Der Laser verbindet Dresdener Forscher kleben Papier mithilfe von CO-Laserstrahlung

Redakteur: Peter Königsreuther

Viele kennen vielleicht den CO2-Laser, doch es gibt auch einen CO-Laser. Bestrahlt man damit Papier, kann man es bindemittelfrei verkleben. Erfahren Sie hier mehr.

Firmen zum Thema

Am Fraunhofer-IWS haben die Forschenden erkannt, dass man mit dem CO-Laser Papier kleben kann. Kombiniert man den Effekt mit dem Heißpressen, gelingt die Herstellung von Wellpappe, wie hier zu sehen.
Am Fraunhofer-IWS haben die Forschenden erkannt, dass man mit dem CO-Laser Papier kleben kann. Kombiniert man den Effekt mit dem Heißpressen, gelingt die Herstellung von Wellpappe, wie hier zu sehen.
(Bild: Fraunhofer-IWS)

Papier und Papiererzeugnisse können Jahrhunderte überstehen, wie uns alte Bücher und Drucke aus dem Mittelalter beweisen. Damit Papierprodukte hergestellt werden können, müssen die einzelnen Schichten oder Komponenten miteinander verbunden werden, sagen die Experten vom Fraunhofer-Institut für Werkstofftechnik und Strahltechnik (IWS) und ihre Kollegen von der Papiertechnischen Stiftung PTS. Um eine haltbare Verbindung herzustellen, haben sich im Lauf der Zeiten diverse Bindemittel, also Kleber, und Verfahren etabliert. Am häufigsten werde geklebt, wenn es um Papierprodukte gehe. Das wird favorisiert, weil das Kleben geringe Produktionskosten verursacht und sehr haltbare Verbindungen schafft, heißt es weiter. Doch steigt in unserer Gesellschaft das Umweltbewusstsein, was den Blick auf geklebte Papierprodukte hinsichtlich der Recycelbarkeit trübt.

Denn Klebstoffe sorgen beim Recyceln für Probleme, die man nur durch zusätzliche, oft umweltschädliche Chemikalien lösen kann. Der Fokus der gesamten Wertschöpfungskette liegt aber in Zukunft darauf, Zusatzstoffe zu reduzieren.

CO-Laser bereitet Papieroberflächen fürs Heißsiegeln vor

Gut wäre also ein bindemittelfreies Fügeverfahren für Papierprodukte. Aber mit den bisher zur Verfügung stehenden thermischen Methoden lässt sich Papier nicht miteinander verbinden, weil Papier dabei eher verbrennt, als in eine klebbare Phase überführt werden zu können. Abhilfe schaffen aber die energiereichen, kurzen Pulse eines CO-Lasers. Florian Lull ist wissenschaftlicher Mitarbeiter am IWS, und erklärt: „Einerseits sorgen die sehr hohen Heizraten für eine schlagartige Zersetzung des Papiers. Andererseits werden die Molekülgruppen der Cellulose, das ist der Hauptbestandeil von Papier, durch die Laserwellenlänge von 5,6 Mikrometer selektiv und sehr gezielt angeregt.“ Dieser Effekt konnte nachgewiesen werden, indem die Experten mithilfe einer Hochgeschwindigkeitskamera das sogenannte hochdynamische Sieden eines flüssigen Zwischenzustands sichtbar machen konnten (siehe Bild unten). Diesen zersetzt die eingebrachte Laserenergie zwar zu einem Großteil in gasförmige Stoffe, doch es bleiben auch erstarrte Reaktionsprodukte zurück. Mit der Kombination aus zeitaufgelöster Messungen und einer infrarotspektroskopischen Analyse ließ sich deren Menge optimieren. Und den Projektpartnern der PTS gelang es, diese Reaktionsprodukte erneut zu verflüssigen und zwei Papierstreifen ohne künstliche Zusätze miteinander zu verbinden.

Eine Hochgeschwindigkeitsaufnahme der Bestrahlung eines Papiersubstrats mit dem CO-Laser beweist, dass dabei ein flüssiger Zwischenzustand entsteht, der das Kleben zulässt.
Eine Hochgeschwindigkeitsaufnahme der Bestrahlung eines Papiersubstrats mit dem CO-Laser beweist, dass dabei ein flüssiger Zwischenzustand entsteht, der das Kleben zulässt.
(Bild: Fraunhofer-IWS)

Die Verbindung funktioniert über einen Heißsiegelprozess bei 200 Grad Celsius und einem Druck von 36 Bar. Die so gefügten Proben hat man dann einem T-Peel-Zugprüf-Versuch unterzogen. Erfreulicherweise zeigte sich, dass die herrschenden Verbindungskräfte in der Größenordnung einer einfachen Klebeverbindung liegen. Das reicht aus, um das Heißsiegeln von Papier etwa für Easy-Opening-Verpackungen zu nutzen. In einigen Fällen trennten sich die Fügepartner sogar neben der Fügestelle. Das bedeutet, dass die die Verbindung ähnlich stabil war, wie das Grundmaterial. Zur Demonstration der Möglichkeiten fertigte man auch industrienahe Probekörper, wie Briefumschläge und Pappschachteln oder die oben gezeigte Wellpappe.

(ID:47399897)