Towards compatibilization of cellulose nanofibrils in polymer matrices
Polymer design for mediating the nanofibril–matrix interface
Tid: Fr 2023-03-17 kl 10.00
Plats: F3, Lindstedtsvägen 26 & 28, Stockholm
Språk: Engelska
Ämnesområde: Fiber- och polymervetenskap
Respondent: Rosella Telaretti Leggieri , Fiber- och polymerteknologi
Opponent: Assoc. Prof. Catarina de Carvalho Esteves, Department of Chemical Engineering and Chemistry, TU/e Eindhoven University of Technology, Netherlands
Handledare: Professor Eva Malmström, Fiber- och polymerteknologi, Wallenberg Wood Science Center; Mats Johansson, Fiber- och polymerteknologi, Wallenberg Wood Science Center
QC 2023-02-21
Abstract
Om man tittar på trä med hög förstoring framkommer ett extraordinärt nanokompositmaterial med långa fibriller av semikristallin cellulosa, med ett nanometerstort tvärsnitt och en längd på upp till flera mikrometer, inbäddade i en amorf matris av andra polymera komponenter. Cellulosa är det bärande skelettet och ansvarar för växters mekaniska styrka, medan matrisen binder ihop fibrillerna och förser strukturen med stabilitet. Ända sedan utvecklingen av de första metoderna för att producera enskilda cellulosananofibriller (CNF) har potentialen hos dessa biobaserade nanomaterial studerats som bärande material inom nanokomposittillämpningar. I sökandet efter förnybara alternativ till fossilbaserade material, för såväl vardaglig som högteknologisk användning, erbjuder de nanokomponenter som kan utvinnas ur trä många möjligheter. Men en utmaning vid användningen av CNF i konventionella polymermatriser är den hydrofila–hydrofoba karaktären i gränssnittet mellan nanofibriller och matris. Det är den utmaning som denna avhandling har haft som syfte att utforska genom att utvärdera strategier för att inkorporera CNF i relativt hydrofoba polymermatriser. Tre olika typer av nanokomposittillämpningar undersöktes, genom att inkorporera låga halter av CNF (0.5–6 wt%) i polymermatriser. Förhållandena i gränssnittet mellan nanofibriller och matris modifierades utifrån två olika tillvägagångssätt, båda baserade på adsorption av sampolymerer på CNF:er i vattenlösning. I den första delen av arbetet studerades adsorption av en skräddarsydd slumpmässig sampolymer på CNF‑ytan som sedan användes som makroinitiator för in situ-polymerisering av metakrylatmonomerer genom vattenbaserad kontrollerad radikalpolymerisation. I den andra delen studerades adsorption på CNF:er genom att använda amfifila blocksampolymerer som CNF-matrixkompatibilisatorer. Själva polymersyntesen och de analysmetoder som används vid karakterisering av väldefinerade polymerstrukturer utvärderades, liksom de grundläggande parametrar som påverkar deras adsorption på cellulosa. Användningen av amfifila blocksampolymerer som CNF-matrixkompatibilisatorer undersöktes för CNF inom värmehärdande ytbeläggningsapplikationer och som bärande material i en termoplastisk polymermatris. Arbetets resultat belyser hur modifierade CNF:er har betydande effekter på de studerade nanokompositmaterialens strukturella och mekaniska egenskaper.