Glas

Datum: 11. Januar 2023

Authors: Robert Götzinger, Maximillian Hill, Samuel Schabel & Jens Schneider

Quelle:Glasstrukturen und IngenieurwesenBand 6, Seiten 119–128 (2021)

DOI:https://doi.org/10.1007/s40940-020-00144-4

In diesem Artikel werden verschiedene Möglichkeiten der Kombination von Papier und Glas als Laminat und die Auswirkungen auf die Transparenz untersucht. Unter Laminat versteht man in diesem Zusammenhang eine Papierschicht, die zwischen Glasschichten liegt, die mit einem Klebstoff zusammengehalten werden. Verschiedene Arten von Papieren und Klebstoffen wurden verwendet, um die Potenziale von Glas-Papier-Laminaten in Bezug auf Transparenz und Transluzenz zu untersuchen. Diese Laminate können im Hochbau, Sicherheitsglas, gedruckter Elektronik und mehr Anwendung finden. Qualitative Untersuchungen ergaben, dass Epoxidharz bei Verwendung einer Vielzahl von Klebstoffen und Papieren die beste Transparenz erzielt und am effektivsten haftet.

Aufgrund der Nachhaltigkeitsziele ist es wichtig, den Einsatz erneuerbarer Ressourcen zu erhöhen. Die Entwicklung von Technologien und die Entdeckung neuer Methoden und Materialien, die es uns ermöglichen, mit erneuerbaren und recycelbaren Ressourcen zu bauen, werden zu einer entscheidenden Komponente für weiteres Wachstum.

Papier ist ein begehrtes Baumaterial; Es weist ein hohes Verhältnis von Steifigkeit zu Gewicht auf und kann aus dem nachwachsenden Rohstoff Holz hergestellt werden. Deshalb ist das Projekt „BAMP! „Bauen mit Papier“ läuft seit 2017 an der TU Darmstadt. Im Rahmen dieses interdisziplinären Projekts werden Grundlagen geschaffen, um Papier als Baumaterial zugänglich zu machen. Erste Fallstudien des Projekts, z. B. (Kanli et al. 2019), haben bereits gezeigt, dass Papier großes Potenzial hat, sich als Baumaterial zu etablieren.

Glas ist ein von Natur aus transparentes Material, das eine hohe Steifigkeit aufweist und zudem verschleißfest ist. Glas wird zunehmend im Bauwesen und in der Architektur eingesetzt und ständig für unterschiedliche Anwendungen weiterentwickelt (Schneider et al. 2016).

Auch wenn es sich bei Papier um einen Werkstoff handelt, der sich langfristig in der Bauindustrie etablieren wird, bedarf es noch grundlegender Forschung und Standards, um seine inhärenten Schwächen wie Feuchtigkeitsempfindlichkeit und langlebige Verbindungstechnologien zu überwinden. Bei dem Versuch, Glaslaminate herzustellen, die Papier enthalten, besteht das Ziel darin, das Papier beispielsweise vor Feuchtigkeit zu schützen. Auf der anderen Seite erhöht Papier die Anzahl der Anwendungen und die Vielseitigkeit von Glasscheiben, die von Beschattungsanwendungen über Vogelschutzglas bis hin zur Innenarchitektur reichen. Denkbar wären auch Funktionspapiere wie gedruckte Elektronik und in Papier integrierte Sensoren. Eine weitere Motivation besteht darin, die (resultierenden) Materialeigenschaften von Papierglaslaminaten zu nutzen, um das Potenzial dieser Verbundwerkstoffe aufzuzeigen, das zu völlig neuen Anwendungen führen könnte. Denkbar wäre auch, die Recyclingfähigkeit solcher Laminate durch entsprechende Funktionalisierung des Papiers im Verbund zu verbessern.

Das erste Ziel dieser Arbeit besteht darin, eine geeignete Methode zur Herstellung von Laminaten aus Glas und Papier zu finden (Abb. 1). In einem zweiten Schritt sollten die Eigenschaften verschiedener Kombinationen solcher Laminate untersucht werden. Auf die Transparenz der Testproben wurde geachtet, indem ihre Transparenz mit dem Schopper-Riegler-Wert (SR) des Papiers in Beziehung gesetzt wurde. In weiteren kleinen Demonstrationen werden dann die Eigenschaften der Laminate bei unterschiedlicher Papierqualität gezeigt, um Transparenz und Transluzenz zu beeinflussen. Die Erkenntnisse dienen als Einstieg in die Thematik Glas-Papier-Laminate, um tiefer in die Thematik einsteigen zu können.

Papier und Glas sind weit verbreitete und weit verbreitete Materialien in einer Vielzahl von Branchen. Allerdings ist die Laminierung von Glas auf Papier in Form eines Sandwich-Laminats zur Herstellung eines Glas-Papier-Laminats (GPL) ein relativ unerforschtes Gebiet. Für Innenarchitekturanwendungen werden jedoch Glas-Papier-Laminate mit Reispapier verwendet (Maxlen 2020). Zu verstehen, wie sich Papier auf die Transparenz von GPLs auswirkt, ist ein logischer Ausgangspunkt. Das Ziel dieser Arbeit besteht darin, die Auswirkungen verschiedener Klebstoffe und Papiersorten auf die Transparenz dieses Papiers zu bestimmen.

Die Grundidee, Papier mit Glas zu verkleben, ist nicht neu. Das Laminieren von Reispapier zwischen zwei Glasscheiben mit Polyvinylbutyral (PVB) oder Ethylenvinylacetat (EVA) ist eine gängige Praxis (Verrage Glass and Mirror Inc. 2015). Etiketten auf Flaschen oder Gläsern sind ein gutes Beispiel für die Verbindung von Glas und Papier im Alltag. Für das Aufkleben von Etiketten auf Glas gibt es eine Vielzahl unterschiedlicher Klebesysteme. Die Schwierigkeit der vorliegenden Aufgabe ergibt sich aus dem Ziel, eine Sandwichstruktur herzustellen, die transparent, langlebig und tragfähig ist. Ein wesentliches ästhetisches Ziel ist es, ein GPL zu schaffen, das keine Lufteinschlüsse enthält (Wünsch 2017).

Die Papierindustrie verwendet Natriumsilikatklebstoffe oder Wasserglas als Klebstoff für eine Vielzahl von Anwendungen, von Papierröhren bis hin zu komplexeren Wellstrukturen. Lübke et al. wählten ein vergleichbares Layout und kombinierten Glas mit Papierwabenplatten unter Verwendung eines Natriumsilikats als Kleber (Lübke et al. 2018). Wasserglas und andere Dispersionsklebstoffe werden beispielsweise bei der Herstellung von Papierhülsen eingesetzt (Herzau 2013). Ein weit verbreiteter Dispersionsklebstoff, Polyvinylacetat (PVAc), wird bei der Kaschierung von Karton und Wellpappe, der Herstellung von Briefumschlägen, Wellpappschachteln, Faltschachteln, Taschen, Säcken, Hüllen, Zeitschriften und Büchern eingesetzt (Brockmann et al. 2005). ). PVAc ist auch die Basis typischer Holzleime (Henkel 2017).

Ein solcher Holzleim (Henkel 2017) wurde auch als Referenzklebstoff im BAMP! ausgewählt. Projekt. Dieser Klebstoff wurde aufgrund seiner breiten Verfügbarkeit und Qualität ausgewählt. Es kann so aufgetragen werden, dass es entweder nur an der Oberfläche verbleibt oder tief in die Papierstruktur eindringt. Der Kleber weist sowohl bei trockenen als auch bei feuchten Bedingungen eine gute Klebekraft auf.

PVB ist ein gängiges Polymermaterial, das für Glaslaminate in Bereichen wie dem Bauwesen und der Automobilindustrie verwendet wird (Kuntsche et al. 2019). Es wird als Laminierklebstoff zwischen Floatglas verwendet, um die Sicherheit zu erhöhen und seine optische Klarheit zu bewahren. PVB kann entweder in Folienform oder in flüssiger Form erworben werden. Aufgrund ihrer einfachen Handhabung werden am häufigsten Folien verwendet. Folien sind ebenfalls überlegen, da sie eine gleichmäßigere Verteilung von PVB auf den gewünschten Oberflächen besser gewährleisten können (Zhang et al. 2015).

Durch die Kombination eines Epoxidharzes mit einem Härter entsteht eine duroplastische, irreversible Verbindung mit guten mechanischen, chemischen und thermischen Eigenschaften. Epoxidharz wird in einer Vielzahl von Branchen eingesetzt, darunter in der Hochspannungsisolation, in der Elektronik einschließlich LEDs und in Klebstoffen (Wünsch 2017). Epoxidharz ist Gegenstand paralleler Forschungen zum Leichtbauwerkstoff Papier. Diese Arbeiten bauen auf denen von Kröling auf (Kröling 2017).

Die durchgeführten Experimente variierten die Art des verwendeten Papiers im Hinblick auf den SR-Wert und die Art des verwendeten Klebstoffs und testeten verschiedene Arten von Laminiertechniken, die von handmontierten bis hin zu industriellen Laminierpressen reichten.

Glas

Die Experimente verwendeten Flachglas in drei Geometrien, allesamt rechteckige Prismen. Die ersten waren Natron-Kalk-Silikat-Floatglasplatten mit einer Nenndicke von 10 mm und Kantenlängen von 95 mm. Zweitens wurden Objektträger aus Natronkalkglas (Glaswarenfabrik Karl Hecht GmbH & Co KG 2020) (76 mm x 26 mm x 1,2 mm) aufgrund ihrer einfachen Verfügbarkeit zur Herstellung vollständiger Laminate verwendet. Drittens wurden Objektträgerabdeckungen (24 mm x 32 mm x 0,13–0,17 mm) verwendet, um dünne Glaslaminate zu simulieren. Die Ebenheit wurde nicht gemessen.

Klebstoffe

Es wurden verschiedene Bindemittel getestet. Zu den getesteten Klebstoffen gehören Wasser, PVAc (Ponal Classic (Henkel 2017)), Natriumsilikat (Wasserglas, flüssig) (Panreac 2011), Epoxidharz (Harz L-285, Härter LH-287), PVB-Folie (Eastman 2015) und 10 % PVB in flüssiger Methanollösung (hergestellt im Universitätslabor). Zunächst wurde Wasser ausgewählt, um zu bestimmen, ob Van-der-Waals-Kräfte für eine nützliche mechanische Haftung sorgen. Bei den Tests wurde normales Leitungswasser verwendet. Zweitens wurde PVAc als recycelbare und erneuerbare Klebstoffoption ausgewählt. Drittens wurde Natriumsilikat aufgrund seiner breiten Verwendung in der Industrie als Klebstoff als Bindemittel ausgewählt. Viertens wurden Tests mit PVB durchgeführt, da es sich um den Industriestandardklebstoff für die Glaslaminierung handelt. Zu diesem Zweck wurden Papierfolie und flüssiges PVB getestet, wobei davon ausgegangen wurde, dass die flüssige Form leichter vom Papier absorbiert werden kann. Schließlich wurde Epoxidharz getestet, da es durch eine chemische Reaktion und nicht durch Verdunstung aushärtet.

Fasern und Papiere

Zwei starke Indikatoren für die Papiertransparenz sind die Zusammensetzung des Papiers und die Qualität der verwendeten Fasern. Kopierpapier enthält mineralische Füllstoffe. Dadurch wird das Papier undurchsichtig. Im Gegensatz zu den Fasern werden mineralische Füllstoffe nicht transparent, wenn das Papier mit einem anderen Stoff imprägniert wird. Im Gegensatz dazu enthält Transparentpapier nur wenige Mineralien und die Fasern können stark gemahlen werden (Reinhold et al. 2015), um die gewünschte Transparenz zu erreichen. Dementsprechend wurden ein in Schreibwarengeschäften übliches Standard-Kopierpapier und ein Standard-Transparentpapier in die Untersuchungen einbezogen. Die beiden genannten Papiere liegen in einem ähnlichen Grammaturbereich (Kopierpapier 80 g/m², Transparentpapier 90 g/m²). Weitere Daten finden Sie in Tabelle 3 im Ergebnisteil. Die Werte wurden gemäß den in Tabelle 1 aufgeführten Standards gemessen.

Tabelle 1 Liste der Tests und ihrer Standards –Tisch in voller Größe

Wie bereits erwähnt, können Fasern in transparentem Papier stark zerkleinert werden. Das Mahlen der Fasern beeinflusst den Mahlgrad, gemessen in Shopper-Riegler-Einheiten (SR) (Der Mahlgrad ist ein Maß für das Entwässerungsverhalten eines Zellstoffs). Ein weiterer wichtiger Faktor ist die Faserlänge (Reinhold et al. 2015). Um Einflüsse aus der industriellen Papierherstellung auszuschließen, wurden zwei Arten von Labor-Isotropie-Handblättern nach der Norm DIN EN ISO 5269-2 hergestellt. Um die Auswirkungen eines niedrigen SR-Werts und eines hohen SR-Werts auf die Transparenz zu beobachten, wurden ein Eukalyptusbrei und zwei unterschiedliche Mahlgrade verwendet. Zunächst wurde der Zellstoff in einem Laborrefiner VOITH LR40 zerfasert und auf einen Mahlgrad von 28 SR gemahlen. Für den zweiten Blattsatz wurde der Zellstoff mit einem Valleybeater weiter gemahlen, bis er einen Mahlgrad von 80 SR erreichte. Der Valleybeater garantiert ein langsames, sanftes Schlagen. Der Zellstoff wurde mit einem Faseranalysator weiter charakterisiert. Die Daten können Tabelle 2 entnommen werden.

Tabelle 2 Vergleich der Zellstoffeigenschaften von im Labor hergestellten Papieren -Tisch in voller Größe

Außerdem wurde eine Reihe von Demonstrationspapieren erstellt. Diese Arbeiten stehen nicht im Mittelpunkt dieser Arbeit und wurden nicht getestet, stellen jedoch einen wichtigen Meilenstein für die Zukunft dieser Technik dar. Die drei verschiedenen Demonstrationspapiere wurden auf einem von Götzinger und Schabel in (Götzinger und Schabel 2019) beschriebenen experimentellen Blattbildner hergestellt. Alle drei wurden aus NBSK-Zellstoff (Northern Bleached Softwood Kraft) mit einem Mahlgrad von etwa 26 SR hergestellt. Die Raffination erfolgte ebenfalls mit dem Laborrefiner VOITH LR40. Das erste Papier wurde ausschließlich aus Zellstoff hergestellt, wobei 0,3 % der Fasern mit einem Fluoreszenzfarbstoff gefärbt waren, um die Faserorientierung unter UV-Licht zu bewerten (siehe Abb. 5). Das Papier hatte eine Grammatur von 60 g/m2.

Das zweite Papier enthielt 1 % recycelte Carbonfasern und hatte ein Flächengewicht von 30 g/m2 (siehe Abb. 6 links). Das dritte Papier besteht aus drei Streifen. Der linke äußere Streifen besteht aus schwarzen Fasern, der mittlere Streifen aus je einem Teil weißen und blauen Fasern und der rechte äußere Streifen aus weißen Fasern (siehe Abb. 6 rechts). Jeder Streifen hatte ein Zielgewicht von 50 g/m2. Die Möglichkeit, Papier mit Faserrichtungskontrolle herzustellen, ist eine Besonderheit des oben erwähnten experimentellen Blattbildners. Papiere mit unidirektionaler Faserausrichtung können abhängig von den Projektzielen je nach Bedarf für eine Verstärkung sorgen.

Laminierung

Vier verschiedene Strategien wurden verwendet, um das Papier auf ihre Glassubstrate zu kleben.

Im ersten Test testete das Team Proben bei verschiedenen Temperaturen, um die beste Temperatur zum Aushärten der Proben zu ermitteln. Wasser, PVAc und Natriumsilikat wurden bei 23 °C, 60 °C, 106 °C und 143 °C ausgehärtet. Alle Proben wurden mindestens 24 Stunden lang getrocknet. Auf die Probe wurde kein nennenswerter Druck ausgeübt. Es wurde jedoch eine zweite Floatglasplatte ähnlicher Größe und Form auf das Substrat auf der Laminierung gelegt, um zu verhindern, dass sich das Papier wellt. Eine Schicht Silikonpapier verhinderte ein Verkleben zwischen dem Papier und dem zweiten Floatglas. Sowohl das Silikonpapier als auch die zweite Glasschicht wurden entfernt.

Bei der zweiten Strategie übte eine hydraulische Presse 5 Minuten lang einen Druck von 9,8 MPa auf ein Glas-Papier-Glas-Sandwich aus, das aus dem Floatglassubstrat, dem mit Klebstoff imprägnierten Papier, einer Silikonfolie und einer zweiten Floatglasplatte bestand, um die Ebenheit sicherzustellen. Die Probe wurde aus der Presse entnommen und dann für 24 Stunden in einen Ofen bei 60 °C gestellt.

Die dritte Strategie bestand darin, Vakuumbeutel zu verwenden. Bei dem mit dieser Methode aufgetragenen Klebstoff handelte es sich um Epoxidharz, das durch eine chemische Reaktion aktiviert wurde und keinen Kontakt mit Luft erfordert. Ein Vakuumbeutel geeigneter Größe enthielt eine Stahlplatte mit doppelseitigem Klebeband, auf die das Substrat geklebt wurde. Das Epoxidharz wurde gemischt und in einen Exsikkator mit Vakuumaufsätzen gegeben. Die Evakuierung des Exsikkators erfolgte dreimal für 5 Minuten, um Blasen zu entfernen. Zugeschnittene Papiersegmente wurden auf beiden Seiten mit Epoxidharz beschichtet, bevor sie auf dem Untergrund positioniert wurden. Auf die Struktur wurde dann ein zweites Glassegment aufgelegt und mit Klebeband festgehalten. Entlüftungsgewebestreifen wurden neben jede Probe gelegt, damit der Beutel nicht zusammenfällt und das Vakuum unterbricht. Eine Leybold DIVAC 2,4L-Vakuumpumpe legte jeweils dreimal für 5 Minuten Vakuum an, der Druck wurde nicht gemessen. Nach der Vakuumevakuierung wurde die Probe zur Aushärtung 24 Stunden lang in einen Ofen bei 60 °C gestellt.

Um dem Problem von Luftblasen im Papier beim Auftragen mit dem Pinsel entgegenzuwirken, wurde das Papier zunächst in das Harz getaucht und beides gemeinsam im Exsikkator evakuiert. Anschließend wurde das Laminat wie oben beschrieben vorbereitet und das Vakuum für ca. 1 h angelegt.

Die vierte Strategie beinhaltete den Einsatz einer Laminiermaschine Lamipress Vario (Fotoverbundglas Marl GmbH 2020) und PVB. PVB ist ein Harzklebstoff und hat eine Aushärtetemperatur von mehr als 100 °C. Die zusammengebaute Probe wird zwischen große Silikonfolien gelegt, die eine luftdichte Versiegelung erzeugen und als Vakuumbeutel fungieren. Auch hier wurde von der Vakuumbefestigung bis zum Probenort Entlüftungsgewebe verwendet. Diese Baugruppe wurde dann in eine luftdichte Box gelegt. Die Lamipress evakuiert zunächst 20 Minuten lang bei 40 °C die gesamte Luft unterhalb der Silikonabdeckung auf − 0,90 bar. Die Temperatur wird auf 150 °C erhöht und 20 Minuten lang ein Druck von 1,0 bar im Inneren der Box angelegt, das Vakuum wird bei −0,50 bar gehalten. Anschließend gleicht die Lamipress den Druck im Vakuumbereich aus und das System kühlt auf Raumtemperatur ab. Beim Test mit Folien-PVB wurden zwei Konfigurationen getestet. Beim ersten wurde ein PVB-Segment zwischen dem Substrat und der Unterseite des Papiers verwendet. Beim zweiten wurden zwei Segmente auf beiden Seiten des Papiers zwischen dem Glas verwendet (siehe Abb. 1). Bei den Proben mit flüssigem PVB wurde das Papier ähnlich wie bei den Epoxidharzproben mit einem Pinsel imprägniert.

Papiereigenschaften

Wie erwartet zeigen die Transparenzergebnisse (Tabelle 3) eine Zunahme der Transparenz mit zunehmendem SR-Wert. Euka 28 hat einen SR-Wert von 28 und ist 16,09 % weniger transparent als Euka 80 mit einem SR-Wert von 80. Der Vallybeater fibrilliert die Fasern des Zellstoffs beim Mahlen, wodurch sich die Fasern platzsparender aufbauen können. Dies wird durch eine größere Faserbreite und einen höheren Anteil an Fibrillierung mit erhöhtem Mahlgrad bestätigt, wie in Tabelle 2 gezeigt. Bei der Beobachtung der Dickenmessungen ist ersichtlich, dass das Papier mit höherem SR eine Dicke von 89,5 µm hat, was 46,2 µm dünner ist als das Papier mit einem niedrigeren SR-Wert, das eine Dicke von 135,7 µm hat.

Tabelle 3 Testergebnisse verschiedener Papiereigenschaften –Tisch in voller Größe

Zu beachten ist, dass das Kopierpapier sowohl bei 525 °C als auch bei 900 °C einen deutlich höheren Aschegehalt aufweist als alle anderen getesteten Papiere. Sowohl das Transparentpapier als auch die Euka-Blätter haben einen Aschegehalt von weniger als 2,5 %. Für diese Analyse wird das Transparentpapier mit den Laborbögen Euka 80 und Euka 28 verglichen. Das Papier mit der höchsten Transparenz war das Transparentpapier mit einem Wert von 76,85 %. Dies ist mit 37,65 % ungefähr das Doppelte des Euka 28 und mit 21,56 % das Dreifache des Euka 80. Tabelle 4 zeigt, dass zwischen Transparenz und Papierdicke ein umgekehrter Zusammenhang besteht. Dünnere Papiere haben eine höhere Transparenz. Die Transparenz des Transparentpapiers ist am höchsten und mit 75,35 µm auch das dünnste der Papiere. Im Vergleich dazu misst der Euka 80 135,7 µm und der Euka 28 89,5 µm.

Tabelle 4 Grafische Darstellung der Daten in Tabelle 3 –Tisch in voller Größe

Laminate

Alle Ergebnisse und Schlussfolgerungen zu den Laminaten sind qualitativ und basieren auf Beobachtungen, da eine detaillierte mechanische und Alterungsuntersuchung der Laminate noch nicht durchgeführt werden konnte.

Die Verwendung von Wasser war von allen Laminaten am wenigsten wirksam, da das Wasser vollständig verdunstete und alle Verbindungen bei jeder Temperatur leicht gelöst wurden.

Bei der Haftung von Wasserglas und Polyvinylacetat kam es während des Trocknungsprozesses zu Problemen. Da beide Glasstücke das Papier bedeckten, war es für das Wasser sehr schwierig, zu entweichen, was zu einer sehr erheblichen Zeitabhängigkeit führte. Die ungleichmäßige Trocknung führte auch zu sichtbaren Spannungsmustern im Papier. Qualitative Ergebnisse zeigen, dass 60 °C die besten Ergebnisse lieferte. Bei niedrigeren Temperaturen dauerte die Aushärtung übermäßig lange (mehr als eine Woche). Durch den Einsatz der hydraulischen Presse konnte die Anzahl und Größe der Blasen zwischen Substrat und Papier nicht wesentlich verringert werden. Auch die Haftung wurde dadurch nicht nennenswert erhöht. Der Einsatz der Presse führte in den meisten Tests zur Auflösung des Papiers. Höhere Temperaturen führten zu einer Verfärbung von PVAc und Natriumsilikat. Wasserbasierte Lösungen wurden daher nicht weiter betrachtet.

Die Verwendung von PVB in flüssiger Lösung und Epoxidklebstoff hat sich als am effektivsten erwiesen. Die PVB-Folie dringt beim Schmelzen nicht ausreichend in das Papier ein. Es ist nicht möglich, nur mit einer Laminierschicht zu arbeiten, sondern beide Seiten des Papiers müssen mit Folie abgedeckt werden, um eine ausreichende Haftung auf den beiden Glasoberflächen zu gewährleisten. Epoxidharz und flüssiges PVB zeigten die besten Ergebnisse hinsichtlich der Minimierung des Auftretens von Luftblasen, da sie in die kleinen Poren des Papiers eindringen können. Luftblasen beeinträchtigen die optische Qualität und die Struktur der Laminate.

Das Lamipress-Verfahren lieferte durchweg die besten Ergebnisse hinsichtlich Sauberkeit, Homogenität der Proben und geringer Luftblasenbildung in den Proben.

Abbildung 2 zeigt einen Vergleich von Laminaten mit Kopierpapier und verschiedenen Klebstoffen. Es wird deutlich, dass die Transparenz maßgeblich durch den Klebstoff beeinflusst wird. Durch die Verwendung von Epoxidharz wird das Kopierpapier deutlich transparenter, als man es anhand der gemessenen Werte für die Transparenz des Papiers erwarten würde. Selbst bei flüssigem PVB ist eine leichte Transparenz zu erkennen. Die erhöhte Transparenz lässt sich durch die gute Penetration der flüssigen Klebstoffe in das Papier im Vergleich zur schlechten Penetration bei Verwendung von PVB-Folie erklären.

Erwartungsgemäß ist die Transparenz der fertigen Laminate bei transparentem Papier am höchsten (Abb. 3). Dabei weisen sowohl die flüssigen Kleber als auch die Klebefolie eine hohe Transparenz auf. Mit Epoxidharz ist das Bild am deutlichsten.

An den Laborpapieren Euka 28 lassen sich die gleichen Beobachtungen wie oben beschrieben machen. Überraschenderweise weist in Abb. 4 das Laminat mit dem Papier Euka 80 eine schlechtere Transparenz auf als das mit Euka 28. Ob durch den Laminierprozess andere Eigenschaften entstehen als die erhaltenen aus den Papiermessungen bedarf weiterer Untersuchungen.

Erste qualitative Lichttransmissionsmessungen bestätigen die hier beschriebenen Ergebnisse durch rein visuelle Beobachtungen. Um verlässliche Daten zu erstellen und Randeffekte auszuschließen, müssen weitere Proben mit größeren Abmessungen hergestellt werden.

Bei allen Beobachtungen muss ein Zusammenhang mit der Dicke der Laminate berücksichtigt und in weiteren Experimenten quantifiziert werden.

Abbildung 5 zeigt ein Laminat mit hochorientiertem Papier, in das Tracerfasern eingearbeitet wurden. Am oberen Bildrand ist eine gute Transparenz gegenüber einem Text zu erkennen. Im Vergleich zu einem schwarzen Hintergrund sind keine Fasern und Farben sichtbar (Mitte), bei eingeschaltetem UV-Licht (unten) sind die farbigen Fasern jedoch deutlich sichtbar. Diese Fasern sind ein Beispiel für eine beliebige Funktionalisierung, die in die Mittelschicht eines solchen Glas-Papier-Laminats eingefügt werden kann.

Abbildung 6 zeigt auf der linken Seite das Ergebnis mit Kohlefaserpapier. Trotz der schwarzen Carbonfasern bleibt eine gute Transparenz erhalten. Die Fasern sind nur leicht sichtbar. Bei Bedarf kann der Anteil der Carbonfasern noch weiter erhöht werden, ohne dass es optisch stört. Auf dem rechts abgebildeten mehrfarbigen Papier sind im schwarzen Streifen Drahtspuren vom Papier sichtbar (der schwarze Streifen erscheint im Bild dunkelblau). Sie führen zur Bildung von Luftblasen, die dann den optischen Eindruck stören. Um ein klares Bild zu erhalten, ist eine Optimierung des Prozesses erforderlich. Dennoch kann hier erfolgreich demonstriert werden, welche Einsatzmöglichkeiten für das Papier aus dem neu entwickelten Blattbildner bestehen.

Verschiedene Arten von Papieren und Klebstoffen wurden verwendet, um die Potenziale von Glas-Papier-Laminaten in Bezug auf Transparenz und Transluzenz zu untersuchen. Zu den verwendeten Klebstoffen gehörten Polyvinylacetat (PVAc), Natriumsilikat, Epoxidharz und Polyvinylbutyral (PVB). Es stellte sich heraus, dass die Verwendung von PVB- und Epoxidklebstoffen, die durch thermoplastische oder chemische Reaktionen aktiviert werden, am effektivsten ist.

Wie im Stand der Technik beschrieben, wird üblicherweise PVB als Folie verwendet. Die Ergebnisse zeigen jedoch, dass der Einsatz von Folie zwischen Glas und Papier nicht zu einer ausreichenden Durchdringung des Papiers und damit zu einer schlechten Haftung führt. Daher wird die Verwendung von PVB in flüssiger Form empfohlen. In einem der nächsten Schritte wird getestet, ob das Papier selbst zunächst mit flüssigem PVB vorimprägniert, getrocknet und später geschmolzen werden kann, um die Funktion der Folie zu übernehmen. Im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren könnte dies auch den Vorteil haben, PVB-Material einzusparen.

Es konnte gezeigt werden, dass die Eigenschaften Transparenz und Transluzenz bei GPLs durch die richtige Wahl von Papier und Kleber beeinflusst werden können. Dies könnte zur Steuerung des Lichteinfalls in architektonischen Anwendungen oder sogar in Gewächshäusern genutzt werden. Durch geschickte Kombination und Verschiebung von Laminaten mit unterschiedlichen Transparenz- und Transluzenzeigenschaften lässt sich der Lichteinfall gezielt steuern, wie rechts in Abb. 6 dargestellt.

Glas schützt die Papierschichten im Inneren einer GPL vor äußeren Einflüssen. Das Gleiche gilt natürlich auch für alles, was vor dem Laminieren auf das Papier aufgetragen wird. Die Technik des Papierdrucks ist sehr ausgereift und bietet eine Vielzahl an Möglichkeiten. Neben dem Drucken zu rein ästhetischen Zwecken sind auch funktionale Drucke wie gedruckte Elektronik denkbar. Möglicherweise ist es möglich, papierbasierte Sensoren in das Glas zu integrieren. All dies erfordert weitere Untersuchungen.

Darüber hinaus muss in nächsten Schritten geprüft werden, ob die Fasern in der Lage sind, Risse im Glas zu überbrücken. Dies könnte bei Verbundsicherheitsglas angewendet werden. Großes Potenzial könnte hier in Mischungen aus synthetischen Fasern wie Carbonfasern und Papierfasern liegen (Abb. 6 links). Hierzu ist eine genaue Betrachtung der mechanischen und bruchmechanischen Eigenschaften erforderlich.

Eine erste Idee, warum Laminate aus Glas und Papier Vorteile haben könnten, bestand darin, die Recyclingfähigkeit von Verbundglas zu verbessern. Daher sind weitere Untersuchungen erforderlich, um einen Weg zu finden, die Laminate wieder zu trennen. Für den Lösungsansatz wird Potenzial in der Funktionalisierung der Papierfasern gesehen.

Daten verfügbar beim PMV, TU Darmstadt.

Die Autoren dieses Artikels danken Marcel Hörbert (ISMD) für seine Hilfe bei der Lamipress. Wir danken auch Nicole Panzer (PMV), Andreas Striegel (PMV), Michael Drass (ISMD) und Matthias Seel (MPA-IfW) für ihre Unterstützung bei der Durchführung von Experimenten und Tests.

Open-Access-Förderung ermöglicht und organisiert durch Projekt DEAL.

Autoren und Zugehörigkeiten

Institute of Paper Technology and Mechanical Process Engineering, Technische Universität Darmstadt, 64283, Darmstadt, Germany - Robert Götzinger, Maximillian Hill & Samuel Schabel

Institute of Structural Mechanics and Design, Technische Universität Darmstadt, 64287, Darmstadt, Germany - Jens Schneider

Korrespondierender Autor

Korrespondenz mit Robert Götzinger.