Um Cellulosefibrillen zu isolieren, wird der in grossen Mengen verfügbare Sulfit- oder Sulfatzellstoff verwendet. Je nach Auftrennungsart – mechanischem oder chemischmechanischem Verfahren – werden verschieden feine Fibrillen gewonnen. Durch rein mechanische Bearbeitung entstehen fibrilläre Strukturen mit einem Durchmesser zwischen 20 und 100 nm und mit einer Länge von mehreren Mikrometern. Aus der Kombination von chemischen und mechanischen Auftrennungsmethoden resultieren sogar noch feinere fibrilläre Strukturen: Ihre Durchmesser bewegen sich im Bereich von nur noch wenigen Nanometern.

Morphologischer, biologischer und chemischer Charakter der Fibrillen

Die Dimensionen und die Morphologie dieser isolierten Fibrillen werden an der Empa unter dem Elektronenmikroskop bestimmt. Einzelne Fibrillen bilden Netzstrukturen aus, die nach einer Präparation auf Glimmerplättchen gut sichtbar gemacht werden können. Auch biologische Charakterisierungen finden in Zusammenarbeit mit dem Anatomischen Institut der Universität Bern statt: In einem In-vitro-Versuch zur biologischen Wirkung von Cellulosefibrillen in der Lunge werden Fibrillen in verschiedenen Konzentrationen und über verschiedene Zeitspannen in Makrophagen resp. in Bindegewebszellen von Schweinen inkubiert. Chemische Charakterisierungen beinhalten die Bestimmung der Kettenlänge des Fibrillen bildenden Polysaccharids Cellulose. Es zeigt sich, dass vor allem ein chemischer Aufschluss eine deutliche Verminderung der Kettenlänge zur Folge hat. Dennoch weisen auch diese Fibrillen immer noch Längen im Mikrometer-Bereich auf. Mit dem Wissen um die Eigenschaften lassen sich Reaktivität und Beschaffenheit der Fibrillen gezielt beeinflussen.

Erstaunliches Speichervermögen

Eine intensive Dispergierung von aufgeschlossenen Cellulosefibrillen in Wasser führt – auch bei nur geringem Feststoffanteil von ca. 2% – zu einem festen Gel. Netzwerke von Cellulosefibrillen können deshalb auf hervorragende Weise Wasser speichern. Mit dieser Eigenschaft versehen bieten sich die transparenten Fibrillen bestens für den Einsatz z.B. in Anstrichstoffen an. Sie können helfen, deren Dispergierverhalten und deren Festigkeitseigenschaften massgeblich zu optimieren.

Polymere mit Cellulosefibrillen verstärken

In ersten Einbettungsversuchen konnten die Zugfestigkeiten der Composite, verglichen mit den Polymeren ohne Fibrillen,um ein Mehrfaches gesteigert werden. Der natürliche Ursprung, die vielversprechenden Festigkeitseigenschaften sowie die minimale Grösse der verstärkenden Cellulosefibrillen machen sie für eine Kombination mit (Bio-)Polymeren sehr attraktiv. Einsatzgebiete von mit Cellulosefibrillen verstärkten (Bio-)Polymeren könnten sich in Bereichen ergeben, in denen eine biologische Abbaubarkeit bei gleichzeitig hohen Anforderungen an mechanische Festigkeit und gegebenenfalls visuelle Transparenz gefordert wird (z.B. in Medizin, Lebensmittelbereich, Gartenbau).

Zusammen mit Industriepartnern möchte die Empa die Produktionsmenge von Cellulosefibrillen auf den Kilogrammmassstab anheben. Es sollen verschiedene Verfahren der Compoundierung von Cellulosefibrillen und Polymeren an der Empa weiter erforscht und die Eigenschaften und Einsatzmöglichkeiten der Composites ermittelt werden.

Ansprechpersonen:

Tanja Zimmermann, Abteilung Holz, Tel. +41 1 823 43 89, E-mail: tanja.zimmermann@empa.ch (weitere Expertenartikel von T. Zimmermann)

Evelyn Pöhler, Abteilung Holz, Tel. +41 1 823 40 74, E-mail: evelyn.poehler@empa.ch

Dr. Thomas Geiger, Abteilung Funktionspolymere, Tel. +41 1 823 47 23, E-mail: thomas.geiger@empa.ch

T. Zimmermann, E. Pöhler, P. Schwaller: Mechanical and Morphological Properties of Cellulose Fibril Reinforced Nanocomposites
Advanced Engineering materials, 2005, Vol. 7, N°. 12, pp 1156-1161

T. Zimmermann, E. Pöhler, T. Geiger: Cellulose Fibrils for Polymer Reinforcement
Advanced Engineering materials, 2004, Vol. 6, N°. 9, pp 754-761

Preise:

Collano Förderpreis 2003

Poster Award des "5th Global Wood and Natural Fibre Composites Symposium", April 27-28, 2004, Kassel/Germany