Von der Erfindung vor rund 2.000 Jahren in China bis zum heutigen Hightechmaterial: Die Papierherstellung hat einen weiten Weg hinter sich, der vielseitiger ist, als man auf den ersten Blick vermuten mag. Rund 3.000 Sorten Papier existieren inzwischen \u2013 und doch gibt es nicht f\u00fcr alle gew\u00fcnschten Anwendungen eine geeignete L\u00f6sung. Das ist beispielsweise der Fall, wenn es darum geht, mineral\u00f6lbasierte Kunststoffe zu ersetzen. Das Forschungsprojekt \u201eNew Hybrid Paper\u201c (NewHyPe) m\u00f6chte f\u00fcr gleich zwei Anwendungsf\u00e4lle eine solche L\u00f6sung finden.<\/p>\n
Bisherige Alternativen selten wirtschaftlich
\n\u201eIn der Landwirtschaft wird Mulchfolie eingesetzt, um W\u00e4rme und Wasser zu regulieren\u201c, erz\u00e4hlt Klaus Rose vom Fraunhofer-Institut f\u00fcr Silicatforschung (ISC). \u201eDie Polyethylenfolie verrottet aber nur langsam bis gar nicht und tr\u00e4gt dabei Mikroplastik in den Ackerboden und das Grundwasser ein.\u201c Zwar gibt es inzwischen eine bioabbaubare Alternative aus Polymilchs\u00e4ure, doch bis auf einige Spezialanwendungen ist diese f\u00fcr den Einmalgebrauch zu kostspielig. Als Teil des Programms \u201eBioeconomy in the North\u201c, das auf die skandinavischen W\u00e4lder als Rohstoffquelle fokussiert, dachte das \u201eNyHyPe\u201c-Team bei der Suche nach Alternativen schnell an Cellulose \u2013 und damit an Papier.<\/p>\n
\u201ePapier zersetzt sich schnell\u201c, erl\u00e4utert Rose, \u201eaber f\u00fcr diesen Zweck zu schnell\u201c. Rund drei Monate sollte das Material halten und sich dann aber vollst\u00e4ndig zersetzen. Au\u00dferdem sollte es nicht durch N\u00e4sse rei\u00dfen, wie Papier das normalerweise tut, und nicht durch UV-Strahlung verwittern. Die Projektidee lautet daher, das Papier so zu beschichten, dass es seine Aufgabe als Mulchschicht lange genug erf\u00fcllen kann. Dabei muss die Beschichtung dieses Hybridpapiers nat\u00fcrlich ihrerseits nach gegebener Zeit gut biologisch abbaubar sein.<\/p>\n
Ormocere als funktionale Alternative
\nDie L\u00f6sung k\u00f6nnte in sogenannten Ormoceren liegen, die um 1998 am ISC erfunden wurden. \u201eOrmocere bestehen aus einer organischen Komponente, die zu CO2 und Wasser zersetzt wird, und einer anorganischen Komponente aus Silikaten\u201c, schildert Rose. Silikate bilden einen Gro\u00dfteil der Erdkruste. Papier und Beschichtung w\u00e4ren somit vollst\u00e4ndig biologisch abbaubar, ohne dass Mikroplastik entst\u00fcnde. Der Silikatanteil verleiht dem Hybridpapier einen Gro\u00dfteil seiner Stabilit\u00e4t. Zu viel lie\u00dfe das Material jedoch spr\u00f6de und br\u00fcchig werden. Die richtigen organischen Bausteine bewahren die n\u00f6tige Flexibilit\u00e4t und machen die Beschichtung hydrophob, also wasserabweisend.<\/p>\n
Welche organischen Gruppen f\u00fcr diesen Zweck sinnvoll sind, ist aus der Polymerchemie hinreichend bekannt. Dennoch hat das Forschungsteam den gr\u00f6\u00dften Teil des ersten Jahres damit verbracht, Kandidaten und vor allem Kandidatenmischungen zu erproben. \u201eZehn bis zw\u00f6lf Schichttypen haben wir ausprobiert\u201c, berichtet Rose, etwa die H\u00e4lfte davon sei besonders vielversprechend und werde weiter untersucht. \u201eDie Hydrophobie ist schon sehr gut, die Nassrei\u00dffestigkeit ist deutlich verbessert, und die Zersetzung etwas gebremst \u2013 aber noch nicht genug.\u201c Weitere Stellschrauben sind neben der Chemie die Dicke der Beschichtung und die Entscheidung, ob sie von einer oder von beiden Seiten aufgetragen wird. Offen ist auch noch, ob das Wasser vom Hybridpapier aufgenommen werden soll oder es lediglich benetzen wird.<\/p>\n
Optimierung der Verfahrensschritte
\nHerausfordernd ist zudem die Verbindung von Papier und Ormoceren. \u201eDie Schichten m\u00fcssen vernetzt und getrocknet werden\u201c, erl\u00e4utert der ISC-Forscher. Erfolgt der Polymerisationsschritt besser thermisch oder durch UV-Strahlung? Au\u00dferdem darf die H\u00e4rtung nicht zu lange dauern: \u201eDas Papier l\u00e4uft auf riesigen Rollen \u2013 das ist eine Hochgeschwindigkeitsverarbeitung, die durch die Beschichtung nicht ausgebremst werden darf.\u201c<\/p>\n
Mit dem, was das ISC an Kandidaten entwickelt, beschichten die Forschungspartner in Finnland und Norwegen unterschiedliche Papiere und werten die Eigenschaften des Hybridpapiers aus. Ob das Ganze am Ende f\u00fcr die gro\u00dffl\u00e4chige Anwendung taugt, erprobt der deutsche Industriepartner SurA Chemicals, der neben dem Upscaling auch im Blick beh\u00e4lt, ob das Verfahren letztlich wirtschaftlich sein kann.<\/p>\n
Verbundmaterial aus Nanocellulose und Ormoceren
\n\u201eWir haben au\u00dferdem noch eine weitere Idee, die wir verfolgen\u201c, sagt Rose: \u201eEin ganz neues Papier.\u201c Anstelle von gew\u00f6hnlicher Cellulose w\u00fcrde dazu das Fasermaterial zu Nanocellulose zerkleinert. Durch die vielen kleinen Fasern entsteht automatisch eine h\u00f6here Festigkeit. Die Ormocere k\u00e4men dennoch zum Einsatz, n\u00e4mlich als eine netzartige Matrix, in die die Nanocellulose eingebunden wird. \u00dcber die Dichte des Netzes k\u00f6nnten dann die Stabilit\u00e4t und Flexibilit\u00e4t beeinflusst werden. Dieser Verbundstoff k\u00e4me als Hybridmulchpapier ohne Beschichtung aus.<\/p>\n
Zwar liegt das Hauptaugenmerk auf einer Alternative zu Mulchfolien, doch sehen die Projektbeteiligten noch eine zweite Anwendung, f\u00fcr die ihr Ansatz geeignet w\u00e4re: nanocellulosebasiertes Hybridpapier als Verpackungsmaterial. Auch hier m\u00fcsste es rei\u00dffest, biegsam und wasserfest sein und w\u00fcrde die oftmals mineral\u00f6lbasierten Kunststofffolien durch eine nachhaltige und kompostierbare Alternative ersetzen.<\/p>\n
\u201eNewHyPe\u201c l\u00e4uft noch bis zum 31.1.2023 und wird vom Bundesministerium f\u00fcr Bildung und Forschung mit 697.000 Euro gef\u00f6rdert.<\/p>\n
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Die Projektbeteiligten und ihre Aufgaben
\nFraunhofer ISC, Forschungsinstitut der Fraunhofer-Gesellschaft, Deutschland: Erforschung und Entwicklung hybridpolymerer Materialien (ORMOCER\u00ae) als Beschichtungsmaterial f\u00fcr Papier und Bindemittel f\u00fcr Nanocellulose-Papier<\/p>\n
SurA Chemicals, KMU, Industriepartner, Deutschland: Herstellung und Upscaling der hybridpolymeren Materialien, Schichtanwendung\/Verarbeitung<\/p>\n
VTT, Forschungsorganisation, Finnland: Herstellung von cellulosebasierten Kompositen, Beschichtung von Papier, Charakterisierung und Tests<\/p>\n
Walki, Industriepartner, Finnland: Papierhersteller<\/p>\n
RISE PFI, Forschungsinstitut, Norwegen: Herstellung von (Nano-)Cellulosefasern, Nanocellulosepapier, Charakterisierung, Tests<\/p>\n
Norske Skog Skogn, Industriepartner, Norwegen: Papierhersteller<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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