Cellulosananofibriller (CNFs) hör till naturens mest fundamentala byggstenar och förser naturliga material, såsom den yttre cellväggen i trä, med en otrolig styrka och styvhet. Genom att imitera träets arkitektur öppnas möjligheter upp för tillverkning av nya, biobaserade och lättviktiga strukturella material med mekaniska egenskaper som överskrider de för glasfiber, metaller och legeringar. Den ingenjörsmässiga utmaningen ligger i att framgångsrikt lyckas överföra de önskade mekaniska egenskaperna hos CNFs till filament som kan användas i material för dagligt bruk. Vid flödesfokuserad spinning av extraherade CNFs påverkar många parametrar den slutgiltiga funktionaliteten och kvaliteten hos de resulterande filamenten. För att optimera dessa processparametrar är mätning av de spunna filamentens dimensioner ett viktigt moment. Av särskilt intresse är filamentbredden, eftersom den är avgörande för de mekaniska egenskaperna. Karakterisering av filamentbredden är i dagsläget en mycket tidskrävande process där varje filament mäts manuellt i optiskt mikroskop. Det huvudsakliga målet med detta projekt är att effektivisera den nuvarande mätprocessen med avseende på både hastighet och noggrannhet med hjälp av laserspridning. I denna rapport visar vi på minst en halvering av nuvarande mättid vid användandet av en 3D-printad laseruppställning istället för ett optiskt mikroskop vid mätning av filamentbredd. Våra resultat indikerar att mätsäkerheten generellt är högre för lasermetoden jämfört med mikroskopin. Genomsnittliga standardavvikelser för mätvärden på tunnaste bredden från mikroskopi samt de två olika kurvanpassningsmetoderna vid lasermätning rapporteras vara 1.62, 0.85 (Curve fit) respektive 1.59 (Minima matching). Standardavvikelserna för tunnaste bredd korrelerar dock inte direkt mot metodernas noggrannhet eftersom de spunna filamenten uppvisar en stor variation i bredd längs med längden. En närmare jämförelse mellan mätvärden för matchade punkter på ideala och defekta filament demonstrerar att icke-uniforma och defekta filament påverkar mätnoggrannheten för laserspridningen negativt. Sammantaget stödjer våra resultat det faktum att ett tunnare filament resulterar i bättre upplösning och mindre mätfel vid mätning med laserspridning. Våra resultat visar på den stora potentialen för laserspridning som en mer effektiv mätmetod vid karakterisering av cellulosafilamentbredd. / Cellulose nanofibrils (CNFs) are one of nature’s most fundamental building blocks, providing incredible strength and stiffness to natural materials, such as the outer cell wall layer in wood. By mimicking the architecture of wood, possibilities opens up for the fabrication of new, biobased, light-weight structural materials with mechanical properties exceeding that of glassfibers, metals and alloys. However, the engineering challenge lies in successfully managing to translate the desirable mechanical properties of the CNFs into filaments that can be used in everyday life materials. Throughout the process of spinning the extracted CNFs into filaments, many factors and parameters affect the ultimate functionality and performance of the resulting filaments. Measuring the dimensions of the spun filaments is a crucial step in further optimizing process parameters. The width of the filament especially, impacts its mechanical performance. The characterization of the cellulose filament width is currently very time-consuming as each filament is manually measured using optical microscopy. The primary goal of this project is to make the current characterization process more effective, with respect to both accuracy and speed of measurement, by using laser scattering. In this report, we demonstrate a reduction by more than a half in measurement time using a 3D-printed laser scattering setup instead of an optical microscope when measuring filament width. Our results indicate that the certainty in measurement is generally higher for lase rscattering compared to optical microscopy. The mean standard deviations (SD) for the smallest widths estimated with optical microscopy and the two curve fitting methods used for the laser measurements are reported to be 1.62, 0.85 (Curve fit) and 1.59 (Minima matching) respectively. However, standard deviations for the thinnest width does not correlate directly to the accuracy of the methods since the spun filaments show a large variation in width along the length. A closer comparison between measurement values for matched points at ideal and non-uniform filaments demonstrate that the accuracy of the laser measurements are dependent on the uniformity of the filaments, with non-uniform filaments negatively impacting the accuracy. Our overall results supports the fact that a thinner filament gives a better resolution and smaller error when measuring with laser. Our results provide evidence for the great potential of laser scattering as a more efficient method for cellulose filament width determination.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:UPSALLA1/oai:DiVA.org:kth-314942 |
| Date | January 2022 |
| Creators | Konstantinidou, Alexandra, Holmström, Saga, Hellberg, Susanna |
| Publisher | KTH, Fiber- och polymerteknologi |
| Source Sets | DiVA Archive at Upsalla University |
| Language | English |
| Detected Language | Swedish |
| Type | Student thesis, info:eu-repo/semantics/bachelorThesis, text |
| Format | application/pdf |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
| Relation | TRITA-CBH-GRU ; 2022:222 |
Page generated in 0.0028 seconds