Composites from nanocellulose and water-soluble polysaccharides - interfacial tailoring from nanoscopic to macroscopic level

Tutkimuksen tavoitteena oli kehittää kevyitä ja mekaanisilta ominaisuuksiltaan vahvoja komposiittimateriaaleja nanoselluloosasta ja muokatuista vesiliukoisista polysakkarideista. Nanoselluloosasta valmistettuja komposiitteja olisi tarkoitus käyttää mm. korvaamaan öljypohjaisia materiaaleja (muovi) pakkausmateriaaleissa, elektroniikassa ja lääketieteellisissä sovelluksissa. Tutkimuksessa käytetyt materiaalit ovat kestävän kehityksen mukaisia ja kemialliset muokkausmenetelmät luontoystävällisiä. Ensin kehitimme tavan valmistaa pelkästä nanoselluloosasta hyvälaatuisia ohutkalvoja, jonka jälkeen keskityimme optimoimaan lisättyjen vesiliukoisten polysakkaridien tyyppiä, muokkauksia ja sekoitussuhteita. Näin valmistettujen komposiittien rakennetta tutkittiin useissa mittakaavoissa, ja vertailtiin mm. komposiittien lujuus- ja lämpöominaisuuksiin. Useita vesiliukoisia polysakkarideja, kuten galaktoglukomannaania, ja guarkumia sellaisenaan ja entsyymikäsittelyn jälkeen, käytettiin liimaavana osana ohutkalvojen raakamateriaalissa. Guarkumi hapetettiin entsymaattisesti ja sen hapetusastetta tutkittiin kaasukromatografia-massaspektrometrialla. Komposiittimateriaaleja tutkittiin kahdella tasolla. Vesiliukoisten polysakkaridien adsorptiota ja pintavoimia nanoselluloosan mallipinnoilla tutkittiin kvartsikidevaa'alla ja atomivoimamikroskoopin kolloidianturitekniikalla. Valmistettuja ohutkalvoja tutkittiin mekaanisin testein ja rakennetta tutkittiin röntgendiffraktiolla ja pyyhkäisyelektronimikroskopialla. Kaikki testatut vesiliukoiset polysakkaridit adsorboituivat nanoselluloosan pinnalle. Puhtaiden nanoselluloosapintojen pintavuorovaikutukset pystyttiin selittämään DVLO teoriaa käyttäen, kun taas vesiliukoisilla polysakkarideilla päällystetyt pinnat selittyivät varattujen polymeerien teoriaa käyttäen. Mallipinnoille adsorboidut polysakkaridit toimivat voiteluaineena ja pienensivät niiden kitkakertoimia hieman. Nanoselluloosaan lisätty galaktoglukomannaani ja hapetettu guarkumi paransivat merkittävästi komposiittiohutkalvojen märkälujuutta, jopa silloinkin, kun kalvoja oli imeytetty pitkään vedessä. Yllä mainituista komposiiteista valmistettiin monikerroksisia laminaattikalvoja siten, että liimaavana väliaineena käytettiin epoksia. Monikerroskalvoissa, joihin oli lisätty vesiliukoisia polysakkarideja, saatiin vahvempi kuin pelkästään nanoselloosaan perustuvat laminaattikalvot. Näissä käyttölämpötila oli myös laajempi, koska epoksin lasittumislämpötila oli siirtynyt korkeammalle. Lopputuloksena työni osoitti, että nanoselluloosakalvojen ominaisuuksia voidaan parantaa lisäämällä pieniä määriä vesiliukoisia polysakkarideja. Työ yhdisti ohutkalvomateriaalien tutkimuksia nanometri- ja makroskooppisen tason ominaisuuksista ja antoi näin ollen uutta ymmärrystä komposiittien osien vuorovaikutuksista. Jatkossa tämän tyyppisiä luontoystävällisiä materiaaleja tullaan tarvitsemaan korvaamaan muovit korkean tason sovelluksissa.