Hintergrund und Zielsetzung

Die Festigkeits- und die Steifigkeitseigenschaften von Papier sind großen Streuungen unterworfen, da die Mikrostruktur der cellulosischen Fasern stark variiert. Im Wesentlichen werden diese Eigenschaften von der Festigkeit der Einzelfasern sowie der Festigkeit der Faser-Faser Bindungen und deren Brucheigenschaften bestimmt. Des Weiteren sind auch die Größe und die Anzahl der Bindungsflächen zwischen den Fasern von wesentlicher Bedeutung. Durch das hygroskopische Verhalten der Holzpolymere sind die mechanischen Eigenschaften darüber hinaus auch feuchtigkeits- und temperaturabhängig. Die große Vielfalt an Mikrostruktureigenschaften und mechanischen Beanspruchungsmöglichkeiten von Fasern und Faser-Faser Bindungen im Papiergefüge ist mit Hilfe experimenteller Methoden nur ansatzweise erfassbar und motiviert daher die Anwendung analytischer und numerischer Methoden der Mechanik zur Erforschung von Struktur-Funktionsbeziehungen von Papier auf unterschiedlichen Längenskalen. Daher werden in diesem Dissertationsprojekt Mikro-Zug- und Biegeversuche an Fasern und Faser-Faser Bindungen mit numerischer Modellierung kombiniert, um Bruchkenngrößen bei unterschiedlichen Versagenstypen und Mikrostruktur-Festigkeitsbeziehungen identifizieren zu können. Durch die Kombination von experimentellen Untersuchungen und Modellierungen kann ein besseres Verständnis des strukturdynamischen Verhaltens von Papier sowie dessen Verhalten unter Last gewonnen werden.

Stand des Wissens

Die mechanischen Eigenschaften von Papierfasern wurden vorwiegend mittels experimenteller Methoden untersucht (Burgert et al. 2003). Mikrozugversuche an Einzelfasern haben die Abhängigkeit der Steifigkeit und Festigkeit beispielsweise von der Orientierung der Fibrillen in der sogenannten S2-Schicht der Zellulosefasern deutlich aufgezeigt. Die Verwertung dieser Erkenntnisse in Mehrskalenmodellen hat in den letzten Jahren zugenommen (Hofstetter und Gamstedt, 2009), jedoch ist das Potential bei Weitem nicht ausgeschöpft. Durch Zugversuche an Einzelfasern und Biege- und Zugversuche an Faser-Faser Bindungen (AFM, micro bond tester) konnten wertvolle Erkenntnisse über deren Brucheigenschaften gewonnen werden (Schmied et al., 2012; Fischer et al., 2012). Eine direkte Identifizierung von Bruchkenngrößen ist auf Grund des komplexen mechanischen Beanspruchungszustandes jedoch kaum möglich. Daher ermöglicht vor allem eine Kombination dieser Versuche mit numerischer Modellierung (Gamstedt et al., 2013) neue Erkenntnisse.

Literatur

Burgert I, Frühmann K, Keckes J, Fratzl P, Stanzl-Tschegg SE (2003) Microtensile Testing of Wood Fibers Combined with Video Extensometry for Efficient Strain Detection. Holzforschung 57, 661-664.

Hofstetter K, Gamstedt EK (2009) Hierarchical modeling of microstructural effects on mechanical properties of wood. Holzforschung 63, 130-138.

Gamstedt EK, Bader TK, de Borst K (2013) Mixed numerical-experimental methods in wood micromechanics. Wood Science and Technology 47, 183-202.

Schmied F, Teichert C, Kappel L, Hirn U, Schennach R (2012) Joint strength measurements of individual fiber-fiber bonds: An atomic force microscopy based method. Review of Scientific Instruments 83(7).

Fischer WJ, Hirn U, Bauer W, Schennach R (2012) Testing of individual fiber-fiber joints under biaxial load and simultaneous analysis of deformation. Nordic Pulp and Paper Research Journal 27(2), 237-244.

Arbeitshypothese und methodischer Ansatz

In einer Dissertation werden experimentelle Untersuchungen mittels des an der TU Graz entwickelten „micro bond testers“ durchgeführt und analysiert. Dieses Messgerät ermöglicht die Bestimmung der mechanischen Eigenschaften von Einzelfasern und Faser-Faser Bindungen (Bruchkraft, spezifische Bindekraft, Biegesteifigkeit etc.) bei unterschiedlichen Versagenstypen (Mode 1, Mode 2 und Mode 3 Failure). Des Weiteren kann die erforderlichen Energie, die zum Bruch der Bindung führt, ermittelt werden In der darauf abgestimmten zweiten Dissertation an der TU Wien erfolgt die zugehörige mechanische Modellierung. Der Modellierungsansatz folgt den Prinzipien der Mehrskalenmodellierung beginnend bei den Einzelfasern, deren (feuchteabhängige) Eigenschaften mit Hilfe mikromechanischer Methoden vorhergesagt werden. Ergänzend dazu werden Bruchversuche von Faser-Faser Bindungen mittels eines numerischen Tools auf Basis der Finite Elemente Methode und der erweiterten Finite Elemente Methode (XFEM) modelliert.

Erwartete Ergebnisse

Die mechanische Modellierung unter Berücksichtigung der Mikrostruktur von Papier ermöglicht das Studium des Einflusses von Mikrostrukturparametern auf die Steifigkeit und Festigkeit von Fasern und Faser-Faser Bindungen. Die begleitenden experimentellen Untersuchungen ermöglichen die Identifizierung von Materialeigenschaften und die Validierung der Modelle. Durch die Vorhersagemöglichkeit der Auswirkung der Änderung der Mikrostruktur auf die Festigkeit wird ein besseres Verständnis über grundlegende Brucheigenschaften und über Struktur-Festigkeits-beziehungen in Papier geschaffen. Dadurch wird mittelfristig eine gezielte Optimierung der Papierstruktur entsprechend der gewünschten mechanischen Eigenschaften ermöglicht.

Beitrag zu den Programmzielen

Ein besseres Verständnis von Struktur-Festigkeits-Beziehungen von Faser-Faser-Bindungen erlaubt die gezielte ressourceneffizienter Optimierung von Papier und die Entwicklung innovativer Produkte.