Entwicklung verfahrenstechnischer Grundlagen zum Schmelzen von Papierwerkstoffen unter Ausnutzung von Laserstrahlung am Beispiel eines bindemittelfreien Fügeprozesses

Fügeverfahren der Papier- und Verpackungsindustrie basieren gegenwärtig auf kraft- und formschlüssigen Verbindungen oder auf Verklebungen. Während beim ersten Verfahren die erzielbaren Festigkeiten gering sind, hat das zweite Verfahren den Nachteil des notwendigen  Kleberzusatzes. Das Fügen von Papier durch Verschweißen könnte  eine Qualitäts-aber auch Technologieverbesserung bewirken. Die Vermeidung von Klebstoffen verhindert zusätzliche  Umweltbelastungen und verbessert die Recycling-Fähigkeit von Papierprodukten.

Ziel des Forschungsprojektes ist es,  erstmalig klassische Papierwerkstoffe  aufzuschmelzen, um dadurch ein neues verbessertes Fügeverfahren zu entwickeln.

Schmelzen von Papier ist durch einfaches  Aufheizen nicht möglich. Schon vor Erreichen der Schmelztemperatur kommt es zur Zersetzung der Cellulose. Deshalb ist es eine wissenschaftliche Herausforderung, Bedingungen zu finden, unter denen Papierschmelze darstellbar ist.
Wenn die Hauptkomponenten von Papieren wie Cellulose, Hemicellulose oder Lignin (vorrangig Cellulose) für Schweißverbindungen genutzt werden sollen, muss einerseits ein Fließzustand im Material generiert werden und andererseits eine intermolekulare Diffusion der Makromoleküle der Fügepartner gewährleistet werden. Eine wesentliche Rolle beim Schmelzen von Cellulose spielt das Aufbrechen von Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den Molekülketten. Die Bindungsenergie der Wasserstoffbrückenbindung entspricht der Photonenenegie im Wellenlängenbereich von 6 – 8 µm. Im Projekt wird deshalb ein CO-Laser verwendet, der Emissionslinien im Bereich von 4 – 6 µm aufweist.

Bei Untersuchungen mit einer Hochgeschwindigkeitskamera konnte Papierschmelze nachgewiesen werden. Durch zusätzliche mechanische Wirkungen auf den Verbindungsbereich wird nun die Technologieentwicklung zum Fügeverfahren vorangetrieben.

Schmelzvorgang einer Papieroberfläche, hervorgerufen durch gepulste CO-Laserstrahlung