalkohol sowie Ethylenvinylalkohol) einen Einfluss auf die Glätte von pigmenthaltigen Strichen ha-ben. Bei den angewandten Trocknungsbedingungen war bei den beiden Bindemitteln eine deutlich größere Rauheit festzustellen. Ob die Rauheitsentwicklung aus einer mangelnden Nivellierfähigkeit oder einer Strukturbildung resultiert, wurde im Folgenden über die Variation der Trocknungsbedin-gungen untersucht.



0,00

0,50

1,00

1,50

2,00

2,50

110

f

110

t

40 t

40f

110f

110t 40t

40f

110t 40t

110f

110t 40

f

40t

110f

110t 40

f

40t

110f

110t 40

f

40t

110f

110t 40

f

40t

110f

110t 40

f

40t

110f

110t 40

f

40t

S1 B13 B16 B4 B5 B9 B10 B7 B8 B17

pp

s [

µm

]

Die Untersuchungen lassen nur eine eindeutige Aussage zu: Ethylenvinylalkohol bildet bei milden Trocknungsbedingungen (blaue Balken, 40°C) ebenmäßigere Filme als bei hohen Temperaturen (orangefarbene Balken, 110°C). Dies kann im Wesentlichen zwei Ursachen haben:

Der Film hat länger Zeit sich zu nivellieren, da die Trocknung wesentlich langsamer vorangeht.

Die Trocknungskinetik hat einen wesentlichen Einfluss auf die Oberflä-chenstrutkur der Beschichtung [24].

0,00

1,00

2,00

3,00

4,00

5,00

6,00

7,00

sat

unsa

tsa

tun

sat

sat

unsa

tsa

tun

sat

sat

unsa

tsa

tun

sat

sat

unsa

tsa

tun

sat

sat

unsa

tsa

tun

sat

sat

unsa

tsa

tun

sat

sat

unsa

tsa

tun

sat

sat

unsa

tsa

tun

sat

unsa

tun

sat

sat

unsa

tsa

tun

sat

sat

unsa

tsa

tun

sat

sat

unsa

t

S7S1 P1 P2 P3 P6 P7 P14 P1 P4 P3 P4 P3 P4 P3 P4 P6 P7 P9 P14 P3 P4 P3 P4

B1 B3 B4 B5 B6 B7 B9

Abb. 18: Glätteffekt des Kalanders

Die Glättwirkung der Satinage kommt abhängig vom Bindemittel bei gleichem Pigment unterschied-lich zum Tragen. Die Bindemittel B6, B7 und B9 lassen eine hohe Glättung durch die Satinage zu.



8 Analytik der Oberflächenrauheit und Topografie

Zunächst wurde mittels der Meßmethode nach Parker-Print-surf die Rauheit der beschichteten Fo-lien mit der Rauheit der beschichteten Papiere verglichen. Das Auftragsgewicht der Streichfarbe be-trug jeweils 10 g/m². Als Bindemittel wurde für alle Streichfarben 10 Teile SB-Latex eingesetzt.

Die Möglichkeiten zur Erfassung und Beschreibung der Topografie von Papieren wurde mit dem Fraunhofer IPMS diskutiert. Von den Strichen unterschiedlicher Pigmente auf den beiden verwende-ten Substraten, erschienen REM-Aufnahmen im SE-Modus sinnvoll, um die Topografie der Oberflä-chen im Hinblick auf deren Eignung als Substrat für organische Elektronik beurteilen zu können.

Optische Abtastverfahren können naturgemäß Unebenheiten in der Größenordnung des sichtbaren Lichts (etwa 400 – 700 nm) nicht auflösen. Die Ergebnisse dieser Methoden erlauben demnach kei-ne Aussage über die Eignung der Substrate. Zudem liefern Untersuchungen auf Basis der Lichtmik-roskopie (Infinite-Focus, Alicona) bei zerklüfteten (Rohpapier und Pigmentstrich) und glänzenden Oberflächen stark fehlerhafte Bilder. Das Rasterelektronenmikroskop hingegen ermöglicht sowohl einen guten Überblick über größere Teile der Oberfläche als auch Detailaufnahmen und bildet über den Sekundärelektronenkontrast (SE-Modus) die Topografie der Oberfläche ab. Für die Berechnung topografischer Kenngrößen sowie für die Erfassung der Topografie in der notwendigen Auflösung eignet sich ausschließlich das Rasterkraftmikroskop, dessen Anwendung erst bei mehrlagig be-schichteten Mustern sinnvoll ist.

Glätte Papier gestr. bei 10 T SB-Latex, Auftrag 10 g/m² im Vergleich zu gestrichener Folie

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

4,5

P F P F P F P F P F P F P F

Referenz grobes GCC feines GCC Nadeln Kaolin(60:1)

Kaolin(40:1)

delam.Kaolin

pp

s [µ

m]

Abb. 19

Bewertung der Rauheitsmessung

Die dargestellten Messwerte in Abb. 19 zeigen, dass feines GCC einen sehr glatten Strich erzeugt, nadelförmiges, gefälltes PCC jedoch die für das gewählte Rohpapier bestmögliche Abdeckung lie-fert, da die Rauheitswerte von Folie und Papier gleich sind. Bei Verwendung von Kaolinen spielt (er-wartungsgemäß) der aspect ratio eine gravierende Rolle. Plättchenförmige Pigmente mit „mittlerem“ aspect ratio stellen bezüglich der optimalen Abdeckung der Papierstrukturen offenbar ein Optimum dar.

Erfassung der Topografie mittels SE-Bildern (siehe Tabelle 13)



GCC P2 PCC P3 PCC P4 GCC P5 unsatiniert

GCC P5 satiniert Acryllack B13 EVOH B7 Casein/SIO2

Org.-anorg. com-pound B16

Schellack B17

Tabelle 13

Topografie Pigmentstriche: Die Oberflächen des gemahlenen Calciumcarbonates (P2, P5) erzeu-gen eine im Bezug auf die Anwendung wesentlich „komplexere“ Topografie. Die Oberflächen wirken sehr zerklüftet, die Pigmente können sich aufgrund ihrer stark unregelmäßigen Form nur wenig aus-richten. Kanten und Spitzen der Pigmentpartikel, welche aus der Oberfläche ragen, erschweren eine Abdeckung durch den Curtain Coater, da im Vorhangstreichprozess ein Konturstrich erzeugt wurde.

Einen wesentlichen Vorteil bringen hier gefällte Pigmente mit sich, die durch ihre regelmäßige Ober-fläche einen höheren Grad der Ausrichtung erreichen (P4, P5). Dieser Zusammenhang wird bestä-tigt, wenn die Topografie der Pigmentstriche P4 (Nadeln) und P5 (Rhomboeder) miteinander vergli-chen werden: Je weniger Freiheitsgrade (Möglichkeiten) die Teilchen haben, sich bezüglich ihrer Symmetrie auszurichten, umso geschlossener und ebenmäßiger wird die Oberfläche, die sie ausbil-den. Die Vorteile des Bladestreichens kommen bei der Verwendung gefällter Pigmente mit einfacher Geometrie für die erstrebte Anwendung voll zum Tragen.



Topografie Mittel- und Topstriche: Trotz der bei den Voruntersuchungen aufgetretenen Probleme caseinhaltiger Streichfarben, wurde die Topografie nochmals in höherer Auflösung betrachtet. Die Annahme, dass caseinhaltige Streichfarben als Trägerschicht für organische Elektronik hohes Po-tential haben bestätigt die Aufnahme. Die Schicht ist äußerst rein und frei von Partikeln. Im Allge-meinen kann gesagt werden, dass die zu Beginn des Projektes befürchtete Strukturbildung der po-lymeren Schichten eine untergeordnete Rolle spielt. Bei Betrachtung der Filme wird deutlich, dass die Reinheit der Beschichtungsmassen (B13) sowie eine staubfreie Umgebung während der Be-schichtung und Trocknung ein gravierendes Problem darstellt. Die Filme weisen eine sehr hohe Glätte auf, enthalten aber zum Teil Unreinheiten und Partikel die unnötig Rauheiten erzeugen.

9 Rückseitenbehandlung gg. Gleiten, Stauben und Kratzen sowie Analytik der Gleiteigenschaften

9.1 Rückseitenbeschichtung

Mit der Rückseitenbeschichtung wurden zwei verschiedene Ansätze verfolgt:

1. Umhüllung und Bindung der Fasern - die Topografie der Faserstruktur bleibt somit erhalten; die Gleiteigenschaften verbessern sich, so dass die Oberfläche nicht verkratzt wird.

2. Die Streichfarbe wurde strukturiert aufgetragen (Drahtrakel), es wurden jedoch Pigmente mit guten Gleiteigenschaften (Talkum P15) eingesetzt. Als preiswertes Bindemittel kann Stärke ein-gesetzt werden. Damit möglichst wenig von der Stärke aus der Streichmasse in das Rohpapier eindringt, und es so während des Streichens zu einer Verarmung an Bindemittel in der Streich-farbe kommt, wurde eine nicht-ionische, thermisch modifizierte Maisstärke mit geringem Abbau-grad und hoher Viskosität gewählt (B11).

Es wurden im ersten Schritt 5 Beschichtungsmassen (B 4, B9, B15, B20, B21, vgl. Tabelle 14) sowie eine Streichfarbe aus Talkum und Stärke (R1, 100T / 100T) auf Foliensubstrat (jeweils 5 Bögen) aufgetragen (ca. 6-7 g/m², Trocknung 110°C) und anschließend im Stapel im Klimaraum gelagert. Tabelle 15 zeigt die Bewertung der verschiedenen Rückseitenbeschichtungen.

Streichmassen für Rückseitenbeschichtung

FG[%] R1 B4 B9 B15 B20 B21

Pigment Talkum (P15) 99,4 100 Beschichtungsmittel B4 100 B9 100 B14 B15 100 B20 100 B21 100 Bindemittel Stärke (B11) 25,2 100



Hilfsmittel Dispergiermittel (B22) 45 0,35 Netzmittel (B23) 100 0,3 Streichfarbendaten Feststoffgehalt/nichtfl. Anteil (%); z. T. Angabe d. Herst.

39,8 47,1 57,3 30 40 k.A.

Brookfield 100 [mPas] 1150 490 630 pH-Wert 8,4 8,7 4,3 5,7 6,3 4,8-

5,2

Tabelle 14

Bewertung

B4 Styrol-Acrylat-Dispersion Strukturbildung, spröde

B9 Vinyl-Acetat-Copolymer Sehr glatt, leichte Blockung

B15 Silikonwachs Wachsartige Oberfläche, bei sehr dünnem Auftrag auf Rohpapier ggf. sehr gute Gleitei-genschaften + hydrophob!

o.k.

B21 Emulsion Polydimethylsi-loxan

Wachsartige Oberfläche mit Strukturbildung, bei sehr dünnem Auftrag auf Rohpapier ggf. sehr gute Gleiteigenschaften + hydrophob!

o.k.

B20 Aminosiloxan Makroem. Sehr glatte, wachsartige Oberfläche (etwas klebrig, ggf. gut bei geringem Auftrag)

o.k.

R1 Stärke/Talkum Gut Strukturiert nach Rakelauftrag, gute Gleiteigenschaften bekannt

o.k.

Tabelle 15: Bewertung der Rückseitenbeschichtung

9.2 Bewertung der Scheuerfestigkeit der Topbeschichtungen gegen die jeweilige Rückseitenbeschichtung

Zur Durchführung der Scheuertests wurden die besten 5 Topbeschichtungen (B17, B8, B10, B13, B16) für die weiteren Untersuchungen ausgewählt und auf jeweils 10 Bögen Foliensubstrat aufge-tragen. Mit den hergestellten Mustern wurden Scheuertests mit dem Prüfbau Scheuertester durchge-führt.

Eine Übersicht über die Gegenüberstellung der Beschichtungen gibt die folgende Tabelle 16:

1 Talkum / Schellack R1/ B17 2 Talkum / EVOH R1/ B8 3 Talkum / PU-Acryl R1 / B10 4 Talkum / Acryllack R1 / B13 5 Talkum / org.-anorg. Compound, selbstvernetzend R1 / B16



6 Polydimethylsiloxan / EVOH B21 / B8

7 Polydimethylsiloxan / org.-anorg. Compound, selbstver-netzend B21 / B16

8 Polydimethylsiloxan / Acryllack B21 / B13 9 Polydimethylsiloxan / PU-Acryl B21 / B10 10 Polydimethylsiloxan / Schellack B21/ B17 11 Silikonwachs / Schellack B15 / B17 12 Silikonwachs / EVOH B15 / B8 13 Silikonwachs / PU-Acryl B15 / B10 14 Silikonwachs / Acryllack B15 / B13 15 Silikonwachs / org.-anorg. Compound, selbstvernetzend B15 / B16

16 Makroemulsion Aminosiloxan / org.-anorg. Compound, selbstvernetzend B20 / B16

17 Makroemulsion Aminosiloxan / Schellack B20 / B17 18 Makroemulsion Aminosiloxan / Acryllack B20 / B13 19 Makroemulsion Aminosiloxan / PU-Acryl B20 / B10 20 Makroemulsion Aminosiloxan / EVOH B20 / B8

Tabelle 16

Zur Bewertung der Scheuerprüfung mittels Rauheit nach Parker-Print-Surf waren sind die Prüfflä-chen nicht groß genug. Alternativ wurde zunächst versucht, mittels Glanzmessung nach Byk Garde-ner Ergebnisse zu erzielen. Die Werte lieferten jedoch keine zuverlässigen Aussagen, da die Er-scheinungsbilder der gescheuerten Muster sehr unterschiedlich waren. Prinzipiell konnten die Er-scheinungsbilder der geprüften Oberflächen durch optische Beurteilung folgendermaßen klassifiziert werden (Benennung der Muster siehe Tabelle 16):

Flächige Beanspruchung (Muster 5, 7, 8, 10, 14, 17) = schlecht

Abtragung der Beschichtung an wenigen Stellen (Muster 2, 6, 20) = am besten; es wird davon ausgegangen, dass der Abtrag der Beschichtung mit der Beschichtung auf Foliensubstrat zusammenhängt.

Flächige Beanspruchung + feine Abtragung der Beschichtung an vielen Stellen (Muster 3, 9, 11, 13, 19) = am schlechtesten, deutlich nicht kratzfest

Sehr wenige Kratzer (Muster 1, 12, 15, 16, 18); gut; Kratzer können auch auf Un-reinheiten und Stäube auf der Oberfläche zurückzuführen sein.

Die Muster wurden der Reihe nach gegeneinander verglichen und folgendermaßen bewertet: 2 = besser als das Vergleichsmuster, 1 = beide gleich gut, 0= das Vergleichsmuster ist besser.

Aus der Bewertung durch paarweisen Vergleich wurde eine deutliche Abstufung in der Kratzfestig-keit erkennbar, je höher der Punktwert, umso kratzfester war die Topbeschichtung bzw. umso geeig-neter die Rückseitenbeschichtung). Eine klare Gruppierung der Rückseiten- bzw. Vorderseitenbe-schichtungen war jedoch nicht erkennbar.

Dies deutet darauf hin, dass zwischen Rückseiten- und Vorderseitenbeschichtung ein individuelles Zusammenwirken besteht.

Die Ergebnisse sind in der folgenden Grafik (Abb. 20) dargestellt.



0

5

10

15

20

25

30

35

40

R1/B

10

R1/B

16

B20

/ B

13

B20

/ B

17

B1

5 /

B8

B15

/ B

17

R1 /

B13

B15

/ B

13

B21

/ B1

7

B20

/ B

16

B21

/ B

16

B21

/ B

10

B15

/ B

16

B21

/ B

13

B15

/ B

10

B2

1 /

B8

B2

0 /

B8

R1/ B

8

B20

/ B

10

R1/ B

17

Abb. 20

Aus den Punktwerten der jeweiligen Rückseiten- bzw. Vorderseitenbeschichtung wurden daher die arithmetischen Mittelwerte gebildet, um die Beschichtungen qualitativ etwas unterscheiden zu kön-nen (vgl. Abb. 21 und Abb. 22).

Vergleich Rückseitenbeschichtung

18,0

18,5

19,0

19,5

20,0

20,5

B15 B21 R1 B20

Abb. 21: Ergebnisse des paarweisen Vergleiches nach Prüfung der Scheuerfestigkeit: Vergleich der Rückseitenbeschichtung



Vergleich Topbeschichtungen

10,0

12,0

14,0

16,0

18,0

20,0

22,0

24,0

B13 B16 B10 B17 B8

Abb. 22: Ergebnisse des paarweisen Vergleiches nach Prüfung der Scheuerfestigkeit: Vergleich der Topbeschichtung

Als besonders günstig erwiesen sich folgende Materialkombinationen:

Rückseitenbeschichtung R1 (Talkum) mit Topbeschichtung B8 (Ethylenvinylalkohol) und B17 (Schellack)

Rückseitenbeschichtung B20 (Wachsemulsion)

Im Bezug auf die Kratzfestigkeit sind Ethylenvinylalkohol, Schellack sowie die erprobte PU-Acryl-Dispersion für den Einsatz als Topbeschichtung empfehlenswert.

10 Kombination der Strichschichten - Schichtaufbau

Die für die Pilotversuche gewählten Pigmente P2, P3, P4 und P5 wurden mit dem aus dem Scheuer-test besten Deckstrichen kombiniert. Bei allen Vorstrichfarben wurde das gleiche Bindemittel einge-setzt, um die Vergleichbarkeit zu gewährleisten (Latexbinder auf Basis von n-Butylacrylat, B3). Die Streichfarbenrezepturen V6_1 bis V6_4 sind in Tabelle 17 aufgeführt.

Solids [%] V6_1 V6_2 V6_3 V6_4 Pigmente HC95 (P2) 78,0 100 PCC Nadeln (P3) 70,0 100 PCC Rhomboeder (P4) 41,0 100 Econocarb T200 (P5) 73,0 100 Bindemittel B3 50,0 10 10 10 10 Feststoffgehalt (%) 74,2 65,2 41,3 69,0 Brookfield 100, sp 4 620 510 600 550 pH-Wert 8,5 8,5 8,4 8,4

Tabelle 17



Jede der Vorstrichrezepturen wurde jeweils mit fünf Topbeschichtungen gecoatet und somit 4 x 5 = 20 Papiermuster erhalten. Als Topstriche wurden die Rezepturen M4 (Tabelle 9), die Beschichtun-gen B8, B17 und B10, B16 und B13 (Tabelle 2).

Die Topstriche wurden mittels Filmziehrahmen aufgezogen (300 µm Naßfilmdicke). Anschließend wurden die mehrfach beschichteten Muster mittels REM beurteilt.

Die Beschichtung mit selbtvernetzenden anorg.-org. compound (B16) zeigt eine durchweg unregel-mäßige Oberflächen mit Löchern und Bläschen (vgl. Fehler! Verweisquelle konnte nicht gefun-den werden.). hier Bilder noch einfügen

Das Produkt hat eine wasserähnliche Viskosität , so dass es stark in die Oberfläche eindringt (gerin-ger hold-out). Die Bläschen sind sehr wahrscheinlich das Reaktionsprodukt einer Säure-Base-Reaktion, die mit den Carbonatpigmenten zustande kam: Bei einem pH-Wert der Streichmasse von etwa 4,5 – 5,0 kommt es bei der im Labormaßstab verhältnismäßig langsamen Trocknung zu einer übermäßigen Reaktion mit den Carbonatpigmenten, bei der sich Kohlendioxid an der Grenzfläche bildet. Das Problem könnte künftig behoben werden, indem Polyvinylalkohol als Trennschicht unter-legt wird.

Die PU-Acryldispersion (B10) weist eine starke Unverträglichkeit mit den vorgestrichenen Papieren auf. Bereits während des Auftragens bildete sich ein klebriger Film. Bei dickeren Schichtdicken traten deutliche Risse an der Oberfläche auf. Durch eine Zwischenlage von Polyvinyl- oder Ethylenvinylal-kohol könnte sich die Dispersion jedoch als geeignet erweisen.

Die Oberflächen, welche mit hochglänzendem Acryldrucklack (B13) (vgl. Abb. 23 und Abb. 24) sowie mit Schellack (B17) beschichtet wurden, sind von ganz unterschiedlicher Qualität (vgl. Abb. 25 und Abb. 26).

Abb. 23

Abb. 24

Abb. 25

Abb. 26

Der Acryllack scheint grundsätzlich sehr gute und glatte Oberflächen auf den Pigmentstrichen er-zeugen zu können, enthält jedoch viele Verunreinigungen die die Oberflächengüte wesentlich bein-trächtigen.



Generell spielt die Viskosität der Produkte eine wesentliche Rolle für die Güte der Abdeckung und des Levellings. Der Zusammenhang wird augenscheinlich, vergleicht man die Oberflächengüte von Schellack (Abb. 25, Abb. 26) und EVOH (Abb. 27).

Ethylenvinylalkohol liefert zuverlässig glatte Oberflächen

Die Beschichtung mit Ethylenvinylalkohol EVOH (B8) lieferte auf allen Vorstrichen V1-V7 eine glei-chermaßen ebenmäßige Abdeckung sowie eine defektfreie Oberfläche (vgl. Abb. 27).

Abb. 27

Die Beschichtungsprodukte B13 (Hochglanzacryllack) und B17 (Schellack) sind kommerziell verfüg-bare Produkte mit wässriger Viskosität. Sie bilden deshalb auf Folie eine mit Ethylenvinylalkohol ver-gleichbare glatte und geschlossene Oberfläche. Streichfarben, die auf porösem und saugfähigem Untergrund aufgetragen werden, benötigen jedoch ein Mindestmaß an Wasserrückhaltevermögen (WRV). Das WRV einer Beschichtungsmasse ergibt sich aus dem Wasserbindevermögen der zuge-setzten/verwendeten Polymere und ist demnach an eine gewisse Viskosität gekoppelt. Die nieder-viskosen Produkte B13 und B17 werden durch die Kapillarkräfte schnell von der porösen Pigment-schicht aufgenommen und tragen somit wenig zur Reduktion der Rauheit bei. Im Gegensatz dazu ermöglicht die EVOH-Beschichtung (BV 100 ca. 400 mPas) durch ein gutes WRV ein gutes Levelling und eine gute Abdeckung des Pigmentstriches.



11 Untersuchung der Einflüsse von Trocknung und Streichaggregat

Die Erfahrung aus der Praxis sowie aus den vorangegangenen Arbeitspaketen zeigt, dass für die Vorstriche ein Auftrag mittels Bladecoater sinnvoll ist. Bei den Vorstrichen mit verhältnismäßig gro-ßer Rauheit ist davon auszugehen, dass die Variation der Trocknungsbedingungen keine signifikan-ten Unterschiede im Strichbild erzeugt. Bei den Deckstrichen, welche per Curtain Coater aufgetra-gen werden, sind enorme Effekte zu erwarten. Da die Beschichtung mit Ethylenvinylalkohol für die weitere Anwendung bisher vielversprechende und zielführende Ergebnisse lieferte, wurden die Pilot-versuche mit EVOH (B8) durchgeführt. Da EVOH und PVA Filmbildner sind, spielt die Einstellung der Trockenpartien eine besonders wichtige Rolle [24].

In der folgenden Tabelle (Tabelle 18) sind die durchschnittlichen Bahntemperaturen in den einzelnen Trockenabschnitten dargestellt:

Tr1 Tr2 Tr3

IR 1 bis 4 55 °C 55 °C 63°C

Air foil 3 87°C 131°C 88°C

Strichgewicht 10,6 g/m² 20,4 g/m² 10,3 g/m²

Oberflächenbild Risse glatt Blasen

Tabelle 18

Die aus der Trocknung resultierenden Oberflächenstrukturen (transparenter Beschichtungen) kön-nen unter dem Mikroskop sehr gut sichtbar gemacht werden, indem man sie einfärbt. Im vorliegen-den Fall war ein einfacher Filzstift ausreichend (Geha super formy 204), vgl. Tabelle 19.

Tr1 Tr2 Tr3 Erscheinungsbild Keine gute Abde-

ckung (wolkig), matte, glatte Ober-

fläche

Gute Abdeckung, glänzend matte

Oberfläche

Gut abgedeckt, glänzend glatt, Mik-roblasen –Blistern!



Mikroskop-Bilder Ver-größerung 80-fach, die Oberfläche wurde ge-färbt, um die Strukturen sichtbar zu machen

Tabelle 19

Die harte Trocknungsführung zu Beginn der Trocknung führte bei Tr3 vermutlich zu einer raschen Bildung eines dicken Filmes ab der Oberfläche. Der Film hielt den auftretenden Spannungen stand, jedoch führte der in der restlichen Trockenstrecke austretende Wasserdampf zur Blasenbildung. Die gleichmäßige und gemäßigte Trocknung bei Tr1 führte dazu, dass sich nur eine dünne Haut an der Oberfläche bilden konnte, welche den in der Strichschicht auftretenden Schubspannungen (Kon-zentrationsgradiend in z-Richtung!) nicht standhalten konnte und es so zur Rissbildung kam. Dabei ist zu bedenken, dass bei Versuch Tr2 die Geschwindigkeit des Coaters nur etwa halb so hoch war, als bei den beiden anderen Versuchen (doppeltes Strichgewicht). Die Verweildauer einer Flächen-einheit unter dem IR-Trockner dauerte also doppelt so lang. Über der Strichschicht bildet sich im IR-Trockner eine Schicht aus Wasserdampf (geringe aktive Belüftung), die die weitere Trocknung dros-selte, so dass für das Wasser im unteren Bereich des Striches genügend Zeit verblieb um an die Oberfläche zu diffundieren. Der Konzentrationsgradiend in z-Richtung wurde somit gering gehalten, so dass geringe oder gar keine Schubspannungen innerhalb der Schicht auftraten.

12 Übertragung der Ergebnisse auf die Versuchsstreichanlage

Als Rückseitenbeschichtung wurde für alle Versuche die Beschichtung R1 gewählt, da sie sich im Arbeitspaket 5 als geeignet erwies. Das Pilotprogramm zeigt Tabelle 20. Die Strichschicht sollte, wie bei den Laborversuchen strukturiert sein, so dass als Auftragsaggregat ein Rollrakel gewählt wurde. Die ideale Viskosität für den Auftrag mittels Varibar beträgt bei etwa 1200 mPas (Brookfield 100), so dass die Streichfarbe keiner weiteren Anpassung bedurfte.

Tabelle 20

Tabelle 21



Das Pilotprogramm für die Vorstriche zeigt Tabelle 21. Die Streichfarben V1 – V8 wiesen eine für das Bladestreichaggregat zu niedrige Viskosität auf. Die Streichfarben wurden im Labor hergestellt und mittels Verdicker (B24) auf eine Brookfieldviskosität von ca. 1000 gebracht.

Des Weiteren wurde das Wasserrückhaltevermögen nach SD-Warren geprüft. Die Messwerte sollten für die Verwendung an der Anlage bei mindestens 40 Sekunden liegen.

Die Streichmassen für den Top-Strich (B8, B13, B10, B16, B17) wurden für den Auftrag am Curtain Coater hinsichtlich ihrer Vorhangstabilität geprüft. Die Vorprüfung wurde im Labor durchgeführt, in-dem ein Film über eine Glasplatte gegossen wurde. Blieb der Film geschlossen, so konnte dies als erster Anhaltspunkt gewertet werden, dass die Streichmasse im Curtain Coater einen stabilen Film bildet.

V1 V2 V3 V4 V5 V6 V7 V8

FG(%) 74,2 73,8 65,2 62,5 41,3 40,6 69,0 69,5

BF 100 vorher

620 690 510 490 420 480 550 580

B24 (Teile)

0,2 0,2 0,2 0,3 0,2 0,2 0,15 0,2

BF nachher

1040 1020 920 1140 820 760 1200 1050

WRV SD-Warr.

42 39 35 45 32 31 40 42

Tabelle 22

An der Streichanlage waren bei gleicher Rezeptur etwas niedrigere Viskositäten zu erwarten, da die Streichfarben höheren Scherraten ausgesetzt sind.

Deckstriche

Ethylenvinylalkohol (B8) ist unter Zusatz von Netzmitteln, z. B. Zonyl FSN oder Surfynol SEF curtain-fähig. Es lagen hierzu bereits die nötigen Erfahrungswerte vor (siehe AP 7). Bei den übrigen Produk-ten handelte es sich um einsatzfähige kommerzielle Produkte, deren weitere Modifizierung bezüglich Viskosität und Oberflächenspannung zum Teil erfolglos blieb.

B10: Mit einer Brookfieldviskosität (Spindel3) bei 100 rpm von 540 mPas bietet das Produkt gute Voraussetzungen. Die Verträglichkeit mit dem Netzmittel Zonyl FSN war gegeben (keine Flockung, Aggregate). Durch Zugabe des Netzmittels bildete sich über einer schrägen Glasplatte ein Film von etwa 8 cm Länge aus. Am Laborcurtaincoater konnte jedoch auch nach Zugabe entsprechender Ad-ditive kein stabiler Vorhang erzeugt werden.



B13/B16: Die Viskosität der beiden Zubereitung ist ähnlich zu der von Wasser. Zur Erhöhung der Viskosität wurden zunächst verschiedene Verdicker zugegeben (Sterocoll DF3X, Sterocoll FS, Ste-rocoll BL ). Die Produkte waren damit jeweils nicht mischbar und es trat keine verdickende Wirkung ein. Die Verträglichkeit mit Zonyl FSN war gegeben. Über der schrägen Glasplatte bildete sich kein geschlossener Film aus.

B17: Die Schellackzubereitung hat eine wasserähnliche Viskosität. In wässriger Lösung kann Schel-lack maximal eine Konzentration von 30% erreichen, so dass über die Feststoffkonzentration keine Erhöhung der Viskosität erzeugt werden konnte.

Eine Verdickung kann mit Glycerin erfolgen (dadurch verändern sich jedoch die filmbildenden Eigen-schaften negativ). Standardverdickungsmittel zeigten keine Wirkung und sind keine erstrebenswerte Lösung. Die Zubereitung reagierte unmittelbar nach Zugabe von Netzmitteln oder Verdickungsmit-teln mit Phasentrennung und Flockung. An der schrägen Glasplatte bildete sich kein zusammenhän-gender Film aus.

Fazit

Aus den bisherigen Ergebnissen wird klar, dass die kommerziell verfügbaren Produkte das Potential mitbringen, hochglatte Oberflächen bis in den Nanobereich zu erzeugen. Die Produkte sind jedoch für die Substratbeschichtung für gedruckte oder aufgedampfte organische Elektronik nicht ausgelegt und bedürfen einer speziellen Modifizierung der gesamten Formulierung. Der Einsatz von struktur-verdickenden Mitteln (Hochleistungsverdicker) kann insofern keine gute Lösung sein, da hier das Ni-vellierungsverhalten der Flüssigkeiten maßgeblich beeinflusst wird (Struktur!).

Um eine potentielle Eignung auch im Praxistest prüfen zu können, wurde in diesem Fall von der Be-schichtung durch den Curtain Coater abgesehen und die Beschichtung der an der Pilotanlage vor-gestrichenen Muster im Labormaßstab durchgeführt. Die Aufnahmen im vorhergehenden Arbeitspa-ket zeigen, dass im Labor mittels Filmziehrahmen genügend glatte Oberflächen erzeugt werden können. Dass Stäube und Schmutz unter normalen Raumbedingungen auf die Oberfläche kommen, musste aktuell hingenommen werden, da die Beschichtung im Reinraum nicht möglich war.



13 Durchführung von Beschichtungsversuchen auf der Versuchsstreichanlage

Die Rezepturen zu den Versuchen an der Pilotanlage sind in den folgenden Tabellen aufgeführt (Tabelle 23, Tabelle 24)

R=Rückseitenstrich + Rollen-nummer

Solids [%]

R1 R2 R3 R4 R5 R6 R7

Pigmente Talkum (P15) 99,4 50 50 50 50 50 50 50 Bindemittel Stärke (B11) 24,9 50 50 50 50 50 50 50 Hilfsmittel Dispergiermittel (B22) 45 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 Netzmittel (B23) 100 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 Feststoffgehalt Plan [%] 40,0 40,0 40,0 40,0 40,0 40,0 40,0 Feststoffgehalt start Rolle 38,2 36,9 35,9 37,0 36,3 35,6 36,0 Feststoffgehalt ende rolle 36,9 35,9 35,0 36,3 35,6 36,0 35,1 Brookfield 100 Plan [mPas] 1000-1200 mPas Brookfield 100 Start Rolle [mPas] 1230 1200 1100 1600 1380 1450 1700Brookfield 100 Ende Rolle [mPas]

1200 1100 1020 1380 1450 1700 1370

pH-Wert Ziel 8,5 pH-Wert Ende Rolle 8,2 8,2 8,2 8,2 8,2 8,2 8,2 Strichgewicht Plan [g/m²] 5,6 5,4 5,5 5,2 5,3 5,2 5,6 Type Blade/Varibar VB C16 5,4 5,5 5,4 5,6 5,7 5,6 5,5

Tabelle 23

Solids [%] V1 V2 V3 V4 V5 V6 V7 Rollennummer R7 R2 R3 R4 R5 R1 R6 Pigmente HC95 (P2) 78,0 100 100 PCC Nadeln (P3) 70,0 100 100 PCC Rhomboeder (P4) 41,0 100 100 Econocarb T200 (P5) 73,0 100 Bindemittel B3 50,0 10 10 10 10 B5 50,0 10 10 10 Hilfsmittel Verdicker (H1) 40,0 0,2 0,2 0,2 0,4 0,15 0,2 0,15 Feststoffgehalt maximal 74,2 74,2 67,4 67,2 41,7 41,7 70,0 Feststoffgehalt Plan 68 68 max max max max 68 Feststoffgehalt Start 67,0 66,6 66,6 65,9 47,8 42,8 64,6 Feststoffgehalt Ende 66,0 66,0 66,2 65,0 47,5 42,2 63,7 Brookfield 100 Plan 1000 - 1200 mPas Brookfield 100 Start 800 850 710 880 640 560 930 Brookfield 100 Ende 710 760 620 790 600 500 720 pH-Wert plan 8,5 pH-Wert Ende 8,5 8,5 8,5 8,5 8,5 8,6 8,5



Feuchte [%] 5,4 5,4 5,7 6,0 6,1 5,3 5,6 Bent blade 90° 0,457 0,457 0,457 0,508 0,457 0,457 0,508

Tabelle 24

Für die Beschichtung an der Pilotanlage wurden 7 Rollen Streichrohpapier zur Verfügung gestellt. Gemäß dieser Kapazität wurden die Streichfarben V1 bis V7 gestrichen. Der Auftrag der Rücksei-tenbeschichtung R1 wurde mittels Varibar zur gleichzeitigen Abdeckung und Strukturierung der Oberfläche bewerkstelligt.

Für die für den Curtain Coater vorgesehenen Beschichtungsmittel (B17, B13 und B8) konnte keine ausreichende Curtaintauglichkeit erzeugt werden, so dass die Beschichtung mittels Filmziehrahmen auf den an der Pilotanlage vorbeschichteten Mustern (V1-V7) im Labor durchgeführt wurde. Hierzu wurden die Pilotmuster in Bögen geschnitten und am Laborkalander satiniert, und anschließend mit 300µm Naßfilmdicke beschichtet und bei 110°C getrocknet. Es standen somit 21 Muster zu Verfü-gung.

Durch den Auftrag mit dem Rollrakel (Varibar) erreichte man die gewünschte Strukturierung Striches. Gleichzeitig konnte aber auch eine gute Fixierung der Fasern erreicht werden, um Faserausbrüche zu verhindern (siehe Abb. 28).

Abb. 28

Im Versuch wurden sieben Rollen nacheinander beschichtet wobei über die gesamte Zeitspanne des Versuches die Viskosität stetig anstieg. Um dem entgegenzuwirken wurde einerseits die Streich-farbe bei 40°C warm gehalten und andererseits immer wieder Wasser zugeführt.

Vorstriche Bladestrich

Das Papier reagierte durchwegs sehr empfindlich auf Strichprofilschankungen mit Faltenbildung an der Aufrollung. Hin und wieder traten Markierungen vom Poperoller (Spiralisierung) auf. Dies bedeu-tet, dass das Papier zu dicht ist und die Luft darunter während der Aufwicklung nicht entweichen kann. Als Gegenmaßnahme wurde mit mäßigem Erfolg der Zug am Poperoller reduziert sowie die Maschinengeschwindigkeit.

Bei V3 traten verstärkt feine „Rakelstreifen“ auf, die anschließend auch im Bogen erkennbar waren, begünstigt durch einen höheren Bentbladewinkel (22°). Für V4 (gleiches Pigment) wurde deshalb auf ein dickeres Blade gewechselt, um einen niedrigeren Bladewinkel (16-17°) fahren zu können. Als Ergebnis der Maßnahme traten feine Rakelstreifen auf, allerdings in verringerter Anzahl und nicht durchgehend.



14 Bewertung der Papiere

14.1 Allgemeine Vorgehensweise

Für die weiteren Tauglichkeitsprüfungen wurde von den gestrichenen Papiermustern von jedem Pigment sowie von jedem Deckstrich ein Papier ausgewählt. Als Referenzsubstrate wurde das mit Polyethylen beschichtete Substrat S8 verwendet sowie zwei hochglatte beschichtete Papiere ohne polymeren Deckstrich, um die Relevanz eines polymeren Deckstriches in der Praxis zu prüfen:

Nr. Strich

1 Auf Rohpapier extrudiertes Polyethylen

2 GCC / Kaolin; Polyurethandispersion; Rheologieadditiv

3 GCC / Kaolin; SB-Latex; Stärke, Rheologieadditiv

4 V1/B17

5 V1/B13

6 V3/B8

7 V3/B13

8 V6/B13

9 V7/B13

10 V7/B8

Tabelle 25



Bei der Eignungsprüfung wurde folgendermaßen vorgegangen:

Die ausgewählten Papiere wurden zunächst per AFM untersucht und charakterisiert.

3 Papiere, welche sich durch die Beurteilung nach AFM-Messungen für die weiteren Un-tersuchungen qualifiziert hatten, wurden im zweiten Schritt nochmals per REM analy-siert.

Des Weiteren wurde ein Vakuumtauglichkeitstest durchgeführt, der eine Beurteilung des Ausgasverhaltens der Papiere zulässt (kurze Ausgaszeiten sind von Vorteil) sowie die Vakuumtauglichkeit feststellt:

1. Zuschnitt von je zwei Proben pro Papier im Format 35x50mm² 2. Wiegen an Luft 3. Einschleusen in Stickstoffatmosphäre, erneutes wiegen und Lagerung (24 Tage) 4. Einbau in Testanlage, Evakuierung bis <10-6mbar, erneutes Wiegen

Herstellung von Demonstratoren: OLED-Abscheidung auf den besten Papieren

1. Beschichtung von je 4 Proben Papier 2. bei zwei Papieren Abscheidung einer zusätzlichen Barriereschicht 3. Schichtstapel: orange, top-emittierende OLED 4. Layout: 4-Quadranten Testlayout (siehe Abb. 29, Fraunhofer IPMS) 5. Charakterisierung durch Optische Inspektion sowie durch Bestimmung der

Spannungs-Leuchtdichte-Kurven (LIV)

Abb. 29

14.2 AFM-Untersuchungen

Für die Untersuchung wurde unter Reinraumbedingungen von jedem Papier eine Probe im Format von 35 x 50 mm² abgeschnitten und für die AFM-Messung bereitgestellt. Auf jeder Probe wurden zwei Areale von je 10 x 10 µm untersucht. Für diese Areale wurden Oberflächenprofile in 2D- (siehe Tabelle 25) und 3D-Ansicht (siehe Tabelle 26) erstellt sowie die Kennwerte für die maximale Höhe (Rmax) den quadratischen (RMS) und arithmetischen Mittelwert (Ra) bestimmt. Die Daten sind in Abb. 30 übertragen.



Papier 4

Papier 5



Papier 6

Papier 7

Papier 8



Papier 9

Papier 10

Tabelle 27

0

50

100

150

200

250

300

P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7 P8 P9 P10

Rau

hei

tske

nn

wer

te [

nm

]

RMS [nm]

Rmax[nm]

1266

330

549 389 448



Abb. 30

Die Werte zeigen, dass lediglich Papier1 die Anforderungen an die Rauhigkeit komplett erfüllt. Die Kennwerte aller anderen Papiere liegen im Mittel in mindestens einem der beiden Kennwerte über dem definierten Grenzwert, wobei die Werte einzelner Messpunkte die Kriterien erfüllen. Dies zeigt, dass die Kennwerte allein keine Beurteilung der Substrate erlauben.



Papier 1 Papier 2

Papier 3 Papier 4

Papier 5 Papier 6

Papier 7 Papier 8



Papier 9 Papier 10

Tabelle 26: 3D-Ansichten AFM

Papier 1

Papier 2



Papier 3

Papier 4

Papier 5



Papier 6

Papier 7

Papier 8



Papier 9

Papier 10

Tabelle 27: 2D-Ansichten AFM

Die Bewertung der AFM-Bilder lässt eine Einteilung der Papiere in Kategorien zu.

Zunächst können alle Papiere gemäß der Oberflächenform in ebene bzw. gewellte Oberflächen un-terteilt werden. Bei ebenen Oberflächen sind auf den AFM-Aufnahmen keine oder nur schwach ausgeprägte Berge und Täler in der Oberfläche erkennbar (vgl. Papier1), während diese bei den Papieren in der Kategorie „gewellte Fläche“ stark ausgeprägt sind (Papier4).

Die Zuordnung in eine dieser beiden Kategorien entscheidet noch nicht über die Tauglichkeit des Papiers für die OLED-Beschichtung, allerdings kann ein gewelltes Substrat von Vorteil für die Lichtauskopplung sein, da an Grenzflächen reflektiertes Licht gestreut und somit der Einfluss der Totalreflektion minimiert werden kann.

Die größere Bedeutung für die Eignung der Papiere hatte die Struktur der Oberfläche. Hier konn-ten die Proben in drei unterschiedliche Kategorien unterteilt werden. Bei der ersten Kategorie war die Oberfläche strukturiert. Dies bedeutete, dass sie von Fugen und Rissen durchzogen war, steile Kanten oder Krater aufwies.

Derartige Strukturen sind besonders gefährlich für die OLED, da es hier während der Abscheidung zu starken Inhomogenitäten, Abschattungen, Schichtdurchbrüchen oder gar Kurzschlüssen kom-men kann. Als Beispiel für eine strukturierte Oberfläche kann Papier 7 gelten. Neben Papier 7 ge-hören auch die Papiere 2, 3, 5, 8 und 9 in diese Kategorie.



Eine weitere Kategorie bildete Papier 1. Laut den Kenndaten war dies die einzige Probe, die die vom IPMS definierten Kriterien erfüllte. Auch die Oberfläche erschien auf den ersten Blick sehr eben und glatt. Bei näherer Betrachtung fielen allerdings die vielen hohen, schmalen Spitzen auf, welche aus der Oberfläche herausragten. Durch diese zwischen 80 und 90nm hohen Spitzen wurde die-ses Papier für eine OLED-Beschichtung unbrauchbar, da die Gefahr sehr groß war, dass eine die-ser Spitzen die Schichten durchstößt und somit hohe Leckströme oder gar einen Kurzschluss ver-ursacht.

In der dritten Kategorie wurden schließlich die Papiere gruppiert, deren Oberfläche glatt bzw. un-strukturiert war. Diese sind gleichzeitig diejenigen, die am besten für die OLED-Beschichtung ge-eignet s, da keine Schichtabrisse oder –durchstöße zu erwarten waren. Zu dieser Kategorie gehör-ten Papier 4, 6 und 10.

Die Papiere 4 (Abb. 31), 6 (Abb. 32) und 10 (Abb. 33) wurden weiter am REM untersucht. Papier 4 zeigt teilweise eine starke Textur der Oberfläche. Papier 6 wies eine glatte Oberfläche auf, aus der Partikel herausragten. Papier 10 wies eine glatte Oberfläche, teilweise mit Partikeln auf. Diese lagen aber vermutlich nur locker auf. Das Papier 4 wurde daher wegen unzureichender Oberflächeneigen-schaften für weitere Versuche ausgeschlossen.

Abb. 31

Abb. 32

Abb. 33

Vakuumtauglichkeitstest Im Vakuumtauglichkeitstest erfolgte während der Lagerung ein kontinuierlicher Gewichtsverlust, so dass eine Evakuierung möglich war. Nach erneuter Lagerung an der Luft erfolgte eine erneute Gewichtszunahme (vermutlich durch Einlagerung von Wasser). Abb. 34 zeigt deutlich die gleichmäßige Gewichtsabnahme aller Proben über die Versuchszeit. Die größte Gewichtsabnahme von ca. 3% kann dabei direkt nach dem Einschleusen festgestellt wer-den. Dies lässt sich dadurch erklären, dass hier die Proben bereits ein erstes Mal einer Vakuum-atmosphäre ausgesetzt waren. Direkt nach dem Einschleusen stieg die Wasserkonzentration in der Box auf 5,3 ppm und sank erst nach zwei Tagen wieder auf den Normalwert von <0,1 ppm. Dies deutet darauf hin, dass die Papiere auch in der Glovebox weiter Wasser in größeren Mengen an die Umgebung abgeben. Aufgrund der gleichzeitigen Lagerung aller Proben in der Box kann keine direkte Aussage darüber getroffen werden, welches Papier den Anstieg verursacht. Die gleichmäßige Gewichtsabnahme über den gesamten Lagerzeitraum von 24 Tagen um 1,35% bei allen Proben lässt allerdings vermuten, dass alle Proben in gleichen Teilen diesen Anstieg verur-sachen. Nach der Lagerung wurden die Proben gemeinsam in die Vakuumkammer verbracht und diese so lange abgepumpt, bis ein Basisdruck von < 10-6 mbar erreicht wurde. Dies geschah innerhalb von ca. 10 Minuten, was zeigt, dass die Papiere im Hochvakuum nicht mehr ausgasen. Dies wurde



durch das erneute Wiegen der Proben in der Stickstoffatmosphäre bestätigt, bei dem keine weitere Gewichtsabnahme festgestellt wurde.

Drei Tage nach der Entnahme der Proben aus der Stickstoffumgebung wurden die Proben erneut gewogen und wurde festgestellt, dass die Proben wieder ihr Ausgangsgewicht erreicht und dies so-gar leicht überschritten hatten. Dies Bestätigt die Annahme, dass der Gewichtsverlust hauptsächlich durch austretendes Wasser entsteht, welches sich unter Raumbedingungen wieder einlagert.

0 ,2 1 4

0 ,2 1 6

0 ,2 1 8

0 ,2 2

0 ,2 2 2

0 ,2 2 4

0 ,2 2 6

0 ,2 2 8

0 ,2 3

0 ,2 3 2

0 ,2 3 4

Rein

rau m

umgebu n

na ch de m

Ein

sch leu s

4 Tg . G

love -b

o

2 4 Tg . G

love- b

o

nach Vak uum

-En tg

asu

P ro b e 6_ 1

P ro b e 6_ 2

P ro b e 10 _1

P ro b e 10 _2

Wasserverlust

Basisdruck nach 10 Minuten erreicht!

Gewichtszunahme unter Atmosphärendruck entspricht dem Gewichtsverlust im Vakuum →hauptsächlich eingelagertes Wasser

0 ,2 1 4

0 ,2 1 6

0 ,2 1 8

0 ,2 2

0 ,2 2 2

0 ,2 2 4

0 ,2 2 6

0 ,2 2 8

0 ,2 3

0 ,2 3 2

0 ,2 3 4

Rein

rau m

umgebu n

na ch de m

Ein

sch leu s

4 Tg . G

love -b

o

2 4 Tg . G

love- b

o

nach Vak uum

-En tg

asu

P ro b e 6_ 1

P ro b e 6_ 2

P ro b e 10 _1

P ro b e 10 _2

Wasserverlust

Basisdruck nach 10 Minuten erreicht!

Gewichtszunahme unter Atmosphärendruck entspricht dem Gewichtsverlust im Vakuum →hauptsächlich eingelagertes Wasser

Abb. 34

14.3 Funktionstüchtigkeit der Demonstratoren

In den vorab durchgeführten Eignungstests und Untersuchungen erwiesen sich die Papiere 6 und 10 als geeignet, so dass je Papier 4 Proben beschichtet wurden (insgesamt 2 x 16 Module).

Abb. 35 zeigt einen funktionsfähigen Demonstrator. Von allen insgesamt 32 hergestellten Modulen leuchteten 31. Die Charakterisierung im Labor ergab eine erfolgreiche LIV-Messung an 3 Modulen mit guten Effizienten (ca. 30 cd/A bei 1000cd/m²)



Abb. 35

Abb. 36 zeigt die die Spannungs- Leuchtdichtekurven der Papiere 6 und 10. Es wird ersichtlich, dass die Kenndaten der OLEDs auf Papier und Glas sehr gut miteinander vergleichbar sind. Lediglich die Leckströme sind bei den OLEDs auf Papier erhöht, was man auf die höhere Rauhigkeit des Substrats zurückführen kann. Über die Funktionsdauer der OLEDS kann mit diesen Kennwerten keine Aussage gemacht werden.

0,0000001

0,000001

0,00001

0,0001

0,001

0,01

0,1

1

10

100

-4,00 -3,00 -2,00 -1,00 0,00 1,00 2,00 3,00 4,00

Spannung U /V

Str

om

dic

hte

J /m

A/c

m²

1

10

100

1000

10000

100000

Le

uc

htd

ich

te L

/cd

/m²

J_Papier#6 J_Papier#10

J_Referenz (Folie) J_Referenz (Glas)L_Papier#6 L_Papier#10

L_Referenz (Folie) L_Referenz (Glas)

Abb. 36

14.4 Druckversuche

Um die Eignung der Substrate für die Bedruckung mit organischen Funktionsfluiden OF sowie leitfä-higer Silbernanopaste (Ag-Paste) zu prüfen wurden auf zwei verschiedenen Mustern (V3 ohne Top-coat und V3 mit EVOH-Topcoat) Druckversuche im Tiefdruckverfahren unter Reinraumbedingungen durchgeführt. Insgesamt wurden 8 Muster bedruckt.

Es wurde pro Druckversuch eine Matrix aus 5 x 4 Feldern gedruckt, innerhalb derer die Dichte der Linien (je nach Versuch 40 bis 80 Linien pro cm, von links nach rechts abnehmend) und der Tonwert (Abstufungen 100 / 95 / 85 / 80 / 60, von oben nach unten abnehmend) variierten (Beispiel siehe Abb. 37).



Abb. 37

Die mit Silbernanopaste bedruckten Muster wurden 10 Minuten bei 130°C im Trockenofen „ausge-backen“. Die Nanopartikel bildeten so eine geschlossene, leitfähige Ag-Schicht.

Bei den Druckversuchen wurde das Verhalten der Druckfarbe auf dem Papier beurteilt sowie der Einfluss der polymeren Beschichtung auf die Qualität des Druckes. Die Qualität der Drucke wurde mittels Leitfähigkeitsmessung, REM- und mikroskopischer Aufnahmen geprüft.

Substrat Druckform

Linien/cm von li. n. re.

Druckfarbe, Bemerkung

1 V3 roh 45-60 Erster Probedruck mit OF

2 V3/EVOH 45-60 OF, optisch schlechteres Druckbild als Versuch 1

3 V3 roh 45-60 Ag-Paste, ergibt Ag-Spiegel, jedoch etwas matt

4 V3/EVOH 45-60 Ag-Paste, hochglänzender Ag-Spiegel, Gelb-stich!

5 V3 roh 70-80 OF, Druckform ergibt dünnere Schicht

6 V3/EVOH 70-80 OF

7 V3 roh 40-48 Versuch maximaler Auftrag! Beobachtung Aus-wirkung auf Streifenbildung: wesentlich ausge-prägter

8 V3/EVOH 40-48 Vergleichbar mit Versuch 7

Tabelle 28

Im optimalen Fall sollen die Druckfarben eine geschlossene Oberfläche bilden. Papier ermöglicht aufgrund dessen Porosität ein sehr scharfes Druckbild (vgl. Abb. 38), während bei Folien das Druckfluid zum Teil bis zu 1mm über die ursprünglichen Maße hinausläuft. Bei einem mehrschichti-gen Druck ergeben sich dadurch erhebliche Probleme bezüglich der Deckungsgleichheit der einzel-nen Schichten. Wenn die Druckfarbe (bzw. das Lösemittel) zu schnell in den Strich wegschlägt, bleiben die Druck-punkte sichtbar und es bildet sich keine geschlossene Oberfläche. Dies ist bei den Mustern ohne Topstrich der Fall (Abb. 38). Bei den Mustern mit EVOH-Deckstrich bildeten sich eher geschlossene Druckfarbenfilme, da die Porosität wesentlich reduziert ist (Abb. 39 und Abb. 40). Ein besonderer Augenmerk liegt auf dem sogenannten „viscous fingering“ (vgl. Abb. 40), das auch bei Foliensubstra-ten auftritt. Das Druckbild „verästelter“ Linien ergibt sich aus dem Zusammenspiel von Auftragsmen-



ge, Druckfarbenviskosität, Benetzungsfähigkeit des Substrates sowie den Gegebenheiten durch die Druckform. Auf Basis solcher Druckversuche können in der Praxis die Druckfarben und Substrate aufeinander abgestimmt werden. Allerdings gibt es bei den Druckfarbenformulierungen wenig Spiel-raum, so dass größtenteils das Substrat angepasst werden muss.

Abb. 38

Abb. 39

Abb. 40

Von den leitfähigen Ag-Schichten (Muster 3 und 4) wurde der Widerstand [Ohm] gemessen (die Leit-fähigkeit ist der reziproke Wert des Widerstandes und kann so daraus berechnet werden). Muster 4 (mit EVOH-Topstrich) lag mit einem Widerstand von etwa 0,04 Ohm etwa doppelt so gut wie Muster 3 mit 0,06 Ohm (ohne EVOH-Topstrich). Dies zeigt, dass die Topbeschichtung eine wesentliche Verbesserung der Oberflächengüte und damit der Leitfähigkeit der Beschichtung mit sich bringt. Be-druckte Foliensubstrate liefern bislang Widerstandswerte von ca. 0,02 Ohm, so dass Papier im Ver-gleich und als ersten Ansatz gute Werte liefert.

V4_50-fach Feld 1 V4_50-fach Feld 5






Tabelle 29



V3_100_1 V3_100_5

V4_100_1 V4_100_5

V3_200_1 V3_200_5

V4_200_1 V4_200_2

Tabelle 30



Anhand der REM-Aufnahmen konnte zwischen bedruckter und unbedruckter Fläche nicht unter-schieden werden. Deswegen wurden zur Unterstützung zusätzlich Aufnahmen mit einem 3D-Lichtmikroskop (Keyence) gemacht (siehe Tabelle 30) . Aus den Aufnahmen wurde ersichtlich, dass die hellen Stellen die Druckfarbe abbilden. Am REM wurden die Muster, welche mit Ag-Nanopaste bedruckt wurden, untersucht (Aufnahmen siehe Tabelle 29). Es wurden jeweils zwei Felder bei glei-cher Liniendichte und unterschiedlichem Tonwert verglichen. Bei Muster 3 bildete sich bei beiden Feldern im Vergleich zu Muster 4 keine ganz geschlossene Oberfläche, da die Oberfläche zu porös war. Mit EVOH-Deckstrich ergaben sich bei hohen Tonwerten nahezu geschlossene Flächen.

Betrachtet man die Aufnahmen bei 100-facher Vergrößerung wird bei Muster 3 eine rauere Oberflä-che im Vergleich zu Muster 4 sichtbar, woraus sich die reduzierte Leitfähigkeit der Oberfläche ergibt.

15 Neuer Werkstoff – ökonomisch interessant

Die Ergebnisse des Projektes zeigen, dass grundsätzlich geeignete Produkte für diese Innovation vorhanden sind, diese aber einer Weiterentwicklung bedürfen. Für die im PbA mitarbeitenden Zulie-ferer ergeben sich damit neue Absatz- und Marktchancen, sobald sich papierbasierte Elektronik im Markt etabliert. Für die Unternehmen ist dies ein Anreiz ihre Produkte entsprechend der angestreb-ten Anwendung weiterzuentwickeln.

Informationsübertragung und Speicherung, Steuerung und Kontrolle durch intelligente Elektronik wird in Zukunft auch auf flexiblen Trägern billiger herstellbar. Die Verfügbarkeit geeigneter kostenef-fizienter Trägermaterialien für die Herstellung leitfähiger Strukturen und „organischer Elektronik“ ist eine Grundvoraussetzung für die Weiterentwicklung und Verbreitung der Technologie in Massen-märkte.

Auch die Firmen, die sich im Rahmen des PbA an dem Forschungsprojekt beteiligten haben den Einsatz von papierbasierenden Trägermaterialien für organische Elektronik als interessantes Zu-kunftsziel bewertet. Daneben wird aber auch der Ersatz von Folienprodukten für andere Bereiche sehr positiv beurteilt. Firmen haben sich daher auch bereits angeboten, mit Versuchsmustern Tests auf Weiterverarbeitungsanlagen in ihrem Betrieb durchzuführen.

Von den hochglatten Produkten mit dichter porenfreier Oberfläche werde, neben der Eignung zum Einsatz als Trägermaterial für organische Elektronik, eine Reihe weiterer Eigenschaften erwartet, die in anderen Industriebereichen neue Märkte eröffnen können: optimale Ausgangsbedingungen für Metallisierung (Spiegelglanz), mehrlagige dünnste Schichten (als Sicherheitsmerkmale z.B.), hoch-glänzende Oberflächen für Dekorprodukte, Porenfreiheit für Verpackungsmaterialien etc. In vielen Fällen handelt es sich um innovative Produkte mit neuen Eigenschaften für bestehende oder neue Märkte. Sie haben eine für kmU überschaubare Größe mit hoher Wertschöpfung.

Die Herstellung von Trägersubstraten für gedruckte oder aufgedampfte Elektronik auf Papierbasis ist bisher nicht Stand der Technik in der Papierindustrie

Die Entwicklung dieser Technologie auf Basis der vorliegenden Ergebnisse ist kosteneffizient und ressourcenschonend und damit ökologisch und ökonomisch interessant. Der Kostenvorteil (Faser-stoff ist billiger als Polymer) wird mit zunehmender Substratdicke größer (kosteneffiziente, nachhalti-ge Rohstoffwirtschaft auch für kmU). Die bereits zur Beantragung vorgestellten Beispielrechnungen gelten nach wie vor. Als Referenz werden zwei Polyesterfolien angenommen.



Bspl. 1: Polyesterfolie 20 µm = 5000 Euro/t oder 0,100 Euro/m²

Bspl. 2: Polyesterfolie 10 µm = 5000 Euro/t oder 0,050 Euro/m²

In der folgenden Beispielrechnung wird ein Basispapier mit 120g/m² Flächegewicht zu einem Preis von 890 €/t zugrunde gelegt (8.333 m²).

Für die Beispielrechnung wurde der komplette Schichtaufbau (incl. Caseinstreichfarbe) angenom-men:

Preis €/kg

Rückseite Teile / €/kg

Vorstrich Mittelstrich Deckstrich

Talkum 0,21 100 / 0,104

PCC 0,27 100 / 0,245

Silica 7,00 100 / 5,58

Dispergiermittel 5,00 0,5 / 0,012

Stärke 0,45 100 / 0,224

Casein 7,00 20 / 1,096

EVOH 5,00 100 / 4,995

Netzmittel 5,00 0,5 / 0,012 0,1 / 0,004 0,1 / 0,005

Latex 1,5 10 / 0,136 8 / 0,093

Vernetzer 0,40 0,3 / 0,001

Preis €/kg Auftrag 0,353 0,382 6,640 5,000

Auftragsmenge (g/m²)

6 12 7 4

Preis f. Strich pro t Rohpapier (€)

17,0 200,0 387,4 166,7

Tabelle 31

Die Streichfarbenkosten belaufen sich damit auf einen Betrag von 771,10 €. Die Materialkosten be-rechnen sich somit auf rund 1.660 €, das sind 0,199 ct/m².

Dabei kann das Flächengewicht des Trägersubstrates mit fortschreitender Entwicklung weiter redu-ziert werden. Dies bedeutet, dass Trägersubstrate auf Papierbasis ohne Weiteres mit Foliensubstra-ten konkurrenzfähig sind!

Die für die Beschichtungen gewählten Materialien entsprechen den in der Papierindustrie gängig eingesetzten Rohstoffen. Die weitere Entwicklung zum fertigen Produkt kann aller Voraussicht nach auf Basis gängiger Papier- (und Textil) Chemikalien erfolgen, so dass das fertig entwickelte Produkt den ökologischen in allen Belangen dem ökologischen Aspekt von Papier entsprechen wird. Die Ökoeffizienz fertig hergestellter OLEDS auf dem Trägerpapier bleibt am Ende jedoch zu bewerten.



16 Schlussfolgerungen

Ziel des Projektes war die Entwicklung eines Streichkonzeptes für die mehrlagige Beschichtung von papierbasierenden Substraten zur Verbesserung von Rauheit und Welligkeit bis in den Nanobereich zum Ersatz von Folien als Trägermaterial für organische Elektronik.

Im Rahmen der durchgeführten Projektarbeit konnte gezeigt werden, dass die Reduktion der Rauheit für die vorgesehene Anwendung mit den bekannten und existierenden Rohstoffen und Streichtech-niken realisierbar ist:

Eine stufenweise Reduktion der Rauheit ist durch die Abstufung der Partikelgrößen der Pigmente für den dreischichtigen Strichaufbau mit folgenden Rahmenbedingungen erfolgt:

Für den Vorstrich eignen sich, je nach Streichrohpapierglätte, Streichfarben, die mit Pig-menten mittlerer bzw. feine gemahlene Teilchengrößen bei niedrigem Binderanteil formu-liert werden.

Um die Poren des Vorstriches im Mittelstrich optimal verschließen zu können eignen sich Streichfarbensysteme die selbstnivellierende Eigenschaften mit Nanopigmenten kombi-nieren. Für die abschließende Entwicklung solcher Streichfarben ergab sich aus dem Forschungsvorhaben unmittelbar ein weiterer Forschungsbedarf.

Für die Topbeschichtung empfiehlt sich ein unpigmentierter polymerer Strich. Die besten Ergebnisse lieferten wasserlösliche Polymere, wie Ethylenvinylalkohol oder Polyvinylalko-hol.

Um die erhöhten Anforderungen hinsichtlich der Oberflächenbeschaffenheit zu erreichen, müssen die Beschichtungsformulierungen frei von Partikeln und Stäuben sein, sowie eine gute Verträglich-keit mit Additiven wie Netzmitteln und Verdickern aufweisen. Des weiteren muss für das Aufbringen von OLED´s das papierbasierte Substrat möglichst wasserarm und lösemittelfrei sein, sowie schnell zu trocknen und zu entgasen.

Im Projekt ist es gelungen funktionstüchtige Demonstratoren herzustellen.

Zunächst wurden Druckversuche durchgeführt: Bei gedruckter Elektronik bietet das entwickelte Pa-pier eine sehr gute Druckschärfe. Allerdings müssen auch hier, wie bei jedem Druckprozess die Druckfarbe und das Substrat noch weiter aufeinander abgestimmt werden. In dieser Hinsicht gibt es bislang nur wenig Erfahrung, weil Papier als Substrat für gedruckte Elektronik bislang kaum in Be-tracht gezogen wurde und es bei der Optimierung der Druckpasten für Leitfähige Schichten bzw. or-ganischer Funktionsfluide wenig Spielraum gibt. Hieraus leitet sich für die Zukunft weiterer For-schungsbedarf ab.

Bei den vom IPMS aufgedampften Modulen wurde eine zu Glas- und Foliensubstraten vergleichbare Leuchtdichte erreicht. Sofern eine „wellige“ Mikrostruktur bei der stufenweisen Abdeckung des Roh-papieres beibehalten wird, wird sich dies nach den bisherigen Erfahrungen positiv auf die Lichtaus-kopplung des Leuchtmodules auswirken. Papier könnte diesbezüglich gegenüber Folie und Glas ei-nen Vorteil bieten.

Die Implementierung elektronisch funktionierender Elemente in Papierprodukte wird aufgrund des harten Preiskampfes für Papierprodukte (Verpackungen, Druckerzeugnisse etc.) zunächst nur bei individualisierten und hochpreisigen Produkten stattfinden, so dass dadurch ein eindeutiger KmU-Nutzen gegeben ist. Da die Entwicklung hin zum Massenprodukt, wie bei allen neuen Technologien, zunächst stark zeitversetzt zur ersten Markteinführung zu erwarten ist, besteht für KMUs welche sich (möglicherweise innerhalb von Kooperationen) mit Individualprodukten in einem kleinen Markt tech-nologisch etabliert haben, die Chance sich zu vergrößern.

Mit der Herstellung funktionstüchtiger Demonstratoren wurde belegt, dass entsprechende Vorraus-setzungen geschaffen wurden, ein papierbasiertes Substrat als Trägermaterial für organische Elekt-



ronik bereit zu stellen, die eine zukünftige Realisierung einer industriellen Anwendung in Aussicht stellen.

Literaturverzeichnis

1 IGF – Projekt „Erzeugung polymerelektronischer Bauelemente und integrierter Schaltungen auf Papier als „Massenware“ durch Abstimmung von Papier, Druckstoff und Druckprozess“, ( PTS-FB 199 ZGB) 01.02.2006 bis 31.01.2008

2 Eckl J., bislang nicht veröffentlichte Ergebnisse aus bilateralen Forschungsprojekten PTS 2006 – 2008

3 Laudone G.M., Matthews G.P., Gane P.A.C., Coating shrinkage during evaporation: Observation, measurement and modelling within a network structure, Advanced Coating Fundamentals Symposium, Chicago, USA, Tappi, Atlanta, 2003

4 Vidal D., Zou X., Useka T., Modelling coating structure development: Monte-Carlo deposition of particles with irregular shapes, 2003 Spring Advanced Coating Fundamentals Symposium

5 Laudone G.M., Matthews G.P., Gane P.A.C., Observation of shrinkage during evaporative drying of water based paper coatings, Industrial and Engineering Chemistry Res., 43(3), 2004, p.712-719

6 Weber Ch. , Universität Bayreuth Inst. für physikalische Chemie, Polymerkristallisation, Homepage, 26.9.2006

7 Pethrick R.A., Polymer Structure Characterisation, Ch. 6 Polymer Crystal Growth, 141-78, ISBN 978-0-85404-466-5 The Royal Society of Chemistry 2007

8 Ludwig I., Schabel W. and Kind M., Castaing J.-C. and Ferlin P., Drying and Film Formation of Industrial Waterborne Latices, Published online January 19, 2006 in Wiley InterScience (www.interscience.wiley.com).

9 Skarp K., Franklin G., Adas Ch., LCD on Flexible Substrate, Patent, internat. Publ. Nr. WO2005/004094 A2

10 Jang J., Displays develop new flexibility, MaterialsToday, Volume 9, Issue 4 , April 2006, Pages 46-52

11 Yong-Hoon K., Dae-Gyu M., Jehong-In H., Organic TFT Array on a Paper Substrate, IEEE Electron Device Letters, Vol. 25, No.10, October 2004

12 Schmidt W., Customising Paper-Based Substrates for Digital Fabrication Printing, NIP23 23rd Int. Conf. on Digital Printing Technologies, Anchorage 16.-21.09.2007,

13 Provder T., Urban M.W., Film Formation in Coatings Mechanisms, Properties and Morphology, ACS Symposium series 790, 2001, 212ff

14 Haruhiko O.,Murayama Y., Hyomi K.,Ishimaru N., Magnetic disc has particular roughness, Patent Nr. GB 2282001, 25.4.2001

15 Atomic force Microscopy for Nano-Surface Texture/Roughness – Application Note, Pacific Nanotechnology, 3350 Scott Blvd. #29, Santa Clara (CA 95054-3105), Fig. 2 , Line Surface Roughness of Polymer Film

16 Lyons A.V., Iyler R.R., Use of particle Packing Modeling with Logonormal Particle Size Distribution to develop a Strategy to improve Blade coating runnability, Tappi Coating symposium 2002

17 Lohmander S., Influence of shape and shape factor of pigment particles on the packing ability in coating colours, Nordic piulp and Paper Research Journal, Vol.15, No.4/2000, 300-5



18 Lechtaler M., Bauer W., Rauigkeit und Topografie – ein Vergleich unterschiedlicher Messverfahren,

Wochenblatt für Papierfabrikation 21, 2006, 1227-34

19 Klein, R., Neue Möglichkeiten zur Charakterisierung von Papieroberflächen Oberflächenstruktur-messung durch Streifenprojektion und Bildauswertung mittels Phasenshiftverfahren und codiertem Lichtansatz (GFM-MikroCAD compact)), PTS News 05/2006 S.28-30

20 Thomas Mezger, Das Rheologie Handbuch: Für Anwender von Rotations- und Oszillations-Rheometern, Vincentz Network, 2. Auflage, pp 38

21 IGF 16409, Entwicklung von Konzepten für Co-Bindemittel-Systeme zur Verstärkung der selbstnivellierenden Eigenschaften von Papierstreichfarben mit dem Ziel der Intensitätsredu-zierung von auftragsbedingten Strichverletzungen

22 Effect of pH and cooking temperature, page 197A, Tappi, October 1961, Vol. 44, No. 10

23 R. Hinterwaldner, Casein und seine Bedeutung in der Papier- und Coatingindustrie – Teil10: Modifikationen und Additive VIII, COATING 12/82, p.325;

24 Hunfeld, C. Wärme- und Stofftransport bei der Trocknung von Farbempfangsschichten für Ink-Jet Fotoapplikationen Universität Paderborn, 2007

www.ptspaper.dePapiertechnische StiftungPTS in München: Heßstraße 134 · 80797 München · Telefon +49 (0)89-12146-0 · Telefax +49 (0)89-12146-36 PTS in Heidenau: Pirnaer Straße 37 · 01809 Heidenau · Telefon +49 (0)3529-551-60 · Telefax +49 (0)3529-551-899

PTS-FORSCHUNGSBERICHT IGF 16193 OPTIMIERTE ... · nenten sowie Trocknungsrisse Probleme bereiteten....

Documents

Transcript of PTS-FORSCHUNGSBERICHT IGF 16193 OPTIMIERTE ... · nenten sowie Trocknungsrisse Probleme bereiteten....