Elastische Papiere mit mechanisch schaltbarer Faser- und Porenstruktur

• Antragsteller: Professor Dr. Matthias Rehahn
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 405549418

Ziel des Projektes ist es Papiere zu entwickeln, die sich reversibel um mehr als 100% dehnen lassen. Mit steigender Dehnung soll eine zunehmende Ausrichtung der Papierfasern und eine immer ausgeprägtere Vorzugsorientierung der Porenstruktur im Papier einhergehen. Deformation und Vorzugsorientierung sollen sich, getrieben von Entropieelastizität, einerseits sofort zurückbilden, wenn die angelegte Zug-, Druck- oder Scherbelastung endet. Andererseits sollen elastische Papiere entwickelt werden, die den deformierten Zustand auch ohne Krafteinwirkung zunächst beibehalten und erst auf einen Stimulus hin aus dieser temporären in die permanente Gestalt zurückkehren (Shape-Memory-Papiere). Hinsichtlich ihrer chemischen und physikalischen Eigenschaften sollen die Fasern der angestrebten Papiere denen klassischer Papiere möglichst weitgehend gleichen, sodass sich diese idealerweise einzig in ihrer elastischen Deformierbarkeit unterscheiden. Ebenso ist zu deren Herstellung auf etablierte Komponenten und Prozesse der Papierfabrikation zurückzugreifen. Zentrale Herausforderung dabei ist, die sonst übliche direkte Verknüpfung der Zellstoff-Fasern mittels rigider Wasserstoffbrücken zu verhindern und stattdessen deren Zusammenhalt indirekt über elastomere, stark deformierbare Kolloidpartikel zu erreichen. Herausforderung auf synthetischer Seite ist einerseits, die Kolloidpartikel hinsichtlich geeigneter Größe, Elastizität, Deformations-/Relaxationscharakteristik und chemischer Struktur (z.B. ausreichend viele kationische Funktionalitäten auf der Schale) aufzubauen. Andererseits sind komplementäre Maßnahmen zur bevorzugten Ausbildung der ionischen Bindungen auf Seiten der Zellstoff-Fasern zu ergreifen (z.B. Anbringen anionischer Gruppen). Schließlich ist ein Verfahren zu entwickeln, wie die elektrostatisch stabilisierten Suspensionen der kationischen Elastomerpartikel mit den anionischen Zellstoff-Fasern zu mischen und unter Ausbildung der interpartikulären ionischen Bindungen in homogene Papiere umzuwandeln sind. Im fortgeschrittenen Projektstadium sollen weiterhin Kolloidpartikel erzeugt werden, die Dehnkristallisation oder Glastemperaturen nahe Raumtemperatur zeigen. Damit sollen elastische Shape-Memory-Papiere aufgebaut werden. Auch soll validiert werden, ob elastische Papiere mit Vorzugsorientierung der Zellstoff-Fasern für anisotrope Dehnbarkeiten entwickelt werden können. Perspektivisch sollen ein fundiertes Verständnis und die Modellierbarkeit der Struktur-Eigenschafts-Korrelationen erreicht werden. Der Veränderlichkeit der hierarchischen Porenstruktur und deren Orientierung bei Dehnung kommt dabei besonderes Gewicht zu.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen