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Conversion of Cellulose-based Papers into Functional Ceramic Papers

Ott, Alexander (2022)
Conversion of Cellulose-based Papers into Functional Ceramic Papers.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00021595
Ph.D. Thesis, Primary publication, Publisher's Version

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Item Type: Ph.D. Thesis
Type of entry: Primary publication
Title: Conversion of Cellulose-based Papers into Functional Ceramic Papers
Language: English
Referees: Ionescu, PD Dr. Emanuel ; Weidenkaff, Prof. Dr. Anke
Date: 2022
Place of Publication: Darmstadt
Collation: XVII, 107, XVIII-XXXIII Seiten
Date of oral examination: 29 September 2022
DOI: 10.26083/tuprints-00021595
Abstract:

Paper has been used for thousands of years, be it as a writing utensil like Papyrus or in different applications, for example as cellulose-based nanogenerators, as shape memory polymers, or as membranes for wound healing. Its microstructure shows randomly arranged fibers consisting of cellulose. Furthermore, it represents a good alternative as a template material due to its unique intrinsic properties and versatile modification potential as a functional material. The main characteristic of functional materials is their tunability towards the desired electronic, magnetic, or optical properties. This dissertation introduces the synthesis of functional ceramic papers and focuses on the understanding of occurring processes during functionalization. The ceramic papers were produced using a so-called “One-Pot” synthesis approach by dipping different types of cellulose-based papers (Sartorius, Linters and Eucalyptus) into a solution, consisting of different transition metals and polysilazanes. After vacuum drying the impregnated pre-ceramic papers, they were pyrolyzed at different atmospheres and temperatures. The phase composition of the produced ceramic papers and the belonging powders were studied using different characterization techniques. Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR) allowed to investigate the bonding situation of the functional groups, while X-Ray diffraction (XRD) identified the crystalline phases. The carbonization of the cellulose template during pyrolysis was studied using µ-Raman spectroscopy. Thermogravimetric Analysis (TGA) was used to determine the thermal stability of the impregnated papers and their volatile components based on the weight loss that occurs during pyrolysis. Lastly, electrocatalytic and electromagnetic measurements were performed with the ceramic papers and compared with state-of-the-art compositions.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

Papier wird schon seit Jahrtausenden genutzt, wie zum Beispiel als Papyrus um darauf zu schreiben oder heutzutage bei verschiedenen Anwendungen, wie zum Beispiel als Formgedächtnispolymer oder bei der Verwendung als Membran für Wundheilung. Seine Mikrostruktur besteht aus zufällig ausgerichteten Zellulosefasern. Aufgrund dieser einzigartigen intrinsischen Eigenschaften und darüber hinaus vielseitiger Modifikationsmöglichkeiten, eignet sich das Papier für die Herstellung funktioneller Materialien. Funktionelle Materialien lassen sich gezielt für die jeweilige Anwendung, sei es elektronische, magnetische oder optische abstimmen und beeinflussen. Diese Dissertation behandelt die Herstellung funktioneller keramischer Papiere und erforscht die dabei auftretenden Prozesse. Die keramischen Papiere wurden mit Hilfe der sogenannten „Eintopf“ Methode hergestellt. Dabei wurden verschiedene Zellulose-basierte Papiere (Sartorius, Linters und Eukalyptus) in Lösungsgemische, welche aus verschiedenen Übergangsmetallen und Polysilazanen bestanden, eingetaucht. Nach der Imprägnierung und Vakuumtrocknung wurden die präkeramischen Papiere in verschiedenen Atmosphären und Temperaturen behandelt. Die Phasenzusammensetzung der hergestellten keramischen Papieren und den dazugehörigen keramischen Pulvern wurde mit unterschiedlichen Charakterisierungsmethoden untersucht. Mittels Fourier-Transformations-Infrarotspektrometer (FTIR) konnten die verschiedenen funktionellen Gruppen analysiert werden. Röntgenbeugung (XRD) erlaubte es die (kristallinen) Phasen zu bestimmen. Die Karbonisierung der Zellulosefasern während der thermischen Behandlung wurde mit Hilfe der µ-Raman Spektroskopie untersucht. Die thermogravimetrische Analyse (TGA) half die thermische Stabilität der imprägnierten Zellulose und deren Gasentwicklung während der Pyrolyse zu verstehen. Zum Schluss wurden, mit einem Teil der hergestellten keramischen Papiere, elektrochemische Messungen durchgeführt und des Weiteren die Abschirmungsfähigkeit gegenüber elektromagnetischer Strahlung untersucht. Die dabei erhaltenen Daten wurden dann mit Materialien aus dem jetzigen Stand der Forschung verglichen.

German
Status: Publisher's Version
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-215958
Classification DDC: 500 Science and mathematics > 500 Science
500 Science and mathematics > 540 Chemistry
600 Technology, medicine, applied sciences > 620 Engineering and machine engineering
Divisions: 11 Department of Materials and Earth Sciences > Material Science
11 Department of Materials and Earth Sciences > Material Science > Dispersive Solids
Date Deposited: 19 Oct 2022 12:20
Last Modified: 21 Oct 2022 12:54
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/21595
PPN: 50065011X
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