Versagens von cellulosischen Netzwerkmaterialien

Heute wird unsere Welt von smarten Technologien dominiert, die unseren Alltag massiv prägen. Es gibt jedoch eine natürliche und nachhaltige Ressource, die unsere Lebensweise schon viel länger verbessert hat. Im Laufe der Geschichte war Holz ein wichtiges Baumaterial. Die Zerlegung von Holz in seine kleinsten Fragmente Cellulosefasern und deren Behandlung führt zu Produkten, die mit unseren alltäglichen Bedürfnissen verbunden sind: Papier, das das geschriebene Wort durch die Zeit transportiert hat, ist ein Klassiker in vielen Formen, und Karton als zuverlässiges Verpackungsmaterial sorgt für den Komfort von Online-Shopping und Lebensmittellieferung. Auch wenn die Anwendungen sehr unterschiedlich sind, ist das Ausgangsmaterial immer dasselbe. Eine Cellulosefaser hat eine komplexe hierarchische Struktur, die aus mehreren Schichten besteht. Die Faserform kann man sich wie ein hohles zylindrisches Rohr mit spitzen Enden vorstellen. Während ein Baumstamm massiv ist, sind einzelne Cellulosefasern zart. Mit einer Länge von 1-5 Millimetern und einem Durchmesser von einigen zehn Mikrometern (dünner wie ein einzelnes Haar) ist die Handhabung einzelner Cellulosefasern nicht einfach. Solche Fasern werden in der Zellstoff- und Papierindustrie zu komplexen Fasernetzwerken für verschiedene Papier- und Kartonanwendungen verarbeitet. Die Festigkeit dieser Netze wird durch die Faser-Faser-Bindung und das mechanische Verhalten der einzelnen Cellulosefasern bestimmt. Daher sind bei Modellierungs- und Simulationsansätzen für solche Fasernetzwerke mechanische Parameter auf Einzelfaserebene dringend erforderlich und nur schwer zu erheben. Die aus dem resultierenden mechanischen Parameter werden von unseren deutschen Kollegen an der Universität Wuppertal in einen Multiskalen-Modellierungsansatz implementiert, um das Versagen von Produkten auf Papierbasis vorherzusagen. Um dies zu erreichen, werden wir modernste experimentelle Methoden zur Beschreibung der Mechanik der Faser und der Faser-Faser-Bindung mit fortschrittlichen Modellierungsverfahren kombinieren.