17 Juli 2019

Nano-Papier zum Sprühen

Neues Verfahren erzeugt dünne Zelluloseschichten im industriellen Maßstab

Mit einem neuen Sprühverfahren lassen sich sehr gleichmäßige Schichten aus Zellulose-Nanofasern (CNF) im industriellen Maßstab produzieren. Röntgenuntersuchungen an DESYs Forschungslichtquelle PETRA III sowie Untersuchungen mit einem Rasterkraftmikroskop und per Neutronenstreuung zeigen dabei, wie die Schichtstruktur aufgebaut ist und sich für verschiedene Zwecke wie beispielsweise extrem dünnes, glattes und festes Nanopapier maßschneidern lässt. Ein schwedisch-deutsches Forschungsteam um DESY-Wissenschaftler Stephan Roth stellt seine Strukturanalysen im Fachblatt „Macromolecules“ vor.

„Poröse, nanostrukturierte Zellulosefilme besitzen eine Reihe vorteilhafter Eigenschaften, die sie für verschiedene Anwendungen interessant machen, von ultrastarken bioaktiven Fasern bis hin zu transparentem leitfähigem Nanopapier“, erläutert der Hauptautor der Studie, Calvin Brett von DESY und der Königlich-Technischen Hochschule (KTH) Stockholm. „Sie sind leicht und temperaturstabil, haben hervorragende mechanische Eigenschaften, eine geringe Dichte und bestehen aus nachwachsenden Rohstoffen – die Zellulose-Nanofasern werden in der Regel aus Holz gewonnen.“

Die Untersuchung mit dem Rasterkraftmikroskop zeigt: Das Nano-Papier ist extrem glatt. Bild: DESY/KTH Stockholm, Calvin Brett

Die Untersuchung mit dem Rasterkraftmikroskop zeigt: Das Nano-Papier ist extrem glatt. Bild: DESY/KTH Stockholm, Calvin Brett

Damit sind die Zellulosefilme eine vielversprechende Alternative zu mineralölbasierten Kunststoffen und aussichtreiche Kandidaten für die Konstruktion von funktionalen Materialien wie Bio-Verbundwerkstoffen oder biologisch inspirierten Sensoren. So lassen sich beispielsweise funktionale Polymere oder andere Stoffe in die Poren des Zellulosefilms einbringen, um bestimmte Funktionen zu erzeugen.

Bei dem an der KTH Stockholm und bei DESY entwickelten Verfahren werden Zellulose-Nanofasern mit einer mittleren Länge von 500 Nanometern (millionstel Millimetern) und einer typischen Dicke von 3 bis 5 Nanometern in einer wasserhaltigen Trägerflüssigkeit auf einen Siliziumträger gesprüht. Das Trägermaterial wird auf 120 Grad Celsius aufgeheizt, um das Wasser zügig weitgehend zu verdampfen und die Zelluloseschicht so zu stabilisieren. Es entsteht eine sehr gleichmäßige, nur 200 Nanometer dünne Zelluloseschicht – eine Art ultradünnes und extrem glattes Papier. „Eine Kernfrage für die richtigen Eigenschaften ist dabei das Verhältnis zwischen der Schichtung der individuellen Nanofasern, der Porosität und der Nanostruktur innerhalb der Zellulosefilme“, erläutert Roth, der auch Professor an der KTH Stockholm ist.

Ein unbeschichteter (oben) und ein beschichteter Siliziumwafer. Die Nanozelluloseschicht ist nur 200 Nanometer dünn. Die Wafer sind je zwei Zentimeter breit und zehn Zentimeter lang. Bild: DESY/KTH Stockholm, Calvin Brett

Ein unbeschichteter (oben) und ein beschichteter Siliziumwafer. Die Nanozelluloseschicht ist nur 200 Nanometer dünn. Die Wafer sind je zwei Zentimeter breit und zehn Zentimeter lang. Bild: DESY/KTH Stockholm, Calvin Brett

An der von Roth geleiteten Messstation P03 an PETRA III untersuchte das Team die innere Struktur der Zellulosefilme mit Röntgenstrahlung. Die Analysen zeigten, dass die Menge des in den fertigen Zellulosefilmen noch gebundenen Wassers mit der elektrischen Oberflächenladung der aufgesprühten Nanofasern zunimmt. Diese elektrische Ladung lässt sich während der Produktion gezielt beeinflussen und somit die Eigenschaften des Films steuern. Gleichzeitig zeigten Untersuchungen mit dem Rasterkraftmikroskop, dass die Rauigkeit der Zellulosefilme mit steigender Oberflächenladung abnimmt. Je stärker die Einzelfasern elektrisch geladen sind, desto glatter wird der Film.

Weil Wasser besonders empfindlich von Neutronen nachgewiesen werden kann, nutzten die Forscher die Kleinwinkelstreuanlage KWS-1 des Forschungszentrums Jülich am Heinz Maier-Leibnitz Zentrum (MLZ) in Garching. Sie untersuchten, welche Folgen es hat, wenn das Material benetzt und getrocknet wird, und analysierten die Hohlräume im Film, in die sich funktionale Stoffe wie Polymere oder Metalle einschleusen lassen. Die Neutronenmessungen führten der Instrumentwissenschaftler Henrich Frielinghaus und die Wissenschaftler des Lehrstuhls für Funktionelle Materialien von Peter Müller-Buschbaum an der Technischen Universität München gemeinsam durch. „Mit unseren Daten können wir nun Zellulosefilme für bestimmte Anwendungen maßschneidern, die dafür beispielsweise das optimale Verhältnis zwischen Rauigkeit, Wassergehalt und Hohlräumen besitzen“, sagt Roth. „Neutronenstreuexperimente zeigen hier ihr volles Potenzial“, betont Müller-Buschbaum, wissenschaftlicher Direktor der Neutronenquelle FRMII in Garching.

Solche Schichten lassen sich nicht nur im Labor- sondern inzwischen auch im industriellen Maßstab produzieren: „Wir haben das Verfahren soweit hochskaliert, dass es damit jetzt erstmals möglich ist, auf eine 50 Meter lange Folie einen Zellulosefilm mit nur zwei Nanometern Rauigkeit aufzutragen“, betont Brett. In einem nächsten Schritt wollen die Forscher nun funktionale Polymere in den Zellulosefilm einbauen um auf diese Weise etwa ein Sensormaterial herzustellen.

Originalveröffentlichung:

Water-Induced Structural Rearrangements on the Nanoscale in Ultrathin Nanocellulose Films; Calvin J. Brett, Nitesh Mittal, Wiebke Ohm, Marc Gensch, Lucas P. Kreuzer, Volker Körstgens, Martin Månsson, Henrich Frielinghaus, Peter Müller-Buschbaum, L. Daniel Söderberg, and Stephan V. Roth; „Macromolecules“, 2019; DOI: 10.1021/acs.macromol.9b00531

Source: Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY), Pressemitteilung, 2019-07-09.

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