Untersuchungen zu Nanocellulose-Verstärkten Kompositwerkstoffen

Zhou, Xiaolong

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden die Eigenschaften und Verwendungs-möglichkeiten von CNC als Additiv in weichen Polymersystemen untersucht. In einem ersten Teil wurden CNC Dispersionen mit unterschiedlicher Konzentrationen hergestellt. Vermittels Dynamischer Lichtstreuung und Rasterkraftmikroskopie wurde die Partikelgrößenverteilung ermittelt. Die Phasentrennung der CNC Dispersion wurde mit Polarisationsmikroskopie verfolgt. Es gibt einen Koexistenzbereich. Durch Extrapolation der Koexistenz-Linie zum einem Anteil der nematischen Phase von null wurde die kritische Konzentration zu 5.0 Gew. -% bestimmt. Die Ladungsdichte an der Partikel-Oberfläche wurde über Messungen des Strömungspotentials als 0.6 - 0.7 e∙nm-2 ermittelt. In einem zweiten Teil der Arbeit wurde der elektro-optische Effekt der CNC Dispersion untersucht. Es wurde das Ausmaß und die Dynamik der Doppelbrechung in einer Kerr-Zelle bei Anlegen von einem externen elektrischen Wechselfelds vermessen. Es wurde ein nematischer Ordnungsparameter �� abgeleitet, welcher quadratisch zur Feldstärte ist. �� lag in der Größenordnung von 1 %. Die An- und Abklingzeiten lagen in der Größenordnung von 0.1 ms. Aufgrund der Partikelgrößenverteilung der CNC Partikel war die Abklingzeit größer als gemäß der Mandel-Fixman-Theorie erwartet. Salz senkt die induzierte Doppelbrechung, weil es elektrostatische Kräfte abschirmt. S sank mit steigender Temperatur. Um CNC in Polymere einzubringen, wurde die Oberfläche über eine Acetylierung hydrophobisiert. Es entsteht „aCNC“. Eine Arbeitshypothese war, dass bei Einbringen von CNC in weiche Polymere zu einer mechanischen Kurzfaserverstärkung kommen würde. Eine solche Verstärkung wurde in Hydrogelen und „pressure sensitive adhesives“ (PSAs) beobachtet. Der Verstärkungseffekt durch CNC war vergleichbar mit dem Verstärkungseffekt durch Laponite. Mit dem Einsatz von aCNC wurde die Klebrigkeit des Klebstoffes erhöht, während die extensiven Eigenschaften nicht beeinflusst wurden. Im Vergleich mit EGDMA als chemischer Vernetzer zeigte aCNC einen besseren Verstärkungseffekt.

In the present work, the properties and applications of CNC as an additive in soft polymer systems were investigated. In the first part, CNC dispersions of different concentrations were produced. The particle size distribution was determined by using of dynamic light scattering and atomic force microscopy. The phase separation of the CNC dispersion was monitored by polarization microscopy. There is a coexistence area. By extrapolation of the coexistence line, the critical concentration was determined to be 5.0 wt %. The charge density on the surface of CNC was determined with the measurements of the flow potential as 0.6 - 0.7 e∙nm-2. In the second part of the work, the electro-optical effect of the CNC dispersion was investigated. The magnitude and dynamics of birefringence in a Kerr cell were measured by applying an external alternating electric field. A nematic order parameter S was derived, which is quadratic to the field strength. S was on the order of 1 %. The decay time was on the order of 0.1 ms. Due to the particle size distribution of the CNC particles, the decay time was longer than the expected value of Mandel-Fixman-theory. Salt reduces the induced birefringence because of the shielding effect. S was reduced with increasing temperature. In order to bring CNC into polymers, the surface of CNC was hydrophobized by acetylation reaction. The product was “aCNC”. A hypothesis was that CNC in soft polymers would result the mechanical short fiber reinforcement. The reinforcement effects have been observed in hydrogels and “pressure sensitive adhesives” (PSAs). The reinforcement effect of CNC was similar to Laponite. By the application of aCNC, the tackiness of the adhesive was increased, while its extensive properties was not influenced. In comparison with EGDMA as a chemical crosslinker, aCNC showed a better reinforcement effect.

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Zhou, Xiaolong: Untersuchungen zu Nanocellulose-Verstärkten Kompositwerkstoffen. 2018.

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