Till innehåll på sidan
Till KTH:s startsida

Integrated Cellulosic Wood Aerogel Structures

Tid: Fr 2022-10-28 kl 10.00

Plats: F3, Lindstedtsvägen 26 & 28, Stockholm

Språk: Engelska

Ämnesområde: Fiber- och polymervetenskap

Respondent: Jonas Garemark , Biokompositer, Wallenberg Wood Science Center, Royal Institute of Technology (KTH)

Opponent: Dr Gustav Nyström, ETH Zürich

Handledare: Assistant Professor Yuanyuan Li, Wallenberg Wood Science Center, Biokompositer; Professor Lars Berglund, Biokompositer, Wallenberg Wood Science Center

Exportera till kalender

QC 2022-10-05

Abstract

Högporösa aerogeler baserade på förnybara material med strukturell funktionalitet är attraktiva för hållbar energireglering och energiutvinning. Strukturell anisotropi har potential att ge dessa material fördelaktiga diffusiva och mekaniska egenskaper, men framställning av ordnade strukturer kräver mer kostsamma och tidskrävande processer. Direkt användning av trä, där nanocellulosa redan är gynnsamt orienterad ger möjlighet att framställa billiga, skalbara och miljövänliga aerogeler.

I den här avhandlingen utforskas en ny typ av nanostrukturerade trämaterial skapade genom att fylla det tomma utrymmet i trä med aerogelstrukturer baserade på cellväggens egna biopolymerer. Strukturen kan kontrolleras genom att selektivt återuppbygga nanokomponenterna i cellväggen genom partiell upplösning och utfällning. De erhållna strukturerna, här benämnda integrerade träaerogeler, uppvisar en unik kombination av hög ytarea och styrka på grund av att träets hierarkiska struktur delvis bibehålls och att mesoporösa nätverk av nanofibriller bildas i lumen. Olika kemiska system undersöks, bland annat DMAc/LiCl, jonvätska och vattenbaserad NaOH, och förhållandet mellan framställning, struktur och egenskaper undersöks. DMAc/LiCl används med framgång för att visa det integrerade träaerogelkonceptets gångbarhet, men systemets fuktkänslighet och toxicitet hämmar fortsatt utveckling. Jonvätskan [MTBD][MMP] utvecklades för att underlätta processen och för att förbättra strukturkontrollen vid upplösning och utfällning av cellväggens komponenter. Ett vattenbaserat NaOH-system förbättrade framställningen av integrerade träaerogeler ytterligare, speciellt med avseende på lägre kostnad och miljövänligare kemi. Träets sammansättning, särskilt lignin, är avgörande för framställningen och för de integrerade träaerogelernas egenskaper. Lignininnehållets inverkan undersöks utifrån jonvätska- och NaOH-systemen. Framställningsparametrars (t.ex. kemiskt system, tid och temperatur) inverkan på aerogelens struktur och egenskaper (t.ex. porositet, specifik yta, mekanisk prestanda, värmeledningsförmåga och laddningstäthet) studeras.

Med de erhållna strukturegenskaperna kunde de integrerade träaerogelerna användas för effektiv värmeisolering och  med inspiration av den naturliga vattenledningsförmågan i träd designades högpresterande och pH-responsiva kraftgeneratorer. Den integrerade aerogelstrukturen ökade interaktionen mellan trämaterialet och vätskan samtidigt som den möjliggjorde bättre vätsketransport.

Metoderna som presenteras i den här avhandlingen visar en ny strategi för avancerad kontroll av träets nanostruktur genom selektiv återuppbyggnad av träets cellvägg. Den träbaserade aerogelstrukturen som uppvisas här utgör en helt biobaserad materialplattform för avancerad materialdesign. Den enkla och skalbara framställningen från trä bidrar i hög grad till hållbara och högpresterande bioaerogeler som kan konkurrera med fossilbaserade material.

urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-319629