Herstellung von Papieren mit definierter Porenstruktur und hochgradiger Faserorientierung

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Samuel Schabel
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 405469627

• Erstellungsjahr: 2024

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Im Rahmen des Projekts wurde der Zusammenhang zwischen Fasereigenschaften, Herstellungsparameter sowie Papiereigenschaften untersucht, um in Zukunft maßgeschneidertes Papier mit gewünschten Eigenschaften herstellen zu können. Insbesondere lag der Fokus hier auf der Porenstruktur im orientierten Papier, da es bisher wenig Forschung im Bereich der anisotropen Papiere gibt. Dafür wurden Papiere aus vier unterschiedlichen Zellstoffen, mit fünf unterschiedlichen Mahlgraden, aus unfraktionierten sowie aus vier Fraktionen mit drei Orientierungsrichtungen hergestellt und untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass die Fasern durch die Mahlung kürzer und stärker fibrilliert werden. Aufgrund der erhöhten Flexibilität der Fasern nach dem Mahlvorgang können sich die Fasern enger aneinanderlagern, was zur Verringerung der Porosität und zur Verkleinerung des Porenraums führt. Die Fraktionierung der Fasern erfolgt hauptsächlich nach Faserlänge und Flexibilisierung. Papiere, die aus kürzeren und flexibleren Fasern hergestellt sind, weisen in der Regel eine geringere Porosität und einen kleineren Porenraum auf, da sich die Fasern näher aneinanderlagern können. Im umgekehrten Fall von längeren und steiferen Fasern weist das Papier eine höhere Porosität und einen größeren Porenraum auf. Es konnte im Allgemeinen kein messbarer Einfluss der Faserorientierung auf die Porengröße sowie Porosität gezeigt werden. Es wird vermutet, dass der Effekt zu klein ist, um ihn mit den gewählten Methoden zu messen. Zudem wurden die Veränderung der mechanischen Festigkeiten des Papieres untersucht, wenn das Papier mit einer ionischen Flüssigkeit getränkt ist, was für die Anwendung in papierbasierten Analysegeräten wichtig ist. Aufgrund des Vorhandenseins der ionischen Flüssigkeit betrugen die Festigkeitswerte 60 bis 90 % des ursprünglichen Festigkeitswerts von trockenem Papier. Anhand von Modellblättern aus Regeneratfasern konnte gezeigt werden, dass die Fließgeschwindigkeit durch die Modellblätter unabhängig vom Faserdurchmesser und folglich vom Porendurchmesser ist. Ferner konnte gezeigt werden, dass die höchste Fließgeschwindigkeit bei Blättern mit einem geringen Feinstoffgehalt gegeben ist. Dieser Zusammenhang konnte jedoch nur bedingt bei einem ähnlichen Versuchsaufbau bei Blättern aus NBSK beobachtet werden. Dadurch erweitert sich das Verständnis des Flüssigkeitstransports durch Papier. Zuletzt wurden strukturierte Papiere hergestellt, welche sich lokal in ihren Eigenschaften unterscheiden. So wurden zum einen Papiere hergestellt, welche lokal aus zwei unterschiedlichen Zellstoffen bestehen, wodurch sich das Fließverhalten von Wasser durch das Papier verändert hat. Zudem wurden Papiere aus natürlichen sowie modifizierten, hydrophoben Fasern hergestellt, wodurch lokal kein Wasser in die Papierstruktur geflossen ist. Die erzielten Erkenntnisse eröffnen zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten, insbesondere im Bereich der Funktionalisierung von Papier und bei der Entwicklung papierbasierter mikrofluidischer Analysegeräte.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Investigation of the pore structure of highly oriented paper using a water ascending test, In: Progress in Paper Physics Seminar: Book of Abstracts, S. 11-20, Atlanta, 2021.
  C. Helbrecht, A. Striegel & S. Schabel
  
• Parameters effecting Pore Structure and Fluid Flow in Highly Oriented Paper, 13th European Congress of Chemical Engineering, Frankfurt
  C. Helbrecht, A. Striegel & S. Schabel
  
• Effects of fiber fibrillation and fines content on the paper pore structure using laboratory paper of regenerated fibers, Zellcheming Conference Cellulose-based Materials - From Science to Technology, Wiesbaden
  C. Helbrecht & S. Schabel
  
• Analyses of the effects of fiber diameter, fiber fibrillation, and fines content on the pore structure and capillary flow using laboratory sheets of regenerated fibers. Nordic Pulp & Paper Research Journal, 38(3), 425-440.
  Helbrecht, Christiane; Langhans, Markus; Meckel, Tobias; Biesalski, Markus & Schabel, Samuel
  
• Influence of Fiber Orientation on the Strength Properties of Paper-Epoxy Composits, In: Advanced Materials Congress, Stockholm, S. 156–157.
  C. Helbrecht, R. Götzinger & S. Schabel
  
• Mechanical properties of paper saturated with a hydrophobic ionic liquid. BioResources, 18(2), 2842-2856.
  Helbrecht, Christiane; Schmitt, Fabian; Meckel, Tobias; Biesalski, Markus; Etzold, Bastian J. M. & Schabel, Samuel
  
• Anisotrope Porenstruktur in Papier – Charakterisierung, Herstellung, Anwendungspotential, Dissertation, PMV, TU Darmstadt
  C. Helbrecht
  
• Influence of Fiber Orientation on the Strength Properties of Paper-Epoxy Composites. Advanced Materials Letters, 15(3), 2403-1756.
  Helbrecht, Christiane; G.ötzinger, Robert & Schabel, Samuel
  
• Single-fibre coating and additive manufacturing of multifunctional papers. RSC Advances, 14(20), 14161-14169.
  Mikolei, Joanna Judith; Helbrecht, Christiane; Pleitner, Janine Christin; Stanzel, Mathias; Pardehkhorram, Raheleh; Biesalski, Markus; Schabel, Samuel & Andrieu-Brunsen, Annette