Die Grundeigenschaften von Papier, Pappe und Karton sind die flächenbezogene Masse, die Dicke, die scheinbare Blattdichte, der Trockengehalt und der Glührückstand (Aschegehalt).
Die Bestimmung der flächenbezogenen Masse erfolgt nach DIN EN ISO 536.
Definiert ist die Grundeigenschaft als die Masse einer Flächeneinheit von Papier oder Pappe. Angegeben wird sie in g/m². Die Messung wird wie folgt durchgeführt: Mindestens 20 Proben mit > 500 cm² aus min- destens fünf Probestücken werden gewogen. Benötigt werden somit eine Analysenwaage und Werkzeuge zum Zuschneiden von Proben und zum präzisen Messen der Probenflächen. Bewährt haben sich speziell dafür ausgelegte kreisförmige Probenstanzen, deren Durchmesser mit D = 11,285 cm so beschaffen ist, dass die gestanzten Proben eine Fläche von A = 100 cm² haben.
Die Vorgehensweise bei der Bestimmung erläutert Abbildung 97.
Abb. 97: Vorgehen bei der Bestimmung der flächenbezogenen Masse (Quelle: Eigene Darstellung)
Die flächenbezogene Masse g jeder Probe ist zu berechnen nach:
Wird die Masse in g bestimmt und die Fläche in cm² , dann ergibt sich die flächenbezogene Masse in der Einheit g/m² .
Anmerkung: Auch wenn in der Norm für die flächenbezogene Masse das Formelzeichen g verwendet wird, hat sich doch in der Praxis das Formelzeichen mA durchgesetzt. Damit lautet die Berechnungsformel:
Zur Berechnung der durchschnittlichen flächenbezogenen Masse wird zunächst der Mittelwert m der Probenmassen aus den i Einzelwerten bestimmt:
Analog ist der Mittelwert Ā der Probenflächen zu bestimmen. Das kann im Allgemeinen vermieden werden, wenn die oben erwähnte Probenstanze zur Herstellung der Proben verwendet wird, weil dann alle Proben die gleiche Fläche A = 100 cm² haben.
Zur Berechnung von g wird dann wie folgt vorgegangen:
Hinweis: Ein weiterer Vorteil der Probenstanze ist, dass die mit ihr hergestellte Proben mit A = 100 cm² die Auswertung besonders einfach macht. In diesem Falle ist nämlich der an der Analysenwaage abgelesene Wert in g multipliziert mit 100 gleich mit der flächenbezogenen Masse in g/m² . Wird zum Beispiel ein Wert von 0,85 g an der Analysenwaage abgelesen, dann ist die flächenbezogene Masse 85 g/m².
Die zweite Grundeigenschaft ist die Dicke, für deren Messung ein spezielles Messinstrument (Mikrometer) benötigt wird, dessen Eigenschaften in DIN EN ISO 534 festgelegt sind. Es besteht im Wesentlichen aus einem festen und einem beweglichen Stempel, deren geschliffene Stirnflächen genau parallel zueinander sind. Die Dicke einer zwischen den Stempeln liegenden Papierprobe wird über den Abstand der beiden Stempel definiert, wenn diese unter folgenden Bedingungen auf das Papier einwirken:
- Stempelfläche: 200 mm²
- Flächenpressung: 100 ± 10kPa
- Absenkgeschwindigkeit des beweglichen Stempels: < 3 mm/s
- Fehler der Planparallelität: < 5 μm
Das Verfahren der Dickenmessung ist in der oben genannten DIN EN ISO 534 festgelegt. In Abbildung 98 ist das Vorgehen verdeutlicht.
Abb. 98: Vorgehen bei der Messung der mittleren Dicke (gemessen am Stapel) und der mittleren Einzelblattdicke. Zur Auswertung der Messwertablesungen siehe Text (Quelle: Eigene Darstellung)
Die mittlere Dicke δ₁ erfolgt, indem die fünf Messwertablesungen an mindestens vier Stapeln (mindestens 5 x 4 = 20 Ablesungen) addiert werden und das Ergebnis durch die Anzahl Ablesungen geteilt wird. Der so ermittelte Mittelwert muss noch durch die Anzahl der Probestücke im Stapel – vorzugsweise 10 – geteilt werden.
Bei der mittlere Einzelblattdicke δ₂ werden die mindestens 20 Messwertablesungen addiert; das Ergebnis wird durch die Anzahl der Ablesungen geteilt.
Die gleiche Norm legt auch fest, wie die scheinbare Dichte ρ als scheinbare Stapeldichte ρ? vorzugsweise für Papier oder als scheinbare Blattdichte δ? vorzugsweise für Karton und Pappe zu bestimmen ist. Sie wird ja im Unterschied zur flächenbezogenen Masse g und der Dicke δ nicht gemessen, sondern aus diesen Größen berechnet – und zwar gilt für die scheinbare Stapeldichte ρ? mit den Formelzeichen für die flächenbezogene Masse g gemäß der Norm beziehungsweise mＡ gemäß der Praxis:
Und für die scheinbare Blattdichte δ?:
Wird die flächenbezogene Masse in g/m² angegeben und die Dicke in μm, ergibt sich die scheinbare Dichte in der Einheit g/cm³. Der Kehrwert der scheinbaren Dichte ist das spezifische Volumen, angegeben in der Einheit cm³/g.
Der Begriff „scheinbare Dichte“ beruht darauf, dass die Messung der Dicke, die für die Berechnung der scheinbaren Dichte benötigt wird, aus erkenntnistheoretischen Gründen problematisch ist. Die Berechnung der Dichte basiert also auf einem Messwert, von dem man nicht genau weiß, ob er „richtig“ ist. Daraus resultiert die Benennung „scheinbare Dichte“. Umgangssprachlich ist statt von „scheinbarer Dichte“ oft von „Rohdichte“ die Rede. Dieser Begriff ist aber nicht normgerecht. Er verweist auch nicht auf die Problematik der Dickenmessung.
Sehr wichtig für alle papiernen Flächengebilde ist der Feuchtegehalt beziehungsweise der Trockengehalt.
Papier hat aufgrund seines hygroskopischen Charakters in Abhängigkeit von seiner Zusammensetzung und vom Umgebungsklima bestimmte Feuchtegehalte. Der Feuchtegehalt kann von Ort zu Ort un- terschiedlich sein, sodass sich in einer Papierbahn ein Längs- und Querprofil einstellen kann. Da viele Papiereigenschaften abhängig vom Feuchtegehalt sind, ergibt sich ein entsprechendes Längs- und Quer- profil dieser Eigenschaften.
Die Prüfnorm für den Feuchtegehalt ist DIN EN 20287. Für die Bestimmung des Feuchtegehaltes werden ein Trockenschrank, eine Analysenwaage und ein Exsikkator benötigt.
Ein Exsikkator ist ein mit einem Deckel verschlossener Behälter meist aus Glas, in dem mittels Trockenmittel eine extrem trockene Luft erzeugt werden kann. Zur Befüllung des Exsikkators mit der Probe und zu ihrer Entnahme darf der Deckel jeweils nur kurz abgenommen werden.
Die Vorgehensweise bei der Bestimmung des Feuchtegehaltes beziehungsweise des Trockengehaltes in vereinfachender Weise erläutert Abbildung 99. Bei normgerechter Bestimmung der Werte müssen unbe- dingt die Besonderheiten der Probennahme und Probenvorbereitung in der DIN EN 20287 beachtet werden.
Abb. 99: Vereinfachter Ablauf der Bestimmung von Feuchte- beziehungsweise Trockengehalt. Die Auswertung ist im Text erläutert (Quelle: Eigene Darstellung)
Aus der Einwaage mE und der Auswaage mＡ wird nun der Feuchtegehalt in % berechnet. Die DIN EN 20187 sieht für den Feuchtegehalt kein Formelzeichen vor. Deshalb wird hier als Formelzeichen das häufig anzutreffende FG verwendet:
Der mit dem Feuchtegehalt in engem Zusammenhang stehende Trockengehalt wird nach DIN EN 20638 bestimmt, die genau genommen für die Zellstoffprüfung gedacht ist. Im Unterschied zur Bestimmung des Feuchtegehaltes beträgt hier die Einwaage mE nur etwa 10 g. Für den Trockengehalt wird in der Norm das Formelzeichen X verwendet. In der Praxis wird stattdessen allerdings häufiger TG geschrieben. Die Trockengehalt TG in % ist dann:
Schließlich zählt noch der Glührückstand (oft auch mit Aschegehalt bezeichnet) zu den Grundeigenschaften von Papier. Darunter versteht man die Menge des Rückstandes, der bei der Verbrennung einer Probe bei festgelegter Temperatur zurückbleibt. Erfasst werden also die nicht brennbaren anorganischen Inhaltsstoffe von Papier – wie zum Beispiel die Füllstoffe beziehungsweise deren Reste nach der Verbrennung bei hohen Temperaturen.
Die Prüfnorm ist die DIN 54370. Sie sieht im Verfahren A eine Glühtemperatur von 575 ° C ± 25 ° C und im Verfahren B eine Glühtemperatur von 900 ° C ± 25 ° C vor. Die Glühdauer beträgt etwa drei Stunden. Die Menge des Probenmaterials (Einwaage) richtet sich nach der erwarteten Menge an Glührückstand. Sie liegt zwischen 50 g für Glührückstände bis 0,04 % und 5 g für Glührückstände über 0,5 %.
Für die Bestimmung werden ein Glühofen sowie Probentiegel aus Keramik oder Porzellan, ein Aluminiumblock zum Abkühlen und ein Exsikkator benötigt. Die Vorgehensweise erläutert Abbildung 100.
Abb. 100: Vorgehensweise bei der Bestimmung des Glührückstandes. Die Auswertung der Ergebnisse der Wägungen ist im Text erläutert (Quelle: Eigene Darstellung)
Aus der Masse der Papierprobe mE (Einwaage), der Masse des Glührückstandes mＡ (Auswaage) und dem Trockengehalt TG der Probe ergibt sich der Glührückstand GR in % wie folgt:
Vorsicht ist geboten, wenn aus dem Glührückstand GR nach Verfahren B (900 ° C) auf den Füllstoffgehalt FC geschlossen werden soll. Ein häufig eingesetzter Füllstoff ist Calciumcarbonat (CaCO₃). Bei Tempera- turen oberhalb von 800 ° C zerfällt CaCO₃ unter Abgabe von Kohlendioxid (CO₂) zu Calciumoxid (CaO). Da CaO leichter als CaCO₃ ist, stimmt der Glührückstand nicht mit dem Füllstoffgehalt FC überein, vielmehr ist GR > FCCaCO₃. Es ist dann ein zweiter Glühversuch nach Verfahren A (575 ° C), durchzuführen. Die mit dem Korrekturfaktor 2,29 multiplizierte Differenz der Glührückstände gibt dann den Gehalt an CaCO₃ in % an:
Wird neben CaCO₃ als weiterer Füllstoff Kaolin eingesetzt, das bei 900° C nicht zerfällt, dann bestimmt man den Kaolingehalt FCKaolin gemäß der folgenden Beziehung:
Der gesamte Füllstoffgehalt der Probe ist – sofern keine weiteren Füllstoffarten eingesetzt wurden:
