Holding paper fibres together – the role of fibre joints in cellulose network materials

QC 2025-02-18

Abstract

I dagens samhälle, där behovet av hållbara lösningar ökar och en cirkulär ekonomi är eftersträvansvärd, har pappersbaserade material en viktig roll att spela i att ersätta produkter av fossil plast i semistrukturella applikationer. Trots att papper är ett av de äldsta konstruerade materialen med ett fortsatt brett användningsområde, är materialets mekaniska beteende och attribut inte fullt klarlagda. Det är ett komplext system bestående av cellulosafibrer som hålls ihop av molekylära interaktioner, eller så kallade fiberfogar. För att kunna nyttja materialets egenskaper fullt ut och anpassa dess egenskaper till specifika applikationer är det nödvändigt att utvidga kunskaperna kring de fenomen som påverkar de mekaniska egenskaperna av cellulosabaserade fibermaterial.

Den här avhandlingen är resultatet av ett forskningsprojekt där flera fenomen och effekter relaterade till fiberfogar undersökts på olika nivåer i materialet. Torkningsprocessen av fiberfogarna har undersökts genom numeriska simuleringar av en sfär gjord av cellulosa – en förenklad modell av en fiberfog. Effekterna av torkningsprocessen undersöks även för olika typer av material på nätverksnivå genom hygroexpansionsmätningar. Nätverksegenskaperna undersöks vidare genom enaxlig dragprovning på flera olika materialtyper: olika fibermassor pressade till olika densitetsnivåer (i ett spann på 600–1000 kg/m³) och med varierande fogegenskaper. Genom att modifiera fiberytan fås starka fogar, medan nätverk med svaga fogar skapas genom torrformning, en ny formningsmetod som skapar nätverk genom att pressa torr fluffmassa. Ett urval av de provade nätverken med förstärkta fogegenskaper reproduceras i en fibernätverksmodell, där de ingående parametrarna, för fiber- och fogegenskaper, anpassas för att spegla den experimentella spännings-töjningskurvan. De torrformade materialen undersöks vidare genom att prova material i ett ännu bredare densitetsspann (60-1000 kg/m³) i tre lastriktningar: drag i planet, skjuv ut ur planet och kompression ut ur planet, genom vilket materialegenskapernas utveckling under formningsprocessen kan följas.

Resultaten understryker betydelsen av fiberfogarna, både vid nätverkets skapande och i hur det går sönder. Genom att ta hänsyn till torkningsprocessen kan en mer realistisk modell av fiberfogar skapas. De intorkade spänningarna i nätverken har också påvisats påverkas av både ökad nätverksdensitet och ytmodifieringar. Genom att kombinera dessa två uppnås nätverk med förbättrade mekaniska egenskaper, men effekten av modifieringarna mattas av tidigare i nätverk med hög densitet, jämfört med lägre densiteter. Dessa effekter fångas delvis upp av nätverksmodeller, där ytmodifieringarna kopplas till en förändring av nätverksstrukturen, vilket troligtvis är en konsekvens av ett ökande antal fogar i nätverket. De material med svaga fogar som studerats utmanar flera väletablerade sanningar: sammanhängande nätverk kan skapas utan att tillsätta vatten, men brottmekanismerna i dessa material är väsensskilda från det som ses i blötformade material på samma densitetsnivåer.

Fortfarande kvarstår många obesvarade frågor och möjliga undersökningar beträffande fiberfogar. De resultat och framsteg som presenteras här kan användas för att vidare utforska och förstå fiberfogarnas roll bättre, men också användas i vidareutveckling av nya produkter och för att skräddarsy deras mekaniska egenskaper.

urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-360025