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Customisation of TEMPO-oxidised nanocellulose papers for improved mechanical properties
Florian Mayer
Art der Arbeit
Masterarbeit
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Chemie
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Masterstudium Chemie
Betreuer*in
Alexander Bismarck
Alle Rechte vorbehalten / All rights reserved
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-13160.32919.772958-8
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)

Abstracts

Abstract
(Deutsch)
Cellulose Nanofibrillen sind ein Material mit großem Potential für den Einsatz in sowohl hochtechnologischen als auch alltäglichen Bereichen, wie z.B. Verpackungsmaterialien, Substrate für druckbare Elektronik und Membranmaterialien, z.B. zur Wasserreinigung. Weiters stellen sie eine generell umweltfreundliche, nachwachsende Alternative zu vielen derzeit verwendeten synthetischen Kunststoffen dar. Insbesondere Cellulose Nanopapiere, Papiere aus Nanofibrillen, sind vielversprechende Ausgangsstoffe für Materialien und Verbundwerkstoffe. Dabei sind die mechanischen Eigenschaften der Nanopapiere von grundlegender Bedeutung. In dieser Arbeit wurde besonderes Augenmerk auf TEMPO oxidierte CNF (TEMPO-CNF) gelegt. Bei diesen wird die Oberfläche der einzelnen Cellulose Fasern mit Carboxyl-Gruppen funktionalisiert wodurch die Fasern eine negative Oberflächenladung erhalten. Dadurch ist es möglich, die Cellulose-Nanofasern mit Durchmessern zwischen 3 und 5 nm mit einfachen Mitteln zu erhalten. Die auf diese Weise hergestellten TEMPO-CNF wurden für die Produktion von zwei unterschiedlichen Typen von Materialien genutzt. Zum einen wurden TEMPO-CNF als Härter für multifunktionale Epoxidharze verwendet um mittels eines einfachen Prozesses ein quervernetztes Cellulose/Epoxid Netzwerk zu erhalten welches gleichzeitig als Cellulose/Epoxid Verbundwerkstoff mit hohem Faseranteil angesehen werden kann. Es konnte gezeigt werden, dass TEMPO-CNF in der Lage sind als Härter für die eingesetzten Epoxidharze zu fungieren, ohne dass es des Einsatzes konventioneller Härters bedarf. Die Zugfestigkeit dieser Komposit-Nanopapiere war vergleichbar, wenn auch kleiner, als purer TEMPO-CNF Papiere mit einer Zugfestigkeit von 160 MPa. Dabei zeigte die hier vorgestellte Methode großes Potential für die Herstellung von Cellulose/Epoxidharz Verbundwerkstoffen mit hohem Faseranteil. Ein weiterer einfacher Ansatz war die Herstellung von Nanopapieren aus Mischungen verschiedener Nanocellulose-Klassen. Wie erwartet konnte gezeigt werden, dass die Kombination von Nanocellulose-Fasern verschiedener Durchmessern synergistische Effekte hervorbringt. Durch die Kombination von TEMPO-CNF, bakterieller Cellulose (BC) und mechanisch bearbeiteter BC konnte die Zugfestigkeit der resultierenden Nanopapiere gegenüber jener von Papieren aus den Reinstoffen signifikant erhöht werden.
Abstract
(Englisch)
Nanofibrillated cellulose (CNF) shows great potential for a variety of applications such as large-scale reinforcement in high-loading cellulose composites, substrates for printed electronics or in water treatment applications, as environmentally friendly and renewable alternative to conventional synthetic polymers. In particular, papers prepared from CNF are a promising candidate as base material in the aforementioned applications. Thereby, the mechanical properties of these nanopapers are of essential significance for a successful implementation. In this study, special attention was paid to nanofibrils that were produced via TEMPO oxidation (TEMPO-CNF). In this process, the surface of cellulose fibres is modified with carboxylic groups, commonly not present in cellulose. This enables preparation of fibrils, having diameters down to 3-5 nm, with low energy consumption. TEMPO-CNF were utilized to produce two different types of nanocellulose materials with improved mechanical properties. The first approach was to utilise TEMPO-CNF as crosslinking agent for multifunctional epoxy resins without the addition of other conventional curing agents thereby producing a crosslinked TEMPO-CNF/epoxy nanopaper. These nanopaper can also be considered composite material with high fibre loading fractions. It was found that TEMPO-CNF indeed were able to crosslink the epoxy resins used in this study. The mechanical properties of the nanopapers/composites produced were comparable yet lower than those of neat TEMPO-CNF nanopapers, which had a tensile strength of 160 MPa. The route explored in this approach is a promising way of creating cellulose epoxy composites with high fibre loading. The second simple but underexplored approach was the creation of nanopapers from blends of various grades of nanocelluloses by hybridising fibrils of different lengths and diameters. Through combining TEMPO-CNF with e.g. (refined) bacterial cellulose nanofibrils, the mechanical properties of the resulting composite nanopapers outperformed the ones of the single constituents, showing synergistic effects.

Schlagwörter

Schlagwörter
(Englisch)
nanocellulose nanopaper bacterial cellulose synergistic effects fibre network structures epoxy resin TEMPO cellulose
Schlagwörter
(Deutsch)
Nanocellulose Nanopapier bakterielle Cellulose synergistische Effekte Fasernetzwerke Epoxidharz TEMPO Cellulose
Autor*innen
Florian Mayer
Haupttitel (Englisch)
Customisation of TEMPO-oxidised nanocellulose papers for improved mechanical properties
Paralleltitel (Deutsch)
Optimierung der mechanischen Eigenschaften von Nanopapieren aus TEMO-oxidierter Cellulose
Publikationsjahr
2017
Umfangsangabe
90 Seiten : Illustrationen, Diagramme
Sprache
Englisch
Beurteiler*in
Alexander Bismarck
Klassifikation
35 Chemie > 35.80 Makromolekulare Chemie
AC Nummer
AC14504288
Utheses ID
44361
Studienkennzahl
UA | 066 | 862 | |
Universität Wien, Universitätsbibliothek, 1010 Wien, Universitätsring 1