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PTS UND HOLZFORSCHUNG MÜNCHEN MIT DESIGN + TECHNOLOGY AWARD DER MATERIALICA AUSGEZEICHNET » Editorial: Zukunft durch innovative Netzwerke » Kavitation: Neue Wege zur Festigkeitssteigerung und Druckfarbenabtrennung » Schrägsieb eröffnet neue Möglichkeiten der Papiertechnologie bei Faserverbundwerkstoffen » Faserverbundwerkstoffe durch Imprägnieren und Verpressen » Raman-Mikroskopie: Neue Einblicke in die chemische Struktur von Papier

www.ptspaper.de

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EDITORIAL: ZUKUNFT DURCH INNOVATIVE NETZWERKE

Prof. Dr. Werner Klaffke, Geschäftsführer der Bayern Innovativ GmbH

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ie so manche traditionsreiche Branche hat auch die Papierindustrie mit einem sich verändernden Markt zu tun. Tablets und E-Books machen den grafischen Papieren den Markt streitig, der Bedarf an Verpackungspapieren steigt mit dem Onlineund Versandhandel hingegen deutlich an. Stabil ist der Markt der Hygiene- wie auch technischen und Spezialpapiere. Wie lässt sich die Erfolgsaussicht bei Neuentwicklungen verbessern? Ein Schlüssel liegt bei „Open Innovation“ – das heißt, den Entwicklungsprozess bewusst offen zu gestalten und gemeinsam mit Partnern voranzutreiben. Denn Innovationen entstehen vor allem dort, wo Disziplinen aus verschiedenen Wertschöpfungsketten und Branchen zusammentreffen. Dies hat auch die Sprunginnovationen der letzten Jahre hervorgebracht. Den hierfür erforderlichen Zugang zu neuen Technologien, Märkten und Entwicklungspartnern bieten innovationsgerichtete Netzwerkstrukturen. Und genau hier findet sich Bayern Innovativ, die mit ihren Netzwerken in den Bereichen Automotive, Neue Werkstoffe, Medizintechnik, Life Sciences, Energietechnik, Logistik, Technische Textilien, Holz, Elektronik/ 2Y

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Mikrotechnologie und Umwelt von der Kundenseite her denkt. Bayern Innovativ vernetzt aber nicht aus der Sicht einer bestimmten Technologie heraus, sondern strikt lösungsgetrieben aus von globalen Megatrends abgeleiteten Kompetenzfeldern: Mobilität, Energie, Material, Gesundheit und Life Science sowie Digitalisierung und Produktion. Die offenen Netzwerkstrukturen bieten Firmen vielfältige Möglichkeiten – vom „Technology Scouting“ über die Unterstützung bei der Identifizierung geeigneter Projektideen und -partner bis hin zur Präsentation kurz vor der Markteinführung stehender Produkte. Darüber gelingt es immer wieder, neue Wertschöpfungspartner zusammenzustellen und Technologien anderer Branchen in neue Produktketten einzubetten. Ein dafür prädestiniertes Gebiet sind die „neuen“ Materialien. Dieses originär querschnittsorientierte Feld ist ein branchenübergreifender Innovationstreiber. Hier bietet sich auch dem Papier und der Papierindustrie ein großes Potenzial, wenn man das Produkt als Werkstoff begreift. Beruhen doch heutige Produktund Verfahrensinnovationen zum Großteil auf Technologien mit deutlich verbes-

serten oder vollständig neu entwickelten Materialien. Innovationen finden jedoch nur dann ihren Einzug in Produkte, wenn für den Kunden gleichzeitig mehrere Vorteile erreicht werden: z. B. verbesserte Produkteigenschaften durch konsequenten Leichtbau, reduzierte Kosten durch innovative Verarbeitungsprozesse, bessere Nachhaltigkeit und Ressourceneffizienz durch die Substitution kritischer Materialien, ein verbessertes Recycling oder ein geringerer Energiebedarf. Die Entwicklung einer neuen Technologie darf allerdings nie isoliert betrachtet werden; vielmehr muss sie als Bestandteil der gesamten Produktentwicklung und Wertschöpfungsketten gesehen werden. So sind neue Werkstofflösungen eng an die eingesetzte Fertigungstechnologie gekoppelt. Wie etwa bei den Verbundwerkstoffen: Erst durch den Herstellungsprozess entsteht das Material und dessen spezifische Eigenschaften. Darüber hinaus sind Aspekte der globalen Verfügbarkeit der Ausgangsmaterialien sowie von Recyclingstrategien zur Schließung von Werkstoffkreisläufen zu sehen. Sie gewinnen zunehmend als Kaufargument an Bedeutung. Neben dem Nutzenvorteil muss der ökologische stehen, um im Wettbewerb bestehen zu können. Innovationen im Werkstoff- und auch Papierbereich erfordern daher ein branchen- und technologieübergreifendes Vorgehen und ein innovationsfreudiges Klima. Dies findet sich gerade in der KMU-Szene, aus der viele Ideen für neue Produkte und Verfahren kommen. Aufgrund ihrer Struktur ist es für KMU jedoch nicht immer einfach, die für die Durchsetzung von Innovationen notwendigen Investitionen, Vorleistungen sowie Ressourcen bereitzustellen. Deshalb spielen gerade hier Branchen- und Technologienetzwerke für das „Open Innovation“Verfahren eine wichtige Rolle, um mit sorgfältig moderierten Prozessen neue Lösungen – auch für große Player am Markt – zu finden. Hier kann Bayern Innovativ in Zukunft auch für die Papierindustrie einen entscheidenden Beitrag leisten – aufbauend auf der Kooperation beim Streicherei-Symposium 2013. 

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PTS UND HOLZFORSCHUNG MÜNCHEN MIT DEM MATERIALICA DESIGN + TECHNOLOGY AWARD AUSGEZEICHNET

von li. nach re.: Kirsten Wengmann (Moderation), Frank Miletzky (PTS), Reinhard Grenz (PTS), Hendrick Buddenberg (HFM), Frank Moosmann (HFM), Nina Saller (Jury-Vorsitzende) und Robert Metzger (MunicExpo)

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ür die Entwicklung eines völlig neuartigen und nicht brennbaren Leichtbau-Verbundbaustoffs der Brandschutzklasse A erhielten die Holzforschung München und die Papiertechnische Stiftung am 15. Oktober 2013 den Design + Technology Award der MATERIALICA in Gold für die Kategorie Material.

Die Arbeit entstand in dem vom Bundeswirtschaftsministerium geförderten Projekt der industriellen Gemeinschaftsforschung „Entwicklung nichtbrennbarer Leichtbau-Verbundsysteme auf der Basis von dünnen Brandschutzplatten mit Faserarmierung und mineralisch hochgefüllten Papieren für die Hohlraumstrukturen“.

Das spezifische Gewicht der neuen Leichtbauplatte von rund 300 kg/m³ liegt bei nur etwa einem Viertel konventioneller Brandschutzplatten – bei vergleichbarer Festigkeit. Durch Nutzung der Synergie zwischen etablierter Papier- und Holzwerkstofftechnologie konnte damit ein innovativer Brandschutzbaustoff geschaffen werden, der für eine Vielzahl von Anwendungen geeignet ist, bei denen geringes Gewicht und hohe Festigkeit gefordert werden. Dazu zählen zum Beispiel Paneele für abgehängte Decken, Brandschutzwände, Abdeckpaneele für brennbare Baustoffe oder Türfüllungen. Ein besonders hohes Potential bietet sich im Messe-, Schiff- und Flugzeugbau. Der MATERIALICA Award stellt die beiden Kriterien Design und Technologiekom­ petenz in den Vordergrund und setzt gleichermaßen hohe Ansprüche an intelligente Materialauswahl, eingesetzte Fertigungsverfahren, Innovationsgrad und Designqualität. Für die PTS ist diese internationale Anerkennung eine wertvolle und prestigeträchtige Unterstützung für den eingeschlagenen Weg zu neuen faserbasierten Werkstoffen.  Kontakt: [email protected]

Hochschule München - Besuch der Erstsemester bei der PTS in München Am 30. Oktober füllten 65 Erstsemesterstudenten die Räume der PTS. Der RekordJahrgang zeigte großes Interesse an den Tätigkeiten und Einrichtungen des Institutes. In drei Fachvorträgen wurden den Nachwuchskräften aktuelle Forschungsprojekte in den Bereichen Ressourcenmanagement, Neue Werkstoffe und Oberflächengestaltung bei Papieren und Verpackungen vorgestellt. Die anschließende Führung an die Versuchsstreichanlage VESTRA, in die Labors der Wasseranalytik und dem Wasser-/Abwasser-Technikum veranschaulichte die Theorie. Die PTS bietet für Studenten zahlreiche Möglichkeiten zur Mitarbeit, sei es als studentische Werkskraft, bei einem Praktikum oder zur Anfertigung von Bachelorund Masterarbeiten. Die aktuellen Stellenausschreibungen stehen auf der PTS-Website (siehe QR-Code).  Kontakt: [email protected]

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WASSERLINSEN-WACHSTUMSHEMMTEST ERFOLGREICH AN DER PTS ETABLIERT

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ird zukünftig auch die kleine Wasserlinse Lemna minor, gemeinhin bekannt als Entengrütze, über die Einhaltung der Anforderungen nach Anhang 28 AbwV mit entscheiden? Alle Zeichen stehen auf „JA“ und so hat die PTS vor mehr als einem Jahr begonnen, mit dem WasserlinsenTest nach DIN EN ISO 20079 im Rahmen von FuE-Projekten und Dienstleistungsaufträgen zu arbeiten. Konkreter Anlass war die Aufnahme des WasserlinsenTests in den Entwurf des überarbeiteten Anhangs 28. Der zunächst als „vorläufig“ zu titulierende Grenzwert von Dw = 8 kann derzeit noch nicht von allen Papierfabriken eingehalten werden, weshalb die PTS mit Hochdruck an den Ursachen erhöhter Dw-Werte forscht. Der Dw-Wert ist die kleinste Verdünnungsstufe, die in der Wachstumsrate eine Hemmung von 10 % erstmals unterschreitet. In diesem anspruchsvollen und aufwändigen Biotest wird die Wachstumshemmung der Wasserlinse in verschiedenen Verdünnungsstufen einer Abwasserprobe gegenüber einem Referenzansatz ermit-

telt. Als Ergebnis wird dann der Dw-Wert angegeben. Als Beobachtungs- bzw. Auswerteparameter dienen die Frondfläche und die -anzahl (siehe Abbildung). Mit nunmehr im Rahmen von FuE sowie Kundenaufträgen rund 100 untersuchten Proben (biologisch nicht, teil- und vollgereinigte Abwässer, Additive & Formulierungen ohne und mit biologischer Behandlung) hat sich die PTS ein umfangreiches Wissen rund um den Wasserlinsentest angeeignet und eine umfangreiche Referenzdatenbank zur Bewertung weiterer Proben aufgebaut. Zwar wird der Wasserlinsen-Grenzwert erst drei Jahre nach Inkrafttreten des neuen Anhangs 28 wirksam werden, doch ist schon jetzt jeder Papierfabrik zu empfehlen, den Wasserlinsentest durchführen zu lassen, um gegenüber der Behörde belastbare Aussagen hinsichtlich der Einhaltbarkeit zu erarbeiten und um ggf. eine Anpassung des Grenzwertes zu unterstützen.  Kontakt: [email protected]

FROND

links: Testansatz am Tag „0“ mit insgesamt 10 Fronds rechts oben: Testansatz am Tag 7 bei ungehemmtem Wachstum rechts unten: Testansatz am Tag 7 bei gehemmtem Wachstum

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PTS-MEDAILLE FÜR DR. GERD PAPIER

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m 17. September 2013 wurde Dr. Gerd Papier, Leiter des zentralen FuE-Bereiches bei Felix Schoeller, mit der PTS-Medaille ausgezeichnet. Die Ehrung erfolgte in Anerkennung seiner langjährigen, tatkräftigen Unterstützung der PTS ebenso wie für sein Engagement im Zellcheming-Fachausschuss COAT. „Insbesondere um unsere beiden großen Symposien haben Sie sich außerordentlich verdient gemacht“, hob Dr. Frank Miletzky hervor. Seit 2002 engagiere sich Dr. Papier im Programmausschuss des PTS Papier Symposiums und des PTS Streicherei Symposiums. Sein fachlicher Rat habe viel dazu beigetragen, den hohen Qualitätsstandard dieser Veranstaltungen auszubauen. Die Unterstützung von Dr. Papier für die PTS ist jedoch nicht auf den Bereich Weiterbildung begrenzt. Seit 2002 begleitet er als Mitglied des PTS-Stiftungsrates die Entwicklung der Papiertechnischen Stiftung an exponierter Stelle. Mit der Vergabe der PTS-Medaille wurde zudem die langjährige ehrenamtliche Tätigkeit von Dr. Papier in und für die gesamte Papierindustrie gewürdigt. Seit 13 Jahren bringt der international anerkannte Streichexperte sein Wissen und seine Erfahrung in den Zellcheming-Fachausschuss COAT ein. Und während einer nahezu ebenso langen Zeit prägte er als Mitglied des INFOR-Forschungsrates die Ausrichtung der deutschen Papierindustrie in starkem Maße mit.  Kontakt: [email protected] FIBRE based solutions for tomorrow`s products

HYDRODYNAMISCHE KAVITATION IN DER STOFFAUFBEREITUNG NEUE WEGE ZUR FESTIGKEITSSTEIGERUNG UND DRUCKFARBENABTRENNUNG 800 694

ohne Kavitation

Schmutzpunkte [mm²/m²]

700 600 500

mit Kavitation

80 66

66

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70

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300

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194

200

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100

40 30

Stoffdichte 6 g/l

Stoffdichte 12 g/l

0

20 Zulauf Flotation

0

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10

20

5

10

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Anzahl Durchläufe Kavitationsdüse Schmutzpunkte

Reduzierung

Reduzierung grobdisperser Schmutzpunkte

der geringe Energieeinsatz, um kollabierende Dampfblasen zu erzeugen und es tritt kein Materialverschleiß auf. Potenzielle Anwendungsgebiete für hydrodynamische Kavitation in der Papierindustrie liegen in der Verbesserung des Faserbindungsvermögens von Altpapierfaserstoffen und in der Effizienzsteigerung des Deinkingprozesses zur Druckfarbenabtrennung. In einem neuen PTS-Forschungsprojekt sollen die Möglichkeiten der hydrodynamischen Kavitationsbehandlung von Deinkingstoffen detailliert untersucht werden. Ziel des Forschungsvorhabens ist es, den Deinkingprozess von Altpapier effizienter und wirtschaftlicher zu gestalten, um auch für die Stoffaufbereitung bisher problematische Druckerzeugnisse effektiv aufbereiten zu können. Die Kavitationsbehandlung soll im Ver-

FLIESSRICHTUNG

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KAVITATIONSZ ONE

Düse ohne Kavitationseffekt

100

Auslauf Flotation

Reduzierung [%]

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ie CEPI Roadmap 2050 hat sehr deutlich gemacht, vor welchen Herausforderungen die Papierindustrie steht, um zukunftsfähig zu sein. Um das dort genannte Ziel einer 80%igen CO2-Emmisionsreduzierung zu erreichen, müssen energieintensive Prozesse in einer Papierfabrik wie Mahlung, Druckfarbenabtrennung, Bahnbildung und Trocknung neu gedacht werden. Die PTS arbeitet dazu an in der Papierindustrie bisher nicht etablierten Verfahrenstechniken zur Erhöhung der Prozesseffizienz und zur Intensivierung von Wirkmechanismen. Einer der verfolgten Ansätze ist die Nutzung der hydrodynamischen Kavitation für verschiedene Anwendungsbereiche in der Papierproduktion. Der Begriff Kavitation ist vom lateinischen Wort cavitas abgeleitet und bedeutet Hohlraum. Kavitation beschreibt einen Vorgang, der durch den Einsatz von Ultraschall bekannt ist. Es werden in einer Flüssigkeit mit Dampf gefüllte Hohlräume gebildet, die mit hoher Intensität kollabieren. Die Bildung der Dampfblasen erfolgt bei hydrodynamischer Kavitation aber nicht über eine Ultraschallsonotrode, sondern durch eine Erhöhung der Fließgeschwindigkeit der Flüssigkeit. Dadurch sinkt der statische Druck in der Flüssigkeit unterhalb des Dampfdrucks. Die mit Dampf gefüllten Blasen kondensieren schlagartig an Grenzflächen in Form von Microjets in Bereichen, in denen der statische Druck wieder oberhalb des Dampfdrucks liegt (siehe Abbildung unten). Beim Blasenkollaps können Druckspitzen bis zu 1000 bar und Temperaturen bis zu 10.000 °C auftreten, bei einer Jetgeschwindigkeit von 100 m/s. Vorteil dieser Erzeugung von Kavitation gegenüber Ultraschall ist

gleich zum herkömmlichen Disperger mindestens gleichwertige Druckfarbenablösung von den Altpapierfasern und eine Zerkleinerung problematischer Druckfarben in einen für die Flotation vorteilhaften Partikelgrößenbereich gewährleisten. Dabei soll die Energie intensive Dispergierung mit ihren spezifischen Nachteilen wie vorherige Stoff­ entwässerung, Stoffvergrauung durch wieder angelagerte Druckfarbenpartikel und erforderliche Nachbleiche perspektivisch durch die Kavitationsdüsen ersetzt werden. Ein positiver Nebeneffekt könnte eine teilweise Reaktivierung des Faserbindungsvermögens sein. Welche Potenziale die hydrodynamische Kavitation bietet, hat die PTS bereits im Labor- und Techikumsmaßstab nachgewiesen. Es konnte gezeigt werden, dass nach der Kavitationsbehandlung ein deutlich verbessertes Flotationsergebnis von Deinkingstoff erzielt wird. Die Schmutzpunktbeladung wurde nach der Kavitationsbehandlung des Faserstoffes vor der Flotation deutlich besser reduziert (siehe Grafik).  Kontakte: [email protected] [email protected]

Düse mit Kavitationszone PTS NEWS 03/2013

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PAPIERFESTIGKEITEN BESSER VERSTEHEN DYNAMISCH-MECHANISCHE ANALYSE (DMA) VON PAPIEREN UND FASERN

Kraftsensor

Einzelfaser

Probehalter

Anregungsmembran Abbildung 1: Einzelfaser in DMA-Einspannvorrichtung und Messprinzip der Dynamisch-Mechanischen Analyse (DMA) an Einzelfasern.

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Schwankungen in der umgebenden relativen Luftfeuchte zwischen 20 und 80% aushalten muss. Mit einem einfachen Zugversuch fällt es schwer diese wechselnden Belastungen umfassend abzubilden. Aus diesem Grund erfolgt bei der PTS gegenwärtig die Weiterentwicklung der aus der Kunststofftechnik bekannten Abbildung 2: Einzelfaser während der DMA-Messung Dynamisch-Mechanimischen Belastung der untersuchten schen Analyse (DMA) zur Anwendung Proben bei variablen Temperaturen und für Papierproben und Einzelfasern. Der unterschiedlichen Luftfeuchten. Dadurch besondere Wert dieser modernen Anawerden Effekte beobachtet, die in einem lyse liegt in einer oszillierenden, dynaZugversuch nicht zugänglich sind. 18 Ein Beispiel ist die Veränderung der Papiersteifigkeit (E-Modul) bei unterschied16 lichen Luftfeuchten. So zeigt sich z.B., dass bei einer Reduktion der relativen 14 Luftfeuchte von 80 auf 20 % das E-Modul des Papiers um bis zu 50 % steigt. 12 Die Arbeiten bei der PTS bleiben aber 10 nicht auf der makroskopischen Ebene Adsorption Papier stehen. Vielmehr werden gezielt 8 auch Effekte in der Mikroskala unterDesorption sucht. Hierzu zählen dynamisch-mecha6 nische Untersuchungen an Einzelfasern. Dazu wurde eine Methode zur Fixierung 0 20 40 60 80 100 und dynamisch-mechanischen Analyse Relative Luftfeuchtigkeit [%] an Langfaserzellstoffen entwickelt (AbAbbildung 3: Hysterese des Speichermoduls einer Einzelfaser eines Langfaserzellstoffs bildung 1 und 2). Die besondere Herwährend der DMA-Messung

Speichermodul E' [GPa]

ie Festigkeit von Papier ist seit jeher das bestimmende Qualitätsmerkmal für Papiermacher. Experimentell werden Papierfestigkeiten konventionell mit Zug-Druck-Prüfmaschinen unter definierten Klimabedingungen bestimmt. Während der Herstellung und Anwendung von Papier sind die Produkte aber häufig unterschiedlichsten Belastungen ausgesetzt. Schon bei der Herstellung in der Papiermaschine erfahren Papierprodukte wechselnde Zug- und Druckbelastungen bei unterschiedlichen Feuchtegehalten und mit unterschiedlichen Belastungsfrequenzen. Die Festigkeit bildet sich dabei in Abhängigkeit vom Feuchtegehalt im Papier aus. Nicht zu vergessen ist, dass ein Karton, der global verschickt wird, oftmals Temperaturunterschiede von bis zu 60°C und

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ausforderung besteht in der Generierung einer ausreichenden Probenanzahl zur statistischen Absicherung der Messergebnisse. Auf diesem Weg hat die PTS bereits große Fortschritte durch die Kooperation mit der Technischen Universität Tampere (Finnland) erzielt. In ersten Experimenten konnte so auch die Feuchteabhängigkeit des E-Moduls von einzelnen Fasern aus Langfaserzellstoffen experimentell nachgewiesen und bestimmt werden (Abbildung 3).

Die Weiterentwicklung der Methodik erfolgt im Rahmen des EU-Projektes PowerBonds mit einem Konsortium aus 15 Partnern aus Wissenschaft und Industrie. Mittelpunkt dieser Arbeiten ist die Verbesserung des Kenntnisstandes zum Zusammenwirken von Fasern in Faserbindungen oder Fasernetzwerken durch z. B. hoch aufgelöste mikromechanische Material- und Oberflächenanalyse an Einzelfasern und Faserbindungen. Die experimentellen Daten aller Partner sind

Grundlage für die Modellierung von Fasern und von Faser-Netzwerken die bei der PTS mit Finite Elemente Methoden vorangetrieben wird. Detaillierte Informationen stehen auf der Website des Forschungsprojektes: www.wwnet-powerbonds.eu  Kontakte: [email protected] [email protected] [email protected]

IN DEN TIEFEN DES PAPIERS TU DRESDEN UND PTS KOOPERIEREN BEI PROMOTIONSARBEIT

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ie PTS unterstützt Studierende in vielfältiger Weise – von Praktika über Bachelor- und Masterarbeiten bis zur Promotion. Ein aktuelles Beispiel ist die Promotionsarbeit „Raman-Chemical-Imaging - Mess- und Auswerteverfahren zur Analyse der Verteilung von Inhaltsstoffen im Papierquerschnitt“ von Matthias Finger. Doktorvater ist Professor Dr. rer. nat. habil. Eike Brunner am Lehrstuhl für Bioanalytische Chemie. Mit diesem Lehrstuhl der TU Dresden kooperiert die PTS bereits seit mehreren Jahren im Gebiet der analytischen Forschung. Matthias Finger studierte bis 2011 Chemie an der TU Dresden und fand schon früh den Weg in die PTS: „Den ersten Kontakt hatte ich während der Suche nach einem Diplomthema“, erinnert sich der gebürtige Dresdner. „Damals stellte mir Herr Dr. Pigorsch die Idee vor, die Stärkeverteilung am Papierquerschnitt mittels Raman-Imaging zu bestimmen. Diese Thematik hatte mich sofort interessiert, weil ich hier sowohl meine chemischen Kenntnisse als auch meine Programmierkenntnisse zur Datenauswertung nutzen konnte.“ Denn der 30jährige interessierte sich schon während des Studiums für IT und war bei der Fachrichtung Chemie als Administrator tätig. Die Erfahrungen an der PTS während der Diplomarbeit waren sehr positiv: „Der Innovationswille, der Mut neue Wege zu gehen, neue Methoden zu entwickeln und damit auch den Kunden neue Produkte bzw. Untersuchungsmethoden anbieten zu können, das hat mich beFIBRE based solutions for tomorrow`s products

sonders angesprochen“, erzählt der Doktorand. Und hofft, dass hierzu in Zukunft auch die Ramanspektroskopie zählen wird. Denn dieses Thema führt er auch in seiner Promotionsarbeit fort. Mit der Ramanspektroskopie ist es möglich, Messungen im Mikrometermaßstab ortsaufgelöst durchzuführen. Das erlaubt eine Abbildung der chemischen Zusammensetzung des Papierquerschnitts. „In meiner Arbeit geht es darum, Möglichkeiten dieser neuen Papieranalyse aufzuzeigen und für praxisrelevante Problemstellungen geeignete Auswerteverfahren zu entwickeln“, erläutert der Doktorand. Während seiner bisherigen Arbeiten hat er bereits erfolgreich Untersuchungen an verschiedenen Papiersystemen durchführen können. Dazu zählen Photoinkjetpapiere, imprägnierte Papiere, Papiere mit UV-gehärtetem Strich bis hin zu be-

druckten Papieren. Erste Ergebnisse wurden auf dem PTS Streicherei-Symposium durch Herrn Dr. Pigorsch vorgestellt, der auf Seiten der PTS die Promotion betreut; auch auf Fachtagungen in Ulm und Lille (Frankreich) wurde das Thema mit zwei Postern präsentiert. „Aktuell beschäftige ich mich mit der Verteilung von Stärke im Papierstrich“, so Matthias Finger zum Stand seiner Promotion nach rund einem Jahr. Abgeschlossen sein soll die Arbeit Ende 2015 – und dann? „Ich bin sehr offen und könnte mir durchaus auch eine Tätigkeit in der Papierindustrie vorstellen“, beschreibt der Doktorand seine Überlegungen. „Aber derzeit füllt mich die Arbeit an der Promotion gedanklich noch voll aus“.  Kontakt: [email protected] PTS NEWS 03/2013

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TRANSPARENTE KARTONAGEN BEWERTUNG DER FORMATION DICKER PAPIERE UND KARTONAGEN MIT THZ-TECHNIK

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ur Ermittlung der Formation von Papieren mit Flächenmassen bis 200 g/m² stehen verschiedene Verfahren und Geräte zur Verfügung. Aber auch für dickere Materialien ist die Formation bzw. Flächenmasse-Verteilung in Hinsicht auf mechanische Festigkeits­ parameter und Bedruckbarkeit von besonderem Interesse. Die Bestimmung der Formation von dickeren Papieren, Karton und massegefärbten Papieren ist bisher nur mit Beta-Strahlung möglich. Dieses Verfahren hat eine vergleichsweise geringe Auflösung. Genehmigungspflicht und Sicherheitsauflagen erschweren den Einsatz. Nutzt man dagegen einen anderen Bereich des elektromagnetischen Spektrums, werden Papiere und Kartons von bis zu mehreren Millimetern Dicke erneut nahezu durchsichtig. In diesem Spektralbereich, der mittlerweile als Terahertz-Bereich bekannt geworden ist und der sich zwischen Infrarotlicht und Mikrowellen befindet, ist die methodenbedingte räumliche Auflösung gut geeignet, um die zur Messung der Formation gewohnten Größenverhältnisse von Faserbündeln, -flocken oder -wolken abbilden zu können. Es ist somit prinzipiell möglich, wie mit einem Scanner von einem Karton ein zweidimensionales Graustufen- oder Falschfarbenbild der Massenverteilung zu erhalten, aus dem mit den gewohnten mathematischen Methoden verschiedenste Formationsparameter berechnet werden

Ungleichmäßige (links) und gleichmäßige (rechts) Formation als Gegenüberstellung von visuellem Bild und THz-Messung

können. So besteht auch die Möglichkeit, die Formation gemäß Zellcheming-Merkblatt „Optische Online-Bestimmung der Formation“ zu analysieren. In der PTS wurde ein Messverfahren entwickelt, das die Messung der Formation von Papieren bzw. Kartonagen bis zu einer Flächenmasse von 1000 g/m2 zulässt. Das Verfahren wurde auch für Faserplatten und andere Holzwerkstoffe erprobt. Eine Untergrenze in der Flächenmasse besteht hierbei nicht, denn auch dünnste Papiere können untersucht werden. Bei dem zeitauflösenden THz-Messverfahren werden Korrelationen zwischen der Veränderung des Messsignals und der Flächenmasse ausgewertet. Auf Grund der nahezu identischen Brechungsindizes von Faserstoff, Füllstoffen und Kunststoffen hat die Materialzusammensetzung eine untergeordnete Bedeutung. Das Verfahren benutzt einen Strahldurchmesser von wahlweise 0,6 oder 1,2 mm und tastet die zu untersuchende Probe in ihrer gesamten Fläche ab. Die maximale

Messfläche ist nur durch die Möglichkeiten der Probenbewegungseinrichtung (x-y-Tisch) limitiert. Die Terahertz-Messung ist dabei so schnell, dass die Probenbewegung das begrenzende Moment des Gesamtablaufes ist. Das in einem solchen Messablauf erstellte 2D-Abbild der Probe wird in ein Grammatur-äquivalentes Bild umgerechnet und dann den Formationsalgorithmen zugeführt. Im Ergebnis werden die bekannten Parameter Kontrast, Flockengröße und Flockenorientierung bestimmt. Verschiedene weitere Aussagen zu Verteilungsphänomenen, z.B. über Histogramme können problemlos abgeleitet werden. Die beschriebenen Abläufe werden aktuell in die bestehende Auswertungsumgebung DOMAS eingebunden und stehen Interessenten als offline-Messverfahren zur Verfügung. Die Entwicklung wurde im Rahmen des Projektes IK-MF 110069 durch das BMWI gefördert.  Kontakt: [email protected]

Auszubildende von Stora Enso Maxau besuchen PTS in München Am 31. Oktober konnte sich die PTS 29 Nachwuchskräften der Ausbildungsberufe Papiertechnologen, Elektroniker, Industriemechaniker und BA-Studenten von Stora Enso Maxau präsentieren. In drei Fachvorträgen wurden die Bereiche Ressourcenmanagement, Neue Werkstoffe und Oberflächengestaltung bei Papieren und Verpackungen vorgestellt. Die anschließende Führung an die Versuchsstreichanlage VESTRA, in die Labors der Wasseranalytik und das Wasser-/ Abwasser-Technikum veranschaulichte die Theorie.  Kontakt: [email protected] 8Y

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PTS STREICHEREI SYMPOSIUM ERFOLGREICH VERLAUFEN ERSTMALS IN KOOPERATION MIT BAYERN INNOVATIV

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it rund 350 Teilnehmern konnte das 26. PTS Streicherei Symposium in der BMW Welt in München am 17. und 18.September 2013 an den großen Erfolg der Jubiläumsveranstaltung vor zwei Jahren anknüpfen. In seiner Begrüßung hob Dr. Frank Miletzky hervor, dass die starke Beteiligung aus der Papierindustrie mit über 100 Teilnehmern ein positives Signal für die gesamte Branche sei. Dass sich Papierhersteller, Papierverarbeiter und deren Zulieferindustrien in einem großen Transformationsprozess befinden, machte Keynote Speaker Jussi Pesonen, Präsident und CEO von UPM, in seinem Beitrag deutlich. Hierfür werden völlig neue Produkte für Märkte auch außerhalb der traditionellen Papieranwendungen benötigt. Um sie zu entwickeln sind vernetztes Denken und der Blick über den Tellerrand der eigenen Wertschöpfungsketten erforderlich. Das zeigte Professor Dr. Werner Klaffke, Geschäftsführer von Bayern Innovativ – erstmals Kooperationspartner des PTS Streicherei Symposiums – sehr anschaulich in seinem Vortrag zur Bedeutung innovativer Netzwerke für eine erfolgreiche Zukunft. Als Forschungsinstitut stellt sich die Papiertechnische Stiftung diesen Herausforderungen und fokussiert seit vier Jahren einen erheblichen Teil ihrer Forschungskapazität in neue, faserbasierte Werkstoffe. Hierzu gehört beispielsweise die Entwicklung von Leichtbaumaterialien, von Papierhalbzeugen für die Keramik- und Metallindustrie, von Papieren mit adsorptiven Eigenschaften zur Wasseraufbereitung, Luftreinigung und Wärmespeicherung, als Brandschutzmaterial und mit elektromagnetischer Schutzfunktion. Die Ergebnisse dieser Forschungsarbeiten wurden auf den Gemeinschaftsständen von Bayern Innovativ zur Materialica und Hannover Messe vorgestellt und waren auch im Rahmen der begleitenden Ausstellung in der BMW Welt zu sehen. Neben dem Blick auf neue Märkte widmeten sich viele Vorträge den anwendungstechnischen Herausforderungen bei Druck und Verarbeitung. Das Thema Curtain Coating wurde in Impulsvorträ-

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gen und einer spannenden Diskussion auf hohem Niveau vertieft. Konkrete Verbesserungen für das Hier und Heute standen im Mittelpunkt des zweiten Vortragstages. „Effizienzverbesserung“ war das am häufigsten gehörte Wort, das sich wie ein roter Faden durch die Vorträge zog. Dabei wurden die Prozesse, die Rohstoffe und Messtechnik intensiv beleuchtet. Den Abschluss bildete dann nochmals ein Ausblick in die Zukunft neuer Produkte auf Basis der Streichtechnologie, insbesondere Barrierebeschichtungen und funktionelle Verbundwerkstoffe. Das nächste PTS Streicherei Symposium wird 2015 stattfinden.  Kontakt: [email protected]

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NEUE NACHWUCHSKRÄFTE IN MÜNCHEN VIER JUNGE MITARBEITERINNEN UND MITARBEITER STELLEN SICH VOR

Thomas Stocker, Dr. Doris Rengstl, Anatoli Davydov und Dr. Josef Eiblmeier (v.l.n.r.)

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achhaltige Verpackungslösungen und Barrierekonzepte für Lebensmittelverpackungen ist das Thema von Dr. Doris Rengstl. Die gebürtige Ergoldsbacherin studierte Chemie an der Universität Regensburg mit Schwerpunkt in Physikalischer Chemie und Kolloidchemie und wählte für ihre Diplomarbeit im Rahmen der Spezialisierung „Complex Condensed Materials and Soft Matter“ das Center for Colloid and Surface Science der Universita degli Studi di Firenze. Im Anschluss promovierte Frau Dr. Rengstl am Lehrstuhl für Physikalische und Theoretische Chemie von Herrn Prof. Werner Kunz an der Universität Regensburg zum Thema „Cholin als Kation für die Entwicklung neuer nicht-toxischer und biokompatibler ionischer Flüssigkeiten, Tenside und tiefen eutektischen Lösungen“. Seit Juni 2013 ist die 28jährige an der PTS beschäftigt, die sie durch eine Messkooperation während ihrer Doktorarbeit kennen gelernt hatte. „Ich konnte bereits Erfahrung in der Erstellung eines internationalen Projektantrags sammeln. Für mich war es interessant, die Planung eines Produkts von Beginn bis zur Fertigung an der Pilotmaschine durchzuführen“, beschreibt Frau Dr. Rengstl ihre ersten Erfahrungen in der PTS. „Überdies hinaus ist das Arbeitsklima an der PTS durch die freundlichen und hilfsbereiten Kollegen sehr 10 Y

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angenehm.“ Die Oberflächenveredelung von Papier, insbesondere mit verschiedenen Verfahren der Streichtechnologie, ist einer der Schwerpunkte, in denen die PTS seit vielen Jahren über ein großes Know-how und Renommee verfügt. Um dieses Thema weiterzutreiben, wurde das Team von Herrn Gericke mit drei neuen Kollegen ausgebaut. Thomas Stocker verstärkt seit dem 1. Februar 2013 die PTS. Der Diplom-Ingenieur studierte an der Julius Maximilians Universität Würzburg Nanostrukturtechnik mit den Schwerpunkten Festkörperphysik, Materialwissenschaften, Biophysik und Energietechnik. Da die Nanotechnologie starke Anwendung in der Oberflächenmodifizierung findet, fand der 27jährige eine Tätigkeit bei der PTS besonders reizvoll. Derzeit bearbeitet er Forschungsprojekte zu den Themen Optimierung des Strichbrechens, Verbesserung der Deinkbarkeit von Inkjetdrucken und In-Situ Erzeugung von Schaum in Streichfarben. Neben der Nanotechnologie allgemein zählen selbstorganisierte Strukturen, printed electronics und Ultraschall zu seinen besonderen Interessen. „Die Leitung sehr interessanter Projekte mit der Möglichkeit, eigene Ideen innerhalb eines Projektes zu verwirklichen oder basierend auf den Ideen neue Projekte zu starten“, nennt Thomas Stocker

als sehr positive Erfahrungen in der PTS. Dazu seien die Kollegen ausgesprochen nett und hilfsbereit und auch das Arbeitsumfeld sehr angenehm. In der Chronologie folgt Anatoli Davydov, der seine Arbeit in der PTS zum 1. Juli 2013 aufnahm. Nach dem Bachelorstudium Chemische Technik (Schwerpunkte: Verfahrenstechnik, Katalyse, Kolloidchemie) an der Hochschule München schloss der 26jährige ein englisches internationales Masterprogramm Materials Science an der Universität Augsburg an. Die Schwerpunkte lagen auf Festkörperphysik, Metall, Faserverbundwerkstoff und Festkörperchemie. Während seines Studiums arbeitete er bei einem großen Druckmaschinenhersteller und kam daher bereits mit Papier und Druckfarben in Kontakt. Da war der Weg zur PTS dann nicht mehr weit. Herr Davydov bearbeitet derzeit Forschungsprojekte zu den Themen Stärke im Strich und glänzende Kartonoberflächen. Zu seinen Interessen gehören printed electronics, Ultraschall, Faserverbundwerkstoffe und Polymerchemie. „Viel Freiraum für eigene Ideen. Sehr nette Kollegen. Einfach ein tolles Umfeld zum arbeiten“, so umschreibt Anatoli Davydov seine persönlichen Erfahrungen in der PTS. Seit September 2013 ist Herr Dr. Josef Eiblmeier an Bord. Nach dem Studium der Chemie an der Universität Regensburg mit Schwerpunkt Physikalische-/ Kolloidchemie fand der 29jährige - wie seine Studienkollegin Frau Dr. Rengstl Florenz wäre doch ein schöner Ort für die Diplomarbeit. Die entstand am Center for Colloid and Surface Science unter der Leitung von Professor Piero Baglioni. Die anschließende Promotion in Physikalischer Chemie mit dem Thema „Herstellung biomimetischer Materialien mittels rein anorganischer Komponenten“ erfolgte in Regensburg bei Professor Werner Kunz. „Ich finde, dass Papier ein sehr zukunftsträchtiges und sehr spannendes Material ist, dessen Potential meiner Meinung nach noch lange nicht ausgeschöpft ist“, antwortet der Niederbayer auf die Frage, weshalb er sich bei der PTS beworben habe. „Die PTS ist hier ein sehr gutes Bindeglied zwischen akademischer- und FIBRE based solutions for tomorrow`s products

industrieller Forschung. Deswegen fand ich die Stelle als Projektleiter in der Oberflächentechnik mit meinem Hintergrund als Kolloidchemiker sehr spannend“, führt er weiter aus. Derzeit arbeitet Herr Dr. Eiblmeier in einem Forschungsprojekt zur Herstellung von feuerfesten/intumeszenten Papierbeschichtungen mittels perlmuttartiger Anordnung von Schichtsilikaten und Polymeren. Daneben arbeitet er an ersten Kundenprojekten zur Barrierebeschichtung für Verpackungspapiere. Und auch ein neues Projekt zur

manipulationssicheren Hotmeltverklebungen für Pharmafaltschachteln ist in der Beantragung. Die ersten Erfahrungen in der PTS sind sehr positiv. „Sehr professionelle Strukturen, der Blick über den Tellerrand auf neue Papieranwendungen und ein kollegiales Arbeitsumfeld“ fasst Herr Dr. Eiblmeier zusammen. Seine besonderen Interessen - gedruckte elektronische Schaltkreise auf Papier und Papier als mögliches Substrat für Farbstoffsolarzellen – fügen sich auch bestens in die Forschungsstrategie der PTS ein. 

Kontakte: [email protected] [email protected] [email protected] [email protected]

NEUE MÖGLICHKEITEN DER PAPIERTECHNOLOGIE BEI FASER­ VERBUNDWERKSTOFFEN (FASERVERSTÄRKTE KUNSTSTOFFE) SCHRÄGSIEBMODUL AN DER VERSUCHSPAPIERMASCHINE IN HEIDENAU ERWEITERT DAS ENTWICKLUNGSSPEKTRUM DER PTS DEUTLICH

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inen Produktschwerpunkt bildet hierbei das Anwendungsfeld Faserverbundwerkstoffe (faserverstärkte Kunststoffe) [FVW]. Diese Werkstoffklasse weist ein breites Spektrum von einfachen technischen Anwendungen bis zu Hochleistungsstrukturen im Fahrzeugbau sowie in der Luft- und Raumfahrt auf. Das große Plus dieser Werkstoffklasse ist die Möglichkeit, im Materialverbund Eigenschaftskombinationen, zum Beispiel hohe Festigkeit bei geringem Gewicht, zu erreichen. In erster Linie kommen hierbei synthetische Fasern wie Kohlenstoff-, Glas- oder Basaltfasern zum Einsatz, welche in eine duroplastische oder thermoplastische Kunststoffmatrix eingebettet sind. In der Fertigungstechnik kommen unterschiedliche Varianten von Flächengebilden als Halbzeuge für FVW-Produkte zum Einsatz, zum Beispiel Gewebe, unidirektional ausgerichtete Fasergelege oder Fasermatten. Die PTS stellt sich in diesem Kontext die Aufgabe, die Schrägsiebtechnologie zur Darstellung von kurzfaserbasierten Halbzeugen einzusetzen. Hierbei gilt es, technologiespezifische Vorteile zu nutzen. Insbesondere stehen hierbei wirtschaftliche und materialspezifische Gesichtspunkte im Vordergrund. Bisher sind Synthesefasern auf Basis von Kohlenstoff, Glas und Basalt mit einer Faserlänge von bis zu 20 mm erfolgreich auf FIBRE based solutions for tomorrow`s products

Herstellung eines Glasfaservlieses an der Versuchspapiermaschine

der Versuchspapiermaschine eingesetzt worden. Es wurden Synthesefasergehalte bis 90 Gew.-% erreicht. Die resultierenden Nassvliese wurden im Anschluss erfolgreich imprägniert, beispielsweise mit Epoxidharz im Vakuumimprägnierverfahren oder mittels RTM-Technologie. Im Bereich FVW mit thermoplastischer Matrix konnten mit dem Schrägsiebverfahren Halbzeuge hergestellt werden, die neben den synthetischen Strukturfasern thermoplastische Komponenten beispielsweise in Form von thermoplasti-

schen Fasern bereits beinhalten. Bei dem nachfolgenden Heißverpressen schmelzen derartige Fasern auf und bilden die thermoplastische Matrix. In den Versuchsarbeiten konnten bisher spezifische Vorteile der Schrägsiebtechnologie im Kontext FVW-Halbzeugfertigung aufgezeigt werden. Insbesondere sind zu nennen: • Halbzeuge in einem weiten Grammaturbereich darstellbar • Möglichkeit der Kombination der Strukturfasern mit thermoplastischen PTS NEWS 03/2013

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Matrixkomponenten • Möglichkeit der Kombination unterschiedlicher Strukturfasern • Möglichkeit des Einsatzes rezyklierter Strukturfasern • Hohe Homogenität des resultierenden Flächengebildes • Möglichkeit der Erzeugung einer Mehrlagigkeit zur Ausbildung eines Gradienten bzw. unterschiedlicher Funktionalisierung Die durchgeführten Arbeiten zeigen, dass papiertechnologisch hergestellte Halbzeuge ein großes Potential im Bereich der FVW-Produktion aufweisen. Sie können zudem auch in Kombination mit weiteren Halbzeugen, beispielsweise zur Erzeugung homogener, gut bearbeitbarer Oberflächen, eine wichtige Rolle spielen. Hierdurch können Märkte mit Zukunftsperspektive, zum Beispiel im Bereich des Maschinen- und Fahrzeugbaus, für die Papiertechnologie erschlossen werden. Die PTS bietet hier die Möglichkeit für kundenspezifische Entwicklungsprojekte – wir freuen uns auf Anfragen! 

Versuchspapiermaschine mit zweilagigem Stoffauflauf

Faserverbund Basalt Zellstoff

Kontakt: [email protected]

FASERVERBUNDWERKSTOFFE DURCH IMPRÄGNIEREN UND VERPRESSEN ERWEITERUNG DER ANLAGENAUSSTATTUNG IN DEN HEIDENAUER LABORATORIEN

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aserverbundwerkstoffe (FVW) sind Materialien, die aus einer (Harz)-Matrix und Verstärkungsfasern bestehen. FVW sind im Leichtbau nicht mehr wegzudenken und bieten zwei große Vorteile: hohe Steifigkeit und hohe Festigkeit. Durch die Harzkomponente können Eigenschaften wie Chemikalienfestigkeit, Alterungsbeständigkeit und Kratzfestigkeit im FVW erzeugt werden und durch den Einsatz der Faser fließen mechanische Eigenschaften, z.B. Zug-, Biegfestigkeit und Schlagzähigkeit, ins Composite mit ein. Im Flooring und Dekorbereich sind nicht nur die mechanischen Eigenschaften des Composites ein Qualitätsmerkmal des Produktes, sondern auch die optischen Charakteristika. In enger Zusammenarbeit mit dem Kunden können Einflussfaktoren des visuellen Erscheinungsbildes des FVW über das Imprägnieren und Verpressen schnell erfasst werden. Hierbei werden 12 Y

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gezielt die signifikanten Einflussfaktoren des Rohpapiers, z.B. Faserart, Porosität, Lang-/Kurzfaseranteil, als auch die Fragestellung nach dem Einfluss der Imprägniermittelzusammensetzung auf die Eigenschaften der FVW untersucht. Die Verarbeitung und Analyse eines Verstärkungspapiers zur Herstellung eines Faserverbundwerkstoffs ist jetzt am Heidenauer Standort der PTS durch den Zuwachs eines Rakelgeräts zur Imprägnierung und einer hydraulischen Laborpresse möglich. Das Rakelgerät und die Laborpresse sind flexibel einsetzbar. Im Rakelgerät können poröse Medien mit unterschiedlichen Polymerdispersionen

imprägniert werden, je nach Kundenanforderung. Hierbei wird das an der Papiermaschine hergestellte Rohpapier im DIN A4 Format ins Imprägniermedium getränkt und das überschüssige Harz des Papiers über zwei Rakelwalzen abgestreift und vorkondensiert. Als Matrix dienen Duroplaste wie Epoxyd- und Melaminformaldehydharze in einer wässrigen Dispersion. Die Harzabsorption wird im Rakelgerät über die Rakelwalzenstärken und -drehgeschwindigkeiten eingestellt und gravimetrisch bestimmt. Das Aushärten des FVW geschieht in der Laborpresse. Imprägnierte Papiere können bei einer spezifischen Flächenpressung

von bis zu max. 730 N/cm2 und einer Temperatur von bis zu 300 °C im Format 30x30 cm verpresst werden. Bei der Verpressung können mehrere Schichten von imprägnierten unidirektionale Papieren übereinander auf beispielsweise einer Spannplatte verpresst werden zur Erzeugung eines uni- oder multidirektionalen Laminats. Über Anfragen zu Produktentwicklungen freuen wir uns!  Kontakte: [email protected] [email protected]

NEUE EINBLICKE IN DIE CHEMISCHE STRUKTUR VON PAPIER RAMAN-MIKROSKOPISCHE MESSUNGEN IN DER PTS

Intensity

CaCO 3

CaCO 3

SB Latex

Cellulose

SB Latex

TiO 2

Abb.1 Raman-Spektrum von der Oberfläche eines gestrichenen Papiers

Wavenumber cm -1

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apier ist, von einigen Ausnahmen abgesehen, ein sehr komplex aufgebautes Produkt. Neben dem Faserstoff enthält es viele verschiedene Komponenten, wie Füllstoffe, Pigmente, Leimungs- und Nassfestmittel sowie andere chemische Additive, die für die Gebrauchseigenschaften und die Qualität von Papier wichtig sind. Auch die Papieroberfläche besteht oft aus Beschichtungen, die mehrere Komponenten FIBRE based solutions for tomorrow`s products

enthalten und mehrlagig sein können. Diese komplizierte Zusammensetzung von Papieren stellt immer wieder eine große Herausforderung für die Papieranalyse dar, insbesondere dann, wenn Inhaltsstoffe in geringen Konzentrationen vorliegen und deren mikroskopische Verteilung im Papierquerschnitt untersucht werden soll. Auch die Verteilung von Inhaltsstoffen entlang des Papierquerschnitts (z-Richtung) hat wesentlichen

Einfluss auf viele der Gebrauchs- und Verarbeitungseigenschaften von Papieren, z. B. Festigkeiten oder Bedruckbarkeit. Kenntnisse zur z-Verteilung von Papierkomponenten sind deshalb wichtig. Neue Möglichkeiten zur Analyse der chemischen Struktur in z-Richtung von Papier bietet die Raman-Mikroskopie. Mit ihr lassen sich anorganische und organische chemische Verbindungen sehr gut selektiv und in Kombination mit einem PTS NEWS 03/2013

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REM-Bild

Raman-Bild

Polyvinyl alkohol (PVA) + AlOOH PVA Polyethylen + TiO2

10 µm

10 µm

Rohpapier

Abb.2: REM- und Raman-Bild des Querschnitts eines Photo-Inkjet-Papiers mit farblicher Kennzeichnung der Papierschichten nach ihrer chemischen Zusammensetzung

Mikroskop in einer hohen räumlichen Auflösung von bis zu 1 µm nachweisen. Viele Additive kommen nur in sehr geringen Konzentrationen im Strich und im Papier vor und sind daher schwierig oder gar nicht zu detektieren, vor allem dann, wenn nur integrierende Messungen über einen größeren Messfleck durchgeführt werden können. Durch die hohe örtliche Auflösung der Raman-Mikroskopie kann die Detektion erheblich verbessert werden, da die Messung genau an den Punkten von Substanzablagerungen erfolgt, z.B. an einer Faser oder in Hohlräumen des Fasernetzwerkes. Anhand der gemessenen Raman-Spektren können spektroskopische Bilder erzeugt werden, welche die z-Verteilung von Inhaltsstoffen im Papier visuell direkt sichtbar machen. Die Auswertung von Bandenintensitäten liefert quantitative Aussagen zur Verteilung von chemischen Inhaltsstoffen. Dabei enthalten die Spektren aus einer einzigen Messung Informationen zu mehreren Papierkomponenten.

Raman-Spektroskopie Die Infrarot (IR)- und die Nahinfrarot (NIR)-Spektroskopie werden seit langem in der PTS für die Papieranalyse angewendet. Beide Methoden haben mit der Raman-Spektroskopie gemeinsam, dass mit ihnen Molekülschwingungen beobachtet werden. Während jedoch die Infrarotspektroskopie auf der Absorption von (infraroter) Strahlung beruht, entsteht das Raman-Spektrum durch ein Streuphänomen. Dabei wird die Probe mit monochromatischem Licht (Laser) bestrahlt. Gemessen wird die Strahlung, die von der Probe (den Molekülen) zurückgestreut wird. Der Hauptanteil dieser Streustrahlung ist die sogenannte Rayleigh-Streuung. Sie besitzt die gleiche Wellenlänge (Energie) wie die Erregerstrahlung, d. h. diese Strahlung ist keine Wechselwirkung mit den Molekülen eingegangen. Es ist aber auch möglich, dass bei dem Streuvorgang die Moleküle Energie aus der Erregerstrahlung aufnehmen und zu Schwingungen angeregt

werden. Dadurch besitzt dann die Streustrahlung eine geringere Energie (größere Wellenlänge). Diese Energieverschiebungen (Raman-Verschiebung) werden als Raman-Spektrum registriert. Die RamanBanden können also, wie die Infrarotbanden, bestimmten Molekülschwingungen zugeordnet werden. Die Abbildung 1 zeigt das Raman-Spektrum der gestrichenen Oberfläche eines Papiers mit der Kennzeichnung von charakteristischen Banden für verschiedene Verbindungen. Zur Untersuchung der Verteilung von Inhaltsstoffen im Papier und im Strich werden entlang des Papierquerschnitts Punkt für Punkt Spektren registriert und so eine bestimmte Fläche abgerastert (Mapping). Mit den Daten aus der erhaltenen Spektrenmatrix lassen sich dann farbige spektrale Verteilungsbilder erzeugen. Aus den für die Farbkodierung ermittelten Werten können auch relative und absolute Verteilungskurven über dem Papierquerschnitt erstellt werden.

Raman-Bilder

REM-Bild Deckstrich Binder 1002 cm-1

Basisstrich CaCO3 1087 cm-1

Druckfarbe Yellow 1400 cm-1

5 10 15 20 25 30 35

Abb. 3: REM- und Raman-Bilder vom Querschnitt eines bedruckten gestrichenen Papiers. Die Farbkodierung erfolgte anhand der Intensitäten der angegeben Raman-Banden.

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Anwendungen in der Papieranalyse Die Standardmethode für die Analyse der Papierstruktur in z-Richtung ist die Rasterelektronenmikroskopie (REM). Mit ihr lassen sich die Faserstruktur und der Schichtaufbau von Papieren in hoher örtlicher Auflösung bis unter 1 µm darstellen. Der Nachteil ist, dass praktisch keine chemischen Informationen erhalten werden und eine Identifizierung, insbesondere von organischen Substanzen nicht möglich ist. Lediglich über die Kopplung mit der Röntgenspektroskopie (RMA) lassen sich anorganische Verbindungen indirekt über eine Elementanalyse zuordnen. Mit der Raman-Mikroskopie können Raman-Bilder erzeugt werden, die eine ähnliche örtliche Auflösung, wie REM-Aufnahmen besitzen und zusätzlich chemische Informationen zu den visuell erkennbaren Strukturen der REM-Bilder liefern. Im Folgenden werden zwei Beispiele für die kombinierte Anwendung von REM und Raman-Mikroskopie gezeigt. In der Abbildung 2 ist links das REMBild vom Querschnitt eines PhotoInkjet-Papiers dargestellt. Es ist eine Schichtstruktur erkennbar. Aber erst die

Raman-Messung ist in der Lage, die chemische Zusammensetzung der Schichten genau zu bestimmen. Das entsprechende Raman-Bild ist rechts dargestellt. Für die Farbcodierung der Schichten wurden die Intensitäten von charakteristischen Raman-Banden der enthaltenen chemischen Verbindungen verwendet. Es konnten alle Schichten des Papiers aufgelöst werden. Bemerkenswert bei diesem Ergebnis ist, dass durch die Raman-Messung auch die optisch fast nicht unterscheidbare untere Lage der Farbempfangsschicht (rot) sichtbar gemacht werden konnte. Das Sichtbarmachen von visuell im REM-Bild nicht erkennbaren Komponenten im Papier ist einer der wesentlichen Vorteile der Raman-Mikroskopie. Ein zweites Beispiel in der Abbildung 3 zeigt die Raman-Messung an einem bedruckten gestrichenen Papier. Auch hier macht erst die Raman-Messung die im REM-Bild nicht genau erkennbare Schichtstruktur bzw. –zusammensetzung sichtbar. Des Weiteren wird im RamanBild die Druckfarbenschicht erkennbar, wobei eine weitere genauere Analyse die Bestimmung der Eindringtiefe der Druck-

farbe in den Strich ermöglicht.

Zusammenfassung Die Raman-Mikroskopie bietet neue Möglichkeiten für die Papieranalyse in z-Richtung. In Kombination mit der Rasterelektronenmikroskopie ermöglicht sie neue Einblicke in die chemische Struktur von Papier und die Verteilung von Inhaltsstoffen, wie es mit den bisher angewendeten Analysemethoden nicht möglich war. Die PTS führt gegenwärtig in Kooperation mit dem Institut für Bioanalytische Chemie der TU Dresden ein Forschungsprojekt zur Anwendung der Raman-Mikroskopie in der Papieranalyse durch. Ziel dabei ist es, anhand von praxisrelevanten Stoffsystemen die Leistungsfähigkeit der Raman-Spektroskopie für die Analyse papiertypischer Substanzen und Konzentrationen im Papier zu demonstrieren. Erste Ergebnisse dazu wurden auf dem PTS Streicherei Symposium 2013 vorgestellt sowie bereits für die Forschung und Bearbeitung von analytischen Dienstleistungen praktisch angewendet.  Kontakt: [email protected]

PARTNERING-EVENT FÜR HORIZONT 2020 UND COST-AKTIONEN

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ie von FTP und COST mit Unterstützung der EFI, EFPRO, InnovaWood und PTS im Auftrag der deutschen FTP organisierte Kontaktbörse fand enormen Anklang: Rund 135 Teilnehmer waren am 15. November ins MUNICON Conference Centre nach München gekommen. 50 von ihnen nutzten die Gelegenheit, um interessante Ideen oder Kooperationsprofile für neue europäische Projekte vorzustellen. ”Die Veranstaltung bot die einzigartige Möglichkeit, sich über vorläufige Themen der ersten Ausschreibung des neuen EU-Rahmenprogramms für Forschung und Innovation Horizont 2020 zu informieren“, berichtet Jean-Yves Escabasse, European R&D Manager an der PTS. Horizont 2020, das neue Rahmenprogramm für Forschung und Innovation der Europäischen Kommission, hat ein geschätztes Fördervolumen von 70.2 Mrd. € für den Zeitraum von 7 Jahren. Neben der Grundlagenforschung soll

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Horizont 2020 die gesamte zukünftige Innovationskette abdecken; Schwerpunktbereiche sind die Anwendung, Innovation und das Erschließen neuer Märkte. Als aktives Bindeglied zwischen Wissenschaft und Märkten widmet sich das Programm gezielt den aktuellen Heraus-

forderungen unserer Gesellschaft, z.B. indem es innovative Unternehmen bei bahnbrechenden technologischen Entwicklungen unterstützt, die für die Menschen in Europa von Nutzen sind.  Kontakt: [email protected] PTS NEWS 03/2013

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PTS-WEITERBILDUNGSPROGRAMM 1. HALBJAHR 2014 Datum/Ort

Veranstaltung

11.02. PTS München

Verpackungen und Lebensmittelsicherheit – aktuelle Entwicklungen Aktuelle Entwicklungen des Lebensmittelrechts und daraus resultierende Anforderungen an Papiere, Kartons und Pappen für den Lebensmittelkontakt.

25.-26.02. PTS München

International Scientific Symposium on Applied Interface Chemistry This international conference will promote the exchange of recent findings and developments regarding the understanding, improvement and targeted use of interface phenomena in paper and board production.

11.-12.03. PTS München

Optimierung der Streichtechnik – Modul 3: Herstellung und Beurteilung von Streichfarben Streichfarbenaufbereitungsanlagen, Streichfarbenformulierungen für unterschiedliche Druckverfahren und Möglichkeiten der Streichfarbenbeurteilung stehen im Mittelüpunkt.

19.-20.03. PTS München

Papierherstellung im Überblick Leicht verständliche Gesamtübersicht über die bei der Papierherstellung verwendeten Materialien sowie über die grundlegenden Verfahrensstufen des industriellen Herstellungsprozesses von Papier, Karton und Pappe.

25.-26.03. PTS Heidenau

Qualitätskontrolle und -sicherung durch mikroskopische Prüfung von Fasern, Füllstoffen und Papier Vertiefter Einblick in das Reich der Mikroskopie und deren Anwendung bei der Papierbeurteilung; mikroskopische Analysen von Papieren und Faserstoffen; Erkennen von Qualitätsmängeln.

13.-14.05. PTS München

16. PTS-CTP Deinking Symposium Das Symposium vermittelt einen Überblick über die aktuellsten nationalen und internationalen Entwicklungen der Altpapieraufbereitung und Deinking-Technologie.

20.-21.05. PTS München

Symposium Innovative Packaging Recent developments in manufacturing, design and functionalization of packaging materials and packages with a clear focus on paper based packaging - Conference language is English.

20.-21.05. PTS München

Membrantechnik in der Papierindustrie Rückgewinnung von Wertstoffen und Energie aus Abwasser; Informationsaustausch zwischen Herstellern von Membrananlagen und Anwendern aus der Papierindustrie.

21.-22.05. PTS München

Wasserkreisläufe in der Papiererzeugung Frisch- und Kreislaufwasserreinigung, Kontrolle mikrobiologischer Prozesse sowie vor allem Einsparpotenziale durch Optimierung stehen im Mittelpunkt.

11.-12.06. PTS München

Sicheres Kleben bei der Verarbeitung von Papier und Karton Die Teilnehmer lernen wichtige Klebstoffsysteme, ihre Herstellverfahren und ihre Besonderheiten in der Anwendung sowie effiziente Verfahren zur Klebeflächenvorbehandlung kennen.

16.-17.06. PTS Heidenau

Auswahl und Bewertung von Altpapier Umfassende Darstellung des Anfalls, der Sammlung und Sortierung von Altpapier mit praktischem Teil zum Sekundärrohstoff Altpapier.

Weitere Informationen und Online-Anmeldung auf www.ptspaper.de/veranstaltungen/

Papiertechnische Stiftung Heßstraße 134 · 80797 München · Telefon +49 (0)89-12146-0 · Telefax +49 (0)89-12146-36 Pirnaer Straße 37 · 01809 Heidenau · Telefon +49 (0)3529-551-60 · Telefax +49 (0)3529-551-899 PTS-News wird von der Papiertechnischen Stiftung herausgegeben · ISSN 1434-7172