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Der Feuchtigkeitsgehalt von Papier und seine Gleichgewichtsfeuchtigkeitseigenschaften spielen bei Druckprozessen eine entscheidende Rolle. Ein unzureichender Feuchtigkeitsgehalt kann das Papier spröde und anfällig für statische Elektrizität machen, während eine übermäßige Feuchtigkeit das Trocknen der Tinte behindert. Schwankungen im Feuchtigkeitsgehalt wirken sich auch erheblich auf wichtige Papiereigenschaften aus, darunter Flächengewicht, Zugfestigkeit, Flexibilität, Faltfestigkeit und Dimensionsstabilität. Dimensionsänderungen können zu Mängeln wie Wellen, Kantenabhebungen, Faltenbildung und gekräuselten Kanten führen.
Jeder Papiertyp verfügt über einen optimalen Feuchtigkeitsgehaltsbereich, der eine ausgewogene körperliche Leistung gewährleistet. Beispielsweise weisen guss-beschichtetes Papier und guss-beschichteter weißer Karton eine optimale Leistung bei 7 % ± 2 %, weißes Kartenpapier bei 4 %–7 % und einseitig-beschichteter weißer Karton bei 8 % ± 2 % auf. Diese Werte stellen typischerweise den Feuchtigkeitsgehalt zum Zeitpunkt der Herstellung dar.
Während der Lagerung in Druckereien tauscht Papier {{0}da es hygroskopisch ist- Feuchtigkeit mit der Umgebungsluft aus. Die Geschwindigkeit der Feuchtigkeitsaufnahme hängt von der Umgebungstemperatur und der relativen Luftfeuchtigkeit ab, während der Feuchtigkeitsverlust vom aktuellen Feuchtigkeitsgehalt des Papiers und den Umgebungsbedingungen abhängt. Wenn sich die Absorptions- und Desorptionsraten angleichen, erreicht das Papier ein Gleichgewicht mit der Umgebung und sein Feuchtigkeitsgehalt stabilisiert sich. Dieser stabilisierte Feuchtigkeitsgehalt wird als Gleichgewichtsfeuchte bezeichnet.
Die relative Luftfeuchtigkeit (RH) ist definiert als das Verhältnis des tatsächlichen Wasserdampfgehalts in der Luft bei einer bestimmten Temperatur zur maximalen Wasserdampfkapazität bei Sättigung bei derselben Temperatur. Der Gleichgewichtsfeuchtigkeitsgehalt einer bestimmten Papiersorte variiert mit Änderungen der relativen Luftfeuchtigkeit.
Eigenschaften der Gleichgewichtsfeuchtigkeit:
1. Einfluss der Papierzusammensetzung
Unter identischen RH-Bedingungen weisen hydrophilere Papiere einen höheren Gleichgewichtsfeuchtigkeitsgehalt auf. Ungestrichenes Papier ohne Zusatzstoffe speichert mehr Feuchtigkeit, während Füllstoffe, Leimungsmittel und Beschichtungen die Hygroskopizität verringern. Bei gleicher Papiersorte weisen dickere Produkte aufgrund eines größeren Anteils an saugfähigem Grundmaterial in der Regel eine höhere Gleichgewichtsfeuchte auf.
2. Einfluss der Temperatur
Bei konstanter relativer Luftfeuchtigkeit führt eine Temperaturschwankung von etwa 15 Grad zu einer maximalen Änderung des Gleichgewichtsfeuchtigkeitsgehalts von etwa 0,5 %. Für eine präzise Farbregistrierung beim Mehrfarbendruck muss die Feuchtigkeitsschwankung jedoch auf ±0,1 % kontrolliert werden. Daher müssen in Farbdruckumgebungen sowohl die relative Luftfeuchtigkeit als auch die Temperatur streng reguliert werden, wobei die Temperaturschwankungen innerhalb von ±3 Grad gehalten werden müssen.
3. Hystereseeffekt und Pfadabhängigkeit
Der Gleichgewichtsfeuchtigkeitsgehalt, der durch Feuchtigkeitsabsorption aus einem trockenen Zustand erreicht wird, ist niedriger als der, der durch Desorption aus einem feuchten Zustand bei gleicher relativer Luftfeuchtigkeit erreicht wird -ein Phänomen, das als Feuchtigkeitssorptionshysterese bekannt ist. Um den ursprünglichen Feuchtigkeitsgehalt wiederherzustellen, nachdem es hoher Luftfeuchtigkeit ausgesetzt wurde, ist ein Prozess der „Überkorrektur“ erforderlich: Papier muss in einer Umgebung mit niedrigerer relativer Luftfeuchtigkeit als dem Ziel konditioniert werden und umgekehrt.
Darüber hinaus erfolgt die Desorption langsamer als die Absorption. Beide Prozesse laufen zunächst schnell ab, verlangsamen sich jedoch, wenn sich das Gleichgewicht nähert. Die Kinetik hängt von der Papierstruktur und der Luftzirkulation ab. Unter Standardbedingungen kann Zigarettenpapier innerhalb von 35 Minuten ein Gleichgewicht (5,8 %) erreichen, während Druckpapiere typischerweise 2–4 Stunden benötigen, um sich zwischen 5 % und 8 % zu stabilisieren. Verpackungskarton benötigt noch länger. Diese Zeitverzögerung zwischen Änderungen der relativen Luftfeuchtigkeit in der Umgebung und der Reaktion auf die Papierfeuchtigkeit trägt zu einer verzögerten Dimensionsverformung bei und beeinträchtigt die Genauigkeit der Druckregistrierung.
4. Anisotropie (Richtungseffekte)
Papier weist aufgrund der Faserausrichtung Richtungsunterschiede in der Feuchtigkeitsausdehnung auf. Die Querausdehnung ist deutlich größer als die Längsausdehnung. Einzelne Zellulosefasern dehnen sich in Querrichtung bis zu 20-mal stärker aus als in Längsrichtung. Obwohl die Fasern im Papier zufällig ausgerichtet sind, verringert eine bevorzugte Ausrichtung entlang der Maschinenrichtung die Gesamtanisotropie. Wenn beispielsweise die relative Luftfeuchtigkeit von 50 % auf 60 % ansteigt, beträgt das Expansionsverhältnis von Quer- zu -ungefähr 3:7 (ungefähr 2,3:1). Dieses Verhältnis steigt mit stärkerer Faserorientierung. Die Minimierung der Querausdehnung und die Verbesserung der Druckregistrierung können durch die Optimierung der Faserverteilung während der Herstellung erreicht werden.
5. Doppelseitige Asymmetrie
Flaches Papier, das Feuchtigkeitsschwankungen ausgesetzt ist, kann sich aufgrund der unterschiedlichen Feuchtigkeitsbewegung zwischen den Oberflächen wellen. Bei der Feuchtigkeitsaufnahme dehnt sich die Rückseite stärker aus als die beschichtete oder bedruckte Seite, wodurch es zur Wellung nach vorne kommt. Umgekehrt führt beim Trocknen eine stärkere Schrumpfung auf der Rückseite zu einer Krümmung nach hinten. Das Kräuseln folgt überwiegend der Längsrichtung, was auf eine asymmetrische Faserorientierung und strukturelle Unterschiede zwischen den beiden Seiten zurückzuführen ist. Besonders ausgeprägt ist dieser Effekt bei Karton und anderen mehrlagigen Materialien.
