Innovative, faserbasierte Produkte

Im Beriech innovative, faserbasierte Produkte untersuchen wir am PMV neue Anwendungsmöglichkeiten von Papierfasermaterial.

Gerade Papier bietet hervorragendes Potenzial für biobasierte Anwendungen im Baubereich. Es ist kostengünstig herstellbar, besteht überwiegend aus nachwachsendem Rohstoff, bietet bezogen auf das Eigengewicht sehr gute Festigkeitseigenschaften, kann als flächiges Material aber auch mit hoher Porosität bzw. sogar als Schaum produziert werden und ist verhältnismäßig einfach chemisch zu funktionalisieren. Für Anwendungen wie Fassadenelemente mit hoher Wärmedämmwirkung oder als Schalenstrukturelemente fehlen heutigen Produkten jedoch die dreidimensionale Verformbarkeit, die Druckfestigkeit, die Witterungs- und Langzeitbeständigkeit und andere Eigenschaften. Ziel des LOEWE-Schwerpunktes ist es, die noch vorhandenen Defizite bezüglich der Grundlagen zu eliminieren, Synergien aus den beteiligten Disziplinen zu nutzen und eine systematische Entwicklungsmethodik entlang der Materialverarbeitungskette zu erarbeiten. Dafür sind neue Gestaltungsansätze für die industrielle Herstellung und individualisierbare Formgebung erforderlich, bekannte Materialeigenschaften sind auf die neuen Erfordernisse hin anzupassen und weiter zu entwickeln, geeignete Charakterisierungsmethoden zu erarbeiten und Werkstoffdaten zu generieren. Dadurch wird es möglich, mit wissenschaftlich abgesicherten Methoden neue Bauwerke aus Papier werkstoff-, herstellungs- und nutzungsgerecht zu gestalten.

In den letzten Jahren werden zunehmend Verbundwerkstoffe auf Naturfaserbasis erforscht und auch im industriellen Maßstab eingesetzt. Thermoplaste verstärkt mit Hanf-, Flachs-, Jute- oder Sisalfasern findet man inzwischen in vielen PKWs. Holz wird kaum verwendet, da es wesentlich kürzere Fasern als die erstgenannten Pflanzen hat, lediglich für Leiterplatten wird Holzfasern in Form von Papier in Verbundwerkstoffen bereits seit ca. 100 Jahren verwendet, hier allerdings in Verbindung mit Duroplasten. Bei Leiterplatten werden die Papiere nur für qualitativ geringwertige Produkte eingesetzt, da seit den 50er und 60er Jahren Glasfasern für höhere Festigkeiten verwendet werden. Durch einige wenige Forschungsarbeiten in den vergangenen Jahren ist Papier wieder in den Fokus als Verstärkungsfaser für Duroplaste geraten, da Holzfasern in wesentlich höheren Mengen verfügbar sind als andere Naturfasern. Auch ist ihre Qualität nicht schlechter: Sie streuen in ihren Eigenschaften weniger stark und auch die Festigkeiten sind durchaus mit Hanf und Flachs vergleichbar. Außerdem lassen sich Faser- und Netzwerkeigenschaften bei keiner anderen Naturfaser so gezielt beeinflussen wie durch die Prozesse bei der Papierherstellung. Trotzdem fehlen bisher grundlegende Erkenntnisse zum Einfluss der Papier- und Fasereigenschaften auf die Eigenschaften des Verbundes. Diese Lücke zwischen dem Potential der Holzstoff- bzw. Zellstofffaser und ihrer Anwendung in Verbundwerkstoffen soll durch die Forschung am PMV verkleinert werden.

Neben klassischen Verbundwerkstoffen beschäftigen wir uns in mehreren Projekte mit Vulkanfibern. Im Bereich der Naturprodukte zählt Vulkanfiber zu den hochfesten Faserwerkstoffen. Die Vulkanfiber ist ein Werkstoff, der aus Cellulose in Form von mehreren Spezialpapierlagen, durch Einwirkung konzentrierter Zink-Chlorid-Lösung oder konzentrierter Schwefelsäure herstellbar ist. Dabei lösen sich niedrigmolekulare Anteile und es bilden sich Gele, die als Kittsubstanz zwischen den einzelnen Fasern und zwischen den Papierlagen fungieren. Die Eigenschaften der Papierbahnen werden dabei beträchtlich verändert. Vulkanfiber zeichnet sich durch hohe Stoßfestigkeit, Härte, niedrige Wärmeleitfähigkeit und niedrige Dichte aus, besteht aber dennoch zu 100 % aus nachwachsenden Rohstoffen und kann durch verschiedenste Fertigungsverfahren (z. B. spangebend, umformend) weiter verarbeitet werden. Unglücklicherweise wurde die wissenschaftliche Erforschung dieses vielseiteigen Materials zugunsten der Kunstoffe nahezu eingestellt. Aufgrund des zunehmenden Bewusstseins, nachhaltige Materialien einzusetzen, könnte dieser Werkstoff eine Renaissance erfahren. Da sich der Werkstoff aus mehrlagigen Papierbahnen zusammensetzt, sollte es das Ziel weiterführender Untersuchungen sein, herauszufinden, durch welche Papiereigenschaften die späteren Vulkanfibereigenschaften beeinflusst werden können.

Das Tiefziehen von Papier ist ein etabliertes Umformverfahren, welches beispielsweise zur Produktion von Papptellern, Käseschachteln und Pommes-Frites-Schalen verwendet wird. Diese Produkte werden seit Jahrzehnten in beinahe unveränderter Art und Weise hergestellt. Sie weisen i. d. R. geringe Umformgrade und einfache Geometrien auf. Neuere Untersuchungen zeigen jedoch, dass die Umformung von Papier ein deutlich größeres Potential besitzt. Ziel unserer Arbeiten in Kooperation mit dem Institut für Produktionstechnik und Umformmaschinen der TU Darmstadt (PtU) ist daher eine Weiterentwicklung des Tiefziehens von Papier hin zu modellgestützten Entwicklungsmethoden, komplexeren Bauteilen und angepassten Werkstoffen. Hieraus können neue Marktchancen und Anwendungsmöglichkeiten für das Verfahren entstehen. Optimierte Papiertiefziehverpackungen würden bspw. davon profitieren, dass Nachhaltigkeits- und Ökologiegedanken zunehmend Einfluss auf die Verpackungsauswahl nehmen und gezielt für die Vermarktung eingesetzt werden. Auch im Automobilbau, in der Möbelindustrie und in der Architektur könnten neue Anwendungsgebiete für Papier mit seinen hervorragenden Wiederverwertungsmöglichkeiten und guten Leichtbaueigenschaften entstehen.