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A Study on Thermal and Nanomechanical Performance of Cellulose Nanomaterials (CNs)

机译：纤维素纳米材料（CNs）的热和纳米力学性能的研究

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摘要

Wood-based cellulose nanomaterials (CNs) (specifically, cellulose nanofibrils (CNFs) and cellulose nanocrystals (CNCs)) are environmentally sourced low-impact materials with remarkable thermal, mechanical, and physical properties. This uniqueness makes them great candidates for creating nanocomposite materials with a wide range of attributes. Investigating the morphological, thermal, and nanomechanical properties of CNs becomes crucial to intelligent development of novel composite materials. An atomic force microscope equipped with a nanoindenter was used to investigate the compression modulus of CNFs and CNCs using two analytical approaches (denoted as Oliver Pharr (OP) and Fused Silica (FS)). The CNC modulus values (ECNC-FS = 21.1 GPa, ECNC-OP = 28.7 GPa) were statistically larger than those obtained from CNFs (ECNF-FS = 12.4 GPa, ECNF-OP = 15.1 GPa). Additionally, the FS analytical approach provided statistically significant lower estimates. Thermal stability of CNFs and CNCs was investigated using thermogravimetric analysis. Significant differences were found between CNF and CNC onset temperatures (OnsetCNC = 228.2 °C, OnsetCNF = 279.9 °C), decomposition temperatures (DTGACNC = 247.9 °C, DTGACNF = 331.4 °C), and residues (ResidueCNC = 34.4%, ResidueCNF = 22.8%). This research enriches the information on thermal stability and nanomechanical performance of cellulose nanomaterials, and provides increased knowledge on understanding the effect of CNs as a matrix or reinforce in composites.
机译：木质纤维素纳米材料（CNs）（特别是纤维素纳米原纤维（CNFs）和纤维素纳米晶体（CNCs））是环保型低冲击材料，具有出色的热，机械和物理性能。这种独特性使它们成为制造具有多种属性的纳米复合材料的理想选择。研究CN的形态，热学和纳米力学性能对于智能开发新型复合材料至关重要。使用配备了纳米压头的原子力显微镜，使用两种分析方法（称为Oliver Pharr（OP）和熔融石英（FS））研究CNF和CNC的压缩模量。 CNC模量值（ECNC-FS = 21.1 GPa，ECNC-OP = 28.7 GPa）在统计上大于从CNF获得的数值（ECNF-FS = 12.4 GPa，ECNF-OP = 15.1 GPa）。此外，FS分析方法提供了具有统计意义的较低估计值。使用热重分析法研究了CNF和CNC的热稳定性。发现CNF和CNC起始温度（OnsetCNC = 228.2°C，OnsetCNF = 279.9°C），分解温度（DTGACNC = 247.9°C，DTGACNF = 331.4°C）和残留物（ResidueCNC = 34.4％，ResidueCNF = 22.8％）。这项研究丰富了有关纤维素纳米材料的热稳定性和纳米机械性能的信息，并提供了更多有关了解CNs作为基质或增强复合材料效果的知识。

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