Cellulose Nanofibril Nanopapers and Bioinspired Nanocomposites

Benítez, Alejandro J.; Walther, Andreas; Möller, Martin

doi:36738

Cellulose Nanofibril Nanopapers and Bioinspired Nanocomposites = Zellulose Nanofibrillen Nanopapieren und Bioinspirierte Nanokompositen

Benítez, Alejandro J.^RWTH*

2017 & 2018

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Alejandro Benitez Lizardo M.Eng.

ImpressumAachen 2017

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, RWTH Aachen University, 2017

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2018

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Möller, Martin (Thesis advisor) ; Walther, Andreas (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2017-12-04

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2017-10494
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/710449/files/710449.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
DLVO (frei) ; colloids (frei) ; mechanical properties (frei) ; nanocellulose (frei) ; nanocomposite (frei) ; nanoconfinement (frei) ; nanofiber (frei) ; thermal transitions (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 540

Kurzfassung
Zellulose-Nanofibrillen (CNFs) gelten als biobasiertes Füllmaterial für nachhaltige Hochleistungsmaterialien, da sie hohe Steifigkeit, Festigkeit und Bruchzähigkeit vereinen. Sie ermöglichen zum einen die Herstellung reiner Nanopapiere, können aber auch in bioinspirierte Nanokompositmaterialien eingebaut werden, in denen sie hervorragende multifunktionale Eigenschaften in die resultierenden Materialien einbringen. Für die Ausbildung der gewünschten mechanischen Eigenschaften ist es dabei entscheidend die Strukturbildungsprozesse sowie die Verformung im Bulkmaterial zu verstehen. Vor diesem Hintergrund konzentriert sich diese Arbeit auf das tiefgehende Verständnis des mechanischen Verhaltens von CNFs, Nanopapieren und Nanokompositen. In Kapitel II zeige ich daher, wie verschiedene Dispersionszustände von Zellulosenanofibrillen, beispielsweise unkontrollierte interfibrillare Aggregation oder verschiedene relative Luftfeuchtigkeiten die mechanischen Eigenschaften von Nanopapieren beeinflussen. Die Ergebnisse demonstrieren anschaulich die Signifikanz einer präzisen Steuerung von Aggregationseffekten der Nanofibrillen durch Einstellung ihrer Wechselwirkungen und betonen dabei den Effekt der hierarchisch strukturierten nanofibrillaren Netzwerke unter Deformation. In Kapitel III untersuche ich diese Herausforderung in Zusammenhang mit der Herstellung definierter CNF/Polymer Hybridstrukturen mit kontrollierten Polymereigenschaften, um daraus ein quantitatives Bild der Deformationsmechanismen abzuleiten. Die Studie gibt einen detaillierten Einblick, wie die thermo-mechanischen Eigenschaften von maßgeschneiderten (Co)polymeren die Zug/Dehnungseigenschaften von bioinspirierten CNF/Polymer Kompositen beeinflussen. Die erhaltenen Ergebnisse erweitern dabei die generelle Fähigkeit, die mechanischen Eigenschaften über rationale Designkriterien einzustellen. In Kapitel IV decke ich auf, wie Gegenionen, seien es organische Alkyl Ammonium Verbindungen (NR4+), oder Erdalkalimetalle (Li+, Na+, Cs+), gewählt werden müssen, um bisher unerreichte mechanische Eigenschaften zu erhalten. Durch dieses Verständnis wird es weiterhin möglich, die Dehnbarkeit von bioinspirierten CNF/Polymer Nanokompositen bei hohen Anteilen von Füllmaterial auf bisher ungekanntes Niveau zu heben. Zu guter Letzt fasse ich im Übersichtskapitel V den aktuellen Stand der Wissenschaft, sowie das momentane Verständnis der mechanischen Eigenschaften auf dem Gebiet CNF-basierter Materialien zusammen. Daraus leite ich allgemeingültige Richtlinien für die Entwicklung von CNF-basierten Nanopapieren, sowie Nanokompositen mit einem hohen Anteil an Füllmaterial ab. Weiter wird der Einfluss von verschiedenen, interkorrelierten Parametern diskutiert: die Chemie der Fibrillen, die Kristallinität, der Formfaktor, der Polymerisationsgrad, die kolloidale Stabilität und Filmbildung, sowie die Integration von verschiedenen Gegenionen, Polymeren und Schichtsilikaten. Vor diesem Zusammenhang werden die vorausgegangenen Kapitel II-IV als Schlüsselstudien verwendet, um einige dieser Faktoren basierend auf sorgfältig validierten Experimenten zu untersuchen.

Cellulose nanofibrils (CNFs) are considered next generation, renewable reinforcements for sustainable, high-performance materials uniting high stiffness, strength and toughness. They allow the formation of pure nanopapers or can be integrated into bioinspired nanocomposites leading to excellent multifunctional properties. The mechanical properties endowed by nanofibrils crucially depend on mastering structure formation processes and on understanding interfibrillar interactions as well as deformation mechanisms in the bulk. In this context, this thesis focus on an in-depth understanding of the mechanical performance of CNF nanopapers and nanocomposites. Chapter II shows how different dispersion states of CNFs, i.e. unlike tendencies to interfibrillar aggregation, and different relative humidities influence the mechanical properties of the corresponding nanopapers. The results demonstrate the importance of controlling the state of dispersion and aggregation of the CNFs by mediating their interactions, and highlight the complexity associated with understanding hierarchically structured nanofibrillar networks under deformation. Chapter III investigates the challenges associated with making defined CNF/polymer nanopaper hybrid structures influenced by polymer properties in order to deduce a quantitative picture of the deformation mechanisms. The study discusses detailed insights on how thermo-mechanical properties of tailor-made (co)polymers govern the tensile properties in bioinspired CNF/polymer settings. The derived understanding expands the ability to tune and control the mechanical properties by rational design criteria. Then, Chapter IV unravels in detail how counterions, being either of the organic alkyl ammonium series (NR4+) or of the earth metal series (Li+, Na+, Cs+), need to be chosen to achieve outstanding combinations of mechanical properties, extending to previously unexplored areas. This understanding also leads to new levels of ductility in bioinspired CNF/polymer nanocomposites at high levels of reinforcements. Finally, the review in Chapter V reflects my results and discusses the current state of the art in the field of CNF nanocomposites, understanding of mechanical performance, and derives general perspectives for developing future CNF-based nanopapers, as well as nanocomposites with high fractions of reinforcements featuring rationally designed and improved property profiles. The influence of various intercorrelated parameters is discussed: fibril chemistry, crystallinity, aspect ratio and degree of polymerization, colloidal stability and film formation, as well as integration with different counterions, polymers and nanoclays. Here, the previous Chapters II-IV are placed as key research to connect and dissect some of these factors by comparing with the most comprehensive studies.

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