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Der Einsatz von Fasergefügen und insbesondere von Papier geht heute über dessen ursprüngliches Anwendungsgebiet als Informationsträger weit hinaus. Mit alternativen und neuen Aufgabenfeldern des Papiers kommen auch weitere, qualitative Anforderungen hinzu, welche es während der Herstellung, Weiterverarbeitung und Nutzung erfüllen muss. In der Vergangenheit stand verstärkt z.B. die Verbesserung der statischen und dynamischen Festigkeitseigenschaften im Vordergrund. Für viele Anwendungsfälle spielt jedoch auch die Dehnung eine entscheidende Rolle. Beispiele sind Sackpapier oder Elektroisolationspapier. Darum verfolgt diese Arbeit das Ziel, systematisch und anhand eines neuen Dehnungsmodells, qualitativ und quantitativ die Einflüsse der Faser- und Gefügeeigenschaften anhand ausgewählter Prozessbedingungen auf das Kraft-Dehnungsverhalten, aber insbesondere auf dessen Dehnung zu untersuchen. Des Weiteren wurde eine Methode entwickelt, mit der es unter Nutzung eines Röntgen-Computertomographen möglich ist, weitere Gefügeparameter, auch während einer semi-dynamischen Zugprüfung in-situ zu ermitteln. Für die Bewertung der Fasereigenschaften wurden vier Faserstoffe ausgewählt. Zum Einsatz kam ein ungebleichter Nadelholzsulfatzellstoff (UKP), ein gebleichter Eukalyptuszellstoff, Baumwolllinters und Tencel, eine synthetische Cellulosefaser. Diese Faserstoffe sind chemisch und morphologisch analysiert worden, bevor sie sowohl überwiegend fibrillierend als auch überwiegend kürzend in einem Refiner gemahlen wurden. Nach unterschiedlich hohem Eintrag an massenspezifischer Mahlarbeit in den Faserstoff wurden aus der Suspension Papiermuster gebildet, schrumpfungsbehindert getrocknet und charakterisiert. Durch die Mahlung der Faserstoffe erfolgte eine Reduktion deren mittlerer längengewichteter Faserkonturlänge, der Feinstoffanteil konnte gesteigert werden und das Wasserrückhaltevermögen nahm zu. Es konnte ein unterschiedliches Verhalten der Entwicklung des Wasserrückhaltevermögens zwischen dem ungebleichten Nadelholzsulfatzellstoff und dem gebleichten Eukalyptus gegenüber den Baumwolllinters und den Tencelfasern gefunden werden. Das Wasserrückhaltevermögen von Baumwolllinters und den Tencelfasern blieb, unabhängig von der Mahlstrategie, fast bis zum maximalen Eintrag an massenspezifischer Mahlarbeit von ca. 770 kWh/t unbeeinflusst. Mit den erhaltenen Kraft-Dehnungsdiagrammen der Papiermuster, welche durch eine uniaxiale Zugprüfung mit konstanter Dehnungsgeschwindigkeit messtechnisch erfasst wurden, konnte durch eine Kurveneinpassung mit dem entwickelten Dehnungsmodell das jeweilige Kraft-Dehnungsverhalten mathematisch nachgebildet werden. Dieser neue Modellansatz wurde gewählt, nachdem die Auswertung des Ansatzes von Paetow [77;78;79;90] zu große Abweichungen bei bestimmten Papiermustern aufzeigte. Dies ermöglichte die quantitative Auswertung relevanter Parameter der Kraft-Dehnungskurven. Dabei wurden der Elastizitätsmodul, die Reißlänge und die Dehnung bei maximaler Reißlänge bewertet. Eine sehr hohe Reißlänge konnte mit einem fibrillierend gemahlenem, ungebleichtem Nadelholzsulfatzellstoff und eine hohe Dehnung mit einem, ebenfalls fibrillierend gemahlenem Eukalyptuszellstoff erreicht werden. Des Weiteren sind die Reißlänge am Übergang von einem initial linearen in den nicht-linearen Kurventeil, ein Abknickfaktor sowie der weitere Kurvenverlauf nach dem nicht-linearen Bereich, bis zur maximalen Reißlänge des Gefüges bewertet worden. Der letzte Kurvenbereich wurde entweder durch den weiteren, nicht-linearen Verlauf oder durch einen sekundären Linearbereich charakterisiert. Der von Seth und Page [22] dargestellte Einfluss der Faserstoffmahlung auf den Verlauf der Kraft-Dehnungskurve von Papier konnte nicht nachgebildet werden. Dies zeigte auch, dass die in dieser Arbeit gewonnenen Erkenntnisse durch eine Korrektur des Elastizitätsmoduls mit den Kraft-Dehnungskurven nicht mit den Ergebnissen aus [22] übereinstimmen. Die Faserstoffmahlung hat demnach nicht nur einen Einfluss auf die maximal erreichbare Reißlänge und Dehnung, sondern beeinflusst auch den qualitativen Verlauf der Kraft-Dehnungskurve von Papier. Es konnten keine individuellen Einflussgröße der Fasermorphologie und der Prozessparameter auf die Dehnung oder das Kraft-Dehnungsverhalten festgestellt werden, da sich die meisten dieser Eigenschaften direkt mit der eingebrachten, massenspezifischen Mahlarbeit verändern, die Papierdehnung jedoch schon nach Erreichen einer moderaten massenspezifischen Mahlarbeit von ca. 100 – 200 kWh/t nicht weiter steigern ließ. Für eine weitere Bewertung der Einflüsse auf das Kraft-Dehnungsverhalten von Papier wurden Messwerte aus [143] analysiert. Dabei zeigte sich, dass ein Anstieg an Fasern mit einer hohen Faserkräuselung die Reißlänge des Papiers sowie den Elastizitätsmodul signifikant reduziert. Die Reißlänge am Kurvenübergang vom initial linearen in den nicht-linearen Teil bleibt dabei jedoch konstant. Ein anderes Verhalten, welches mit den Ergebnissen von Seth und Page [22] sowie Lowe [12] übereinstimmt, ist die Auswirkung eines kationischen Additivs wie z.B. Stärke auf die Entwicklung des Kraft-Dehnungsverhaltens. Es konnte nachgewiesen werden, dass das Additiv keinerlei Einfluss auf den initial linearen sowie den nicht-linearen Teil der Kraft-Dehnungskurve hat, sondern nur den sekundären, linearen Kurvenbereich in Abhängigkeit der Dosiermenge beeinflusst. Dabei wurde die Steigung im sekundären Linearbereich bestimmt. Dieses Verhalten führte zu einer Erweiterung der Theorie von Kallmes [82], welcher nach einem Anstieg der Festigkeit und der Dehnung, ab einer kritischen, relativen Bindungsfläche nur noch einen Anstieg der Festigkeit vorhersagte, jedoch nicht mehr der Dehnung. Auf Grund der in dieser Arbeit gewonnenen Erkenntnisse müssen drei Fälle der Entwicklung des Kraft-Dehnungsverhaltens von Fasergefügen unterschieden werden, welche primär von der Homogenität der Spannungsverteilung im Fasergefüge abhängig sind und z.B. durch die Faserkräuselung oder Blattformation beeinflusst werden kann. Diese neue Ansicht basiert auf dem Verhältnis zwischen der Bindungsenergie der Faser-Faserbindung und dem formbasierten sowie dem längenbasierten Arbeitsaufnahmevermögen der Fasern. Der erste Fall der Gefügedehnung beschreibt das Verhalten, wenn die Bindungsenergie geringer ist als das formbasierte Arbeitsaufnahmevermögen. Dies führt zu einem Auseinandergleiten des Fasergefüges. Dieses Verhalten konnte mit der Analyse von Papierproben aus Linters im Röntgen-Computertomograph qualitativ nachgewiesen werden. Steigt die Bindungsenergie an, wie es der zweite Fall voraussetzt, kann das formbasierte Arbeitsvermögen der Fasern überwunden werden und steht als Dehnvermögen zur Verfügung. Um auch, wie es der dritte Fall beschreibt, das längenbasierte Dehnvermögen der Fasern nutzen zu können, muss die Bindungsenergie zusätzlich durch z.B. ein Additiv oder hohe Drücke in einer Nasspresse weiter steigen. Die erweiterte Theorie bildet nun das gesamte Kraft-Dehnungsverhalten von Fasergefügen ab und muss in weiteren Arbeiten zur Papieranalyse verifiziert werden. Eine wertvolle Ergänzung der zu ermittelnden Gefügeparameter kann durch die entwickelte Methode mit der Röntgen-Computertomographie geleistet werden. |
