SNEAK PEEK: Erste Einblicke in den noch nicht veröffentlichten Jahresbericht 2020/2021

Papier mit CO-Laser kleben

Aktuelles – Fraunhofer IWS Dresden /

Das Fraunhofer IWS und die Papiertechnische Stiftung PTS schaffen gemeinsam die Grundlagen für einen binemittelfreien Fügeprozess von Papier. Sie erzeugten bereits schmelzfähige Reaktionsprodukte, indem sie Papiere mit einem Kohlenstoffmonoxid-Laser (CO-Laser) bestrahlten. Anschließend »klebte« das Forscherteam in einem Heißsiegelverfahren zwei Papiere.

Eine Hochgeschwindigkeitsaufnahme der Bestrahlung eines Papiersubstrats mit CO-Laserstrahlung zeigt einen flüssigen Zwischenzustand.
© Fraunhofer IWS Dresden
Eine Hochgeschwindigkeitsaufnahme der Bestrahlung eines Papiersubstrats mit CO-Laserstrahlung zeigt einen flüssigen Zwischenzustand.
Das neuartige Verfahren der Kombination von Laserbestrahlung und anschließendem Heißpressen ermöglicht u. a. die Herstellung von Wellpappe.
© Fraunhofer IWS Dresden
Das neuartige Verfahren der Kombination von Laserbestrahlung und anschließendem Heißpressen ermöglicht u. a. die Herstellung von Wellpappe.

Das Papier und seine Erzeugnisse überdauern bereits die Jahr­hunderte. »Um Papierprodukte miteinander zu verbinden, hat sich eine Vielzahl an Bindemitteln und verbindenden Verfahren etabliert. Am häufigsten kommt das Kleben zum Einsatz, auf­grund seiner geringen Produktionskosten und hoher Verbin­dungskräfte. Im Hinblick auf ein steigendes Umweltbewusstsein weisen Klebstoffe beim Recycling jedoch erhebliche Nachteile auf« erklärt Florian Lull. Es bildet sich vermehrt Ausschuss durch Restbestandteile, was den Einsatz zusätzlicher, umweltschädlicher Chemikalien erforderlich macht. Der Fokus der gesamten Wertschöpfungs­kette liegt darin, Zusatzstoffe zu reduzieren. Ein bindemittelfrei­es Fügeverfahren auf Basis des Schmelzens könnte dies ermög­lichen. Lull verrät: »Mit herkömmlichen thermischen Technologien lässt sich Papier bislang deswegen nicht miteinander verschmelzen, da keine nutzbare Temperatur zwischen dem Schmelzen und der pyrolytischen Zersetzung existiert. Abhilfe schaffen die ener­giereichen, kurzen Pulse eines CO-Lasers.« Einerseits sorgen die sehr hohen Heizraten für eine schlagartige Zersetzung des Ma­terials. Andererseits werden die Molekülgruppen der Cellulose als Papierhauptbestandteil durch die Laserwellenlänge von 5,6 Mikrometer selektiv und sehr gezielt angeregt. Mithilfe einer Hochgeschwindigkeitskamera machte das Fraunhofer IWS nun das hochdynamische Sieden eines flüssigen Zwischenzustands sichtbar. Diesen zersetzt die eingebrachte Wärme zu einem Großteil in gasförmige Stoffe. Es bleiben jedoch auch erstarrte Reaktionsprodukte zurück. Mit der Kombination zeitaufgelös­ter Messungen und einer infrarotspektroskopischen Analyse ließ sich deren Menge optimieren.


Fügen von Papier gelingt durch Heißsiegeln

Den Projektpartnern der PTS Heidenau gelang es, die Reakti­onsprodukte erneut zu verflüssigen und zwei Papierstreifen ohne künstliche Zusätze zu verbinden. »Genutzt wird dafür einen Heißsiegelprozess, bei dem eine Temperatur von 200 °C mit ei­nem Druck von 36 bar kombiniert wurde«, so Florian Lull. Die gefügten Proben wurden einem T-Peel-Zugprüfversuch unterzogen und wiesen Verbindungskräfte in der Größenordnung einer einfachen Kle­beverbindung auf, etwa für Easy-Opening-Verpackungen. In ei­nigen Fällen trennten sich die Fügepartner sogar neben der Fü­gestelle, sodass die Verbindung eine ähnliche Stabilität wie das Grundmaterial aufweist. Zur Demonstration der Möglichkeiten der neuen Technologie erstellten die Projektpartner bereits in gleicher Weise industrienahe Probekörper, wie Briefumschläge, Pappschachteln sowie Wellpappe.