Pseudomorphe Umwandlung von Cellulose-basierten Papieren zu funktionalen keramischen Papieren

• Antragsteller: Professor Dr. Hans-Joachim Kleebe; Professor Ralf Riedel
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 411442613

Im beantragten Projekt wird der Porenraum von Cellulose-basierten Papiermaterialien zur in-situ Erzeugung von funktionellen keramischen Papieren mit hierarchischer Porosität und Morphologie genutzt. Eine der Hauptzielsetzungen ist die pseudomorphe Umwandlung morphologischer und topologischer Merkmale von Zellstoff-basiertem Papier auf keramische Systeme mit dem Einsatz geeigneter Polymer-basierter Single-Source-Precursoren (SSPs). Die Morphologie des Cellulose-Papiers soll darüber hinaus in-situ mit 1D-Nanostrukturen versehen werden, die die Eigenschaften des keramischen Papiers wie Porenstruktur, Hochtemperaturstabilität oder Flexibilität beeinflussen können. Zur Herstellung von keramischen Papieren werden Zellstoffpapiere zunächst via Kondensationsreaktionen mit metallhaltigen präkeramischen Polymeren Oberflächenmodifiziert und in einem weiteren thermischen Schritt in keramische Papiere (Perimorphosen) mit einer hierarchischen Multiskalen-Porosität und -Morphologie umgewandelt. Dabei werden vorwiegend Metall-modifizierte SiOC-, Si(C)N-basierte keramische Papiere hergestellt, die mittels einer thermischen Umwandlung geeigneter SSPs bei Temperaturen von 700–900°C hierarchische Makro/Meso-Porositäten aufweisen. Die Modifizierung mit geeigneten metallhaltigen Polymeren resultiert in der lokalen Ausscheidung von Metall- oder Metallsilicid-Nanopartikeln innerhalb der Polymermatrix. Eine Keramisierung bei höheren Temperaturen zwischen 1100–1500°C führt zur in-situ Bildung von SiC- oder Si3N4-basierten 1D-Nanostrukturen, die funktionelle Metall- oder Metallsilicid-Tips (wie z. B. Fe, Ni, Ti, Fe3Si) aufweisen. Hierbei sind Fragestellungen zur Oberflächenfunktionalisierung von Zellstoffpapier sowie zu Effekten des hierarchischen Papier-Porenraums auf das Keramisierungsverhalten der SSPs von zentraler Bedeutung. Neben der Herstellung der keramischen Papiere, werden die im Porenraum erzeugten 1D-Nanostrukturen eingehend mit elektronenoptischen Methoden charakterisiert. Die zentrale Fragestellung hierbei ist, wie die Mikrostruktur, der Phasenbestand und die Topologie der keramischen Papiere und der funktionellen 1D-Nanofasern nach erfolgreicher pseudomorpher Umwandlung beschaffen sind. Daher wird eine detaillierte Materialcharakterisierung von der Mikrometer- (REM) bis zur Nanometerskala (TEM) durchgeführt. Übergeordnet gilt es, ein skalenübergreifendes Verständnis der Papiermorphologie und resultierender intrinsischer Nanostrukturen zu erlangen, um maßgeschneiderte Eigenschaftsprofile zu erzeugen. Ein weiterer wesentlicher Aspekt ist die Fragestellung, inwieweit die intrinsische Struktur der individuellen Papierfaser erhalten bleibt (Perimorphose), bzw. welche Art der Porosität und des Phasenbestandes nach erfolgter Umwandlung innerhalb des ursprünglichen Faser-Filaments vorliegen. Des Weiteren soll die Fragestellung berücksichtigt werden, inwieweit eine mechanische Flexibilisierung der erzeugten keramischen Papiere erzielt werden kann.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen