Viscoelastic and plastic characterization of cellulosic materials on the submicrometer scale

Titel in Übersetzung: Viskoelastische und plastische Charakterisierung von Cellulose-Materialien auf der Submikrometer-Skala

Caterina Marina Czibula

Publikation: Thesis / Studienabschlussarbeiten und HabilitationsschriftenDissertation

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Abstract

Cellulosefasern werden in Papier- und Textilindustrie häufig verwendet, aber Struktur-Eigenschafts-Beziehungen auf der Faserskala sind kompliziert und noch nicht vollständig verstanden. Änderungen des Feuchtigkeitsgehalts einzelner Fasern haben einen starken Einfluss auf die physikalischen Eigenschaften und das Verhalten von Papier. Daher ist es von Interesse, die Zeitabhängigkeit der mechanischen Eigenschaften einzelner Zellstofffasern zu charakterisieren. Insbesondere deren viskoelastische Verhalten wurde in der Literatur bisher nicht gründlich untersucht. Ein Grund sind experimentelle Schwierigkeiten. Die meisten industriellen Cellulosefasern sind verarbeitete Holzfasern, die aus mehreren Zellwandschichten bestehen. Die S2-Schicht, in der Cellulosemikrofibrillen in einem Winkel nahe der Längsachse angeordnet sind, ist die dickste. Daher dominiert diese das mechanische Verhalten der Fasern, insbesondere in Längsrichtung. Hier fehlen noch Studien zum Einfluss der relativen Luftfeuchtigkeit (RH) und zum viskoelastischen Verhalten dieser Schicht. Darüber hinaus weisen Zellstofffasern aufgrund ihres starken Schrumpfens im Produktionsprozess auch eine sehr raue Oberfläche auf. Aus diesem Grund wurde eine Rasterkraftmikroskopie (AFM)-basierte Methode entwickelt, um den Einfluss der Rauheit der Zellstofffasern auf die Resultate zu verringern. Die Auswertung der experimentellen Daten kombiniert Kontaktmechanik in Form des Johnson-Kendall-Roberts-Modells und viskoelastischer Modelle, die aus Federn und Dämpfern in Reihe oder parallel zueinander bestehen und das elastische bzw. viskose Verhalten beschreiben. Es wird gezeigt, dass das sogenannte Generalized Maxwell-Modell (GM) vernünftige Ergebnisse für einzelne Viskose- und Zellstofffasern bei unterschiedlicher RH und in Wasser in Querrichtung liefert. Die experimentellen Kurven wurden mit einem GM2-Modell gefittet. Mit zunehmender RH nehmen die elastischen und viskosen Parameter ab, während die Relaxationszeiten konstant bleiben. In Wasser wird das GM3-Modell mit einem zusätzlichen Maxwell-Element – das eine dritte Relaxationszeit einführt – verwendet, um die Daten angemessen zu fitten. Im Vergleich zu den Ergebnissen bei unterschiedlicher RH zeigen die Parameter einen deutlichen Abfall um einige Größenordnungen. Weiters werden Mikrotomschnitte der S2-Schicht chemisch und morphologisch charakterisiert. Die viskoelastischen Eigenschaften werden bei unterschiedlicher RH untersucht und die Quer- und Längsrichtung verglichen. Hier wurde das GM3-Modell angewendet, um die experimentellen Daten für die S2-Schicht in Längsrichtung gut zu fitten. Überraschenderweise wurde wenig Unterschied zwischen der Längs- und der Querrichtung gefunden. Zusätzlich wird die Eignung der experimentellen Ergebnisse für die Materialmodellierung vorgestellt. Experimentelle AFM-Nanoindentationsdaten können zur viskoelastischen Charakterisierung des Matrixmaterials in einem Materialmodell mit minimalem Input der Zellstofffaser verwendet werden. Der Einfluss der RH wird mit Biegeexperimenten an Cellulosedünnfilmen untersucht. Ein einseitig mit einem Cellulosefilm beschichteter Cantilever biegt sich aufgrund der Quellung des Cellulosefilms nach oben, wenn die RH erhöht wird. Dieser Effekt ist in kurzer Zeit sichtbar. Auf lange Sicht wird das Verhalten jedoch komplizierter und ist auch mit einem unbeschichteten Cantilever reproduzierbar, so dass offene Fragen bleiben. Neben der Wechselwirkung zwischen Cellulose und Wasser werden die Morphologieänderungen aufgrund der Phasentrennung verschiedener Cellulose-Blendfilme sowie das Reibungsverhalten dieser Filme untersucht. Darüber hinaus wird die Anwendbarkeit der Reibungskraftmikroskopie (FFM) zum Erhalt semi-quantitativ mechanischer Parameter von Cellulose-Blendfilme demonstriert. Es zeigt sich, dass es durch Mischen möglich ist, die Reibung, sowie die morphologischen und mechanischen Eigenschaften s
Titel in ÜbersetzungViskoelastische und plastische Charakterisierung von Cellulose-Materialien auf der Submikrometer-Skala
OriginalspracheEnglisch
QualifikationDr.mont.
Gradverleihende Hochschule
  • Montanuniversität
Betreuer/-in / Berater/-in
  • Teichert, Christian, Beurteiler A (intern)
  • Hirn, Ulrich, Beurteiler B (extern), Externe Person
PublikationsstatusVeröffentlicht - 2020

Bibliographische Notiz

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Schlagwörter

  • Viskoelastizität
  • Cellulose-Materialien
  • Mikromechanische Charakterisierung
  • Rasterkraftmikroskopie
  • Nanoindentation

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