Angewandte Holzforschung  
Bio-inspired-Wood
Bio-engineered Wood
Cellulose Nanocomposite
Holz-/Oberflächentechnologie

Cellulose NanoKomposite
Arbeitsgebiet

Cellulosefibrillen in der Zellwand von Pflanzenfasern sind für dessen ausserordentlich hohe Zugfestigkeiten verantwortlich. Diese Fibrillen oder Fibrillenbündel werden aus Holz und anderen lignocellulosischen Fasermaterialien mit Durchmessern im Nanometer- und Längen im Mikrometerbereich isoliert (mikrofibrillierte Cellulose, MFC). Sie werden für die Verstärkung von Matrices (v.a. Polymere) oder für die Entwicklung von innovativen, funktionalen Materialien eingesetzt. In unserer Abteilung findet MFC Anwendungen in Hydrogelen, Aerogelen, Verpackungsmaterialien, Nanopapieren, Membranen, Fasern, (Bio)polymeren wie Klebstoffen, Oberflächenbeschichtungen, Dichtstoffen sowie anorganischen Matrices.

Flyer (PDF)

Schwerpunkte
REM-Aufnahme von aus Holzzellstoff isolierter MFC

Mikrofibrillierte Cellulose (MFC)

In der Natur besteht Cellulose aus ß-1,4 verknüpften Glucopyranose-Einheiten. Die Polymerketten stehen über Wasserstoffbrücken in Verbindung und bilden so Fibrillenbündel (auch Mikrofibrillenaggregate), in denen in der Pflanzenzellwand hoch geordnete Bereiche (d.h. kristalline Phasen) mit ungeordneten Bereichen (d.h. amorphen Phasen) abwechseln.
Diese Fibrillenbündel, auch Cellulose Nanofasern genannt, werden in unserem Labor aus kommerziellem Zellstoff sowie verschiedenen Abfallmaterialien wie Haferstroh oder Altpapier mit einer zweistufigen mechanischen Behandlung isoliert, welche einen Vorzerkleinerungsschritt sowie eine nachfolgende Hochdruckhomogenisierung oder Vermahlung beinhaltet. Als Resultat erhält man eine wässrige Suspension von MFC, wie auf einer typischen REM Aufnahme in Abbildung 1 gezeigt. Man sieht hier ein Netzwerk von langen, flexiblen und miteinander in Verbindung stehenden Cellulose Mikrofibrillen mit Durchmessern zwischen 10 und 100 Nanometern und einem Aspektverhältnis von mindestens 50 bis 100 (Abbildung 1).

Allgemeines Schema zur Funktionalisierung von MFC

Funktionalisierung von MFC

Neben vielen sehr attraktiven Eigenschaften, sind diese natürlichen Nanofasern stark hydrophil, was ihre Nutzung in nichtpolaren Milieus einschränkt. Um dieses Problem zu lösen und den Anwendungsbereich zu erweitern, funktionalisieren wir die Nanofasern chemisch, um ihre Oberflächeneigenschaften auf die jeweiligen Anwendungsbedingungen einzustellen. Am häufigsten verwendet wird Alkohol Chemie.

Mikrofibrillierte Cellulose als Verstärkungskomponente in Kompositanwendungen

Aufgrund ihrer Morphologie und guten mechanischen Eigenschaften ist MFC eine mögliche Verstärkungskomponente in Kompositanwendungen. In unserer Abteilung werden Cellulose Nanofasern in polare und nichtpolare Matrices eingebunden, wobei im letzteren Fall häufig eine chemische Derivatisierung der Nanofasern vor der Kompoundierung notwendig ist.
In andere Anwendungen wird MFC als funktionales Matrixmaterial genutzt.
Einige Beispiele sind unter ¡°Aktuelle Forschungsprojekte¡° aufgelistet.

Kompetenzen / Methoden
  • Mechanische Prüfungen (Zugversuche, dynamisch thermisch-mechanische Analyse)
  •  Lichtmikroskopie, Kraftmikroskopie
  • Raster- und Transmissionselektronenmikroskopie
  • IR-/UV-Spektroskopie
  • Dynamic Water Sorption (DVS)
  • Mechanischer Aufschluss von Cellulose Nanofibrillen (Inline- und Hochdruck-disperser bis 1500 bar (Microfluidizer), Masuku Grinder)
  • Nasschemie (chemische Modifizierung)
  • Gefriertrocknung und Kritischpunkttrocknung
  • Kompoundierung Cellulose Nanofibrillen/(Bio)polymere

 

Allgemeiner Kontakt:  Philippe Tingaut

Aktuelle Forschungsprojekte
Die optische Aufnahme zeigt ein reines Silica-Aerogel (rechts) sowie ein Komposit-Aerogel, welches mit funktionalisierter MFC verstärkt wurde

Silica-basierte, mit MFC verstärkte Aerogele für Bauanwendungen (EU AEROCOINS Projekt 2011-2014)
In diesem Projekt ist das Hauptziel, ein neues Komposit-/Hybrid- Aerogelmaterial zu entwickeln, welches die Isolationsleistung von bestehenden Gebäuden verbessert und damit dessen Energiebedarf herabsetzt. Dafür werden mechanisch feste und super-isolierende silicabasierte Materialien in speziellen Trocknungsprozessen synthetisiert. MFC wird dabei für die Verbesserung der mechanischen Eigenschaften bei Erhaltung der guten Isolationsleistung des Silicas verwendet. Chemische Funktionalisierung der Cellulose Nanofasern ist notwendig, um die Dispergierung im Silica vor der Gelierung und überkritischen Trocknung zu beschleunigen. Vielversprechende Ergebnisse wurden erzielt. 

 

Synthetisches NVP Hydrogel verstärkt mit funktionalisierter MFC für biomedizinische Anwendungen

Synthese von Komposit-Hydrogelen für medizinische Anwendungen (Zusammenarbeit mit der EPFL)
Der Nucleus Pulposus (NP) ist ein hydrophiles Gel, welches sich in den Bandscheiben der Wirbelsäule des menschlichen Körpers befindet. In der zweiten Lebenshälfte kommt es zu dessen Abbau, was häufig zu Rückenschmerzen von Patienten führt. Zusammen mit der EPFL in Lausanne haben wir basierend auf N-Vinyl Pyrolidon (NVP) und funktionalisierter MFC ein synthetisches Hydrogel entwickelt, welches die Eigenschaften des natürlichen NPs nachempfindet und daher bei Bedarf einen potentiellen Ersatz darstellen könnte.

 

Optisches Bild (links) eines MFC Schaumes hergestellt durch Gefriertrocknung einer wässrigen Suspension

Poröse Materialien von MFC
Leichte, flexible und robuste Cellulose Aerogele / Schäume können durch Austausch des Wassers einer wässrigen MFC Suspension mit Luft hergestellt werden. Dabei wird entweder Vakuumtrocknen, Gefriertrocknen oder superkritische Trocknung mit CO2 eingesetzt. Zusammen mit passenden Funktionalisierungen, synthetisieren wir funktionelle Aerogelmaterialien für spezifische Anwendungen.

 

Chemische Struktur einer aminfunktionalisierten MFC (links) und die resultierende zyklische Kapazität des Celluloseaerogels für CO2 Sorption und Desorption (rechts, Gebald et al. 2011. Env. Sci. Tech.)

Cellulosebasierte Adsorber für das Separieren von CO2 aus der Luft (Gebert Rüf Stiftung 2010-2012)
Die Separierung von CO2 aus der Luft bleibt eine der wichtigsten Herausforderungen des 21. Jahrhunderts. Daher wurden Aminfunktionen auf die Oberfläche von MFC gepfropft und daraus erfolgreich über einen Gefriertrocknungsprozess Aerogele hergestellt. Es zeigte sich, dass das resultierende Material geeignet ist, aus feuchter Luft CO2 zu adsorbieren, zu speichern und zu desorbieren. Dabei wird eine zyklische Kapazität von 0.75 mmol CO2 pro Gramm Sorptionsmaterial erreicht.
Dieses Projekt wird in Zusammenarbeit mit der ETH (Renewable Energy Carriers) und der Spin-off Firma Climeworks (http://www.climeworks.ch/) durchgeführt.

 

Poröse MFC Membranen

Poröse Membranen für Wasseraufbereitungstechnologien (EU Nanoselect Projekt 2012-2016)
Es besteht ein grosses Umweltinteresse für die Reinigung von kontaminiertem Wasser von z.B. (Schwer)metallionen. Daher synthetisieren wir basierend auf MFC verschiedene Cellulosemembrantypen. Die Selektivität der resultierenden Membranen gegenüber spezifischen Verunreinigungen wird durch das aufpfropfen von funktionellen Gruppen auf MFC erreicht (z.B. Amine, Carbonsäuren, etc.).

 

Kationisiertes MFC/Schichtsilikat-Komposit mit guter Interaktion zwischen beiden Komponenten

Entwicklung von Barriereschichten in Verpackungsmaterialien unter Einsatz von nano-fibrillierter Cellulose (CTI 2008-2012 und 2012-2014)
Ziel eines ersten Projektes war die Entwicklung und das Verstehen eines Systems aus mikrofibrillierter Cellulose und verschiedenen Arten von Schichtsilikaten (LS). Es konnten Nanopapiere aus kationisierter MFC und LS hergestellt werden, die gute mechanische und Barriereeigenschaften (gegenüber Sauerstoff und Wasserdampf) zeigten. Die Ergebnisse sind sehr vielversprechend für Anwendungen in Lebensmittelverpackungen. Ein Folgeprojekt mit dem Hauptindustriepartner sowie der Abteilung Biomaterialien der Empa St. Gallen wird weitere Forschungsansätze verfolgen und darauf abzielen, innovative und nachhaltige Barrierelösungen in die Produktionsprozesse des Industriepartners zu integrieren.

Kontakt:  Philippe Tingaut / Tanja Zimmermann

 

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