FiPre - Functional Paper Research

Herstellung von Papieren mit definierter Porenstruktur und hochgradiger Faserorientierung

Hinsichtlich makroskopischer Eigenschaften, z. B. bezüglich der Farbe, der Rauigkeit oder der Zugfestigkeit, gilt Papier heutzutage als sehr gut untersucht. In der Regel sind auch die für den Gebrauch von Papier in herkömmlichen Anwendungen wie Grafik- oder Verpackungspapiere relevanten Struktur-Eigenschaftsbeziehungen bekannt.

Allerdings basieren die meisten dieser bekannten Zusammenhänge auf empirischen Daten, wodurch die daraus abgeleiteten Gesetzmäßigkeiten ebenfalls empirischer Natur sind. Existierende Ansätze ,z. B. die Festigkeit von Papier von den Festigkeiten der Fasern abzuleiten, besitzen bisher einen stark eingeschränkten Gültigkeitsbereich. Grund für diese Wissenslücke ist die hohe Komplexität von Papier, das aus unterschiedlichen Pflanzenfasern und damit aus komplexen Primärpartikeln mit einem breiten Spektrum an Eigenschaftsverteilungen (u. a. unterschiedlichster Geometrie) aufgebaut ist.

Weiterhin erschweren natürliche und synthetische Polymere, die als Additive bei der Papierherstellung beigemischt werden, um bestimmte Produkteigenschaften zu erreichen, sowie anorganische Füllstoffe und unterschiedliche verfahrenstechnische Prozessparameter (z. B. die mechanische Faservorbehandlung), ein Verständnis des Materials signifikant. Im Rahmen dieses Projekts soll nun genau dieses Verständnis der Zusammenhänge zwischen makroskopischen Papiereigenschaften und den Prozessparametern bei der Papierherstellung sowie den in den anderen Teilprojekten des Paketverbunds untersuchten mikroskopischen Eigenschaften für die hier im Fokus stehenden funktionalisierten Papiere erweitert werden. Dazu werden Methoden eingesetzt und auch entwickelt, um Eigenschaften wie Faserlänge, Intensität der Fibrillierung oder auch den Grad der Faserorientierung bei der Blattbildung systematisch und definiert zu verändern. Gerade die Entwicklung einer Blattbildungsmethode für hochgradig orientierte Faservliese wird helfen, auch die Orientierung von Poren zunächst zweidimensional zu beeinflussen. Letzteres kann für zukünftige Arbeiten zum kontrollierbaren Flüssigkeitstransport im Porenraum im Erfolgsfall gezielt genutzt werden. Aber auch mit konventionellen Methoden, wie z. B. der Mahlung, kann die Porenstruktur systematisch beeinflusst werden. Ausgehend von diesen Experimenten in der Blattebene, welche in den ersten 3 Jahren des Projekts geplant sind, sollen in einer zweiten Förderperiode die Arbeiten auf die definierte Erzeugung einer dreidimensionalen Faserstruktur und deren Charakterisierung ausgedehnt werden. Damit wären dann z. B. mehrschichtige Strukturen mit verschiedenen Eigenschaften in den unterschiedlichen Schichten oder auch Fasergebilde mit dreidimensionalen Kanälen bzw. definierten Porensystemen darstellbar. Parallel dazu sollen die Herstellungsmethoden im Labor- und evtl. im kleinen Pilotmaßstab von einer diskontinuierlichen Methode hin zu einem möglichst kontinuierlichen Prozess erweitert werden.