PTSNEWS 70 Jahre nach vorne gedacht Perspektiven der Papierforschung - Papiertechnische Stiftung (PTS)
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PTSNEWS
02/2021
FIBRE based solutions for tomorrow‘s products
70 Jahre nach vorne
gedacht … Perspektiven
der Papierforschung
www.ptspaper.de
Inhaltsverzeichnis Titelthema Nach vorne gedacht … Perspektiven der Papierforschung 04 Aus der Forschung Dimensionsstabilität im Inkjetdruck 07 Alterungsprozesse und deren Einfluss auf die Inkjet-Bedruckbarkeit von Faltschachtelkarton 08 Einsatz von papierabgeleiteter Keramik als thermisches Isolationsmaterial in einem keramischen Hybridbauteil 10 Paperonics – gedruckte Elektronik für smarte Verpackungen 12 Bindemittelfreies Fügen von Papieren durch Laserbestrahlung 14 Biobasierte Papierbeschichtungen: IGF-Projekt BiPaRe gestartet 16 Regenerative, superhydrophobe Papierbeschichtungen auf Basis nachwachsender Rohstoffe – „Regenerate“ 16 Doppelt gekrümmte Wabenformteile auf Basis flexibel formbarer Wabenkerne 18 Holzbasierte Werkstoffe im Maschinenbau (HoMaba) 20 Mobile Brennstoffzellen: Maßnahmen der Forschung, Entwicklung und Innovation im Rahmen des Nationalen Innovationsprogramms „Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie – Phase 2“ 20 Dienstleistung & Technologie Erfolgreiche Aufrechterhaltung der Akkreditierung nach DIN EN ISO/IEC 17025:2018 21 Einblicke in die Materialwissenschaft mit dem Rasterelektronenmikroskop (REM) – Serie #2 22 Kundenspezifische Geräteentwicklung 22 Weiterbildung PTS Veranstaltungen 2022: Online & Live 24 PTS Academy: Neue Formate & Highlights 25 Innovative Themen und Diskussionen beim 30 PTS Coating Symposium 2021 26 Online Workshops zum Thema Mikroplastik und Einwegkunststoffartikel (SUPD) erfreuen sich sehr hoher Nachfrage 27
Editorial
Liebe Leserinnen und Leser,
als neuer und nun aktiver Vorstand der Der Erhalt einer Zukunftsfähigkeit ist eng Auf die Papierforschung der Zukunft
PTS freue ich meine erste Ausgabe der mit der Fähigkeit verknüpft sich an verän- warten viele Herausforderungen und
PTS News einleiten zu dürfen, in denen dernde Rahmenbedingungen anzupassen, Aufgaben, um die Fragestellungen und
wir Ihnen wieder aktuelle Themen und neue Trends zu setzen und zu erkennen Veränderungen der Zukunft zu meis-
Entwicklungen aufbereitet haben. Die Kolleginnen und Kollegen an der PTS tern. Als Forschungsinstitut nehmen wir
leben dieses Prinzip jeden Tag, was mich diese Herausforderung gerne an, sehen
Als DAS Forschungs- und Dienstleis- nachhaltig beeindruckt Ich schätze mich hierin aber zugleich eine Verpflichtung
tungsinstitut der Papierindustrie nimmt glücklich mit einem hoch motivierten und gegenüber den Unternehmen der Pa-
die Papiertechnische Stiftung (PTS) in kreativen Team zusammenzuarbeiten, pierindustrie, der wir als PTS nachkom-
dieser Funktion zum einen wichtige für mich ist dies die Basis, um als For- men werden. Anlässlich des 70jährigen
übergeordnete Aufgaben für die Branche schungs- und Dienstleistungsinstitut auch Jubiläums der PTS gibt das Titelthema
wahr, zum anderen werden Forschungs- zukünftig die Bedürfnisse, Erwartungen zur Zukunft einen Ausblick, wie die
ergebnisse erarbeitet, mit dem Ziel die und Anforderungen unserer Kunden und Entwicklungen „70 Jahre nach vorne
Unternehmen der Papiererzeugung und Projektpartner und damit unseren Stif- gedacht“ der Papierforschung aussehen
-verarbeitung hinsichtlich ihrer Wettbe- tungsauftrag erfolgreich zu erfüllen können. Zusätzlich finden sie wieder Be-
werbsfähigkeit nachhaltig zu stärken. richte zu aktuellen Forschungsprojekten,
Die Herausforderungen der Zukunft, wie Dienstleistungen und zu kommenden
Diese wichtige Aufgabe nimmt die PTS z.B. die CO2-neutrale Papierproduktion PTS Veranstaltungen in 2022
seit nunmehr 70 Jahren erfolgreich wahr, sind gewaltig und komplex und bedürfen
worauf wir stolz sind und wofür ich mich oftmals ganz neuen Forschungsansätzen In eigener Sache freue ich mich schon auf
als neuer Vorstand der PTS, stellvertretend und -strukturen. Hierzu gilt es strategi- die kommenden Monate, die ich auch dazu
für alle meine Vorgänger, insbesondere bei sche Partnerschaften einzugehen und nutzen werde, um mit Ihnen ins Gespräch
den Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern zu fördern, sowie die sich hieraus erge- zu kommen und sie kennenzulernen – be-
der PTS bedanken möchte. Darüber hin- benen Chancen für inkrementelle und vorzugt natürlich auch auf unseren anste-
aus danke ich den Stiftern für Ihr nach- disruptive Innovationen zu nutzen Die henden PTS Veranstaltungen in 2022
haltiges Interesse an der PTS, denn mit Zusammenarbeit der PTS mit der Techni-
Ihren Entscheidungen und Ihrem Engage- schen Universität Dresden ist dabei von Ich wünsche Ihnen viel Spaß beim Le-
ment haben die Stifter ganz entscheidend besonderer Bedeutung, die es zukünftig sen und hoffe auf viele Anregungen für
dazu beigetragen die PTS zu gründen, zu weiter zu stärken und auszubauen gilt, eine Zusammenarbeit mit uns, bleiben
entwickeln und zukunftsfähig zu halten. mit dem Ziel einen international sichtba- Sie gesund!
Diesen eingeschlagenen Weg möchte ich ren Knoten- und Ankerpunkt für die The-
zusammen mit dem Team der PTS weiter- men Bioökonomie, Kreislaufwirtschaft
gehen und entwickeln. und Produktentwicklung zu bilden.
Ihr Dr. Thorsten Voß, PTS Vorstand
Paper & Board for Food Contact
Conference 2022
02. - 03.03.22
Dresden
www.ptspaper.de/
veranstaltungen
Titelthema
Nach vorne gedacht … Perspektiven der Papierforschung
1951 wurde die Papiertechnische Stiftung (PTS) gegründet. Seit 70 Jahren forscht die stadt, der TU Dresden und der FH Aa-
PTS zur Herstellung und Verarbeitung von Papier. Die PTS hat sich zur Aufgabe gemacht, chen arbeitet die PTS an der Konzeption
Erkenntnisse aus Forschung und Entwicklung für die Industrie zugänglich zu machen der Modellfabrik Papier in Düren in der
und ein kontinuierlicher Innovationsmotor für die Branche zu sein. In dieser Zeit wurden genau diese Fragestellungen mit unter-
zeitgemäße Umweltstandards eingeführt und die Grenzen der Fertigungstechnologie sucht werden sollen und technologische
hinzu höchstmöglicher Effizienz verschoben. Die Papierforschung der Zukunft wird noch Lösungen der Papierproduktion erforscht
stärkere Umbrüche bringen als die zurückliegenden Dekaden vermuten lassen. werden. Das erste Projekt RoadMap MFP
erarbeitet eine Forschungsagenda für
CO2-neutrale Papierproduktion und giebedarfsmengen im Stromnetz könnte die Bereiche Rohstoffe, Verfahren und
Energie verändert die Produktion das Primat der 24/7 Produktion hinter Prozesse, Digitalisierung sowie für das
Der Ausstieg aus der Kohle- und Atom- einer deutlich flexibleren Produktion in Energie- und Gesamtsystem einer Papier-
energie ist besiegelt und die Bundesregie- Kombination mit Energiespeichern und fabrik Spätestens ab 2024 soll in Düren
rung beschließt zur Erfüllung des Pariser einem entsprechende Geschäftsmodell dazu an den ersten Technologieträgern,
Klimaabkommens weitere Maßnahmen, möglichweise zurückstehen. die derzeit konzipiert werden, gearbeitet
die auch die Papierindustrie verändern werden.
werden. Aus den Szenarien zur Energie- Damit aber nicht genug Denn auch bei
wende wird deutlich, dass die Erzeugung vollständiger Integration von regenera- Kreislaufwirtschaft der Zukunft
von Dampf und Strom aus Erdgas- oder tiven Energieträgern ist noch keine Ki- Ein weiteres Forschungsfeld der Zukunft
Kohle befeuerten betriebseigenen Kraft- lowattstunde weniger in der Produktion wird eine Weiterentwicklung des Papier-
wärmekopplungskraftwerken abgelöst verbraucht. Da Energie auch in Zukunft kreislaufes sein. Die etablierten Sammel-
werden könnte. Als Primärenergieträ- einer der höchsten Kostenfaktoren bleibt, und Sortiersysteme sind die Grundlage
ger könnte Biomasse daher eine größe- ist eine drastische Reduktion des Ener- zum einen für eine stabile Versorgung
re Rolle spielen, aber auch nur dann, gieverbrauches mit völligen neuen Fer- der Papierindustrie mit im Vergleich zu
wenn gleichzeitig über Carbon Capture tigungsprozessen notwendig, damit am Primärfaserstoffen günstigem Altpapier
and Storage (CCS) oder Power-to-X eine Standort Deutschland auch in Zukunft Gleichzeitig steht die Recyclingfähigkeit
zeitnahe Abscheidung des freiwerdenden Papier produziert wird. von Papier für den Wachstumsmotor im
CO2 gelingt An der Stelle muss spätes- Bereich der Verpackungspapiere. Die Ent-
tens über die Integration von Wasserstoff Gemeinsam mit dem Forschungszentrum wicklung neuer Papiermaterialien macht
als Energieträger oder als Reaktant für Jülich, der RWTH Aachen, der TU Darm- es aber notwendig etablierte Systeme neu
die Erzeugung von Plattformchemikalien
nachgedacht werden. Dessen Bedarf gilt
es in der Industrie möglichst zeitnah ab-
zuschätzen und anzumelden Dazu lässt
die Bundesregierung derzeit in drei Leit-
projekten Lösungen zur Erzeugung, Ver-
wendung und Transport erarbeiten. Die
PTS bringt die Anforderungen im Bereich
Infrastruktur für die Papiererzeugung in
dem Leitprojekt TransHyDE-Sys ein. Hier
werden die Grundlagen für eine künftige
Versorgungssicherheit mit grünem Was-
serstoff gelegt
Im Grunde stehen die Zeichen darauf, den
überwiegenden Teil der Produktionspro-
zesse auf elektrische Energie umzustellen
Die Papiererzeugung müsste sich dann
damit auseinandersetzen, wie sie in ein
Stromnetz der Zukunft integriert produ- Mehr Informationen: www.
zieren kann. Mit dem erwartbaren Wegfall wasserstoff-leitprojekte.de/
der statischen EEG-Umlage, Netzentgelt- leitprojekte/transhyde
befreiung und stark fluktuierenden Ener-
4 PTS NEWS 2/2021 Faserbasierte Lösungen für die Produkte von morgen
Titelthema
zu denken und zu hinterfragen, wie eine von Track-and-Trace Technologien als
effektive Sammlung und Zuführung an Funktionsintegration in Verpackungs-
die Papierfabriken erfolgen kann Hier produkte ist hier ein wichtiger Baustein
müssen wiederum die Stoffe der Pro- gelegt Technologisch ist heute schon
zessaufbereitung ebenso an neuartige vieles möglich. In Verknüpfung mit ei-
Materialien angepasst werden. Die For- ner zunehmenden Integration von Infor-
schung kann hier technologische Lösun- mationen, die aus jedem Verarbeitungs-
gen aufzeigen Die Papierindustrie muss schritt heraus das Material in seinen
darüber hinaus eine gemeinsame Vision Gebrauchswerteigenschaften ändern,
entwickeln, wie der Papierkreislauf wei- wird so auch ein digitaler Zwilling eines
ter geschlossen werden kann und sich Produktes entlang seiner Wertschöp-
mitunter auf gemeinsame Standards zur fungskette wachsen. Daraus werden mit
Aufrechterhaltung des Papierkreislaufes hoher Wahrscheinlichkeit auch neue Ge-
einigen. Letztendlich werden möglich- schäftsmodelle resultieren Der Versuch Mitarbeit der PTS bei der
weise politische und regulative Eingriffe mit Blockchain-Technologien dort die 4evergreen Initiative –
eine Lenkungswirkung haben, an der Transparenz und Geschäftsbeziehungen Harmonisierung der Bewertung
sich auch der Papierkreislauf auszurich- neu zu denken, wird bisher nur in Ansät- der Rezyklierbarkeit auf
ten hat zen in Betracht gezogen. In Blick auf die internationaler Ebene (CEPI).
rasanten Entwicklungen und Forderun-
Die seit 03. Juli 2021 geltende Einweg- gen aus der Lieferkette muss es dennoch
kunststoffverordnung kann als ein sol- Aufgabe der Forschung sein, mögliche
ches Beispiel gelten. Kurzfristig gesehen Nutzerszenarien herauszuarbeiten, um
ist die Interpretation, dass wässrige Poly- die Chancen für die Beteiligten der Wert-
merdispersionen als Papierbeschichtung schöpfungskette bewerten zu können.
das Produkt in den Geltungsbereich der
Richtlinie fallen lassen, bildlich gespro- Forschen in der Zukunft:
chen der GAU für die Entwicklung von Innovationen zur Zukunftssicherung
papierbasierten Verpackungen mit Was- Viel hat sich in den zurückliegenden
Projektbeteiligung der PTS
serdampf-, Feuchtigkeits- oder Fettbarri- 70 Jahren im Wettbewerb um die bes-
bei der "Konzeption von
ere Dennoch sollte die Papierforschung ten Lösungen für eine Reduzierung
rezyklierbaren biobasierten
dies als Chance begreifen und den Un- von Kosten, einer Minimierung von
Beschichtungen für Papier-
ternehmen Lösungen aufzeigen, die für Umweltauswirkungen und natürlich
verpackungen"
Barrierelösungen vollständig auf „natür- für neue Anwendungsfelder von Papier
(Projektbericht siehe S. 16)
liche Polymere“ im Sinne der Richtlinie entwickelt. Die Papierzeugung von heu-
setzt. Damit wären aber möglichweise te ist nicht mehr die gleiche wie vor 70
noch nicht alle dringenden Fragen beant- Jahren, selbst wenn die Grundlagen der
wortet. Es gilt heute schon zu erforschen, Fertigungstechnik heute noch die glei- darüber hinaus die Verfügbarkeit von
wie sich der Eintrag von wasserlöslichen, chen sind. So ist auch zu erwarten, dass Wissen in Form von Publikationen, For-
wachsartigen oder polymeren Substan- in weiteren 70 Jahren, die Papiererzeu- schungsdaten und Software schnell an-
zen und der vermehrte Eintrag von lös- gung eine andere sein wird. Mit Blick steigen lassen. Für eine Branche wie die
lichen organischen Bestandteilen auf die auf die anstehenden Herausforderungen Papiererzeugung ist vor allem neu, dass
Produktionsprozesse einer Papierfabrik für die kommenden 15 Jahre kann ge- Forschungsergebnisse nicht mehr nur
auswirken und wie die Konformität im sagt werden, dass heute das notwendi- als Demonstrator oder Bericht vorliegen
Einsatz von altpapierbasierten Produk- ge Wissen in der Grundlagenforschung werden, sondern als digital nutzbare
ten gewahrt werden kann. Demnach mit Technology Readiness Level (TRL Wissensalgorithmen. Im Innovations-
werden sich künftige Forschungsthemen ) 1 schon vorhanden ist, um 2035 zur prozess der Zukunft wird nicht der Zu-
auch vermehrt mit Reinigungsprozessen Marktreife zu kommen Andererseits gang zu Wissen der entscheidende Er-
und einer stofflichen Verwertung von werden sich die Zyklen von TRL 1-9 folgsfaktor sein, sondern die Fähigkeit,
Rejekten im Sinne eines hochwertigen verkürzen. Das hat mit einer zuneh- Wissen zu identifizieren, im Kontext
Recyclings in kreislauffähigen Produkten menden Nutzung von Künstlicher Intel- einzuordnen und für die Zielstellung
befassen müssen ligenz in der Forschung, Simulation und anwendbar zu machen. Für eine For-
zur Modellierung zu tun ebenso wie schungseinrichtung heißt das aber auch
Die Digitalisierung wird hierbei ein wich- mit einer deutlich agileren Forschungs- einen digitalen Innovationsprozess vor-
tiger Baustein zur Schließung von Kreis- welt. Zunehmende Open-Science Policy zudenken und entsprechende Archi-
läufen sein. Mit der Weiterentwicklung im Forschungsdatenmanagement wird tektur der Soft- und Hardware in den
Faserbasierte Lösungen für die Produkte von morgen PTS NEWS 02/2021 5
Titelthema
Die Bedeutung und der Nutzen von For-
schung werden jedoch zum Zeitpunkt
PaperDocAnalytics
der Entstehung häufig noch nicht in der
Gänze offensichtlich. Das Ergebnis eines
Vorhabens bildet vielfach nur ein Puzz-
leteil in einer themenübergreifenden
Thematik. Damit ein Unternehmen den
individuellen Nutzen identifizieren kann,
sind Experten im eigenen Unternehmen
unabdingbar, die Forschungsergebnisse
hinsichtlich der eigenen Problemstel-
lung übertragen. Das Projekt Faser &
Papier 2030 (www.faser-papier-2030.
de) zur Zukunft der Papieranwendung,
welches 2013-2015 unter Mitwirkung
von Industrieverbänden, Forschern und
Unternehmen entstanden ist, kann als
beispielhaft gelten, wie erfolgreich Zu-
Die Papiertechnische Stiftung entwickelt gemeinsam mit der Dresdner inter- kunft vorausgedacht werden kann. In
face projects GmbH ein modernes Portal zum schnellen Erkennen von Materi- 9 Themenlandschaften wurden 375 pa-
alfehlern in der Papierproduktion auf Basis neuronaler Netze und Deep Lear- piernahe und 265 papierferne Ideen für
ning. Als Demonstrator wird zunächst die PTS-Forschungsdatenbank genutzt, künftige Anwendungen von Papier er-
um aus Basis von Texterkennung darzustellen, wie inhaltlich Probleme und arbeitet. Bereits heute nach fünf Jahren
Lösungen der Papiererzeugung verknüpft werden können. Weitere Module sehen wir, wo Papier im Bereich Bauen,
zur Erkennung von Bild- und Materialdaten sollen folgen. Mobilität oder Energiespeichersystemen
als Systembauwand, als Flächenheizung
Forschungsdatenbank: https://search.ptspaper.de/web/pts/index.html oder als Bauteil in Elektrolyseuren neue
Anwendungsbereiche erobert.
Datenmanagementprozess der Zukunft die Erkenntnisse Unternehmen für Ihre Dr.-Ing. Tiemo Arndt,
zu integrieren Die PTS konnte hierzu individuelle Problemstellung nutzbar zu tiemo.arndt@ptspaper.de
in den zurückliegenden Jahren in die machen. Forschung wird noch stärker
notwendige Infrastruktur aufbauen und interdisziplinär und unternehmensüber-
bereits in einigen Forschungsprojekten greifend kooperativ sein und muss im-
anwenden. Um zukünftige digitale In- mer die jeweiligen Geschäftsprozesse der
novationsprozesse für Unternehmen Unternehmen mitdenken.
vertrauensvoll und sicher zu gestalten,
arbeiten die PTS in 2022 gemeinsam
mit Instituten der TU Dresden und dem
Hannah-Arendt-Institut für Totalitaris-
musforschung (HAIT) an der Erprobung
einer Datentreuhandstelle, die auch für
industrielle Innovationsprozesse an-
wendbar ist.
Damit werden die Industrieforschungs-
einrichtungen und Transfer orientierten
Einrichtungen der ZUSE eine zunehmen-
de Bedeutung im Innovationsprozess für
Unternehmen einnehmen. Denn Institu-
te wie die PTS haben als Kernaufgabe,
genau diesen Transfer zu ermöglichen:
Wissen der Grundlagenforschung in vor-
wettbewerbliche anwendungsorientierte
Mehr Informationen: www.faser-papier-2030.de
Forschungsvorhaben zu überführen und
6 PTS NEWS 2/2021 Faserbasierte Lösungen für die Produkte von morgen
Aus der Forschung
Dimensionsstabilität im Inkjetdruck
Zielsetzung substrate und war stark abhängig von der
Ziel des Projekts war, beim Bedrucken mit aufgetragenen Flüssigkeitsmenge. Projekttitel:
hohem Wassereintrag nicht allein die Plan- » Entwicklung eines Vorhersage-
lageeigenschaften zu kennen, sondern da- Die Dimensionsänderungen in x-y-Richtung modells zur Substrat-Dimensi-
rüber hinaus die Dimensionsstabilität und fielen umso stärker aus, je höher der Tin- onsstabilität im Inkjetdruck
das E-Modul des Bedruckstoffes voraussa- tenauftrag war. Die geringsten Änderungen
Laufzeit:
gen zu können Die Kenntnis der Stabilität traten bei Materialien mit hoher Dicke bzw.
» 01.02.2019 – 31.01.2021
innerhalb der planen Ebene (x-, y-Rich- flächenbezogener Masse auf. Außerdem
tung) beim Inkjetdruck ermöglicht, etwaige wurden unterschiedliche Ausprägungen Projektart/-träger:
Auswirkungen auf die Weiterverarbeitung der Dimensionsänderung bei verschiede- » Industrielle Gemeinschafts-
(insbesondere die daraus folgende Lage des nen Bedruckstoffklassen festgestellt: größte forschung (IGF), IGF 20425 BR
Druckbildes zur äußeren Kontur eines Pro- Dimensionsänderung bei graphischen Pa-
Forschungsstellen:
duktes) im Vorfeld abschätzen zu können pieren, geringste bei einseitig oder beidsei-
» Papiertechnische Stiftung (PTS)
Die Bedruckstoffe sollten bezüglich ihrer tig gestrichenen Kartons Die Dimensions-
Projektleiter: Dr.-Ing. Martina
Verformungseigenschaften klassifiziert und änderungen waren zeitabhängig und am
Härting, Dr. Sabine Genest
Empfehlungen zur Verbesserung der Di- deutlichsten kurze Zeit nach dem Einwir-
» Sächsisches Institut für die
mensionsstabilität erarbeitet werden. ken der Feuchtigkeit. Teilweise waren diese
Druckindustrie (SID)
Größenänderungen reversibel, teilweise je-
Projektleiter: Beatrix Genest,
Forschungsergebnisse doch nicht Dimensionsänderung in Quer-
Carolin Sommerer
Im Projekt wurde im Kontext des Inkjet- richtung waren nach 24 Stunden deutlicher
drucks die Hydroexpansion, d.h. die Verän- ausgeprägter als in Faserlaufrichtung.
derung des Substrats durch Applikation von
wässriger Tinte, beleuchtet. Hierzu wurden Die zu erwartenden Dimensionsände- tung sind stark abhängig von der auf-
verschiedene Papiere ausgewählt und cha- rungen in x- und y-Richtung sind vor- gebrachten Flüssigkeitsmenge. Die flä-
rakterisiert Als international anerkannter hersagbar, wenn viele Aspekte (Papierei- chenbezogene Masse spielt insoweit eine
Standard zur Bewertung von Passer- bzw. genschaften, Konditionierung, Belastung Rolle, als dass ab einer bestimmten Ma-
Lagedifferenzen diente das vom SID Leipzig beim Druckprozess (Bahn/Bogen), Tinten- terialdicke der Feuchtigkeitseintrag keine
entwickelte Messgerät Luchs. Die Dimensi- eigenschaften) Berücksichtigung finden. signifikante Dimensionsänderung mehr
onsänderung des Papiers als flächiges Ge- Ein vollumfängliches Vorhersagemodell bewirkt. Bei hohem Farbauftrag, wie es
bilde wurde durch eine darauf basierende war aus diesen Gründen nicht gegeben; es im Vierfarben-Druck und vollflächigem
Messmethode bewertet. Aus vorhandener gilt jedoch: Die Papiere, die einmal zu gro- Druck je nach Layout der Fall ist, kommt
Messtechnik wurde durch bauliche Anpas- ßen Dimensionsänderungen neigen, wer- es teilweise zu beachtlichen Veränderun-
sung und Weiterentwicklung der Software den sich immer wieder ähnlich verhalten. gen in der z-Richtung, sowohl im Frei-
ein Messverfahren zur schnellen und direkt en als auch bei Einwirkung zusätzlicher
an den Inkjetprozess anschließenden Be- Darüber hinaus wurde festgestellt, dass die Zugkräfte (Bahndruckverfahren). Diese
wertung der Gestalt der Papiere geschaffen. Zusammensetzung der Inkjettinte einen Veränderungen können zu Schwierigkei-
deutlichen Einfluss auf die Dimensionsän- ten bei der Weiterverarbeitung führen, in
Nach umfassender Untersuchung der derung der Substrate hat. Bei der Verwen- dem es z. B. bei Bogenware zu Welligkeit
Substrate und Vergleich mit einer groß- dung dreier verschiedener Inkjettinten (für oder Tellern im Stapel kommt Wenn die
technischen Anlage konnte ein Vorher- Wellpappe optimiert / langsam trocknend z-Verformung stark ausgeprägt ist, kön-
sagemodell zur Weiterverarbeitbarkeit / schnell trocknend) unterschiedlicher nen zudem Schwierigkeiten in der Ver-
entwickelt werden, welches die Risiko- Zusammensetzung, damit Viskosität und klebbarkeit bzw. bei der Kaschierung der
abschätzung bezüglich der Richtung und Oberflächenspannung, wurden bei den- Wellpappenliner auf die Welle auftreten
Ausprägung des Curls / der Wölbung / selben Bedruckstoffen unter Variation der Durch die gezielte Anpassung des Bildauf-
der z-Verformung aus bekannten signifi- verwendeten Tintenmenge unterschied- baus und der Farbseparation kann die auf-
kanten Papierparametern ermöglicht und liche Ausdehnungen in x-y-z-Richtung getragene Flüssigkeitsmenge bereits in der
bei definiertem Drucklayout (Tintenmen- ermittelt. Dabei wurden mit den verschie- Druckvorstufe optimiert werden, um die
ge) und Verfahren (Zugkraft) Anwendung denen Tinten überwiegend ähnliche Er- nachfolgenden Dimensionsänderungen so
finden kann. Die Wölbungsstärke korre- gebnisse in Längsrichtung erzielt. gering wie möglich zu halten.
lierte dabei sehr gut mit der flächenbe-
zogenen Masse, dem E-Modul und dem Schlussfolgerungen Dr. Sabine Genest,
Tensile Strength Index (TSI) der Papier- Die Dimensionsänderungen in x-y-z-Rich- sabine.genest@ptspaper.de
Faserbasierte Lösungen für die Produkte von morgen PTS NEWS 02/2021 7
Aus der Forschung
Alterungsprozesse und deren Einfluss auf die
Inkjet-Bedruckbarkeit von Faltschachtelkarton
Ausgangssituation jektergebnisse sollte zudem eine Metho-
Bereits kurz nach der Kartonherstel- denentwicklung zur Simulation derar- Projekttitel:
lung können Verarbeitungskomplikati- tiger Veränderungen im Rahmen einer » Alterungsprozesse und deren
onen, beispielsweise Verklebungs- oder Kurzzeitalterung erfolgen Einfluss auf die Inkjet-Bedruck-
Druckprobleme auftreten, welche nicht barkeit von Faltschachtelkarton
ausschließlich auf unzureichende Lage- Versuchsplanung
rungsbedingungen des Kartons zurück- Zum Vergleich mit kommerziellen Falt- Laufzeit:
zuführen sind. Häufig stehen solche schachtelkartons wurden Muster mit » 01.06.2019 – 30.09.2021
Verarbeitungskomplikationen in Zu- neun verschiedenen Formulierungen Projektart/-träger:
sammenhang mit Veränderungen der bekannter Strichzusammensetzung im » Industrielle Gemeinschafts-
Oberflächeneigenschaften. So können Labor präpariert, wobei besonderes Au- forschung (IGF), IGF 20724 BR
ein verändertes Benetzungsverhalten genmerk auf die Strichbindemittel und
Forschungsstellen:
oder mangelhafte Adhäsion der Grund Co-Bindemittel gelegt wurde. Die Muster
» Papiertechnische Stiftung (PTS)
für ungenügende Verklebung oder Qua- wurden an drei verschiedenen Stand-
Projektleiter: Dr. Sabine Genest
litätsschwankungen von Bedruckstof- orten (Normklima, nicht klimatisiertes
fen sein Labor sowie Technikumshalle mit oft
offenstehenden Türen) einer einjährigen
Die Quellen für oberflächenaktive Papier- Echtzeitalterung mit zweimonatlicher, Ergebnisse
zusatzstoffe sind vielfältig und umfassen umfangreicher Prüfung unterzogen Über Im Rahmen der zweimonatlichen Prüfun-
neben Netz- und Flockungsmittel klas- die untersuchten 12 Monate zeigten so- gen wurden verschiedene Parameter, wie
sische Masseleimungsmittel, wie ASA wohl Temperatur als auch Luftfeuchtig- Kontaktwinkel, freie Oberflächenenergie,
und AKD, Weichmacher, hydrophobe keit im Technikum und in dem nicht kli- Rauheit, Porosität, die stofflichen Verän-
Substanzen, wie Polysiloxan-basierte matisierten Labor große Schwankungen, derungen sowie die Inkjet-Bedruckbarkeit
Entschäumer, sowie antistatische Zusatz- welche in Abbildung 1 beispielhaft für untersucht Die stärksten Veränderungen
stoffe. Verschiedene Normen legen zwar das Labor dargestellt sind. zeigten sich bei Messung des Wasserkon-
die grundlegenden Anforderungen an die taktwinkels bzw. der Kontaktwinkel mit
mechanische Festigkeit und die Material- Zudem wurden die Muster 12 verschie- weiteren Prüfflüssigkeiten und daraus
zusammensetzung von alterungsbestän- denen beschleunigten Alterungsszenari- folgend bei der ermittelten freien Ober-
digen Druck- und Schreibpapieren fest, en unterzogen, welche in Anlehnung an flächenenergie der gestrichenen Kartons.
die Prüfung der Langzeitstabilität der geltende Normen, wie die EU-Kunststoff-
Oberfläche von gestrichenem Papier und verordnung 11/2010, DIN SPEC 5010 oder Unabhängig von den Lagerbedingungen/-
Karton ist derzeit jedoch nicht normativ PTS DF 103-2019 hergeleitet wurden. orten war z. B. bei einem Styrol-Butadien
geregelt. Hingegen ist der werthaltige In-
formationsträger – wie z. B. eine durch
einen Datamatrix-Code serialisierte Falt-
schachtel – stets der auf dem Karton be-
findliche Strich selbst.
Zielsetzung
Ziel des Forschungsprojektes war die
Identifikation der innerhalb des übli-
chen Verarbeitungszeitraums von bis
zu einem Jahr stattfindenden Alterungs-
prozesse, die zu einer Veränderung der
oberflächenabhängigen Verarbeitungs-
eigenschaften führen können Hierfür
sollten Veränderungen der Papierstrich-
chemie in Abhängigkeit von der Strich-
zusammensetzung analysiert werden. Abb. 1: Klimatischen Bedingungen an einem der drei Standorte (nicht klimatisiertes Labor)
Für die praktische Anwendung der Pro- während der einjährigen Echtzeitalterung
8 PTS NEWS 2/2021 Faserbasierte Lösungen für die Produkte von morgen
Aus der Forschung
Abb. 2: Oberflächenenergie im Papierstrich eines SA-Binder und Polyvinylalkohol enthaltenden Musters nach verschiedenen Kurzzeitalterungsszena-
rien (a-l) im Vergleich zum Ausgangswert (grau) und dem entsprechenden Wert nach 12 Monaten Echtzeitalterung (schwarz).
(SB)-Bindemittel sowie Stärke enthal- Der Effekt der Streichfarbenformulie- lyse-GC-MS zeigte, dass Signale, die bei
tenden Muster innerhalb der ersten vier rungen, die Polyvinylalkohol enthalten, der Analyse reiner Coating-Additive ge-
Monate ein Anstieg des Wasserkontakt- überwiegen denen der gegenläufig wir- wonnen werden, sich in den gestriche-
winkels (Messfehler maximal ± 3°) von kenden SB-Binder, obwohl anteilig nur nen Mustern wiederfinden und demnach
bis zu 5% nachweisbar. Im Normklima die Hälfte (Trockengehalt) enthalten war. Rückschlüsse auf die Zusammensetzung
blieb dieser erhöhte Wert bis zum Ende Grundsätzlich wurde festgestellt, dass die erlauben. Nach der Identifikation von
des Experiments erhalten, in Labor und zeitlichen Veränderungen des Wasserkon- Substanzen, wie Lösungsmittel, aroma-
Technikum unterlag dieser Kontaktwin- taktwinkels, aber auch anderer Größen, tische Kohlenwasserstoffe, Fettsäurederi-
kel stärkeren Schwankungen. wie der freien Oberflächenenergie, Strich- vate, natürlich vorkommende Substanzen
porosität sowie Inkjet-Druckqualität signi- (Terpene, Triterpene, Sesquinterpene),
Der Vergleich des zeitlichen Verlaufes fikant waren, sich jedoch nur im geringen sowie Alkane und Dialkylketone wurden
des Wasserkontaktwinkels eben diesen Maße vom Lagerort abhängig zeigten. 15 Leitsubstanzen ausgewählt und in vier
Musters mit anderen, bei denen Binde- Gruppen nach ihrer Flüchtigkeit unter-
mittel (Styrol-Acrylat (SA) statt Styrol- Methodenentwicklung Kurzzeitalterung teilt. Im Laufe der Zeit zeigte sich eine An-
Butadien) und Co-Bindemittel (Polyvi- Abbildung 2 zeigt die Auswirkungen ver- reicherung der leichtflüchtigeren Bestand-
nylalkohol statt Stärke) variiert wurden, schiedener Alterungsszenarien auf die teile, was auf eine teilweise Zersetzung
zeigte deutlich, dass große Abhängigkei- freie Oberflächenenergie eines Musters, des Binders hindeuten könnte. Zusätzlich
ten von den einzelnen Bestandteilen auf- welches SA-Binder und Polyvinylalkohol wurde eine Anreicherung von AKD-Ab-
treten: So zeigten die polyvinylalkohol- enthielt. Die Werte zu Beginn und nach bauprodukten (Dialkylketone) aus dem
haltigen Beschichtungen im Gegensatz der 12-monatigen Echtzeitalterung sind Rohkarton an der Oberfläche beobachtet.
zu den stärkehaltigen eine Verringerung zudem als Referenz mit horizontalen Li-
des Wasserkontaktwinkels mit der Zeit. nien gekennzeichnet Zudem wurden vergleichende ToF-
Die verwendeten Pigmente (Kieselsäure SIMS-Untersuchungen durchgeführt,
oder Ca-Silikathydrat) wirken sich zwar Die Veränderungen im Vergleich zum deren vollständige Datenauswertung
auf den absoluten Wert des Wasserkon- Ausgangswert, sowie dem entsprechen- und Interpretationen jedoch noch nicht
taktwinkels aus, jedoch nicht auf dessen den Wert der Oberflächenenergie nach abgeschlossen sind Erste Ergebnisse
zeitliche Veränderung Konkret lässt sich 12-monatiger Echtzeitalterung sind sig- untermauern bereits die Hinweise der
zusammenfassen, dass die untersuchten nifikant. Deutlich erkennbar ist, dass für Migration von AKD-Abbauprodukten
Strichbestandteile folgende Effekte auf dieses Muster die Szenarien j und k die im Laufe der Alterungsvorgänge. Zudem
die Papieroberfläche mit der Zeit haben: Echtzeitalterung am besten widerspie- bestätigen die Ergebnisse der Kurzzeit-
• SA-Binder & Polyvinylalkohol- geln, sowohl im Hinblick auf die gesamte alterung, die aus der Bestimmung der
Co-Binder: Hydrophilierung Oberflächenenergie, als auch bezüglich freien Oberflächenenergie erhaltenen
• SB-Binder & Stärke-Co-Binder: ihrer dispersiven/polaren Anteile Informationen: zu hohe Temperaturen
Hydrophobierung und eine Luftfeuchtigkeit von ≤ 85% be-
• gefälltes Silica / Ca-Silicathydrat: Chemische Analyse des Papierstrichs dingen starke Veränderungen der Ober-
kein Einfluss Eine umfassende Analytik mittels Pyro- flächeneigenschaften und damit einher-
Faserbasierte Lösungen für die Produkte von morgen PTS NEWS 02/2021 9
Aus der Forschung
gehend signifikante Differenzen zu den Der Inkjet-Duck sollte als schnelles und Zusammenfassung
Veränderungen während der Echtzeit- sehr empfindliches Beispiel für die Wei- Im Rahmen des Projekts ist es gelun-
alterung. Darüber hinaus zeigte sich, terverarbeitung eines beschichteten gen, einzelne Papierstrichbestandteile
dass die Eignung eines Szenarios zur Kartons dienen, um alterungsbedingte zu identifizieren, die durch Alterungs-
Kurzzeitalterung von der Zusammenset- Oberflächenveränderungen aufzuzei- vorgänge einen starken Einfluss auf
zung des Strichs abhängig ist und somit gen. Leider konnte dies nicht in dieser die Oberflächeneigenschaften ausüben
nicht jede Kurzzeitalterung dieselben Art nachgewiesen werden. Die größten können. Zudem konnte eine einfach an-
Auswirkungen auf die untersuchten Pa- Veränderungen zeigten sich im Druck- wendbare Labormethode etabliert wer-
pierstriche hatte zuwachs, dessen Wert von zu viel oder den, welche reale Alterungsprozesse
zu wenig Tinte auf dem Substrat ebenso innerhalb eines Jahres abbildet , jedoch
Inkjet-Druckversuche beeinflusst wird, wie vom Tintenweg- nicht pauschal für jedweden Papierstrich
Parallel zu den Oberflächencharakterisie- schlagverhalten. Für alle Muster nahm allgemeingültig ist
rungen der echtzeitgealterten Beschich- dieser Wert über die 12-monatige Echt-
tungen wurden Inkjet-Druckversuche zeitalterung leicht zu. Beschleunigte Dr. Sabine Genest,
von Volltonflächen und die Bewertung Szenarien zeigten unabhängig von der sabine.genest@ptspaper.de
der Inkjet-Codierbarkeit in Form von GS1 Strichzusammensetzung ebenfalls einen
Datamatrix-Codes durchgeführt. Durch Anstieg des Druckzuwachses, wobei sich
die Bewertung der Lesbarkeit der Codes mildere Bedingungen (bei 40 °C) den
(vor und nach einem Wischtest) wurde Werten der Echtzeitalterung in der Regel
die Druckqualität bewertet. stärker annähern
Einsatz von papierabgeleiteter Keramik als thermisches
Isolationsmaterial in einem keramischen Hybridbauteil
auf konstanter Umformtemperatur gehal-
D ie papierabgeleiteten Keramiken
(PA-Keramiken) werden seit einigen
Jahren im Rahmen von Forschungsar-
ten werden. Abbildung 1 zeigt schema-
tisch die Möglichkeiten der Isolation als
Projekttitel:
» Formstabile Werkzeugisolation
beiten an der PTS entwickelt und haben Umhausung (links) bzw. im Kraftfluss
im Kraftfluss mit verbesserten
vielseitige Einsatzpotentiale in industri- (rechts) Dabei ist die Isolation im Kraft-
thermischen Kennwerten auf-
ellen Bereichen, wie Filtration, Memb- fluss zu bevorzugen, um eine Wärme-
grund eines hybriden Aufbaus
rantechnologie, Leichtbau, Katalyse oder übertragung an die Presse weitgehend
thermische Isolation. Um die Anwend- zu verhindern. Dadurch werden Energie- Laufzeit:
barkeit in letzterem Fall genauer zu un- verluste vermieden und die Presse wird » 01.04.2019 – 30.11.2021
tersuchen, wurde im Projekt „ForWerk“ nicht thermisch überlastet, was zu einer
Projektart/-träger:
(Vorhaben-Nr. 20646 BG) die industrie- längeren Lebensdauer und höheren Ge-
» Industrielle Gemeinschafts-
nahe Entwicklung eines keramischen nauigkeit beiträgt
forschung (IGF),
Hybridbauteil erfolgreich umgesetzt,
IGF 20646 BG „ForWerk“ AiF
welches sich für den Einsatz als thermi- Bislang existierte noch kein marktver-
sches Isolationsmaterial im Kraftfluss bei fügbares Material, welches die erforder- Forschungsstellen:
der Warmumformung eignet lichen Anforderungen hinsichtlich der » Universität Bayreuth, CME –
mechanischen und thermischen Eigen- Georg Puchas, Felix Lindner
Im modernen Automobilbau spielt die schaften erfüllt, wodurch eine energe- » Fraunhofer IWU Chemnitz –
Warmumformung von Blechen und Roh- tisch ungünstige, aktive Wasserkühlung Ricardo Trân, Elmar Galiev
ren eine wichtige Rolle, wobei Tempera- der Pressenteile nötig war. » Papiertechnische Stiftung
turen von bis zu 900°C erreicht werden (PTS) – Dr. Cornell Wüstner,
(superplastische Umformung von Titan- Im Projekt ForWerk gelang es erfolgreich, Mandy Thomas
werkstoffen). Das Werkzeug muss dabei ein keramisches Hybridmaterial zu ent-
10 PTS NEWS 2/2021 Faserbasierte Lösungen für die Produkte von morgenAus der Forschung
An der PTS konnten im Projekt erfolg-
reich hochporöse, schichtartige Kera-
mikmaterialien mit hoher thermischer
Isolationswirkung entwickelt werden.
Dazu wurden zunächst im Labor hoch-
gefüllte Papiere mit Füllgraden zwischen
80 bis 90 Gew.% entwickelt. Als Füllstof-
fe wurden verschiedene Materialien, wie
Aluminiumoxid, Mullit oder Mischun-
gen von Aluminium- und Zirconiumoxid
(Al2O3/ZrO2) getestet Nach dem Sintern
stellten sich letztgenannte Mischungen
Abb. 1: Schematischer Aufbau eines beheizten Presswerkzeugs zur Innenhochdruckumformung als besonders geeignet heraus, da die re-
mit Wärmeisolation als Umhausung (links) bzw. im Kraftfluss (rechts); 1 – Pressenstößel, 2 – sultierenden Keramiken hohe Porositäten
Pressentisch, 3 – Werkstück, 4 – Dichtstempel (Quelle: Fraunhofer IWU)
(50 - 60 %) bei gleichzeitig brauchbarer
mechanischer Stabilität (Biegefestigkeit
von ca. 20 MPa) aufwiesen. Die Material-
kombination Al2O3/ZrO2 bewirkt zudem,
insbesondere durch die niedrige Wärme-
leitfähigkeit des ZrO2 (2 - 3 W/mK) und
die Phasengrenzen der Partikel in der
Mischung, einen geringen Wärmetrans-
port. Im besten Fall führt dies zu sehr
Abb. 2: Herstellung der PA-Keramik und Einsatz im Hybridbauteil: a) Stapel aus präkeramischen
geringen Wärmeleitfähigkeiten von unter
Grünpapieren im Sinterofen (Quelle: PTS), b) Bauteil aus PA-Keramik nach dem Sintern
(Quelle: PTS), c) Hybridbauteil aus optimierter OFC-Keramik (Rahmen) und PA-Keramik 0,3 W/mK bei 800 °C bis 1000 °C.
(Inlays). (Quelle: Fraunhofer IWU)
Die Herstellung der Grünpapiere konnte
erfolgreich im halbtechnischen Maßstab
wickeln, welches einerseits den thermi- te Vergrößerung der Stege des Rahmens auf der Versuchspapiermaschine nachge-
schen und andererseits den mechani- ausgeglichen werden. stellt werden. Dabei wurden mechanisch
schen Anforderungen des beschriebenen stabile, hochgefüllte Papiere mit bis zu 87
Einsatzbereiches genügt Dieses besteht Die OFC-Rahmenstruktur (Faservolumen- Gew.% erzeugt. Papiere mit knapp über
aus einer Rahmenstruktur aus faserver- gehalt 35,5 %) muss in der Praxis Druck- 80 Gew.% Füllstoffgehalt ergaben nach
stärkter OFC-Keramik, welche neben gu- belastungen von rund 70 MPa standhal- dem Sintern Keramiken mit dem besten
ten thermischen Eigenschaften auch eine ten. Um die Belastbarkeit nachzuweisen, Eigenschaftsprofil hinsichtlich Biegefes-
hohe mechanische Belastbarkeit hin- wurden Drucktests bei 100 MPa durchge- tigkeit, Porosität und Isolationswirkung.
sichtlich Druckbeanspruchung aufweist. führt. Nach einem gewissen Setzungsver-
Die Aussparungen im Rahmen werden halten bei der Erstbelastung (Einebnen Zudem wurde an der PTS das Sinter-
mit hochporöser PA-Keramik gefüllt, wel- von ungleichen Bereichen der Probe) programm zur Erzeugung mechanisch
che mechanisch wenig belastbar, aber konnte anschließend in bis zu 100 Be- stabiler Keramiken optimiert Dabei lag
dafür thermisch hochisolierend ist (siehe lastungszyklen festgestellt werden, dass der Fokus insbesondere auf der Sinte-
Abbildung 2c) die Probe stabil blieb und keine Beschä- rendtemperatur sowie dem Bereich der
digungen aufwies. Zusätzlich wurde eine Entbinderung. Bei der Entbinderung
Die Entwicklung der faserverstärkten 3-Punkt-Biegefestigkeit (nach ISO 17138) wird die Temperatur in einem Bereich
OFC-Keramik erfolgte am Lehrstuhl Ke- von 87 ± 4 MPa bestimmt. von ca. 200 – 500 °C nur langsam mit
ramische Werkstoffe (Universität Bay- Haltestufen variiert, sodass die Zellstoff-
reuth). Als Matrix- und Fasermaterial Neben den guten mechanischen Eigen- fasern und organischen Additive vor-
wurde Mullit ausgewählt, da dieses im schaften lagen auch die über die LFA-Me- sichtig abgebaut werden können, ohne
Vergleich zum mechanisch stabileren thode bestimmten Werte für Wärmeleitfä- die Matrix aus keramischen Partikeln zu
Aluminiumoxid (Al2O3) eine deutlich ge- higkeit von 1,52 bis 1,23 W/mK deutlich stark zu schädigen Die Sinterung der
ringere Wärmeleitfähigkeit besitzt (Mul- unter denen von monolithischem Mullit Bauteile aus PA-Keramik erfolgte durch
lit: 6 W/mK bei Raumtemperatur bzw. (siehe oben), was auf die hohe Porosität Stapelung einer bestimmten Anzahl an
3,5 W/mK bei 1000°C; Al2O3: 20 – 30 W/ der Matrix (> 50 %) und die Übergänge Papierschichten unter Beschwerung
mK). Die etwas geringeren mechani- zwischen Matrix und Verstärkungsfasern (Abb 2a) Die einzelnen Schichten der
schen Eigenschaften können durch leich- zurückzuführen ist Keramik haften schließlich stabil anein-
Faserbasierte Lösungen für die Produkte von morgen PTS NEWS 02/2021 11Aus der Forschung
ander und können als Inlay verwendet Materialien durchgeführt Anhand der tigsten experimentellen Erkenntnisse des
werden (Abb. 2b). Versuche zeigten sich zudem Möglich- Projekts für die Industrie zusammen-
keiten zur Geometrieoptimierungen der fasst, soll die wirtschaftliche Umsetzung
Die entwickelten Hybridbauteile wur- Hybridbauteile beschleunigt werden.
den vom Fraunhofer IWU hinsichtlich
ihrer Wärmeübertragungseigenschaften Es wurde anhand der Versuche gezeigt, Dr. Cornell Wüstner,
simuliert und praktisch geprüft Die Opti- dass die PA-Keramik hinsichtlich der cornell.wuestner@ptspaper.de
mierung des Bauteils hinsichtlich dessen Wärmeisolationsfähigkeit im Vergleich
Performance erfolgte über die Simulati- zur teureren OFC-Keramik eine ähnliche
onssoftware LS-DYNA. Die Belastungs- Effektivität aufweist. Es konnte dadurch
tests wurden unter Realbedingungen bestätigt werden, dass sich die PA-Kera-
an einer 20 mm dicken Hybridisolation mik für den vorgesehen Einsatz eignet
durchgeführt, bei einer maximalen Flä- und die Kosten des Gesamtbauteils deut-
chenpressung von 15 N/mm² und einer lich verringern kann
Temperatur von 870°C auf der Heizseite.
Mittels Temperaturmessung an mehreren Abschließend wird interessierten Firmen
Stellen (auf verschiedenen Ebenen) im durch eine Wirtschaftlichkeitsbetrach-
Isolationsmaterial wurden die Simula- tung gezeigt, wie die neuentwickelte
tionen validiert und verbessert. Zudem Hybridisolation im Vergleich Alternativ-
wurden vergleichende Messungen zum materialien abschneidet Anhand einer
OFC-Vollmaterial und weiteren Inlay- Anwenderrichtlinie, welche die wich-
Paperonics – gedruckte Elektronik
für smarte Verpackungen
ie Realisierung neuer elektroni-
D scher Funktionen von Verpackun-
gen, wie z.B. Verbraucherinteraktionen
ten hierbei unterschiedlichste Ausprä-
gungen der Oberflächen vorliegen, wurde
eine Auswahl von 76 Papieren im Projekt
Projekttitel:
» PAPERONICS – Kostensparendes
und Rückkopplungen über Mobiltele- charakterisiert und bewertet sowie zahl-
multisensorisches Papier für
fone, Rückverfolgbarkeit, Sicherheit im reiche geeignet scheinende Substrate
Verpackungsanwendungen
Onlinehandel wie auch Überwachung mit verschiedenen Verfahren bedruckt
von Transport- und Lagerbedingungen, Hierbei zeigte sich bei vielen Papieren Laufzeit:
sind für die Hersteller der Verpackungen eine gute Bedruckbarkeit mit geeigneten » 01.01.2019 – 31.03.2021
stets eine Herausforderung. Um die Her- Silbertinten. Mit einem Rolle-zu-Rolle Projektart/-träger:
stellung flexibel und kostengünstig zu Siebdruckverfahren konnten selbst auf » Industrielle Gemeinschafts-
gestalten, ist es wichtig, möglichst viele einem ungestrichenen Pergaminpapier forschung (IGF), IGF 242EBG
Herstellungsschritte beim Verpackungs- Leiterbahnen mit hohen Leitfähigkeiten
unternehmen zu integrieren Druckpro- und guter Genauigkeit gedruckt werden. Forschungsstellen:
zesse stehen dabei im Mittelpunkt Das Substrate mit glatteren Oberflächen und » Fraunhofer IVV Freising
Projekt untersuchte die Potenziale ver- geringerem Absorptionsvermögen zeig- (Projektkoordinator),
schiedener Drucktechnologien im Zu- ten sich für das Aerosol Jet® Printing mit Klaus-Dieter Bauer
sammenspiel mit geeigneten Tinten auf dünnflüssigen Tinten geeignet. Substra- » TU Chemnitz,
Papiersubstraten toberflächen konnten für diese Druckver- Dr. Thomas Weißbach
fahren durch planarisierende Beschich- » Papiertechnische Stiftung
Die Eigenschaften, insbesondere Oberflä- tungen optimiert und die Bedruckbarkeit (PTS), Lydia Tempel
cheneigenschaften des Substrates, haben verbessert werden. » Universität Hasselt
selbstverständlich maßgeblichen Einfluss » KU Leuven
auf die Performance der gedruckten Elek- Die so optimierten Substrate wurden » IMEC Leuven
tronik. Da im Bereich von Papiersubstra- durch Aufdampfen von anorganischen
12 PTS NEWS 2/2021 Faserbasierte Lösungen für die Produkte von morgenAus der Forschung
druckten und bedruckten Substrate. Die-
se wurde mittels einer adaptierten PTS-
RH 021:2012 Methode untersucht. Die
Bedruckung mit Silbertinten führte zu
visuellen Verunreinigungen des Rezykla-
tes. In einer Mischung wie der Haushalts-
sammelware bzw. durch die Applikation
der elektronischen Anwendung auf ei-
ner Versandkiste aus bspw. Wellpappe,
ist dieser Einfluss jedoch tolerierbar,
da es zu einer Verdünnung des Effektes
kommt (Abbildung 2)
Abb. 1: Im Projekt entwickelte Verkapselungslösungen (Quelle: Fraunhofer IVV)
Die gedruckten Strukturen wurden auch
hinsichtlich ihrer Robustheit gegenüber
Stress- und Alterungsprozessen unter-
sucht. Biege-, Torsions- und Abriebbe-
lastungen sowie eine durch Wärme- und
Lichteinwirkungen simulierte beschleu-
nigte Alterung hatten bei den anschlie-
ßenden Funktionalitätstests keine bzw.
nur geringfügig negative Einflüsse auf die
Funktionalität der Drucke.
Mit drei im Projekt entwickelten und
hergestellten Demonstratoren (Abbil-
Abb. 2: Gutstoffblatt (rechts) aus zerfaserten und sortierten mit Ag-RFID-Antennen bedruckten
dung 3) mit verschiedenen Funktionalitä-
Papiermustern (links). (Quelle: PTS) ten (1 Kundenbeziehung, 2 Fälschungs-
schutz, 3 Temperaturüberwachung)
Materialien in Kombination mit organi- hohe Barrierewirkungen erwartet. Was- konnte gezeigt werden, dass gedruckte
schen Schichten mit zusätzlichen Bar- serfänger reduzieren jedoch die Licht- Elektronik auf Papier eine aussichtsrei-
riereeigenschaften ausgestattet. Im Vor- durchlässigkeit und erzeugen somit auch che und nachhaltige Alternative zu ver-
haben wurde darüber hinaus auch das eine signifikante Lichtstreuung, was die gleichbaren Produkten auf Plastikfolien
Zusammenwirken von anorganischen Funktion der Bauteile negativ beein- sein kann. Hierfür wurden zunächst die
Barriereschichten und Absorbermate- flusst. Hierdurch werden die Grenzen für 2 Demonstratoren benötigten NFC-
rialien in Folienverbunden, welche als dieser Lösung deutlich. Absorber können Antennen im Bogensiebdruck hergestellt
lichtdurchlässige Verkapselung von ge- aber während der Herstellung der Bautei- und anschließend an den Herstellungs-
gen Sauerstoff und Wasserdampf emp- le eingeschlossene Gase aufnehmen und prozess der Industrie – rotatives Rolle-
findlichen Komponenten verwendet wer- somit eine kosteneffiziente Verarbeitung zu-Rolle Siebdruckverfahren – angepasst.
den können, untersucht (Abbildung 1). ohne Schutzatmosphäre ermöglichen Verbunden mit einem Mikrochip können
Durch den Einbau von Sauerstofffängern Die Verkapselungsmaterialien wurden sie zur Interaktion mit dem Kunden oder
gelang es z.B. den Sauerstoffdurchbruch auch hinsichtlich ihrer Bedruckbarkeit für logistische Zwecke genutzt werden.
deutlich zu verzögern. Für Wasserdampf untersucht. Bedruckbare Verkapselungs- Durch die Verbindung einer Antenne und
konnten die integrierten Absorber zwar folien und beschichtete Substrate ermög- eines Mikrochips mit einem irreversibel-
eine hohe Wirksamkeit erreichen, jedoch lichen die Reduzierung des Einsatzes von temperatursensitiven Widerstand wurde
erschöpfte sich deren Kapazität schneller lichtabsorbierenden Substraten und sind ein fernauslesbarer Temperatursensor
als im Vergleich zu den Sauerstoffab- somit sehr vorteilhaft In den Versuchen zur Überwachung von z.B. Kühlketten
sorbern. Dies lag darin begründet, dass wurden im Flexodruck für Solarzellen entwickelt. Beim Demonstrator 2 wurden
die Barrierefolien eine deutlich höhere typische transparente Elektroden bzw. weitere Elemente der gedruckten Elektro-
Durchlässigkeit für Wasserdampf als für Stromsammler hergestellt Im Vergleich nik zwecks neuer Funktionalitäten integ-
Sauerstoff zeigten. Gerade empfindli- gegenüber den traditionell hergestellten riert Im rotativen Siebdruck erfolgte die
che Bauteile wie organische Solarzellen Bauteilen zeigten sie keine Nachteile. Herstellung einer flexiblen Leiterplatte
oder OLEDs benötigen einen Schutz vor aus Papier, in welcher ein elektrochro-
Wasserdampf. Somit werden von ent- Ein weiterer Schwerpunkt des Projektes mes Display, eine Solarzelle und ein
sprechenden Verkapselungsmaterialien lag auf der Rezyklierbarkeit der unbe- Öffnungssensor miteinander kombiniert
Faserbasierte Lösungen für die Produkte von morgen PTS NEWS 02/2021 13Aus der Forschung
Der ausführliche Projektbericht
ist unter www.ivlv.org/project/
paperonics verfügbar.
Weitere Infor-
mationen zu
im Projekt
eingesetzten
Methoden und
Verfahren sind unter (booklet
auf PTS website) abrufbar.
Abb. 3: Im Projekt hergestellte Demonstratoren (Quelle: PAPERONICS/TU Chemnitz)
wurden. Im Display wird die eventuelle Es erscheint realistisch, in naher Zukunft Hersteller der Drucksubstrate und Tinten
Öffnung der Verpackung und somit eine diese oder ähnliche gedruckte Elektronik- können die Forschungsergebnisse zur Wei-
unbefugte Nutzung des verpackten Gutes bauteile in faserbasierten Verpackungen terentwicklung ihrer Produkte nutzen.
oder Austausch des Produkts irreversibel zu integrieren. PAPERONICS zeigte den
angezeigt Unternehmen der Verpackungsindustrie Katrin Kühnöl,
mögliche Wege hierzu auf Jedoch auch katrin.kuehnoel@ptspaper.de
Bindemittelfreies Fügen von Papieren
durch Laserbestrahlung
Stärkeklebstoffe, Hotmelts oder Disper-
C ellulose ist generell nicht thermisch
schmelzbar, was eine Verarbeitung
von Papieren in stoffschlüssigen Füge-
sionsklebstoffe die Mittel der Wahl Mit
diesen gehen allerdings einige Nachteile
Laufzeit:
» 01.01.2019 – 31.12.2020
prozessen wie Schweißen oder Siegeln einher wie beispielsweise die Belastung
Projektart/-träger:
– wie für Kunststofffolien oder -beschich- von Recyclingkreisläufen mit Stickiebild-
» Industrielle Gemeinschafts-
tungen industriell weit verbreitet – ohne nern oder eine Erhöhung des Migrations-
forschung (IGF), IGF 20487 BR
den Einsatz von Hilfsstoffen ausschließt. potenzials durch im Klebstoff enthaltene
Form- und kraftschlüssige Fügeverfahren Mineralölkomponenten Forschungsstellen:
wie Prägen oder Rändeln werden etwa » Papiertechnische Stiftung (PTS),
für Kaffeefilter oder Tissue eingesetzt, In einem abgeschlossenen IGF-Vorhaben Projektleiter: Dr. Martin Zahel
erzielen allerdings selbst nach Verstär- konnte die PTS nun gemeinsam mit dem » Fraunhofer Institut für Werkstoff-
kung durch beispielsweise Ultraschall Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und und Strahltechnik (IWS),
vergleichsweise geringe Festigkeiten. Strahltechnik (IWS) ein Verfahren entwi- Projektleiter: Dr. Michael
Für alle anderen Fälle sind mannigfal- ckeln, in dem durch die Bestrahlung mit Panzner, Florian Lull
tige Arten von Klebstoffsystemen wie CO-Laser Cellulose selbst als Fügemedi-
14 PTS NEWS 2/2021 Faserbasierte Lösungen für die Produkte von morgenAus der Forschung
Abb. 1: Substrate nach der Bestrahlung mit einer Spitzenfluenz von 1,02 Jcm-2. a) Linters-, b) Sulfat-, c) Sulfit-, d) CTMP-Substrat.
Bei niedrigen Fluenzen wird ab einer zunächst bestrahlt und in einem nachfol-
materialspezifischen Schwellfluenz eine genden Schritt heißgesiegelt. (Abb.3)
Bräunung des Papiers hervorgerufen.
Mit weiterer Erhöhung der Energiedich- Die erzielbaren Festigkeiten liegen im
te setzt Abtrag ein Allerdings sind nach Bereich 1-3 N/15mm und damit im Ran-
der Bestrahlung auch homogene An- ge von soft-peel-Siegelnähten und vari-
sammlungen schmelzartiger Rückstände ieren in Abhängigkeit der eingesetzten
in Form von Blasen mit einigen 10 µm Faserstoffe und zugesetzten Additive. So
Durchmesser vorzufinden. Diese deuten konnte durch Trocken- und Nassfestmit-
auf die Koexistenz von gasförmiger und tel eine zusätzliche Steigerung der Siegel-
flüssiger Materie hin. (Abb. 1) festigkeiten beobachtet werden, wohin-
gegen der Einsatz von Füllstoffen eine
Die bestrahlten Proben wurden IR-spek- negative Auswirkung auf die Siegelnaht-
troskopisch untersucht um die Art der festigkeit zeigt. Das untersuchte Versa-
Stoffumwandlung charakterisieren zu gensverhalten zeigt zwei Ausprägungen.
können. Dabei wurde eine Abnahme von So versagen die Fügestellen entweder im
Abb. 2: IR-Spektren eines bestrahlten (oben) Peakintensitäten im Bereich zwischen Papiergefüge selbst oder tatsächlich in
sowie bestrahlten und wässrig extrahierten 800 cm−1 und 1600 cm−1 nachgewiesen. der Fügestelle. Die Nutzung eines Subs-
(unten) Linters-Substrates in Abhängigkeit der
Laserfluenz. Von unten nach oben: 0,0 Jcm-2, 0,3 Für sich genommen findet man einen trates mit guter interner Gefügefestigkeit
Jcm-2, 0,5 Jcm-2, 2,1 Jcm-2, 5,2 Jcm-2, 13,7 Jcm-2. identischen Befund auch bei einer Um- erwies sich dabei als vorteilhaft.
wandlung zur Cellulose II-Konfiguration,
um nutzbar gemacht wird und damit auf was für ein Schmelzen und Erstarren der Das Projekt brachte damit einen deutli-
den Einsatz zusätzlicher Bindemittel ver- Cellulose sprechen würde. Die Rückkehr chen Erkenntnisgewinn zur Bestrahlung
zichtet werden kann. dieser Banden nach einer wässriger Ex- von Papieren mit CO-Lasern und zum
traktion der bestrahlten Proben deutet je- bindemittelfreien Fügen von Papieren. Er-
Kernhypothese des Vorhabens war, dass doch auf eine Zersetzung in kurzkettige, gänzend konnten relevante Material- und
Cellulose durch ebendiese Strahlung wasserlösliche Produkte hin. (Abb. 2) Es Prozessparameter für eine spätere Pro-
selektiv geschmolzen werden kann. kann sich folglich bei den beobachteten zessoptimierung identifiziert werden. Die
Daher wurde zunächst die Wechselwir- Ergebnissen nicht um ein rein physikali- Projektergebnisse ermöglichen so die Her-
kung von Papierwerkstoffen mit Laser- sches Schmelzphänomen handeln stellung von bindemittelfrei gefügten Ma-
strahlung untersucht, um für ein Füge- terialien zum Einsatz etwa in Packmitteln.
verfahren wirksame Materialzustände Es wurde anschließend untersucht inwie-
identifizieren zu können. Bei der Be- weit die gebildeten Stoffumwandlungs- Der Schlussbericht ist auf der PTS-Home-
strahlung von Papierproben (Linters-, produkte für einen Fügeprozess genutzt page downloadbar.
Sulfat-, Sulfit- und CTMP-Substrat) mit werden können. In der Tat gelang erst-
CO-Laserstrahlung der Wellenlänge malig hiermit die stoffschlüssige Fügung Dr. Martin Zahel,
5,6 µm wurden zwei fluenzabhängige von Papieren ohne den Zusatz von Binde- martin.zahel@ptspaper.de
Wechselwirkungsregime nachgewiesen. mitteln. Dazu wurden die Papiersubstrate
Abb. 3: Verfahrensschema des bindemittelfreien Fügeprozesses
Faserbasierte Lösungen für die Produkte von morgen PTS NEWS 02/2021 15Sie können auch lesen
