haku: @keyword aerogel / yhteensä: 3
viite: 2 / 3
| Tekijä: | Mertaniemi, Henrikki |
| Työn nimi: | Biomimetic fibrous patterns and composite materials with nanofibrillated cellulose |
| Nanokuituselluloosaa sisältävät biologisia materiaaleja jäljittelevät kuiturakenteet ja komposiittimateriaalit | |
| Julkaisutyyppi: | Diplomityö |
| Julkaisuvuosi: | 2012 |
| Sivut: | 64 Kieli: eng |
| Koulu/Laitos/Osasto: | Teknillisen fysiikan laitos |
| Oppiaine: | Optiikka ja molekyylimateriaalit (Tfy-125) |
| Valvoja: | Ikkala, Olli |
| Ohjaaja: | |
| OEVS: | Sähköinen arkistokappale on luettavissa Aalto Thesis Databasen kautta.
Ohje Digitaalisten opinnäytteiden lukeminen Aalto-yliopiston Harald Herlin -oppimiskeskuksen suljetussa verkossaOppimiskeskuksen suljetussa verkossa voi lukea sellaisia digitaalisia ja digitoituja opinnäytteitä, joille ei ole saatu julkaisulupaa avoimessa verkossa. Oppimiskeskuksen yhteystiedot ja aukioloajat: https://learningcentre.aalto.fi/fi/harald-herlin-oppimiskeskus/ Opinnäytteitä voi lukea Oppimiskeskuksen asiakaskoneilla, joita löytyy kaikista kerroksista.
Kirjautuminen asiakaskoneille
Opinnäytteen avaaminen
Opinnäytteen lukeminen
Opinnäytteen tulostus
|
| Sijainti: | P1 Ark Aalto 195 | Arkisto |
| Avainsanat: | nacre clay aerogel cellulose nanofibers grids additive manufacturing helmiäinen aerogeeli savi selluloosa-nanokuidut ristikot pikavalmistus |
| Tiivistelmä (fin): | Hyödyntämällä biologisista materiaaleista ja rakenteista löydettyjä suunnitteluperiaatteita voitaneen valmistaa sellaisia vahvoja ja keveitä rakenteita, joiden valmistaminen perinteisillä tuotantomenetelmillä on vaikeaa. Biologisina malleina tällaisille uusille materiaaleille voidaan käyttää muiden muassa helmiäistä ja eräiden pesusienilajien lasista tukirankaa. Helmiäinen on kerrosrakenteensa ansioista ainakin sata kertaa sitkeämpää kuin sen pääasiallinen ainesosa, hauras aragoniitti. Helmiäisen murtamiseen tarvitaan paljon energiaa, sillä särön edetessä materiaalissa helmiäisen rakenne levittää kuormituksen ja vauriot tehokkaasti laajalle alueelle. Lasisienen tukirangassa biologinen komposiittimateriaali on yhdistetty optimoidusti muotoiltuun rakenteeseen. Tämä ristikkorakenne vaikuttaa olevan mekaanisesti mahdollisimman luja, kuitenkin sisältäen mahdollisimman vähä materiaalia. Myös nanokuituselluloosa on lupaava uusi, biologisesta lähteestä peräisin oleva materiaali. Selluloosa-nanokuitujen lujuuden ja puuperäisen selluloosan runsaan saatavuuden vuoksi selluloosa-nanokuidut ovat lupaava ainesosa uudenlaisiin materiaaleihin. Tässä työssä tutkittiin kahta lähestymistapaa vahvojen ja keveiden materiaalien valmistukseen. Suunnitteluun haettiin innoitusta elollisen luonnon ratkaisuista, ja materiaaleissa hyödynnettiin vahvaa luonnonmateriaalia, nanokuituselluloosaa. Ensimmäiseksi kehitettiin menetelmä, jolla voitiin valmistaa lasisienen rakennetta jäljitteleviä, makroskooppisista kuiduista koostuvia ristikoita nanokuituselluloosasta. Käyttäen 3D-tulostinta ja pikavalmistuksen periaatteita pystyttiin ohjelmoimaan ristikkorakenteiden valmistusta. Nanoselluloosasta valmistettujen makroskooppisten kuitujen havaittiin olevan vahvoja: vetolujuus oli 300 MPa. Kirjallisuuteen verrattuna äärimmäinen venymä oli yli kaksi kertaa suurempi, minkä vuoksi kuidut olivat huomattavasti sitkeämpiä. Ristisilloittamalla kemiallisesti selluloosa-nanokuituja makroskooppisten kuitujen sisällä pystyttiin parantamaan materiaalin suorituskykyä märässä ympäristössä. Tämän myötä materiaalia voi olla mahdollista hyödyntää biolääketieteellisissä sovelluksissa. 3D-tulostettujen ultrakeveiden ristikkorakenteiden havaittiin olevan merkittävästi lujempia vetokuormituksessa kuin puristuksessa. Ristikkorakenteissa ei kuitenkaan saatu hyödynnettyä yksittäisten kuitujen koko lujuuspotentiaalia. Kehittämällä ristikkojen valmistusprosesseja voitaneen saadaan aikaan erittäin vahvoja ja keveitä rakenteita. Lisäksi käytettiin helmiäistä jäljittelevää savi/polymeeri-komposiittimateriaalia yhdessä selluloosa-nanokuitujen kanssa aerogeelien valmistamiseen. Havaittiin, että savi/polymeeri/nanoselluloosaaerogeeleissä savihiutaleet todennäköisesti asettuivat täyttämään selluloosa-nanokuitujen väleihin jääviä huokosia aerogeelin mikrorakenteessa, ja näin aerogeelin huokoisuus pieneni. Tulokseksi saatiin pehmeitä aerogeelejä, joiden mekaaniset ominaisuudet olivat toistaiseksi vaatimattomat. |
| Tiivistelmä (eng): | Learning from material and structural design principles found in biological materials, it may be possible to manufacture strong and lightweight structures difficult to obtain via traditional fabrication. Biological models for such new materials include nacre and a glass sponge skeleton. The organized layered structure in nacre results in an at least hundredfold increase in toughness compared to its main constituent, the brittle mineral aragonite. The nacre structure effectively spreads stresses and damage to a wider area around a crack propagating in the material. Thus, breaking of nacre requires a large amount of energy. In the glass sponge skeleton, a biological composite material is combined with optimized structural design. The grid structure of the glass sponge appears to provide optimum mechanical performance with minimal material use. Another promising new material from a biological source is nanofibrillated cellulose. The strength of the cellulose nanofibers, together with the abundance of wood-based cellulose, makes cellulose nanofibers a promising component in novel materials. In this work, two approaches for fabricating strong and lightweight materials were explored, finding inspiration for design from biological systems and utilizing the strong natural material, nanofibrillated cellulose. First, a concept was developed to fabricate glass-sponge-mimicking structures with macroscopic fiber grids of nanofibrillated cellulose. Employing a 3D printer and principles of additive manufacturing, programmable fabrication of the grid structures was demonstrated. The macroscopic fibers prepared from nanofibrillated cellulose were found to be strong, having a tensile strength of 300 MPa. Compared to previous art, more than two times larger ultimate elongation was achieved, making the fibers remarkably tougher. Furthermore, chemically cross-linking the nanocellulose within the macroscopic fibers improved the material performance in wet environment, potentially enabling biomedical applications. 3D-printed ultra-lightweight grid structures were found to be considerably stronger in tension than in compression. Still, some of the potential strength of individual fibers was lost during the fabrication of grid structures due to defects. Further optimizing the fabrication process of the fibrous patterns, very strong and lightweight structures may be obtained. Second, a nacre-mimicking clay/polymer composite material was employed in combination with cellulose nanofibers in preparation of aerogels, i.e., gels where water is replaced with air. It was observed that in the clay/polymer/nanocellulose aerogels, clay platelets probably arrange to fill the pores between cellulose nanofibers in the sheet-like microstructure of the aerogel, making the aerogel less porous. The resulting aerogels were soft and had so far very limited mechanical strength. |
| ED: | 2012-10-17 |
INSSI tietueen numero: 45362
+ lisää koriin
INSSI