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Mikromechanik von lignocellulosischen Fasern

Micromechanics of lignocellulosic fibers

Caterina Czibula (ORCID: 0000-0002-7962-5796)
  • Grant-DOI 10.55776/T1314
  • Förderprogramm Hertha Firnberg
  • Status beendet
  • Projektbeginn 01.09.2021
  • Projektende 31.08.2024
  • Bewilligungssumme 246.120 €
  • Projekt-Website

Wissenschaftsdisziplinen

Maschinenbau (40%); Werkstofftechnik (60%)

Keywords

    Micromechanics, Lignocellulosic fibers, Viscoelasticity, Brillouin light scattering microspectroscopy

Abstract Endbericht

Heute wird unsere Welt von smarten Technologien dominiert, die unseren Alltag massiv prägen. Es gibt jedoch einen natürlichen und nachhaltigen Stoff, der unser Leben schon viel länger verbessert. Holz ist seit jeher ein wichtiger Baustoff. Das Zerlegen von Holz in seine kleinsten Fragmente lignocellulosische Fasern (LCFs) und deren Behandlung führt zu Produkten, die mit unserem Alltag verbunden sind: Papier, das das geschriebene Wort durch die Zeit getragen hat, ist ein Klassiker in vielen Formen und Karton als zuverlässiges Verpackungsmaterial sorgt für Komfort mit Online- Shopping und Essenszulieferung. Obwohl sich der Gebrauch stark unterscheidet, ist das Grundmaterial immer dasselbe. Eine LCF hat eine komplexe hierarchische Struktur, die aus mehreren Schichten besteht. Die Faserform kann man sich als Hohlzylinder mit spitzen Enden vorstellen. Während ein Baumstamm massiv ist, sind LCFs fein. Bei 1-5 Millimeter Länge und einem Durchmesser von mehreren zehn Mikrometern (wie ein einzelnes Haar) ist die Handhabung einzelner LCFs nicht einfach. Aufgrund dieser Charakteristiken gibt es kaum experimentelle Methoden, die eine genaue Charakterisierung der mechanischen und strukturellen Eigenschaften der LCFs ermöglichen. Da LCFs die Hauptkomponente vieler Produkte sind, ist die Kenntnis ihrer mechanischen Eigenschaften für Verbesserungen unerlässlich. Einfach gesagt: Wenn dasselbe Verhalten mit weniger LCFs erreicht werden kann, müssen weniger Bäume gefällt werden. Außerdem hat die Modellierung von Fasernetzwerken an Bedeutung gewonnen und mit steigender Komplexität der Modelle steigt der Bedarf an experimentellen Daten, die das Verhalten der LCFs genau wiedergeben. Hier werden die Grenzen mechanischer Techniken (MT) für einzelne LCFs wie Zugprüfung und Nanoindentation überwunden, indem Brillouin Lichtstreuungsmikrospektroskopie (BLSM) als optische, kontaktlose Methode implementiert wird. BLSM basiert auf der inelastischen Streuung von Licht. Laserlicht interagiert mit akustischen Phononen, was eine Frequenzverschiebung der Streupeaks verursacht, die mit den elastischen Eigenschaften der LCFs zusammenhängt. Beim Zugversuch sind die Eigenschaften nur in Prüfrichtung zugänglich, was für LCFs nicht ausreicht, da sie anisotrop sind. BLSM hingegen ermöglicht die Messung der elastischen Konstanten in allen drei Dimensionen. Zunächst wird BLSM für LCFs angepasst, indem simple Cellulosematerialien untersucht und BLSM- Resultate mit MT-Ergebnissen verknüpft werden. In einem nächsten Schritt werden strukturelle und feuchtigkeitsinduzierte Veränderungen von LCFs erforscht. Die Messung elastischer Konstanten von LCFs mit BLSM und deren Vergleich mit denen von MT-Messungen, wird von großer Bedeutung sein. Weiters wird die Eignung von BLSM-Daten für Faser- und Netzwerkmodelle untersucht. Insgesamt wird erwartet, dass die Anwendung von BLSM in diesem Projekt das mikromechanische Verhalten von LCFs beleuchtet und zu einem besseren Verständnis ihres Verhaltens führt.

Lignocellulosische Fasern sind in Alltagsprodukten wie Taschentüchern, Toilettenpapier, Kleidung und Verpackungen unverzichtbar. Diese Fasern sind unglaublich dünn und kurz, was ihre Untersuchung schwierig macht. Im Rahmen des Projekts Mikromechanik von Lignocellulosischen Fasern wurde eine laser-basierte Technik namens Brillouin-Spektroskopie angewendet, um diese Herausforderungen zu bewältigen. Diese berührungslose Methode macht eine komplizierte Probenvorbereitung überflüssig und offenbart das gesamte mechanische Verhalten der Fasern. Im Gegensatz zu herkömmlichen Tests, die sich in der Regel auf eine Richtung (meist entlang der Faserachse) konzentrieren, erfasst der entwickelte Ansatz die komplexen, richtungsabhängigen (anisotropen) mechanischen Eigenschaften der Faser. Das Ergebnis ist ein vollständiges Verständnis der Steifigkeit der Faser, was in weiterer Folge hilft das Produktverhalten besser zu verstehen.

Forschungsstätte(n)
  • Technische Universität Graz - 100%
Nationale Projektbeteiligte
  • Kareem Elsayad, Medizinische Universität Wien , nationale:r Kooperationspartner:in
  • Christian Teichert, Montanuniversität Leoben , nationale:r Kooperationspartner:in
  • Manfred Hannes Ulz, Technische Universität Graz , nationale:r Kooperationspartner:in
  • Megan J. Cordill, Österreichische Akademie der Wissenschaften , nationale:r Kooperationspartner:in
Internationale Projektbeteiligte
  • Artem Kulachenko, KTH Stockholm - Schweden
  • Ingo Burgert, ETH Zürich - Schweiz
  • Kristie Koski, University of California at Davis - Vereinigte Staaten von Amerika

Research Output

  • 17 Zitationen
  • 17 Publikationen
  • 3 Datasets & Models
  • 1 Wissenschaftliche Auszeichnungen
  • 3 Weitere Förderungen
Publikationen
  • 2025
    Titel Atomistic Framework for Glassy Polymer Viscoelasticity Across 20 Frequency Decades
    DOI 10.48550/arxiv.2511.18406
    Typ Preprint
    Autor Singh A
    Link Publikation
  • 2025
    Titel NSSC pulp treatment with the Fenton reaction: fiber modification for reduced energy consumption in papermaking
    DOI 10.1515/npprj-2024-0081
    Typ Journal Article
    Autor Hopf L
    Journal Nordic Pulp & Paper Research Journal
  • 2025
    Titel Combining Brillouin Light Scattering Spectroscopy and Machine-Learned Interatomic Potentials to Probe Mechanical Properties of Metal-Organic Frameworks.
    DOI 10.1021/acs.jpclett.4c03070
    Typ Journal Article
    Autor Lindner Fp
    Journal The journal of physical chemistry letters
    Seiten 1213-1220
  • 2024
    Titel The elastic stiffness tensor of cellulosic viscose fibers measured with Brillouin spectroscopy
    DOI 10.1088/2515-7647/ad4cc6
    Typ Journal Article
    Autor Czibula C
    Journal Journal of Physics: Photonics
  • 2024
    Titel How the Test Setup Can Affect Single Fiber Tensile Testing
    DOI 10.1080/15440478.2024.2328264
    Typ Journal Article
    Autor Czibula C
    Journal Journal of Natural Fibers
  • 2026
    Titel Variability and repeatability of laboratory-scale kraft cooks of European spruce and pine
    DOI 10.1007/s13399-025-07021-6
    Typ Journal Article
    Autor Poschner R
    Journal Biomass Conversion and Biorefinery
  • 2026
    Titel Probing cellulose hydrogel dehydration with Brillouin spectroscopy: Insights into mechanical properties
    DOI 10.1063/5.0299927
    Typ Journal Article
    Autor Simões M
    Journal Applied Physics Letters
  • 2025
    Titel Ionic liquid treatment of flax fibers and the effects on morphology and mechanical properties
    DOI 10.1016/j.msea.2025.148675
    Typ Journal Article
    Autor Pachernegg-Mair L
    Journal Materials Science and Engineering: A
  • 2025
    Titel The tensile behaviour of paper under high loading rates.
    DOI 10.1007/s10570-024-06266-0
    Typ Journal Article
    Autor Baumann G
    Journal Cellulose (London, England)
    Seiten 1201-1219
  • 2024
    Titel Fractionation of wood due to industrial chipping: effects and potential for Kraft pulping of European spruce.
    DOI 10.1007/s10570-024-05804-0
    Typ Journal Article
    Autor Czibula C
    Journal Cellulose (London, England)
    Seiten 3129-3142
  • 2024
    Titel On the development of a high strain-rate tensile testing method for thin low-impedance materials
    DOI 10.1016/j.matlet.2023.135498
    Typ Journal Article
    Autor Baumann G
    Journal Materials Letters
  • 2024
    Titel The potential of Brillouin Spectroscopy for investigating the mechanical properties of hydrogels during dehydration
    Typ Journal Article
    Autor Czibula C
    Journal Arxiv Preprint
    Link Publikation
  • 2024
    Titel Combining Brillouin spectroscopy and machine learned interatomic potentials to probe mechanical properties of metal organic frameworks
    Typ Journal Article
    Autor Lindner F. P.
    Journal Arxiv preprint
    Link Publikation
  • 2024
    Titel A digital-twin driven Split Hopkinson bar layout for the tensile characterization of thin, low impedance, sheet-like materials
    DOI 10.1016/j.ijimpeng.2024.105098
    Typ Journal Article
    Autor Baumann G
    Journal International Journal of Impact Engineering
  • 2022
    Titel The effect of the strain rate on the longitudinal modulus of cellulosic fibres
    DOI 10.1007/s10853-022-07722-7
    Typ Journal Article
    Autor Zizek M
    Journal Journal of Materials Science
    Seiten 17517-17529
    Link Publikation
  • 2022
    Titel Surmounting the thermal processing limits: Patterning TiZrCuPdSn bulk metallic glass even with nanocrystallization
    DOI 10.1016/j.mtadv.2022.100316
    Typ Journal Article
    Autor Cai F
    Journal Materials Today Advances
    Seiten 100316
    Link Publikation
  • 2022
    Titel Nanoindentation for Fast Investigation of PET Film Degradation
    DOI 10.1007/s11837-022-05278-0
    Typ Journal Article
    Autor Christöfl P
    Journal JOM
    Seiten 2287-2294
    Link Publikation
Datasets & Models
  • 2022 Link
    Titel The effect of the strain rate on the longitudinal modulus of cellulosic fibres
    DOI 10.3217/6qtya-fmf85
    Typ Database/Collection of data
    Öffentlich zugänglich
    Link Link
  • 2025 Link
    Titel Brillouin Spectroscopy Data of a Single Viscose Fiber
    DOI 10.3217/bgbzk-b8d23
    Typ Database/Collection of data
    Öffentlich zugänglich
    Link Link
  • 2024 Link
    Titel Combining Brillouin light scattering spectroscopy and machine learned interatomic potentials to probe mechanical properties of metal organic frameworks
    DOI 10.3217/fvahy-htj04
    Typ Database/Collection of data
    Öffentlich zugänglich
    Link Link
Wissenschaftliche Auszeichnungen
  • 2024
    Titel L'Oréal Austria 2024 fellowship
    Typ Research prize
    Bekanntheitsgrad National (any country)
Weitere Förderungen
  • 2024
    Titel KoMME Licht - Kontaktlose Messung Mechanischer Eigenschaften mittels Laserlicht
    Typ Research grant (including intramural programme)
    Förderbeginn 2024
    Geldgeber Land Steiermark
  • 2024
    Titel Hair MATTERS
    Typ Fellowship
    Förderbeginn 2024
    Geldgeber For Women in Science L'Oréal, UNESCO, ÖAW, Bundesministerium für Wissenschaften
  • 2025
    Titel Understanding and Predicting the Failure of Cellulosic Materials
    Typ Research grant (including intramural programme)
    Förderbeginn 2025
    Geldgeber Austrian Science Fund (FWF)

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