Characterization and Utilization of Interactions in Wet and Dry Cellulose Nanofibrillar Networks
Tid: On 2024-06-05 kl 13.00
Plats: F3 (Flodis), Lindstedtsvägen 26 & 28, Stockholm
Språk: Engelska
Ämnesområde: Fiber- och polymervetenskap
Respondent: Farhiya Alex Sellman , Fiberteknologi, Wallenberg Wood Science Center, Wallenberg Wood Science Center
Opponent: Professor Alexander Bismarck, University of Vienna, Österrike
Handledare: Professor Lars Wågberg, VinnExcellens Centrum BiMaC Innovation, Linné Flow Center, FLOW, Fiberteknologi, Wallenberg Wood Science Center, Wallenberg Wood Science Center; Professor adjungerad Per Tomas Larsson, Wallenberg Wood Science Center, Fiberteknologi, RISE Bioeconomy; Doktor Tobias Benselfelt, Wallenberg Wood Science Center, Ytbehandlingsteknik, Fiberteknologi, Wallenberg Wood Science Center
QC 20240508
Embargo godkänt av skolchef Amelie Eriksson Karlström via e-post 2024-05-08
Abstract
Att utvidga vår förståelse för hur cellulosafibrer och fibriller interagerar med vatten och dess effekt på deras inneboende egenskaper är nödvändigt för att optimera deras användning vid tillverkning av nya biobaserade material, men även i traditionella produkter (massa, papper och förpackningar).
Det övergripande målet med arbetet i denna avhandling var att fördjupa förståelsen för strukturella förändringar orsakade av torkning och cellulosa-vatten interaktioner med hjälp av cellulosabaserade modellmaterial. Cellulosa nanofibriller (CNFs) användes då de har en fördel med sin definierade geometri och kontrollerade ytkemi i jämförelse med makroskopiska cellulosafibrer.
Den första delen avhandlar de grundläggande interaktionerna mellan CNFs i kontakt med vatten och efter vattenborttagning, och ägnas åt att identifiera de molekylära mekanismerna bakom processen som kallas hornifiering. Detta gjordes genom att studera CNF-ark som utsatts för olika värmebehandlingar för att fastställa en koppling mellan deras svällningsegenskaper, kemiska och strukturella egenskaper samt mekaniska beteende. Resultaten indikerar att förhorning styrs av icke-kovalenta interaktioner och att diffusionen av vatten tillbaka in i ett förhornat CNF-nätverk är kinetiskt begränsad. Sedan studerades inflytandet av fibrillernas längd-bredd förhållande och kemisk funktionalitet på de mekaniska egenskaperna hos våta fibrillnätverk. Fibriller framställdes från fibrer med olika hemicellulosahalt. Resultaten visade att längre fibriller bildade styvare och mer töjbara material, tack vare en längre och mer jämn fördelning av belastningsöverföring. Dessutom bildar fibriller med högt längd-bredd förhållande nätverk som kan hålla större mängder vatten. Det var också möjligt att förklara inflytandet av längd-bredd förhållande på nätverksbildningen, där långa och korta fibriller bildar nätverk med olika topologier. Dessa resultat integrerades i en mekanisk nätverksmodell för att presentera en förbättrad elastoplastisk beskrivning av nätverksegenskaperna.
Den andra delen av avhandlingen presenterar potentiella tillämpningar där kontroll av vattenupptaget i fibrillnätverken krävs. Anisotropa fibrillära hydrogeler framställdes för att fungera som aktuatorer och superabsorbenter. Med hjälp av kunskapen som byggts upp i första delen av avhandlingen kunde vattenupptaget i fibrillnätverken maximeras. Detta resulterade i CNF hydrogelaktuatorer som långt överträffade konventionella hydrogeler i aktuatorprestanda, och integration av CNF-ark i en superabsorbent heterostruktur, där det starkast bundna vattnet kan behållas vid höga tryck.