Anisotrope Porenstruktur in Papier – Charakterisierung, Herstellung, Anwendungspotential

Helbrecht, Christiane (2024)
Anisotrope Porenstruktur in Papier – Charakterisierung, Herstellung, Anwendungspotential.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00027311
Dissertation, Erstveröffentlichung, Verlagsversion

URL / URN: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/27311

Kurzbeschreibung (Abstract)

Papierbasierte mikrofluidische Analysesysteme können ideale Diagnosetechnologien sein, insbesondere für kostengünstige Diagnosen. Für die endgültige Anwendung besteht jedoch noch Forschungsbedarf. Dies gilt insbesondere für das verwendete Papier. Für die Entwicklung papierbasierter mikrofluidischer Analysesysteme ist die Kenntnis der Zusammenhänge zwischen Papierstruktur, Herstellungsprozess und Eigenschaftsprofil von entscheidender Bedeutung. Ziel ist es, maßgeschneiderte Papiere mit den gewünschten Eigenschaften herstellen zu können. Im Hinblick auf papierbasierte mikrofluidische Analysesysteme ist die Porenstruktur, insbesondere die Porenstruktur in anisotropen Papieren, von besonderem Interesse. Zunächst wurde ein Verfahren entwickelt, mit dem mikrocomputertomographische Aufnahmen von Papier segmentiert und der Porenraum in einzelne Poren unterteilt werden kann. Weiterhin werden Möglichkeiten zur Charakterisierung der Poren aufgezeigt. Anschließend werden die Zusammenhänge zwischen den Fasereigenschaften und der Papierstruktur sowie dem Herstellungsprozess, insbesondere im Hinblick auf die Porenstruktur sowie den Wassertransport durch das anisotropische Papier, analysiert. Dafür wurden vier verschiedene Zellstoffe aus Eukalyptussulfat, Birkensulfat, Baumwolllinters sowie ein gebleichter Kraftzellstoff aus Kiefer und Fichte mit unterschiedlichen spezifischen Mahlenergien und Fraktionierstufen verwendet. Es wurden Papiere mit unterschiedlichem Faserorientierungsgrad hergestellt und geprüft. Es kann beobachtet werden, dass die Papiereigenschaften stark vom verwendeten Zellstofftyp abhängen. Zudem steigt die Fließgeschwindigkeit von Wasser innerhalb der Papierebene mit abnehmender spezifischer Mahlenergie und zunehmendem Anteil an Fasern, welche in Strömungsrichtung orientiert sind. Durch die gezielte Dosierung von Feinstoffen ins Papier konnte gezeigt werden, dass die Faserorientierung sowie die Fließgeschwindigkeit mit steigendem Feinstoffgehalt abnehmen. In weiteren Versuchen wurden Papiere mit lokal unterschiedlichen Papiereigenschaften unter Verwendung des „Faserdruckers“ durch Variation des Zellstoffs sowie von Herstellungsparametern hergestellt. Dadurch ist es möglich, den Wassertransport durch das Papier lokal zu beeinflussen. Mit chemisch modifizierten Fasern konnte Papier mit lokal hydrophilen sowie hydrophoben Bereichen hergestellt werden. Das Anwendungspotential wird abschließend diskutiert.

Typ des Eintrags:

Dissertation

Erschienen:

2024

Autor(en):

Helbrecht, Christiane

Art des Eintrags:

Erstveröffentlichung

Titel:

Anisotrope Porenstruktur in Papier – Charakterisierung, Herstellung, Anwendungspotential

Sprache:

Deutsch

Referenten:

Schabel, Dr.-Ing. Samuel ; Biesalski, Dr. Markus

Publikationsjahr:

4 Juni 2024

Ort:

Darmstadt

Kollation:

VI, 167 Seiten

Datum der mündlichen Prüfung:

15 Januar 2024

DOI:

10.26083/tuprints-00027311

URL / URN:

https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/27311

Kurzbeschreibung (Abstract):

Alternatives oder übersetztes Abstract:

Alternatives Abstract

Sprache

Paper-based microfluidic analyzers are promising technologies, especially for low-cost diagnostics. Nevertheless, further research is needed, particularly concerning the paper used in these devices. For the development of paper-based microfluidic analyzers, it is essential to understand the relationships between the paper structure, the manufacturing process, and the property profile. The aim is to be able to produce customized paper with desired characteristics. With regard to paper-based microfluidic analyzers, the pore structure is of great interest, especially the pore structure in anisotropic paper. First, a method was developed with which microcomputer tomographic images of paper can be segmented and divided into individual pores. Furthermore, possibilities for characterizing the pores are presented. Subsequent analysis explores the relationships between fiber properties, paper structure, and the manufacturing process, with a focus on pore structures and water transport through anisotropic paper. Four different pulps- eucalyptus sulphate, birch sulfate, cotton linters, and a bleached kraft pulp from pine and spruce- were utilized, each with different specific refining energies and fractionation stages. Papers with varying degrees of fiber orientation were produced and tested. It can be observed that the paper properties strongly depend on the pulp type used. In addition, the flow rate of water within the paper plane increases as the specific refining energy decreases and the proportion of fibers oriented in the direction of flow in-creases. Specific dosing of fines into the paper demonstrated that fiber orientation and flow velocity decrease with increasing fines content. In further experiments, papers with locally different paper properties were produced using a "fiber printer", where pulp and production parameters were varied. This enables localized control over water transport through the paper. Using chemically modified fibers, it was possible to produce paper with locally hydrophilic and hydrophobic areas. Finally, potential applications of these findings are discussed.

Englisch

Status:

Verlagsversion

URN:

urn:nbn:de:tuda-tuprints-273114

Sachgruppe der Dewey Dezimalklassifikatin (DDC):

600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften und Maschinenbau

Fachbereich(e)/-gebiet(e):

16 Fachbereich Maschinenbau
16 Fachbereich Maschinenbau > Fachgebiet für Papierfabrikation und Mechanische Verfahrenstechnik (PMV)

Hinterlegungsdatum:

04 Jun 2024 13:02

Letzte Änderung: