Engineering Polyhydroxyurethane Nanocomposites with Cellulose and Chitin Nanomaterials
Tid: Ti 2025-10-14 kl 10.00
Plats: Kollegiesalen, Brinellvägen 8, Stockholm
Videolänk: https://kth-se.zoom.us/j/63944377485
Språk: Engelska
Ämnesområde: Kemi
Respondent: Pavithra Wijeratne , Glykovetenskap
Opponent: Professor Kristiina Oksman, Luleå tekniska universitet
Handledare: Professor Qi Zhou, Glykovetenskap, Wallenberg Wood Science Center; Professor Jean-Marie Raquez, University of Mons, Belgien
QC 20250917
Abstract
Övergången mot hållbara polymerer kräver alternativ till konventionella isocyanatbaserade polyuretaner som kan bibehålla prestanda samtidigt sommiljö- och hälsorisker minskas. Polyhydroxyuretaner (PHU), framställda genom aminolys av cykliska karbonater, utgör ett lovande alternativ men begränsas av måttliga mekaniska egenskaper och processeringsutmaningar. Denna avhandling behandlar dessa utmaningar genom att utveckla biobaserade PHU-nanokompositer förstärkta med polysackaridbaserade nanomaterial, med fokus på interfas-kompatibilitet, fyllmedelsmorfologi och processtrategier.
Den första delen betonar interfasengineering genom epoxihybridisering och polysackaridförstärkning. Inblandning av epoxihartser i PHU-matriser ökade elasticitetsmodul och draghållfasthet avsevärt, men på bekostnad av duktilitet, vilket ledde till sprött beteende vid högre epoxiinnehåll. Komplementär förstärkning med cellulosananokristaller (CNC) gav mer balanserade förbättringar genom att öka modul och hållfasthet samtidigt som brottöjningar över 240 % bibehölls, en avgörande fördel för mjuka tillämpningar som kräver seghet. Ett andra system fokuserade på segmenterade PHU förstärkta medCNC och partiellt deacetylerade kitinnanokristaller (ChNC), vilket ytterligare tydliggjorde interfasens betydelse. CNC, bundna via vätebindningar, tredubblade modulen (upp till 1.2 MPa), medan ChNC, kapabla till kovalent bindning med PHU-matrisen, uppnådde mer än 140-faldig ökning av modulen (58.8 MPa) och cirka 20-faldig ökning av draghållfastheten jämfört med obelagd segmenterad PHU.
Den andra delen undersöker processtrategier. Reaktiv extrudering användes som ett lösningsmedelsfritt tillvägagångssätt för att framställa PHU/ChNC nanokompositer med homogen dispersion och förbättrad termomekanisk stabilitet. Dessa kompositer uppvisade lagringsmoduler i det gummielastiska tillståndet upp till tre storleksordningar högre än ren PHU och visade ferroelektriskt liknande polariseringsomkoppling, vilket indikerar potential för energiutvinning. Parallellt tillämpades en vattenbaserad enstegssyntes för att framställa PHU-hydrogeler förstärkta med kitinnanofibrer i dubbelnätverksarkitektur (DN). Dessa DN-hydrogeler uppnådde kompressionsmoduler upp till 0.39 MPa i vått tillstånd och dragmoduler över 20 MPa efter torkning. Möjligheten att anpassa prestanda genom nanofibrernas yt-kemi och inblandning visade ytterligare metodens mångsidighet.
Sammanfattningsvis etablerar detta arbete systematiska strategier för att förbättra de mekaniska egenskaperna hos PHU genom att kombinera interfasengineering med processkontroll. Resultaten visar att förnybara nanofyllmedel, i kombination med skräddarsydd matrisdesign och skalbara processer, kan omvandla PHU till konkurrenskraftiga kandidater föravancerade tillämpningar där hållbara men högpresterande polymermaterial krävs.