Mikromechanik von lignocellulosischen Fasern

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.