Influence of water on mechanical properties of cellulosic materials studied by AFM based methods

Titel in Übersetzung: Einfluss von Wasser auf die mechanischen Eigenschaften von cellulosischen Materialien, untersucht mit AFM basierten Methoden

Christian Ganser

Publikation: Thesis / Studienabschlussarbeiten und HabilitationsschriftenDissertation

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Abstract

Cellulosische Materialien bilden die Basis für vielerlei moderne Produkte wie zum Beispiel verschiedene Papiersorten, Medizin- und Hygieneartikel und Baustoffe. Dabei ist Papier einer der wichtigsten Vertreter mit Anwendungen die von Datenspeicherung bis hin zu Verpackungsmaterial reichen. Obwohl die Papierherstellung seit mehreren tausend Jahren praktiziert und ständig verbessert wird, sind die Ursachen, die die Bindung zwischen zwei Papierfasern ausmachen, noch nicht vollständig geklärt. Zwar wurden verschiedene Mechanismen, beginnend mit Wasserstoffbrückenbindungen bis hin zu formschlüssigen Verbindungen, vorgeschlagen, doch ist weder bekannt mit welchem Ausmaß sie beitragen, noch ob bereits alle identifiziert worden sind. Genau diese Informationen sind jedoch von erhöhter Wichtigkeit, wenn die Festigkeit von Papier gesteigert werden soll, ohne aber die Menge an Material zu erhöhen. Wasserstoffbrückenbindungen und vergleichbare Wechselwirkungen haben dann einen maximalen Effekt, wenn die Fläche der Faserbindung in molekularem Kontakt so groß wie möglich ist. Dies ist dann der Fall, wenn deren Oberflächen gleichmäßig beschaffen, weich und nachgiebig sind. Um die Struktur und die mechanischen Eigenschaften von Oberflächen zu bestimmen, wurde in dieser Arbeit Rasterkraftmikroskopie (AFM) und AFM basierte Nanoindentation (AFM-NI) eingesetzt. Ein speziell entwickelter Messaufbau ermöglichte, die relative Feuchtigkeit zu kontrollieren und so den Einfluss von Wasser auf die untersuchten Materialien zu studieren. Ebenso wurden Messungen an vollständig gequollenen Proben in Wasser ermöglicht. Dies ist der Zustand in dem sich Bindungen während der Papierherstellungen ausbilden. Da Papierfasern ein komplexes und inhomogenes System bilden, wurden zuerst amorphe Cellulosefilme und Viskosefasern als Modellsysteme charakterisiert. Diese chemisch und strukturell homogenen Materialien erlauben, den Fokus gezielt auf einzelne Mechanismen zu richten. Topographische AFM Untersuchungen an Cellulosefilmen bevor und nachdem eine Bindung zwischen ihnen hergestellt wurde, zeigten dass die anfängliche Rauigkeit von 30 nm auf ein Drittel abgesunken war. Weiters war die resultierende Oberfläche homogen und bestätigte damit, dass glatte Oberflächen die Möglichkeit haben eine hohe Fläche in molekularem Kontakt auszubilden. Die mechanischen Eigenschaften aller Materialien wurden mittels AFM-NI in Form von reduziertem Modul – ein Maß für den Elastizitätsmodul – und Eindringhärte bestimmt. Die Messungen wurden unter verschiedenen Luftfeuchtigkeiten sowie in Wasser durchgeführt. Sowohl Viskose- als auch Papierfasern wiesen in Wasser einen reduzierten Modul von 0.05 GPa auf. Dies bedeutet für Viskosefasern eine Reduktion um einen Faktor von fast 200 verglichen mit dem getrockneten Zustand. Papierfasern, andererseits, sind im Trockenen etwas nachgiebiger, daher nimmt der reduzierte Modul nur um einen Faktor zwischen 100 und 150 ab. Die Oberflächenhärte von Viskosefasern beträgt in Wasser 14 MPa, was einer Abnahme um den Faktor 30, verglichen mit dem getrockneten Zustand, bedeutet. Papierfasern wiesen in Wasser allerdings eine Härte von nur 7 MPa auf, was einer Reduktion um einen Faktor von 50 bis 100 bezogen auf den getrockneten Zustand entspricht. Beide Materialien wiesen in etwa einen linearen Zusammenhang von Härte und Modul mit der relativen Feuchte auf. Ein Abweichen davon konnte erst bei hoher Luftfeuchtigkeit von über 80% beobachtet werden.Es wurde mit der Studie gezeigt, dass außerdem AFM-NI ein geeignetes Werkzeug ist, um cellulosebasierte Materialien zu untersuchen, sowohl in verschiedenen relativen Luftfeuchtigkeiten als auch im gequollenen Zustand in Wasser.
Titel in ÜbersetzungEinfluss von Wasser auf die mechanischen Eigenschaften von cellulosischen Materialien, untersucht mit AFM basierten Methoden
OriginalspracheEnglisch
QualifikationDr.mont.
Betreuer/-in / Berater/-in
  • Teichert, Christian, Beurteiler A (intern)
  • Schennach, Robert, Beurteiler B (extern), Externe Person
PublikationsstatusVeröffentlicht - 2014

Bibliographische Notiz

gesperrt bis null

Schlagwörter

  • AFM
  • AFM basierte Nanoindentation
  • Cellulose
  • Viskose
  • Zellstofffasern
  • Papier
  • Wasser
  • Feuchtigkeit

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