6.1.3 Viskosität von Druckfarben und deren Messung

Druckfarben im Flexodruck müssen dünnflüssig (niedrige Viskosität) sein, um die Farben auf das Material aufdrucken zu können. Zur Bestimmung der Viskosität (Zähflüssigkeit) von Flexodruckfarben wird eine Auslaufzeit der Farbe aus einem speziellen Messbecher (Tauchauslaufbecher) angegeben. Häufig wird ein Messbecher mit einer Auslauföffnung von Ø 4 mm verwendet. Mit Hilfe einer Stoppuhr wird die Zeit ermittelt, in der der Becher leerläuft. Die Zeit vom Herausziehen des Messbechers aus der Farbe bis zur Unterbrechung des kontinuierlichen Farbauslaufstrahls ist maßgebend.
Kurze Auslaufzeit 18 bis 30 Sekunden: Farbe ist dünnflüssig, niedrige Viskosität.
Längere Auslaufzeit über 30 Sekunden: Farbe ist dickflüssig, hohe Viskosität.
Die Viskosität der Farben kann auch durch Messregelsysteme in der Maschine ermittelt werden. Dabei ist die Fließfähigkeit der Farbe eine Grundlage für die Bestimmung der Viskosität.

Die Viskosität bezeichnet die Zähflüssigkeit oder Zähigkeit von Flüssigkeiten und Gasen (Fluiden).
Je größer die Viskosität ist, desto dickflüssiger (weniger fließfähig) ist das Fluid; je niedriger die Viskosität, desto dünnflüssiger (fließfähiger) ist es. Das Wort Viskosität geht auf den typisch zähflüssigen Saft der Beeren in der Pflanzengattung Misteln (Viscum) zurück. Aus diesen Misteln wurde der Vogelleim gewonnen. „Viskos“ bedeutet „zäh wie Vogelleim“. Man nennt die Viskosität auch innere Reibung, weil die Teilchen in zähen Flüssigkeiten stärker aneinander gebunden und dadurch unbeweglicher sind. Wenn eine Flüssigkeit eine Viskosität von 1 Ns/m² hat, wird eine Kraft von 1 N benötigt, um eine Platte von 1 m² und einem Plattenabstand von 1 m mit einer Geschwindigkeit von 1 m/s gegeneinander zu verschieben. Wasser hat eine kinematische Viskosität (Zähigkeit) von 1 mm² /s. Rapsöl verfügt über eine relativ hohe Viskosität (kinematische Viskosität: 60 – 80 mm²/s bei 20 °C.

Abb. 6.1.7: Mit einem Messbecher wird die Viskosität der Farbe geprüft. Per Stoppuhr wird gemessen, wie lange es dauert, bis der Becher leerläuft. (Quelle: Eigene Darstellung)

Die Viskosität einer Druckfarbe muss auf das zu bedruckende Material abgestimmt sein. Vorgegebene Viskositätswerte werden von einem Regelsystem konstant gehalten. Zur Überprüfung der Anlage kann ein Tauchauslaufbeher verwendet werden. Druckfarben werden nicht mit Druckviskosität angeliefert. Sie müssen in der Druckerei durch Zugabe von Lösemittel auf die erforderliche Druckviskosität eingestellt werden. Ist die Farbe zu dickflüssig, muss geeignetes Lösemittel zugegeben werden, bis die erforderliche Druckviskosität erreicht ist. Beim Druck auf Folien empfiehlt es sich, eine Zeit von 20 bis 30 Sekunden einzustellen (gemessen mit einem Ø 4 mm Tauchauslaufbecher), bei saugfähigen Bedruckstoffen liegt der Zeitrahmen zwischen 18 und 25 Sekunden.

In diesem Zusammenhang ein Hinweis zum Unterschied zwischen „Verdünnen“ und „Verschneiden“: Beim Verdünnen einer Druckfarbe wird durch Zugabe eines Lösungsmittels die Viskosität der Druckfarben eingestellt. Beim Verschneiden einer Druckfarbe wird durch Zugabe von Verschnitt (unpigmentierte Bindemittelfirnes) die Farbkraft (Buntton) der Druckfarbe reduziert (aufgehellt). Wird eine zu kräftige Farbe durch die Zugabe von Lösemittel aufgehellt, kann dies zu einer Vielzahl von Druckproblemen führen, wie zum Beispiel unruhiges Ausdrucken, Glanz- oder Haftungsverlust der Druckfarbe. Der optimale Weg zur Reduzierung der Farbkraft ist die Zugabe von Verschnitt unter Konstanthaltung der Druckviskosität.

Das Lösemittel wird auch zur Beeinflussung der Trocknungsgeschwindigkeit verwendet. Muss aus produktionstechnischen Gründen der Trocknungsprozess verlangsamt werden, so können sogenannte Verzögerer (zum Beispiel Methoxypropanol) eingesetzt werden.

→ Exkurs: Viskositätsmessung mit dem Tauchauslaufbecher
Ein Beispiel eines solchen Tauchauslaufbechers ist dieses Modell der Firma Frikmar. Es gibt am Markt weitere Modelle unterschiedlicher Hersteller.


Abb. 6.1.8: Frikmar-Becker zur Viskositätsmessung
(Quelle: Frikmar)

Dieser Becher wird mit Druckfarbe randvoll gefüllt. Anschließend lässt man sie durch eine Düse mit definiertem Durchmesser ablaufen. An der Zeit, in der der Becher leerläuft, kann man die Viskosität einer Druckfarbe bemessen. Es gibt Becher dieser Art nach unterschiedlichen Normen.

Auslaufbecher nach DIN 53 211
(DIN 53 211 wurde im Oktober 1996 zurückgenommen)
Dieser Becher hat einen Inhalt von 100 ml ± 1 ml und eine festeingebaute Auslaufdüse, deren Durchmesser 4 mm ± 0,02 mm beträgt. Der Becher ist aus eloxiertem Aluminium. Die Düse ist aus rostfreiem Stahl und von innen poliert. Dieser DIN-Becher wird in der Regel für Flüssigkeiten im Vis-kositätsbereich von etwa 100 bis 500 cSt (mm²/s) benutzt. Das entspricht Auslaufzeiten von 20 bis 110 Sekunden.

Auslaufbecher nach DIN EN ISO 2431, ASTM D 5125
Die internationale Norm beschreibt ein Verfahren zur Bestimmung der Auslaufzeit mit einem 4 mm-Becher, dessen Abmessungen vom DIN 53 211-Becher abweichen. Durch eine längere Düse, einen größeren Einlaufkegel und etwas andere Innenmaße erhält man andere Auslaufzeiten als mit Bechern nach DIN 53 211. Dadurch wird auch der Messbereich erweitert, sodass der DIN EN ISO-Becher eine sinnvolle Ergänzung zum DIN-Becher darstellt. Das Messverfahren ist dasselbe wie beim DIN-Becher. Die Verwendung des DIN EN ISO-Bechers empfiehlt sich in erster Linie für den internationalen Gebrauch. Zusätzlich zur 4 mm-Düse werden noch 3, 5 und 6 mm Düsen in der DIN EN ISO-Norm beschrieben. Die günstigsten Messbereiche der einzelnen DIN EN ISO-Becher sind wie folgt:

3 mm Viskosität 10-40 mm²/s     = 30-100 Sek.
4 mm Viskosität 25-130 mm²/s   = 25-100 Sek.
5 mm Viskosität 70-360 mm²/s   = 25-100 Sek
6 mm Viskosität 130-700 mm²/s = 25-100 Sek.

Ford-Auslaufbecher nach ASTM D 1200, D 333, D 365
In der Norm ASTM D 1200, D 333, D 365 werden drei Becher mit verschiedenen Düsen vorgeschrieben:

Ford-Becher Nr. 2 = 2,53 mm Vis. bei 25 °C 25-120 mm²/s
Ford-Becher Nr. 3 = 3,40 mm Vis. bei 25 °C 40-220 mm²/s
Ford-Becher Nr. 4 = 4,12 mm Vis. bei 25 °C 70-370 mm²/s

Das Messverfahren ist dasselbe wie beim DIN-Becher. Die gemessenen Auslaufzeiten sollen nicht unter 20 Sekunden und nicht über 100 Sekunden liegen.
(Quelle: BYK-Gardner GmbH, www.bit.ly/2vBEIlc)

Achtung Tixotropie:
Tixotrop nennt man Flüssigkeiten, die sich bei Bewegung etwa durch Umrühren oder bei Erschütterung verflüssigen (Thixotropie). Deshalb können sich auch Durckfarben in der Bewegung von der Viskosität her verändern. Dies muss bei Viskositätsmessungen berücksichtigt werden – das heißt: Viskosittätsmessungen müssen während der Produktion kontinuierlich überprüft werden.

Abb. 6.1.9: Auswahl von Lösemittelkennzahlen (Quelle: Eigene Darstellung)

Als Maß für die Geschwindigkeit, mit der ein Lösemittel verdunstet, wird die Verdunstungszahl angegeben. Man erhält die Verdunstungszahl eines Lösemittels als Relativwert aus der Verdunstungszeit im Vergleich zu Ether (Diethylether). Die Verdunstungszeit von Ether wird immer mit der Zahl 1 angegeben. Zur Berechnung der Verdunstungszahl von weiteren Lösemitteln dividiert man die Verdunstungszeit des zu prüfenden Lösemittels durch die Verdunstungszeit von Ether.
Hinweis: Die Verdunstungszeit von Ether wird mit 1 angegeben und die Verdunstungszahl von Ethanol mit 8,3. Somit ist die Verdunstungszeit von Ethanol um den Faktor 8,3 größer als die Verdunstungszeit von Ether.

Oberflächenspannung
Im Zusammenhang mit der Farbannahme beim Bedrucken oder Lackieren ist die Benetzbarkeit eines Papiers, Kartons, Wellpappe oder Kunststofffolie wichtig. Um die Benetzbarkeit verschiedenster Bedruckstoffe zu bestimmen, wird der Randwinkel gegen definierte Flüssigkeiten (z.B. Wasser) ge-messen. So erhält man eine Aussage über die Oberflächenspannung des Materials und damit zur Benetzbarkeit. Die Oberflächenspannung ist die Bestrebung einer Flüssigkeit sich gegen intermolekulare Kräfte zusammen zu ziehen. Diese bewirkt, dass sich ein Tropfen zu einer Kugel formt. Liegt dieser Tropfen auf der Oberfläche eines Festkörpers, ergibt sich ein Kontaktwinkel zu dieser Oberfläche.

Abb. 6.1.10: schematische Darstellung von Kontaktwinkeln (Quelle: Eigene Darstellung)

Abb. 6.1.11: Kontaktwinkel in Abhängigkeit von der Benetzbarkeit eines Festkörpers (Quelle: Eigene Darstellung)

Die Oberflächenspannung kann in der Druckfarbe durch Zugabe von Additiven und bei Kunststofffolien durch eine Vorbehandlung angepasst werden.

Prüfung der Oberflächenspannung:

Abb. 6.1.12: Überprüfung der Benetzbarkeit einer Oberfläche mit Testtinte (Quelle: Eigene Darstellung)

Zur Prüfung der Oberflächenspannung werden Testtinten oder Teststifte verwendet. Ist der Wert der Materialoberfläche identisch mit dem Wert der Testtinte / Teststifte, wird der Bereich gleichmäßig benetzt. Ist der Wert nicht erreicht, zieht sich die Tinte zusammen und perlt auf der Oberfläche.

Abb. 6.1.13: Eigenschaften von Lösemitteln in der Übersicht (Quelle: Sicherheitsdatenblätter der Lösemittel)