Neue Verarbeitungsmethoden für Cellulose-Nanokomposite

Im Forschungsprojekt wurde die wissenschaftliche Basis erarbeitet, um einfach skalierbare Prozesse für die Herstellung von Nanokompositen aus CNCs und technologisch relevanten Kunststoffen zu entwickeln. In einem ersten Schritt arbeiteten die Forschenden an Verfahren um homogene Mischungen der beiden Komponenten mit möglichst guten mechanischen Eigenschaften herzustellen. In einem zweiten Schritt wurde untersucht, wie die Nanozellulose von Beschädigungen geschützt werden kann, die sie in der konventionellen Schmelzverarbeitung durch hohe Temperaturen und hohe Scherkräfte erleidet. In einem dritten Schritt wurde die Beschichtung der Nanozellulose mit einem universellen Phasenvermittler verfolgt, der das Mischen mit verschiedenen Kunststoffen erleichtern soll.

In der Vergangenheit wurde bereits eine breite Palette an Nanokompositen aus verschiedenen Kunststoffen und CNCs hergestellt. Die Herstellungsprozesse dieser Materialien im Labormassstab konnten jedoch bislang nicht auf einen kommerziellen Massstab übertragen werden. Daher sind sie technologisch von geringer Bedeutung geblieben und haben noch nicht zu bedeutenden industriellen Anwendungen geführt.

Das Forschungsprojekt verfolgte das Ziel, neue skalierbare und robuste Produktionsverfahren für Nanokomposite aus technologisch relevanten Kunststoffen und Zellulose-Nanokristallen (celluose nanocrystals, CNCs) aus Holz zu entwickeln. Damit soll der Schweizer Holzwirtschaft der Weg zur industriellen Produktion von Werkstoffen aus Zellulose-Nanokristallen geebnet werden.

Die Erkenntnisse aus dem Projekt haben zu einem besseren Verständnis der Zusammenhänge zwischen Verarbeitungsprozess, Struktur und Eigenschaft von Zellulose-Nanokompositen geführt. Dies sollte es erleichtern, neue Herstellungsverfahren und Materialkonzepte zu entwickeln. Signifikante Fortschritte sind bei allen Prozessschritten erzielt worden, so dass man der industriellen Herstellung von Kompositwerkstoffen mit Nanozellulose (u. a. aus Holz) deutlich näher gekommen ist.

Die Ergebnisse zeigen einen Zusammenhang zwischen Scherkräften, der CNC-Degradierung und den mechanischen Eigenschaften der Materialien. Bei einer Mischung mit geringer Scherung hatten die Materialien maximale mechanische Eigenschaften, da die gut dispergierten CNCs nicht degradiert wurden und ihre ursprüngliche Morphologie beibehielten. Die Ergebnisse dieser Studie wurden erfolgreich angewendet, um Nanokomposite aus CNCs und Polyethylen (LDPE), Polyamid und verschiedenen Polyurethanen zu fertigen. Damit wurde demonstriert, dass es möglich ist, eine signifikante mechanische Verstärkung durch den Einsatz hochskalierbarer Mischprozesse mit niedriger Scherung zu erzielen.

Processing of polymer/cellulose nanofiber composites