Use of Cellulose for the Preparation of Capsules and Beads with Molecularly Tailored Properties
Tid: Fr 2022-04-08 kl 10.00
Plats: F3, Lindstedtsvägen 26 & 28, Stockholm
Språk: Engelska
Ämnesområde: Fiber- och polymervetenskap
Respondent: Katarzyna Mystek , Fiberteknologi
Opponent: Dr. Bernard Cathala, French National Institute for Agriculture, Food and Environment (INRAE)
Handledare: Professor Lars Wågberg, Fiberteknologi
QC 20220315
Abstract
Den ständigt ökande världsproduktionen av fossilbaserade polymerer och syntetiska plaster i olika industrisektorer (t.ex. förpackningar, textilier) har en enorm inverkan på människors hälsa, klimatförändringar och hela vårt ekosystem. Därför finns det en stor drivkraft att utveckla verkligt biologiskt nedbrytbara högpresterande material från förnyelsebara råvaror som kan fungera som en bra ersättning av syntetisk plast vilket innebär att de också måste ha liknande egenskaper för att vara trovärdiga. Utmärkta mekaniska egenskaper, god kemisk stabilitet, goda kemiska funktionaliseringsmöjligheter och enorm årlig produktion innebär att cellulosa är en utmärkt kandidat som råvara som, åtminstone, kan vara en lämplig förnyelsebar råvara för omställningen mot en mer hållbar framtid.
Arbetet i denna avhandling undersöker användningen av nativ och delvis modifierad cellulosa för framställning av sfäriska material i form av ihåliga eller vätskefyllda kapslar och fasta sfärer med unika och välkontrollerade strukturella och mekaniska egenskaper. Genom att lösa upp cellulosan i ett lämpligt lösningsmedel och att regenerera cellulosan var det möjligt att framställa såväl kapslar som solida sfärer genom att optimera utfällningsförfarandet. Två olika metoder utvecklades för att tillverka ihåliga kapslar: en lösningstelningsmetod som resulterar i millimeterstora, ihåliga kapslar och fasta sfärer, och en emulgeringlösningsmedel-avdunstningsmetod som underlättar bildandet av mikrometerstora vätskefyllda kapslar. En partiell derivatisering av cellulosan till dialkoholcellulosa och cellulosaacetat introducerade molekylär flexibilitet och termoplastiska egenskaper hos cellulosamaterialet. Detta i sin tur resulterade i bildandet av stimuli-känsliga cellulosakapslar med egenskaper som lämpar sig väl för olika industriella tillämpningar, till exempel vid produktion av nya generationers lättviktsmaterial. De våta, ihåliga dialkoholmodifierade cellulosakapslarna visar en volymexpansion till den dubbla volymen när de utsätts för ett minskat yttre tryck, medan de torra vätskefyllda cellulosaacetatkapslarna visar en termisk expansion på upp till 60 gånger sin ursprungliga volym. Bortsett från de kemiska modifieringarna så visar arbetet med de solida cellulosasfärerna att det är möjligt att skapa kompositer mellan regenererad cellulosa och cellulosananokristaller (CNC) för att skapa 100 % cellulosabaserade kompositer.
Avhandlingen inkluderar också modellstudier som var fokuserade på att skapa en bättre förståelse av utvecklingen av den inre strukturen hos regenererade cellulosakulor under torkning från olika lösningsmedel. En kombination av SAXS/WAXS och AFM indentering gjorde det möjligt att identifiera de makro- och mikrostrukturella förändringarna som uppträder inuti de solida sfärerna och för att kontinuerligt kunna utvärdera sfärernas mekaniska egenskaper vid lösningsmedelsavdunstningen. Denna del av arbetet ger en grundläggande förståelse för de mekanismer och molekylära interaktioner som är karakteristiska för processen för torkning av cellulosarika material.