Cellulosefibrillen in den Zellwänden von Pflanzenfasern sind für dessen ausserordentlich hohe Zugfestigkeiten verantwortlich. Diese Fibrillen oder Fibrillenbündel werden in der Grössenordnung von Durchmessern unter 100 Nanometern und Längen im Mikrometerbereich aus industriell hergestellten Zellstoffen isoliert und für die Verstärkung von (Bio)Polymeren eingesetzt. Durch chemische Modifikation können unterschiedliche Polaritäten und Funktionalitäten der Fibrillen erzielt werden. Anwendungsmöglichkeiten bestehen z.B. im Verpackungsbereich, Medizinalsektor, Textilien, Klebstoffen, Oberflächenbehandlungen oder Nahrungsmitteln.

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Isolierung

• Rein mechanische Isolierung aus Holz-, Weizenstroh- oder Haferstrohzellstoff unter Anwendung eines Inline-Dispergierers (Ultra-Turrax) und eines Hochdruck-Scher-Homogenisators (bis 1800 bar).

Modifizierung

• Gute Anbindung der Cellulose Nanofibrillen (CNF) an die Zielmatrix wird angestrebt. Eine auf die Polarität der Matrix zugeschnittene Modifizierung wird notwendig.

Nanokomposite

• Die CNF werden für die Verbesserung des Eigenschaftsprofils (z.B. erhöhte Festigkeiten und Steifigkeiten) verschiedener (Bio)Polymere genutzt, u.a. Hydroxypropyl-Cellulose, Polyethylenoxid (PEO), Polyurethan, Polyvinylacetat (PVAc) oder Polymilchsäure.

• Mechanische Prüfungen (Zugversuche, dynamisch thermisch-mechanische Analyse)
• Lichtmikroskopie, Kraftmikroskopie
• Raster- und Transmissionselektronenmikroskopie
• IR-/UV-Spektroskopie
• Mechanischer Aufschluss von Cellulose Nanofibrillen (Inline- und Hochdruckdisperser bis 1800 bar)
• Nasschemie (chemische Modifizierung)
• Kompoundierung Cellulose Nanofibrillen/(Bio)polymere

Allgemeiner Kontakt: Tanja Zimmermann / Philippe Tingaut

Nutzung von nanoskaligen Cellulosefibrillen in Holzklebstoffen
Nanoskalige, aus Holzzellstoff gewonnene Cellulosefibrillen werden in Holzklebstoffe eingearbeitet, um deren Verarbeitungs- und Verklebungseigenschaften zu verbessern und damit geklebte Holzverbindungen leistungsfähiger und sicherer zu machen. Bei 1K-PUR-Systemen soll der Einsatz von Cellulosefibrillen eine Stabilisierung der Polymermatrix selbst als auch eine wesentliche Verbesserung des adhäsiven Bereichs, d.h. in der Uebergangszone zwischen dem Holz und dem Klebstoff bewirken. Bei wässrigen Dispersionsklebstoffen soll analysiert werden, ob die Cellulosefibrillen als Schutzkolloide dispergiertes PVAC stabilisieren und dabei gleichzeitig die Verarbeitungseigenschaften sowie die Verklebungsqualität, insbesondere die Feuchte- und Temperaturbeständigkeit verbessern. Die Projektarbeiten sehen Optimierungen im Herstell- und Verarbeitungsverfahren der Fibrillen und Fibrillen-Polymergemische vor, aus denen Empfehlungen für die Errichtung einer Pilotanlage abgeleitet werden. In der Projektierung werden die verfahrenstechnischen, wirtschaftlichen und energetischen Aspekte für eine industrielle Umsetzung ausgewiesen.
Kontakt: Tanja Zimmermann

Verbundwerkstoffe bestehend aus Nanofibrillierter Cellulose und Biopolymeren

Nanofibrillierte Cellulose (NFC) ist ein stark hydrophiles Material, das aufgrund seiner fibrillären Strukturen mit Durchmessern unterhalb 100 nm eine grosse Oberfläche aufweist. Die molekulare und supramolekulare Anordnung von Anhydroglucose Einheiten (die Grundbaustoffe der Cellulose) führt zur Ausbildung von kristallinen Bereichen, die für die aussergewöhnlich hohe Steifigkeit und Festigkeit von NFC verantwortlich sind. Aufgrund dieser überragenden mechanischen Eigenschaften bietet sich NFC als Verstärkung für Kunststoffe an, insbesondere zur Herstellung von grünen Verbundwerkstoffen mit Biopolymeren. Allerdings sind Biopolymere meist hydrophob, weshalb die beiden Komponenten nur einen schwachen Verbund ausbilden. Ausserdem kann NFC bisher lediglich in Form niedrig konzentrierter wässriger Suspensionen hergestellt werden, was die Weiterverarbeitung mit Biopolymeren erschwert. Zusätzlich entstehen durch den beträchtlichen Wasseranteil höhere Kosten für Lagerung und Transport des Materials, und es wird für mikrobiellen Abbau anfällig. NFC kann jedoch nicht einfach im Ofen getrocknet werden, denn dabei findet ein irreversibler Aggregationsprozess statt, der zum Verlust der vorteilhaften Eigenschaften des Materials führt. Im Rahmen dieses Projekts werden mit Hilfe von chemischer Modifizierung der NFC-Oberfläche neue Verfahren und Methoden zur Trocknung von NFC und zur Verbesserung der Adhäsion zwischen NFC und Biopolymer Matrices entwickelt. Das Projekt wird in Zusammenarbeit mit Luleå Technical University (LTU, Schweden) durchgeführt.
Kontakt: Tanja Zimmermann

Entwicklung von nachhaltigen Kompositmaterialien

Aufgrund ihrer hohen mechanischen Eigenschaften und des  hohen Längen-/Durchmesser-Verhältnisses, ist Mikrofibrillierte Cellulose (MFC) eine geeignete Verstärkungskomponente für Anwendungen in Nanokompositen. Um die angestrebten Eigenschaftsverbesserungen zu erreichen, müssen die natürlichen Nanofasern homogen in der jeweiligen Polymermatrix verteilt werden, was nicht einfach zu erreichen ist. Durch den stark hydrophilen Charakter und das hohe Längen-/Durchmesserverhältnis, wird in den meisten unpolaren kommerziellen Polymermatrices nur eine inhomogene Dispergierung der MFC erreicht, was sogar zu einer Verringerung der mechanischen Ei-genschaften des Nanokomposit-Materials führt. 
Die chemische Modifizierung der an der Oberfläche verfügbaren Hydroxylgruppen der MFC ist vielversprechend, um die Nanofasern auch unter nicht polaren Bedingungen einsetzen zu können.   Im Europäischen Projekt SustainComp (see http://www.sustaincomp.eu) arbeiten wir daran, che-misch modifizierte MFC in hydrophobe Biopolymermatrices (z.B. Polymilchsäure) einzubinden, um neuartige Bio-Nanokomposite mit einstellbaren Eigenschaften herzustellen. In diesem Zusam-menhang wurde gezeigt, dass die MFC Oberflächenveresterung eine erfolgreiche Methode ist, um hydrophobe Cellulose Nanofasern für die Entwicklung von Bio-Nanokompositen mit gewünschten Eigenschaften herzustellen
Kontakt: Philippe Tingaut