DFG fördert neuen Sonderforschungsbereich „Funktionale Papiere“
Papier ist ein nachhaltiger Werkstoff mit besonderen Eigenschaften und vielfältigen Einsatzmöglichkeiten. Es wird aus natürlichen Rohstoffen wie Holz und Baumwolle hergestellt, ist biologisch abbaubar und weist in Deutschland eine Recyclingquote von rund 80 Prozent auf. Aufgrund seiner Faserstruktur verfügt Papier über besondere mechanische Eigenschaften. Zudem ermöglicht sein Porensystem den Transport von Flüssigkeiten ohne den Einsatz von Pumpen. Dieses Prinzip kommt beispielsweise bei Löschpapier und medizinischen Diagnostiktests zum Einsatz.
Die Zusammenhänge zwischen der chemischen Zusammensetzung, der Faserstruktur und den Eigenschaften von Papier sind bislang jedoch noch nicht ausreichend verstanden. Ein neuer von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) geförderter Sonderforschungsbereich (SFB) mit dem Titel „Funktionale Papiere“ setzt hier an. Unter Federführung der Technischen Universität Darmstadt erforschen die TU Darmstadt, die Universität Freiburg und weitere beteiligte Einrichtungen gemeinsam die grundlegenden Eigenschaften von Papier und entwickeln neue Ansätze für funktionale Papiermaterialien.
An der Technischen Fakultät der Universität Freiburg ist die Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Jürgen Rühe mit zwei Forschungsprojekten beteiligt. Ein weiteres Teilprojekt wird von der Nachwuchsgruppe um Dr. Céline Calvino bearbeitet. Die Freiburger Forschung umfasst damit drei unterschiedliche Ansätze zur gezielten Veränderung und Untersuchung der Eigenschaften von Papier.
Nassfestigkeit: Papier soll auch bei Wasserkontakt stabil und recyclingfähig bleiben
Die Nassfestigkeit von Papier ist für zahlreiche Anwendungen von großer Bedeutung. Dazu gehören Hygiene- und Küchenpapiere, Verpackungsmaterialien, Banknotenpapier sowie Papiermaterialien für die medizinische Diagnostik und Therapie. Insbesondere für Anwendungen im Außenbereich ist eine ausreichende Festigkeit bei Nässe eine entscheidende Voraussetzung.
Wird Papier nicht speziell vorbehandelt, sinkt seine mechanische Festigkeit bei Wasserkontakt auf wenige Prozent des Wertes im trockenen Zustand. Bei längerem Kontakt mit Wasser kann es sich sogar auflösen. Um die Festigkeit im nassen Zustand zu verbessern, werden bislang spezielle Nassfestigkeitsmodifikatoren eingesetzt. Diese basieren jedoch häufig auf chemischen Verbindungen, die nicht gut umweltverträglich sind. Darüber hinaus erschweren sie das Recycling, da sie die Wiederaufbereitung der Papierfasern während des sogenannten Repulping-Prozesses verhindern. Nach dem derzeitigen Stand der Technik müssen entsprechend behandelte nassfeste Papiere deshalb häufig über den Restmüll entsorgt und verbrannt werden.
Das zentrale Forschungsprojekt von Prof. Dr. Jürgen Rühe und Prof. Dr. Markus Biesalski verfolgt daher das Ziel, den Nassverstärkungsprozess von Papier durch eine neuartige chemische Strategie weiterzuentwickeln. Es sollen Papiermaterialien entstehen, die auch im nassen Zustand eine hohe mechanische Festigkeit aufweisen und zugleich recyclingfähig sind. Damit soll die Nassfestigkeit von Papier verbessert werden, ohne die Wiederaufbereitung des Materials zu beeinträchtigen.
Dehnbares Papier durch gelenkartige Strukturen an den Fasern
Ein weiteres Projekt von Prof. Dr. Jürgen Rühe und Prof. Dr. Samuel Schabel beschäftigt sich mit der Entwicklung dehnbarer Papiere. Herkömmliches Papier lässt sich unter Zug- oder Scherbeanspruchung nur sehr begrenzt dehnen. Die mögliche Dehnung liegt im Allgemeinen unter 0,2 Prozent. Bei stärkerer Belastung reißt oder knittert das Papier und verliert seine Funktion.
Bis zu einem gewissen Grad lässt sich Papier durch Verfahren wie Kreppung oder Kräuselung dehnen. Dabei werden jedoch lediglich die zuvor eingebrachten Falten beziehungsweise geometrischen Strukturen auseinandergezogen. Das Papier selbst bleibt unverändert.
In dem gemeinsamen Projekt sollen deshalb die Papierfasern mit dehnbaren, gelenkartigen Strukturen ausgestattet werden. Diese sollen es ermöglichen, dass sich die Fasern unter Belastung gegeneinander verschieben und nach dem Nachlassen der Belastung wieder in ihren ursprünglichen Zustand zurückkehren. Auf diese Weise sollen Papiere entwickelt werden, die sich reversibel verformen lassen.
Papier, das mechanische Belastungen sichtbar macht
Ein weiteres Teilprojekt unter der Leitung von Dr. Céline Calvino widmet sich der Entwicklung sogenannter mechanochromischer Papiere. Diese neuartigen Materialien sollen mechanische Belastungen innerhalb von Papierstrukturen visuell sichtbar machen können. Dazu wird untersucht, wie Kräfte innerhalb von Zellulosefasern und Papierstrukturen übertragen werden.
Im Rahmen des Projekts werden kraftempfindliche Moleküle entwickelt, die in Papier integriert werden können und ihre optischen Eigenschaften gezielt verändern, sobald mechanischer Stress auftritt. Ziel ist es, ein grundlegendes Verständnis der Spannungsverteilung in faserbasierten Netzwerken zu gewinnen und gleichzeitig Materialien zu entwickeln, die die Spannungsverteilung und Kraftübertragung innerhalb von Papierstrukturen sichtbar machen können. Solche „selbstanzeigenden“ Papiere könnten künftig zur Verbesserung der Zuverlässigkeit, Haltbarkeit und Sicherheit papierbasierter Produkte beitragen und neue Möglichkeiten zur Untersuchung komplexer Faserverbünde eröffnen.
Mit dem Sonderforschungsbereich „Funktionale Papiere“ sollen die Zusammenhänge zwischen der chemischen Zusammensetzung, der Struktur und den Eigenschaften von Papier besser verstanden und neue funktionale Papiermaterialien entwickelt werden. Die Forschungsarbeiten leisten damit einen Beitrag zur Weiterentwicklung eines nachhaltigen Werkstoffs und schaffen Grundlagen für neue Hightech-Anwendungen auf Basis von Papier.
Kontakt:
Kerstin Steiger-Merx
Referentin PR/Marketing
Technische Fakultät
Albert-Ludwigs-Universität Freiburg
Tel.: 0761/203-8056
E-Mail: steiger-merx@tf.uni-freiburg.de
Dr. Céline Calvino
Universität Freiburg
Cluster of Excellence livMatS
FIT – Freiburg Center for Interactive Materials and Bioinspired Technologies
E-Mail: celine.calvino@livmats.uni-freiburg.de
Prof. Dr. Jürgen Rühe
Professor für Chemie und Physik von Grenzflächen
Institut für Mikrosystemtechnik (IMTEK)
Albert-Ludwigs-Universität Freiburg
Sprecher livMatS
Telefon: 0761 203-7161
E-Mail: ruehe@imtek.uni-freiburg.de
03.11.2026