Zu lange, findet der Verpackungs- und Papierhersteller Mondi und hat die TU Graz beauftragt, den Materialstrom zu untersuchen, der bei diesem Vorgang wirkt. Dabei soll auch ein Simulationsmodell für den Stofftransport durch Papier herauskommen, um das Wissen über „die Papiersäcke“ auch auf andere Verpackungsanwendungen zu übertragen.
Es ist natürlich kein herkömmlicher Papiersack, der auf dem Prüfstand steht, sondern ein sogenanntes Sackkraftpapier, das dafür ausgelegt wurde, dem Fülldruck beispielsweise in einer Zementabfüllanlage standzuhalten, ohne zu zerreißen. Bei einer Befüllung mit Zement wird zu 80 Prozent Luft in den Sack geblasen. Diese kann durch Poren an der Papieroberfläche entweichen. Das von Mondi an der TU Graz initiierte Christian Doppler Labor (CD-Labor) für Stofftransport durch Papier möchte den Dingen nun auf den Grund gehen und Simulationsmodelle entwickeln, um die Durchlässigkeit poröser Papierstrukturen zu optimieren, ohne dass zum Beispiel die Reißfestigkeit darunter leidet.
Was beispielweise im Autobau gang und gäbe ist – nämlich Materialien und ihr Verhalten in der realen Welt am Computer zu simulieren –, dafür gibt es im Stofftransport noch kaum Entsprechungen, wenn Naturprodukte wie Papier im Spiel sind. „Wir werden keinen virtuellen Zwilling eines Papiers am Computer schaffen können“, schränkt CD-Laborkoordinatorin Karin Zojer ein. Die Physikerin am Institut für Festkörperphysik ist Expertin für die mathematische Simulation von Materialien und weiß: „Papier ist in seiner Faserstruktur derart heterogen, das könnte man nur mit unendlich vielen Daten nachbilden. Für Plastikfolien existieren bereits Materialmodelle, mit denen man den Stofftransport am Computer simulieren kann; für Papier noch nicht.“
Mit den im Projekt gewonnenen Erkenntnissen möchte man Konzepte für die Modifikation von Papier entwickeln.
Das CD-Labor
Im Rahmen des CD-Labors haben die Forscherinnen und Forscher nun die Gelegenheit, die Materialeigenschaften von Papierverpackungen grundlegend zu erforschen und in mathematische Modelle zu gießen. Im Jänner 2018 hat das neue Christian Doppler Labor seinen Betrieb aufgenommen. Es fungiert – wie alle Christian Doppler Labore – als Brückenkopf zwischen Wirtschaft und Wissenschaft und ist prinzipiell auf eine Laufzeit von sieben Jahren ausgerichtet. Alle zwei Jahre werden die Ergebnisse evaluiert.
Was das CD-Labor für Stofftransport durch Papier für die Forscherinnen und Forscher interdisziplinär sehr spannend macht, ist der Umstand, dass die auf Zellulose basierenden Fasern des Papiers mit der Umgebung leicht in Wechselwirkung treten. Einerseits ändern sich die Strukturen bei Nässe, andererseits zeigen die Fasern an der Oberfläche chemische Funktionalitäten, die mit im System vorhandenen Substanzen in Wechselwirkung treten können – zum Beispiel die Wechselwirkung mit Duft- oder Aromastoffen, wie sie Lebensmittel abgeben. Die Arbeitsgruppe von Erich Leitner am Institut für Analytische Chemie und Lebensmittelchemie ist solchen Stoffen im Papier auf der Spur.
Gemeinsam mit Firmenpartner Mondi erforschen die Wissenschafterin und ihr Team den Materialstrom bei der Befüllung von Zementsäcken in der Fabrik.
Die Arbeitsgruppe um Karin Zojer untersuchte in einem ersten Schritt mittels Röntgentomographie, wo sich Teilchen in den Papierstrukturen ablagern können. In Zusammenarbeit mit Ulrich Hirn und Wolfgang Bauer vom Institut für Papier- und Zellstofftechnik können solche Messungen der Mikrostruktur maßgeschneidert für Papier geplant und interpretiert werden. Die Expert/innen des Industriepartners Mondi unterstützen das Forschungsteam der TU Graz mit ihrem vertieften Wissen um die Fasertechnik und die Produktionsvorgänge bei der Papiererzeugung. Gleichzeitig helfen sie den Forscherinnen und Forschern, zielführende mathematische Annahmen zu formulieren, die in künftige Simulationsmodelle einfließen sollen.
„Ziel dieser Modellierung ist die Vorhersage, wie die einzelnen Transportvorgänge von der zugrundeliegenden Porenstruktur bestimmt werden“, erklärt Karin Zojer. „Solche Vorgänge umfassen beispielsweise den Sauerstoffaustausch unter Lagerbedingungen, die Trocknungsgeschwindigkeit von Tintentropfen während der Bedruckung oder Entlüftungsvorgänge bei der Befüllung von Schüttgut in Papiersäcke. In der Folge können damit die für eine gewünschte Verpackungsanwendung entscheidenden Eigenschaften der Porenstruktur benannt beziehungsweise vorhergesagt werden. Daher werden im Rahmen dieses Forschungsprojekts auch gezielt Methoden zur Messung dieser Eigenschaften entwickelt.“
Die Forschungsgruppe von Clemens Kittinger vom Institut für Hygiene, Mikrobiologie und Umweltmedizin der Medizinischen Universität Graz soll als Projektpartnerin des CD-Labors „mikrobiologische Modelle und Techniken in die Simulation der Transportvorgänge durch die vorliegenden Porenstrukturen einbringen, um diese – von einer völlig anderen wissenschaftlichen Seite betrachtet – besser zu verstehen und besser zu modellieren“, sagt Karin Zojer.
Die im CD-Labor an der TU Graz gewonnenen Erkenntnisse ermöglichen die Entwicklung von Konzepten zur Modifikation von Papier – zur Verbesserung bestehender Anwendungen oder für gänzlich neue Produkte. Und vielleicht auch dafür, die Befüllung von Zementsäcken in Zukunft noch einen Hauch schneller werden zu lassen. Lewis Hamilton wird noch vor Neid erblassen. Seine Boxenstopp-Bestzeit: 2,33 Sekunden.
Dieses Forschungsprojekt ist im Field of Expertise „Advanced Materials Science“ verankert, einem der fünf Stärkefelder der TU Graz.
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