KOMPAP

Energieeffizientes Bauen durch Komposit-Materialien mit Papier

Papier ist ein natürlicher, aus nachwachsenden Rohstoffen gewonnener Werkstoff, der schon seit vielen Jahrhunderten im Bauwesen (überwiegend im Innenausbau) eingesetzt wird. Papier lässt sich in großen Mengen kostengünstig herstellen, ist vielfach rezyklierbar und bietet durch die chemisch reaktiven Hydroxylgruppen der Cellulose vielfältige Möglichkeiten für eine anforderungsgerechte Funktionalisierung. Im Vergleich mit Holz kann Papier wesentlich besser für spezifische Anwendungen maßgeschneidert werden. Trotz dieser vielfältigen Möglichkeiten wurde bisher die Möglichkeit, papierbasierte Strukturen in Verbindung mit mineralischen Werkstoffen im Bauwesen einzusetzen, kaum systematisch untersucht. Es gibt einige wenige Beispiele für solche Verbundmaterialien, wie z. B. Gipskartonplatten oder Untersuchungen zu faserverstärktem Zement oder Beton.

Ziel des Projektes sind neue, besonders energieeffiziente Konzepte mit Komposit-Materialien auf Basis von Papier, mineralischen Baustoffen und Kunststoffen zur Funktionalisierung (z. B. zur Haftvermittlung oder Hydrophobierung). Diese Konzepte sollen insbesondere geeignet sein, energieeffiziente Bauteile, z. B. für Gebäudehüllen, zu errichten. Dabei bezieht sich die Energieeffizienz sowohl auf die Wärmedämmungseigenschaften bei der Anwendung im Gebäude als auch bei der Materialherstellung selbst und bei der Anwendung der Materialien.

Laboranlage zur Herstellung unidirektionaler Papiere
Laboranlage zur Herstellung unidirektionaler Papiere

Auf konventionellen Papiermaschinen ist eine Beeinflussung der Faserorientierung möglich, allerdings nur eingeschränkt. Für die Herstellung von hochgradig unidirektional orientierten Papieren wird derzeit eine Laboranlage aufgebaut und erprobt, die auf den Arbeiten von Kortschot basiert. Diese wird derart weiterentwickelt, dass eine höhere Faserorientierung und hierdurch eine wesentlich höhere relative Zugsteifigkeit in Längsrichtung möglich ist. Damit kann das Potential unidirektional orientierter Papiere aufgezeigt und auch ein Zusammenhang zwischen Orientierungsgrad und Festigkeitswerten ermittelt werden.

Für Bauanwendungen mit Papier werden heute nur in sehr geringem Umfang spezifisch gestaltete und hergestellte Papiere eingesetzt. Das Potential von Papier als Baumaterial ist folglich heute bei weitem nicht ausgeschöpft.

Zu diesem Zweck werden im Rahmen von Arbeitspaket 1 Halbstoffe, Papiere und Papierprodukte ausgewählter Industriepartner charakterisiert, Festigkeitsmodelle überprüft und erweitert sowie die Faserorientierung in Papieren optimiert.

Kraft-Dehnungs-Diagramm
Kraft-Dehnungs-Diagramm

Der Zusammenhang des Spannungs-Verzerrungsverhaltens von Papier bzw. Faser und dem späteren Verbundwerkstoff ist derzeit unbekannt. Es gibt zwar validierte Modelle, jedoch fehlt eine geeignete Eingangsgröße in diese Modelle, um den Beitrag der Faserverstärkung zu quantifizieren.

Durch Vergleich der Ergebnisse aus der Charakterisierung vorhandener Vliesmaterialien mit bestehenden Modellen zur Festigkeit von Papier und Papier-Verbundmaterialien und ggf. einer Anpassung dieser Modelle kann die Optimierung modellgestützt erfolgen und die Erkenntnisse können einfacher in den Industriemaßstab übertragen werden.

Zu Beginn des Projektes werden die bei den Industriepartnern vorhandenen Materialien im Hinblick auf ihre Festigkeitskennwerte und ihre Wärmeleitfähigkeit charakterisiert. Diese Daten dienen später als Referenz für die Herstellung von für das energieeffiziente Bauen optimierten Faservliesen, die Entwicklung einer Technik zur Erzeugung hochgradig unidirektionaler orientierter Papiere sowie zur Modellierung der Zusammenhänge zwischen Prozessgrößen und mechanischen Papiereigenschaften.