Surface Engineering of Cellulose Nanofibers for Advanced Biocomposites

QC 20240404

Embargo godkänt av skolchef Amelie Eriksson Karlström via e-post 2024-04-04

Abstract

Nanocellulosa, som ursprungligen kommer från cellulosa, den primära strukturella komponenten i växters cellväggar, har fått betydande uppmärksamhet för sina unika egenskaper, inklusive utmärkta mekaniska, optiska och barriäregenskaper, samt dess förnybara och hållbara natur. Nanocellulosa, inklusive cellulosa nanokristaller och cellulosa nanofibrer (CNF), produceras genom att bryta ned lignocellulosa fibrer till nanoskala dimensioner, vanligtvis genom mekaniska eller kemiska processer. Den stora ytan och de rika hydroxylgrupperna hos CNF är idealiska för ytmodifieringar, vilket avsevärt ökar dess mångsidighet i utvecklingen av funktionella biokompositmaterial. Denna avhandling syftar till att designa CNF-baserade kompositer med integrerade multifunktionaliteter inklusive redispergerbarhet, biokompatibilitet, mekanisk robusthet, våtintegritet, samt optisk transparens genom ytmodifiering av cellulosananofibrer. Metodiken innefattar strategiskt val av CNF, integrering av CNF med biopolymerer, tillämpning av ytmodifieringar och implementering av enkla bearbetningstekniker.

I Paper I inspirerades man av växtcellväggen för att anpassa interaktionen mellan vatten och CNF. Genom att tillsätta betaglukan från korn, har bättre rehydrering, redispersion, och återvinning av torkade CNF uppnåtts. Denna framsteg möjliggör förbättring av transporten och bearbetningen av CNF-baserade material.

I Paper II, utnyttjades interaktionen mellan CNF och vatten, vilket introducerade en enkel materialbearbetningsteknik för att tillverka CNF/regenererad silkfibroin (RSF) kompositer. Detta involverade rehydrering och svullnad av TEMPO-oxiderade CNF nanopapperstrukturer med både slumpmässigt orienterade CNF och nematiskt ordnade CNF i RSF-lösningarna. De förberedda CNF/RSF kompositfilmerna uppvisade exceptionella mekaniska egenskaper både i torra förhållanden och i PBS, och visade utmärkt biokompatibilitet när de odlades med L929 fibroblastcell.

I Paper III, förbereddes CNF/alginate dubbelnätverkskompositer för att undersöka effekten av inter-fibrillära interaktioner och G/M-förhållandet (guluronsyra/mannuronsyra) av alginater på mekanisk prestanda. Kompositen som innehöll TEMPO-oxiderad CNF och alginate med högre innehåll av mannuronsyra och högre molekylvikt, uppvisade hög Youngs modul på 20,3 GPa och hög draghållfasthet på 331 MPa. Interfacial kalciumjonkorslänkning mellan CNF och alginate spelade en central roll i att uppnå dessa egenskaper. Dessutom demonstrerades denna komposit framgångsrikt som en spraybeläggning för banan, vilket betydligt fördröjde viktförlusten när den förvarades i omgivningsförhållanden, vilket antyder dess möjliga tillämpningar inom livsmedelsförpackning.

I Papper IV funktionaliserades karboximetylcellulosa (CMC) med kvartära ammoniumsalter och användes sedan för att modifiera gränssnittet mellan holocellulosafibernätverk och en akrylresin. Starka och transparenta kompositer tillverkades framgångsrikt utan behov av organiska lösningsmedel eller de hårda kemikalier som ofta används vid kovalent ytmodifiering av cellulosa. Den hydrofoba, funktionaliserade CMC:n underlättade en homogen resinimpregnering i cellulosafibernätverket, vilket resulterade i en komposit med förbättrad gränsytfästningsstyrka, ökad optisk transparens och mekanisk styrka.

urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-344942