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Nanomechanical characterisation methods for cellulosic fibres

Auernhammer, Julia (2021):
Nanomechanical characterisation methods for cellulosic fibres. (Publisher's Version)
Darmstadt, Technische Universität,
DOI: 10.26083/tuprints-00020198,
[Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Status: Publisher's Version
Title: Nanomechanical characterisation methods for cellulosic fibres
Language: English
Abstract:

Paper is a material that has been used for thousands of years. It is made from natural and renewable raw materials. It consists of randomly distributed fibres that form a whole sheet of paper through their connections. Because paper is also recyclable and can be produced in large quantities, it is a promising substrate material for various applications such as sensor technologies or microfluidics. However, the technical application of paper is impeded by the loss of mechanical stability when paper comes into contact with moisture. Thus, the loss of mechanical properties must be understood under the influence of relative humidity and the wet strength must be improved. In this work, advanced atomic force microscopy-based methods are introduced to characterise the mechanical behaviour of cellulosic fibres under humid conditions. Furthermore, hydrophobic terpolymers are introduced as wet strength polymers and investigated as function of the relative humidity to show the enhancement of the wet strength of the cellulosic fibres. At first, the mechanical properties of individual, freely suspended cotton linter fibres were investigated as a function of the relative humidity. Individual fibres were bent stepwise by static atomic force microscopic bending tests along the longitudinal axis with a colloidal probe. This created a detailed picture of the mechanical behaviour of the fibre as a function of the relative humidity. The data were evaluated in combination with confocal laser scanning microscopy and scanning electron microscopy. This enabled insights into the dependency of swelling, bending ability, contact stress, and stress-strain diagrams and the macroscopic fibril orientation on the fibre surface. In addition, the intrinsic mechanical properties of cellulosic fibres were determined by force- volume mapping with atomic force microscopy. Here, the mechanical properties of unprocessed cotton fibres were compared with processed cotton linter fibres in the dry and wet state. By measuring the local elastic modulus as function of the fibre depth, the wall structure of the fibres could be assumed. The wall structure was also observed by dying the fibres with fluorescence-active protein markers using confocal fluorescence laser scanning microscopy. This allowed the investigation of the papermaking process and the removal of the upper layers. In addition, the influence of fibre wetting on the predicted wall structure was investigated. Subsequently, the influence of the relative humidity on the mechanical properties of cotton linter and eucalyptus fibre bundles as well as single fibres was examined. In addition, theeffectiveness in improving the wet strength of a promising polymer coating (terpolymer P(S- co-MABP-coPyMa)) was determined. The polymer coating distribution was revealed with scanning electron microscopy and fluorescence microscopy. Contact angle measurements confirmed the hydrophobic character. With the help of Raman spectroscopy, it could be demonstrated that the amount of water that was absorbed differed between the coated and uncoated fibres. Static and quasi-static atomic force microscopy measurements revealed differences in the mechanical properties between the cotton linter and eucalyptus fibres and the polymer-coated fibres in different states of relative humidity. In a last step, the stability of fibre-fibre joints was investigated via a static atomic force microscopy-based method. Through static force-distance curves and a high spring constant cantilever the fibre-fibre joints could be displaced and the maximum applied force was determined. Additionally, the relative humidity was varied to investigate the behaviour of the joints under these humid conditions. The maximum applied force on the fibre-fibre joint was related to the bonded area and the angle between the two fibres to identify the more characteristic parameter for fibre joint strength. Furthermore, a technology promising terpolymer coating P(DMAA-co-MABP-co-RhodBMA) was investigated to prevent softening of the joints with increasing RH. The polymer coatings were tested on a H2O and an IPA solution basis and exhibited both an increase in fibre-fibre joint strength under dry and humid conditions.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

Papier ist ein seit Jahrtausenden genutztes Material, welches aus natürlichen und erneuerbaren Rohstoffen hergestellt wird. Es besteht aus zufällig verteilten Fasern, die durch ihre Verbindungen ein ganzes Blatt Papier formen. Dadurch, dass Papier zudem recyclebar ist und in großen Mengen produziert werden kann, ist es ein vielversprechendes Substratmaterial für verschiedene Anwendungen wie Sensortechnik oder Mikrofluidik. Die technische Anwendung von Papier wird jedoch durch den Verlust der mechanischen Stabilität, wenn Papier in Kontakt mit Feuchtigkeit kommt, erschwert. Dadurch muss der Verlust der mechanischen Eigenschaften unter Feuchte verstanden werden und die Nassfestigkeit verbessert werden. In dieser Arbeit werden fortgeschrittene Rasterkraftmikroskopie basierende Methoden vorgestellt, um das mechanische Verhalten von Cellulosefasern in feuchten Umgebungen zu charakterisieren. Darüber hinaus werden hydrophobe Terpolymere eingeführt und untersucht, um die Nassfestigkeit der Cellulosefasern zu verbessern. Zunächst wurden die mechanischen Eigenschaften in Abhängigkeit der relativen Luftfeuchte von einzelnen Baumwolllinters Fasern untersucht. Die freihängende Faser wurde durch statische Rasterkraftmikroskopische Biegeversuche entlang der longitudinalen Achse mit einer kolloiden Sonde Stück für Stück gebogen. Dadurch entstand ein detalliertes Gesamtbild des mechanischen Verhaltens der Faser in Abhängigkeit der Luftfeuchte. Die Daten wurden in Kombination mit konfokaler Laserrastermikroskopie und Rasterelektronenmikroskopie ausgewertet. So konnten Einblicke in die Abhängigkeit von Quellen, Biegungsfähigkeit, Kontaktspannung und Spannungs-Dehnungs Diagramme und der makroskopischen Fibrillenorientierung an der Faseroberfläche gewonnen werden. Außerdem wurden mittels der statischen Kartierung (Force-Volume Mapping) in der Rasterkraftmikroskopie die intrinsischen mechanischen Eigenschaften von Cellululosefasern bestimmt. Hierbei wurden unverarbeitete Baumwollfasern mit verarbeiteten Baumwolllintersfasern verglichen. Durch die Messung des lokalen E-Moduls in die Tiefe der Fasern konnte die Wandstruktur der Fasern angenommen wurden. Die Wandstruktur wurde durch die Einfärbung der Fasern mit fluoreszenz-aktiven Markern mit der konfokale Fluoreszenz-Laserrastermikroskopie überprüft. So konnten der Papierherstellungsprozess und das Abtragen der oberen Schichten untersucht werden. Zudem wurde der Einfluss von der relativen Luftfeuchte auf die Wandstruktur der Fasern untersucht. Danach wurde der Einfluss von relativer Luftfeuchte auf die mechanischen Eigenschaften bei Baumwolllinters und Eukalyptus Faserbündel und einzelnen Fasern untersucht, sowie die Effektivität einer Polymerbeschichtung (Terpolymer P(S-co-MABP-coPyMa)). Die Polymerbeschichtung wurde mit Hilfe von Rasterelektronenmikroskopie und Fluoreszenzmikroskopie sichtbar gemacht und Kontaktwinkelmessungen bestätigten den hydrophoben Charakter. Mit Hilfe von Ramanspektroskopie konnte nachgewiesen werden, dass die Menge von Wasser, die absorbiert wurde, Unterschiede zwischen den beschichteten und unbeschichteten Fasern aufwies. Die statische und quasi-statische Rasterkraftmikroskopie offenbarte Unterschiede in den mechanischen Eigenschaften zwischen den Linters- und Eukalyptus Fasern und den polymerbeschicheten Fasern in verschiedenen Zuständen der relativen Luftfeuchte. Zuletzt wurde die Stabilität von Faser-Faser-Verbindungen untersucht. Über eine statische AFM-basierte Methode konnten die mechanischen Eigenschaften und die Festigkeit der Faserverbindungen untersucht werden. Durch statische Kraft-Abstands-Kurven und eine hohe Federkonstante konnten die Faser-Faser-Verbindungen auseinander gedrückt und die maximal aufgebrachte Kraft erfasst werden. Zusätzlich wurde die Variation der relativen Luftfeuchtigkeit einbezogen, um das Verhalten der Faserverbindungen in einer feuchten Umgebung zu untersuchen. Die maximal auf die Faser-Faser Verbindung ausgeübte Kraft wurde auf die Kontaktfläche und dem Winkel zwischen den beiden Fasern bezogen, um einen weiteren wichtigeren Parameter für die Festigkeit der Faserverbindung zu identifizieren. Darüber hinaus konnte gezeigt werden, dass neue Terpolymerbeschichtungen P(DMAA-co- MABP-co-RhodBMA) an den Faser-Faser-Verbindungen ein Aufweichen der Fugen bei steigender relativer Luftfeuchte verhindern. Die Polymerbeschichtungen werden auf H2O- und Isopropanol-Lösungsbasis getestet. Beide Polymerbeschichtungen zeigten eine erhöhte Festigkeit sowohl im trockenem als auch in den Luftfeuchten Zuständen.

German
Place of Publication: Darmstadt
Collation: XX, 185 Seiten
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 500 Naturwissenschaften
Divisions: 11 Department of Materials and Earth Sciences > Material Science > Physics of Surfaces
TU-Projects: DFG|STA1026/8-1|Nanomechanische Char
Date Deposited: 15 Dec 2021 10:21
Last Modified: 15 Dec 2021 10:22
DOI: 10.26083/tuprints-00020198
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-201981
Referees: Stark, Prof. Dr. Robert ; Klitzing, Prof. Dr. Regine von
Refereed: 10 December 2021
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/20198
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