Fakultät Umweltwissenschaften Dreidimensionale Strukturanalyse und Modellierung des Kraft-Dehnungsverhaltens von Fasergefügen Dissertation zur Erlangung des akademischen Grades Doktor-Ingenieur (Dr.-Ing.) vorgelegt von Dipl.-Ing. (FH) Tobias Wolfinger geboren am 10.07.1984 in Karlsruhe Gutachter: Herr Prof. Dr. rer. nat. habil. Steffen Fischer Technische Universität Dresden, Institut für Pflanzen- und Holzchemie Herr Prof. Dr.-Ing. Hans-Joachim Naujock Hochschule München, Studienrichtung Papiertechnik Herr Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr.-techn. Wolfgang Bauer Technische Universität Graz, Institut für Papier-, Zellstoff- und Fasertechnik Dresden, 25. November 2016 Erklärung des Originalinhalts ERKLÄRUNG DES ORIGINALINHALTS Es wird durch den Verfasser dieser Arbeit bestätigt, dass es sich bei dem hier vorliegendem Exemplar, der Dissertation zum Thema: „Dreidimensionale Strukturanalyse und Modellierung des Kraft-Dehnungsverhaltens von Fasergefügen“ um ein Dokument handelt, welches dem gleichen Inhalt entspricht wie dem vom Verfasser angefertigten Original. Dipl.Ing.(FH) Tobias Wolfinger Dresden, 25. November 2016 Dissertation-Tobias Wolfinger 2 Erklärung ERKLÄRUNG Dipl.Ing.(FH) Tobias Wolfinger Zürcherstrasse 43 8730 Uznach, Schweiz Hiermit Erkläre ich gemäß der Promotionsordnung vom 22.08.2014 der Technischen Universität Dresden, Fakultät für Umweltwissenschaften, dass ich diese hier vorliegende Dissertation zum Thema: „Dreidimensionale Strukturanalyse und Modellierung des Kraft-Dehnungsverhaltens von Fasergefügen“ selbstständig verfasst und nicht schon anderweitig im In- oder Ausland zu Prüfungszwecken vorgelegt habe. Ich bestätige weiter, dass für diese Dissertation nur Quellen oder Hilfsmittel fremden Ursprungs genutzt wurden, welche in dieser Arbeit als solche gekennzeichnet sind und darauf verwiesen wurde. Es ist zu keiner Zeit ein kommerzieller Promotionsberater oder eine ähnliche Institution bei denen Finanzmittel oder Güter geflossen wären, in Anspruch genommen worden. Ich erkenne die aktuell geltende Promotionsordnung der Technischen Universität Dresden, Fakultät Umweltwissenschaften vom 22.08.2014 an. Dipl.Ing.(FH) Tobias Wolfinger Dresden, 25. November 2016 Dissertation-Tobias Wolfinger 3 Vorwort VORWORT Papier ist ein faszinierender Werkstoff. Seine Herstellung begeistert mich seit ich das erste Mal vor einer Papiermaschine für die Herstellung von Magazinpapier stand. Meine Faszination für große Papiermaschinen ist nach wie vor ungebrochen. Dennoch hat sich mein wissenschaftliches Interesse, seit meinem Nebenjob bei WEIDMANN Electrical Technology AG, während meiner Studienzeit in die Richtung der Spezialpapiere entwickelt. Die vielfältigen Anwendungen und unterschiedlichen Eigenschaften von Spezialpapieren, -kartons und -pappen sind eine Bereicherung und Herausforderung für fast jeden Papieringenieur. Beschäftigt man sich mit Spezialprodukten, dann sind auch viele zum Einsatz kommende Roh- und Halbstoffe „speziell“. Dies war für mich damals der Fall, als ich im Rahmen meiner Diplomarbeit den Einfluss von Baumwolllinters auf das Kraft-Dehnungsverhalten von Papier untersuchte. Darin wurde eine Verbesserung der Papierdehnung durch die Zugabe von Baumwolllinters zu einem UKP nachgewiesen. Da jedoch Papiermuster aus Baumwolllinters zuvor wenig gute, mechanische Eigenschaften zeigten, kam dieses Verhalten sehr unerwartet und konnte in der vorhandenen Zeit, welche für meine Diplomarbeit blieb, nicht näher untersucht werden. Um die Frage zu beantworten, was in einem Fasergefüge geschieht, dass sich dessen Verhalten, abhängig von diesen Faserstoffen so unerwartet verhält, legte den Grundstein, dieses Thema weiter erforschen zu wollen um einen Beitrag zum Verständnis der Einflüsse auf das Kraft-Dehnungsverhalten von Papier, Karton und Pappe zu leisten. Ich bin davon überzeugt, dass Fasergefüge auf Basis nachwachsender Rohstoffe, welche wir bis heute kennen und noch erkennen werden, in Zukunft einen ganz entschiedenen Beitrag für unsere Gesellschaft leisten werden. Dafür müssen aber nicht nur die Voraussetzungen für die Erforschung gewährleistet sein. Die gesamte Innovationskette von der Ausbildung der Ingenieure bis zum Kontakt mit neuen Anwendern dieser Produkte müssen zielführend ausgerichtet werden, um die Potentiale dieser Werkstoffgruppe für kommende Generationen zu erhalten und zu erweitern. Dissertation-Tobias Wolfinger 4 Dank DANK Diese Arbeit wäre ohne meine fachlichen Betreuer Steffen Fischer und Hans-Joachim Naujock nicht möglich gewesen. Darum gilt hier an erster Stelle für ihr aufgebrachtes Engagement, ihre investierte Zeit sowie die wegweisenden Hilfestellungen mein aufrichtiger und außerordentlicher Dank. Ich möchte auch Wolfgang Exner für seine fachliche Unterstützung und Expertise sowie seine investierte Zeit von ganzem Herzen danken. Nachdem schon im Jahre 2009 meine Diplomarbeit von WEIDMANN Electrical Technology AG unterstützt wurde, bin ich an dieser Stelle dem Management der Firma und insbesondere Daniel Tschudi und Christoph Krause für die zur Verfügung gestellten Möglichkeiten, Unterstützung und Ressourcen auf das tiefste zu Dank verpflichtet. Ebenfalls habe ich über die ganze Zeit, in der ich diese Arbeit angefertigt habe immer wieder äußerst wertvolle Hilfe von Stefan Jaufer erhalten, wofür ich mich an dieser Stelle ganz herzlich bei ihm bedanke. Besonders wertvoll war für mich sein großer Beitrag bei der Entwicklung des hier präsentierten Dehnungsmodells, aber auch in vielen weiteren Facetten welche es mir ermöglichten, meine Kenntnisse weiter zu entwickeln, um diese Arbeit realisieren zu können. Des Weiteren unterstützte mich Peter Westenberger bei der Umsetzung der Ideen für die Nutzung neuer und bekannter Module für die Analyse der Messdaten der Röntgen-Computertomographie. Ich möchte auch Henning Vomhof für die Realisierung der Mahlreihen, die Prüfung der Faser- und Suspensionseigenschaften sowie die Herstellung der Prüfblätter danken. Entscheidet man sich, solch eine wissenschaftliche Arbeit neben dem Beruf anzufertigen und bekommt dann auch noch während dieser Zeit eine wunderbare Tochter geschenkt, dann ist dies nur möglich, wenn man eine Frau an seiner Seite hat, welche ein unvorstellbares Verständnis für das aufbringt, was man macht. Darum danke ich dir, liebe Mariam, für dein großes Verständnis und deine Unterstützung. Dissertation-Tobias Wolfinger 5 Liste der Abkürzungen LISTE DER ABKÜRZUNGEN spez. spezifisch z.B. zum Beispiel TAPPI Technical Association of Pulp and Paper Industry NPPRJ Nordic Pulp and Paper Research Journal SR Schopper Riegler WRV Wasserrückhaltevermögen DIN Deutsches Institut für Normung e.V. EN Europäisches Komitee für Normung ISO International Organization for Standardization SCAN Scandinavian Pulp, Paper and Board Testing Committee UKP Unbleached softwood kraft pulp (ungebleichter Nadelholzsulfatzellstoff) e.g. exempli gratia (zum Beispiel) Mio. Millionen v.Chr. vor Christus n.Chr. nach Christus CT Computertomograph FH Fachhochschule MTS Material Testing Stage (Materialprüfvorrichtung) 3D Dreidimensional RBF Relative Bindungsfläche RBFkrit. Kritische relative Bindungsfläche B.E.T. Brunauer, Emmett, Teller HPLC High Pressure Liquid Chromatography REM Rasterelektronenmikroskop CLSM Confocal laser scanning microscope (Konfokalmikroskop) Lutro Lufttrocken Otro Ofentrocken VBA Visual Basic for Application v Variationskoeffizient ggf. Gegebenenfalls MR Maschinenrichtung QR Quer zur Maschinenrichtung S1-Wand Sekundärwand 1 Dissertation-Tobias Wolfinger 6 Liste der Abkürzungen S2-Wand Sekundärwand 2 S3-Wand Sekundärwand 3 k.A. keine Angaben DP Durchschnittlicher Polymerisationsgrad DP(v) Viskosimetrisch bestimmter durchschnittlicher Polymerisationsgrad pH potentia hydrogenii ECF Elemental chlorine free TCF Totally chlorine free mag magnification (Vergrösserung) sog. Sogenannt FSP Fiber saturation point (Fasersättigungspunkt) max. Maximal min. Minimal in-situ unmittelbar vor Ort TMP Thermo mechanical pulp CTMP Chemithermo mechanical pulp SGW Stone ground wood TGW Thermo ground wood Vol. Volume (Jahrgang) Nr. Nummer RL Reißlänge RLmax. Maximale Reißlänge RLc Reißlänge des Koeffizienten c RLd Reißlänge des Koeffizienten d AG Aktiengesellschaft CH Confoederatio Helvetica (Schweizerische Eidgenossenschaft) bit binary digit (binäre Einheit) EBindung Bindungsenergie der Faser-Faserbindung Wform Arbeitsaufnahmevermögen des formbasierten Dehnvermögens Wlänge Arbeitsaufnahmevermögen des längenbasierten Dehnvermögens PTS Papiertechnische Stiftung Dissertation-Tobias Wolfinger 7 Inhaltsverzeichnis INHALTSVERZEICHNIS Erklärung des Originalinhalts ............................................................................................................................. 2 Erklärung ...................................................................................................................................................................... 3 Vorwort ........................................................................................................................................................................ 4 Dank .............................................................................................................................................................................. 5 Liste der Abkürzungen .......................................................................................................................................... 6 Inhaltsverzeichnis ....................................................................................................................................................