Towards functional nanopapers and hybrids

Auf der Suche nach nachhaltigen und erneuerbaren technischen Materialien werden freistehende Filme aus Nanocellulosefasern, welche oft, aufgrund der Ähnlichkeit ihrer Herstellung mit klassischen Papierherstellungsverfahren, als Cellulose-Nanopapiere (CNP) bezeichnet werden, als vielversprechende Kandidaten betrachtet, um fossile Kunststoffe zu ersetzen. Trotz ihres Potentials lassen sich auch mehrere zentrale Nachteile bei der Produktion und Verwendung von CNP identifizieren, wie zum Beispiel ihre inhärente Sprödigkeit sowie die zeitaufwändigen Verfahren, die für ihre Herstellung nötig sind. Des Weiteren führt die Modifizierung der Cellulose Oberfläche mit geladenen Gruppen – welche weitere Anwendungsgebiete erschließen würden – in vielen Fällen zu noch höherer Sprödigkeit und längeren Produktionszeiten. Das Ziel meiner Dissertation war daher, diese Herausforderungen durch die Modifikation von Produktionsbedingungen und der Entwicklung von Nachbehandlungsstrategien und einer Hybridisierungsstrategie, welche CNPs mit dicht funktionalisierten, hochvernetzten Polymeren kombiniert, zu adressieren. In meiner Dissertation konnte ich zeigen, dass die Behandlung von Nanopapieren mit stark alkalischen Lösungen – Merzerisierung genannt – eine partielle Umwandlung des mechanisch starken, aber spröden Cellulose I Allomorphs in das duktilere Cellulose II Allomorph ermöglichte. Mit dieser einfachen und schnellen Nachbehandlung konnte die Bruchdehnung der CNP verdreifacht werden und die Brucharbeit (bis zu 590 % des ursprungswertes), und damit die Zähigkeit der CNP, bei gleichzeitigem Erhalt von Zugfestigkeiten von über 100 MPa, signifikant erhöht werden. Während Merzerisierung die mechanischen Eigenschaften von CNP, welche durch Filtration hergestellt wurden, deutlich verbessern konnte, ohne den Prozess wesentlich zu verlangsamen, blieben dennoch die langen Filtrationszeiten ein wesentliches Problem bei der CNP-Produktion. Daher untersuchte ich die Verwendung von Ethanol/Wasser Gemischen anstelle von nur Wasser als Suspensionsmedium für die CNP-Herstellung und fand, dass so die Filtrationszeiten um über 70 % reduziert werden konnten. Die Verwendung ethanolischer Suspensionsmittel führte zwar zu poröseren, und infolgedessen mechanisch schwächeren CNP, jedoch konnte dies durch ein einfaches und schnelles Wiederbefeuchtungs- und Trocknungsprotokoll, welches im Zuge dieser Dissertation entwickelt wurde – kompensiert werden, sodass die resultierenden Nanopapiere ähnliche Dichten wie jene, welche aus wässrigen Suspensionen hergestellt wurden, erreichten. Die so nachbehandelten Nanopapiere wiesen eine fast dreimal höhere Bruchdehnung und bessere optischen Eigenschaften (höhere Transparenz und niedrigere Trübung) auf als die direkt aus wässrigen Suspensionen hergestellten Referenzpapiere. Aufbauend auf dieser Prozessplattform konnte die Verwendung eines ethanolischen Suspensionsmediums zur Herstellung von Hybridmaterialien erweitert werden, welche Nanocellulose mit sulfonierten und hochvernetzten Polymeren (SHCP) kombinieren. Durch die Immobilisierung von SHCP-Partikeln innerhalb eines Nanocellulose Netzwerks konnte ein Hybridmaterial geschaffen werden, das die Ultrafiltrationsfähigkeit von CNP und die hohe Ladungsdichte und große Oberfläche von SHCP vereint. So konnte die bereits etablierte erhöhte Filtrationsgeschwindigkeit und höhere Porosität – und damit auch Permeabilität – von CNP aus ethanolischen Suspensionen beibehalten werden, während die Zeit aufwändigen Reaktions- und Reinigungsschritte der Nanocellulose-Modifizierung entfielen. Die so hergestellten Hybridmembranen zeigten synergistische Effekte da sowohl die Permeabilität der Membranen stieg als auch die Cu2+ Ionen-Adsorptionskapazität des eingebetteten Polymers (≈100 mg g−1) die des reinen Polymers (71 mg g−1) und jene einiger kommerzieller Cu2+ Ionenaustauscher übertraf. Weiters erwiesen sich die Membranen als geeignet für die Adsorption von Spuren toxischer Schwermetalle wie Sr2+ und Ba2+ aus Lösungen mit starkem Überschuss an Wasserhärtebildnern wie Mg2+ und Ca2+, was ihre Eignung zur Wasserreinigung weiter unterstreicht. Insgesamt tragen die Ergebnisse dieser Dissertation dazu bei, CNP mit maßgeschneiderten mechanischen und optischen Eigenschaften und mit erweiterter Funktionalität durch effiziente Methoden herzustellen und so als Ersatz für fossile Hochleistungsmaterialien nutzbar zu machen. Die entwickelten Prozesse und Strategien bieten einen Leitfaden, um die aktuellen Grenzen in der Produktion von Nanocellulose basierten Papieren und Hybridmaterialien zu überwinden und so deren Einsatzgebiete zu erweitern.