Die vorliegende Arbeit ist eine Untersuchung, inwieweit die Herstellung eines kartonbasierter POCT mit Kapillaren zum Transport von Flüssigkeiten mit Hilfe von Nanocellulose und additiv gefertigten Prägewerkzeugen möglich ist. Die Nanocellulose wurde von RISE aus Schweden zur Verfügung gestellt. Rheologische Untersuchungen ergaben, dass diese mit Hilfe eines Bingham-Modells beschrieben werden können und einer Fließgrenze unterliegen.
Die Nanocellulose wurde mit Hilfe der konventionellen direkten Druckverfahren Flexo-, Tief- und Siebdruck auf verschiedene Kartonsorten aufgetragen. Der Flexo- und Tiefdruck erwies sich aufgrund einer Saffman-Taylor-Instabilität als ungeeignet zur Erzeugung von homogenen Schichten. Verschiedene Untersuchungen zeigten, dass mit Hilfe des Siebdrucks unter Verwendung eines Siebs mit sehr hoher Nassfarbschichtdicke die besten Ergebnisse erzielt werden konnten.
Die Nutzung von offenen Kapillaren in POCT erfordert einen möglichst geringen Kontaktwinkel. Durch das Applizieren von Nanocellulose konnte sowohl der Kontaktwinkel des Kartons auf einen geeigneten Wert reduziert werden als auch das Penetrationsverhalten insofern verändert werden, dass die Penetration einer aufgetragenen Flüssigkeit zunächst in der Nanocellulose stattfindet. Die Penetration in den Karton selbst wurde durch die Nanocellulose stark verzögert. Die Funktionalität von offenen Kapillaren konnte im Rahmen dieser Arbeit aufgrund von mangelnder Herstellgenauigkeit der additiven Fertigung und begrenzter Kartonauswahl nicht erreicht werden. Allerdings konnten mit Hilfe einer Folienkaschierung funktionelle geschlossene Kapillaren erzeugt werden, welche einen Flüssigkeitstransport durch Kapillarkräfte über eine Distanz von 25 mm ohne Penetration in den Karton ermöglichen. Dies zeigt, dass die Herstellung und Nutzung von kartonbasierten POCT theoretisch möglich ist.:Abbildungsverzeichnis X
Tabellenverzeichnis XIV
Abkürzungsverzeichnis XV
Symbolverzeichnis XVI
1 Einleitung 19
2 Ziele 23
3 Theoretische Grundlagen 25
3.1 Nanomaterial 25
3.2 Cellulose 26
3.3 Nanocellulose 27
3.3.1 Cellulose Nanofibrillen (CNF) 28
3.3.2 Cellulose Nanokristalle (CNC) 30
3.3.3 Carboxymethyl-Cellulose (CMC) 31
3.4 Rheologie 31
3.4.1 Eigenschaften von Suspensionen mit Nanopartikeln 32
3.4.2 Bingham-Fluide 32
3.5 Druckverfahren 34
3.5.1 Siebdruck 34
3.5.2 Tiefdruck 36
3.5.3 Flexodruck 37
3.6 Prägen 38
3.7 Microfluidic Devices und Kapillaren 39
3.7.1 Geschlossene Kapillaren 40
3.7.2 Offene Kapillaren 41
3.8 Ultraschallmessung des Penetrationsverhaltens 42
4 Materialien 45
4.1 Nanocellulose 45
4.2 Druckformen 45
4.3 Bedruckstoff 46
5 Rheologische Untersuchungen der Nanocellulose 49
5.1 Vorgehensweise 49
5.1.1 Viskositätsmessung 49
5.1.2 Erfassung der Strukturerholung 50
5.2 Ergebnisse 50
5.2.1 Viskosität 50
5.2.2 Strukturerholung 52
5.2.3 Vergleich mit konventionellen Druckverfahren 53
6 Explorative Studie 55
6.1 Druckversuche 55
6.1.1 Siebdruck 55
6.1.2 Flexo- und Tiefdruck 56
6.2 Vorgehensweise der Auswertung 57
6.3 Ergebnisse und Diskussion der Druckversuche 59
6.3.1 Visuelle Homogenität der Oberfläche 59
6.3.2 Einfluss auf Bedruckstoff 62
6.3.3 Rauheit 63
6.3.4 Kontaktwinkel 65
6.3.5 Wasserfestigkeit 66
6.3.6 Penetrationsverhalten 66
6.4 Prägewerkzeuge und -versuche 73
6.5 Ergebnisse und Diskussion der Prägeversuche 76
6.6 Erkenntnisse der explorativen Studie 79
7 Weiterentwickelte Studie 81
7.1 Vorgehensweise 81
7.2 Ergebnisse 82
7.2.1 Siebdruck 83
7.2.2 Vollprägung 85
7.2.3 Reliefprägung 90
7.3 Erkenntnisse der weiterentwickelten Studie 91
7.4 Empfehlungen für weitere Studien 93
8 Zusammenfassung und Ausblick 95
Literaturverzeichnis XCVII
Anhänge / The present work is an investigation into the potential of fabricating a cardboard-based POCT with capillaries for transporting fluids using nanocellulose and additive manufactured embossing tools. The nanocellulose was provided by RISE from Sweden. Rheological studies showed that they can be described using a Bingham model and are subject to a yield point.
The nanocellulose was applied to various types of cardboard using the conventional direct printing processes of flexographic, gravure and screen printing. Flexo and gravure printing proved unsuitable for producing homogeneous layers due to a Saffman-Taylor instability. Various investigations showed that screen printing using a screen with a very high wet ink film thickness produced the best results.
The use of open capillaries in POCT requires the lowest possible contact angle. By applying nanocellulose, it was possible to reduce the contact angle of the cardboard to a suitable value and to change the penetration behavior in that the penetration of an applied liquid first takes place in the nanocellulose. Penetration into the cardboard itself was greatly delayed by the nanocellulose. The functionality of open capillaries could not be achieved in this work due to lack of manufacturing accuracy of additive manufacturing and limited cardboard selection. However, functional closed capillaries could be created using film lamination, allowing fluid transport by capillary forces over a distance of 25 mm without penetration into the cardboard. This shows that the production and use of cardboard-based POCT is theoretically possible.:Abbildungsverzeichnis X
Tabellenverzeichnis XIV
Abkürzungsverzeichnis XV
Symbolverzeichnis XVI
1 Einleitung 19
2 Ziele 23
3 Theoretische Grundlagen 25
3.1 Nanomaterial 25
3.2 Cellulose 26
3.3 Nanocellulose 27
3.3.1 Cellulose Nanofibrillen (CNF) 28
3.3.2 Cellulose Nanokristalle (CNC) 30
3.3.3 Carboxymethyl-Cellulose (CMC) 31
3.4 Rheologie 31
3.4.1 Eigenschaften von Suspensionen mit Nanopartikeln 32
3.4.2 Bingham-Fluide 32
3.5 Druckverfahren 34
3.5.1 Siebdruck 34
3.5.2 Tiefdruck 36
3.5.3 Flexodruck 37
3.6 Prägen 38
3.7 Microfluidic Devices und Kapillaren 39
3.7.1 Geschlossene Kapillaren 40
3.7.2 Offene Kapillaren 41
3.8 Ultraschallmessung des Penetrationsverhaltens 42
4 Materialien 45
4.1 Nanocellulose 45
4.2 Druckformen 45
4.3 Bedruckstoff 46
5 Rheologische Untersuchungen der Nanocellulose 49
5.1 Vorgehensweise 49
5.1.1 Viskositätsmessung 49
5.1.2 Erfassung der Strukturerholung 50
5.2 Ergebnisse 50
5.2.1 Viskosität 50
5.2.2 Strukturerholung 52
5.2.3 Vergleich mit konventionellen Druckverfahren 53
6 Explorative Studie 55
6.1 Druckversuche 55
6.1.1 Siebdruck 55
6.1.2 Flexo- und Tiefdruck 56
6.2 Vorgehensweise der Auswertung 57
6.3 Ergebnisse und Diskussion der Druckversuche 59
6.3.1 Visuelle Homogenität der Oberfläche 59
6.3.2 Einfluss auf Bedruckstoff 62
6.3.3 Rauheit 63
6.3.4 Kontaktwinkel 65
6.3.5 Wasserfestigkeit 66
6.3.6 Penetrationsverhalten 66
6.4 Prägewerkzeuge und -versuche 73
6.5 Ergebnisse und Diskussion der Prägeversuche 76
6.6 Erkenntnisse der explorativen Studie 79
7 Weiterentwickelte Studie 81
7.1 Vorgehensweise 81
7.2 Ergebnisse 82
7.2.1 Siebdruck 83
7.2.2 Vollprägung 85
7.2.3 Reliefprägung 90
7.3 Erkenntnisse der weiterentwickelten Studie 91
7.4 Empfehlungen für weitere Studien 93
8 Zusammenfassung und Ausblick 95
Literaturverzeichnis XCVII
Anhänge
| Identifer | oai:union.ndltd.org:DRESDEN/oai:qucosa:de:qucosa:92637 |
| Date | 17 July 2024 |
| Creators | Schmidt, Arne |
| Contributors | Hochschule für Technik, Wirtschaft und Kultur Leipzig |
| Publisher | Open Access Hochschulverlag |
| Source Sets | Hochschulschriftenserver (HSSS) der SLUB Dresden |
| Language | German |
| Detected Language | German |
| Type | info:eu-repo/semantics/updatedVersion, doc-type:masterThesis, info:eu-repo/semantics/masterThesis, doc-type:Text |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
| Relation | urn:nbn:de:bsz:l189-qucosa2-925776, qucosa:92577 |
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