Skalenübergreifende Charakterisierung der Wechselwirkung von Cellulosegrenzflächen mit Polymeren

• Antragstellerin: Professorin Dr. Regine von Klitzing
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 405629430

Ziel des Teilprojektes ist ein besseres Verständnis und damit verbunden eine bessere Kontrolle der Anbindung von Polymeren an Papierfasern. Ein wichtiger Forschungsansatz des Antrages ist es, Papiere mit Hilfe von Polymeren zu funktionalisieren und ihnen so neue bzw. verbesserte Eigenschaften wie erhöhte Nassreißfestigkeit und bessere Transporteigenschaften aufzuprägen. Die Herausforderung ist eine langzeit-stabile Anbindung der Polymere an das Papier über Chemi- oder Physisorption bei Erhaltung der Quellfähigkeit. Um die Immobilisierung verschiedener Polymersysteme an die Grenzfläche der Papierfaser und den Einfluss auf die Eigenschaften von Papier besser verstehen und kontrollieren zu können, sind insbesondere genaue Untersuchungen auf kleineren Längenskalen notwendig. Im vorliegenden Projekt wird die haftvermittelnde Funktionsweise der Polymere auf verschiedenen kleinen Längenskalen (nm – einige µm) untersucht. Da viele Methoden (Ellipsometrie, AFM, Reflektometrie) zur Grenzflächencharakterisierung eine planare Grenzfläche erfordern, wurden in der ersten Förderperiode wasser-stabile planare Modelloberflächen aus Cellulose, die chemisch eine Papierfaseroberfläche imitieren, präpariert. In der 2. Förderperiode wird der Fokus noch stärker auf unterschiedliche Rauigkeiten und Topographieunterschiede (Poren, orientierte Strukturierungen) der Modelloberfläche gelegt, um unterschiedliche Faseroberflächen nachzustellen. Hierfür werden dünne Filme aus mikrokristalliner Cellulose (MCC), Cellulosefasern (nanofibrillierte Cellulose, NFC) und Trimethylsilyl-Cellulose (TMSC) auf planaren Substraten hergestellt. Weiterhin soll der Zusammenhang zwischen der Struktur, dem Quellverhalten und den mechanischen Eigenschaften von Polymeren und Celluloseoberfläche verstanden werden. Neben der Quellbarkeit in Wasser wird auch das Quellen in ionischen Flüssigkeiten untersucht (C1). In einem nächsten Schritt soll die Polymeranreicherung an den Faserkreuzungspunkten und deren Wirkung auf das mechanische Verhalten der Faserkreuzungspunkte besser verstanden werden (B1, B3). Hierfür wird das Modellsystem dahingehend erweitert, dass eine Papierfaser (Durchmesser: einige µm) auf die Celluloseoberfläche adsorbiert und die Polymeradsorption in der Nähe der Papierfaser mittels Rasterkraftmikroskopie untersucht wird. In diesem Zusammenhang soll Einfluss der Orientierung der Papierfasern auf die Polymeranbindung bei gleichzeitiger Mobilität der Polymere verstanden und kontrolliert werden.Neben den Polymeren aus A3 sollen die in unserer Arbeitsgruppe hergestellten polymeren Mikrogelpartikel eingesetzt werden. Die weichen Mikrogelpartikel sind stark adhäsiv und wirken daher faserverbindend. Diese Mikrogele reagieren auf äußere Reize wie Temperatur und pH-Wert und sollen langfristig eingesetzt werden, um Papiere mit Sensoreigenschaften aufzubauen. Neben Polymeren soll mit C2 auch die Anbindung von Peptiden untersucht werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen