Zeitschrift für fortgeschrittene Chemieingenieurwesen

Abstrakt

Hybrider chemischer Modifizierungsansatz für Zellulosefasern, eingesetzt in Polymerverbundwerkstoffanwendungen

Stefan Cichosz und Anna Masek

Die folgende Forschungsstudie unterstreicht die Bedeutung eines unverzichtbaren Prozesses bei der Modifizierung von Zellulosefasern (Arbocel UFC100 – Ultra Fine Cellulose), der die Eigenschaften des Biopolymers leicht verändern kann – das Trocknen. Die Studie liefert ein breites Spektrum an Informationen über die Auswirkungen des Trocknungsprozesses auf die chemische Behandlung der Zellulose und die Eigenschaften von zellulosegefüllten Polymerverbundstoffen auf Basis eines Ethylen-Norbornen-Copolymers (TOPAS Elastomer E-140). Diese Forschung unterstreicht die Bedeutung der Reduzierung des Feuchtigkeitsgehalts durch UFC100 im Hinblick auf Anwendungen in Polymerverbundstoffen, bei denen andere Techniken als die Wärmebehandlung zum Einsatz kommen. Daher wird ein neuer hybrider chemischer Modifizierungsansatz eingeführt (Abb.). Er besteht aus zwei Schritten: Lösungsmittelaustausch (mit Ethanol oder Hexan) und chemische Behandlung (Maleinsäureanhydrid – MA). Hybride chemische Modifikation von Zellulosefasern: Pfad 0 – normale Oberflächenmodifikation mit MA, Pfad 1 – Lösungsmittelaustausch vor der Oberflächenmodifikation mit MA, Pfad 2 – Lösungsmittelaustausch nach der Oberflächenmodifikation mit MA. Hervorzuheben ist, dass bei allen durchgeführten UFC100-Behandlungen eine Verringerung des Feuchtigkeitsgehalts festgestellt werden konnte. Dennoch kann behauptet werden, dass der Einsatz von Ethanol stark zur Verringerung der Wasseraufnahmefähigkeit von Zellulose beiträgt (bis zu 1,65 %). Darüber hinaus wurde hinsichtlich der mechanischen Eigenschaften der Verbundproben die größte Leistungsverbesserung bei der Probe TOPAS + UFC100/ND/MA/1/E festgestellt. Hier wurde nicht getrocknete Zellulose nach einem Lösungsmittelaustausch mit Ethanol mit MA modifiziert. Darüber hinaus wurde bei dieser Probe auch eine Verbesserung des Speichermoduls festgestellt. Sowohl der Payne-Effekt als auch der Füllstoffeffizienzfaktor weisen auf eine mögliche verstärkende Wirkung des Füllstoffs hin. In der durchgeführten Forschung wurde ein neuer Ansatz zur hybriden Füllstoffmodifizierung vorgestellt, der zweifellos eine wissenschaftliche Neuheit darstellt. Darüber hinaus wurden wertvolle Daten zu den Eigenschaften von Verbundwerkstoffen, die mit Zellulosefasern unterschiedlichen Feuchtigkeitsgehalts gefüllt sind, bereitgestellt (thermisch, mechanisch, strukturell).