Inherent and Tailored Properties of Cellulose - A Versatile Toolbox for Materials Engineering

Julkaisun otsikon käännös: Selluloosan luontaisten ja muokattujen ominaisuuksien hyödyntäminen materiaalitekniikassa

Ilona Leppänen

Tutkimustuotos: Doctoral ThesisCollection of Articles

Abstrakti

Selluloosapohjaiset materiaalit ovat tärkeässä roolissa tukemassa siirtymistä kohti vihreää kiertotaloutta tarjoten ratkaisuja globaaleihin haasteisiin, kuten muovisaasteeseen ja ehtyvien luonnonvarojen riittävyyteen. Selluloosalla on kiehtovia ominaisuuksia, kuten korkea mekaaninen lujuus, biohajoavuus ja kemiallinen muokattavuus, jotka korostuvat selluloosan nanomuodoissa eli nanoselluloosassa sen hierarkkisen rakenteen ja suuren pinta-alan ansiosta. Tämä väitöskirja pohjautuu näiden ominaispiirteiden hyödyntämiseen uusissa materiaaliratkaisuissa. Työn ensimmäisenä tavoitteena oli tutkia miten selluloosan kemiallinen muokkaus vaikuttaa näihin ominaisuuksiin keskittyen mekaaniseen lujuuteen ja biohajoavuuteen. Osoitimme eri selluloosajohdannaisille, että molemmat ominaisuudet heikkenivät substituutioasteen kasvaessa. Biohajoavuus väheni jo merkittävästi, kun substituutioaste oli yksi (maksimi on kolme). Nämä tulokset korostivat hallitun muokkauksen tärkeyttä uusien materiaalien kehityksessä, jotta selluloosan luontaiset ominaisuudet voidaan säilyttää. Tätä lähestymistapaa sovellettiin ensin käyttämällä selluloosa nanofibrillien (CNF) luontaista hygroskooppisuutta ja nanohuokoisuutta. Näiden ominaisuuksien ansiosta nanoselluloosalla on ilmiömäinen kyky imeä kosteutta itseensä, joka mahdollistaa kaikista haitallisimpien nano- ja mikromuovipartikkelien (koko ≤ 1 µm) kulkeutumisen nanoselluloosaverkostoon yhdessä veden virtauksen kanssa. Hyödyntämällä sekä uusia selluloosamateriaaleja, että uusia analyyttisiä menetelmiä nanomuovien havaitsemisessa, pystyimme tarjoamaan ratkaisuja pienimpien muovipartikkelien keräämiseen sekä niiden analysointiin. Seuraavaksi nanokiteisen selluloosan (CNC) korkeaa pintareaktiivisuutta hyödynnettiin hallitusti tavoitteena lisätä niiden vuorovaikutuksia silkkiproteiinien kanssa sekä osoittaa niiden yhdistettävyys filamenttien muodostuksessa. Hyödynsimme uusia analyyttisiä menetelmiä hallitun muokkauksen karakterisoinnissa sekä uutta näkökulmaa CNC:n pinnan substituutioasteen määrittämiseksi. Lisäksi osoitimme pintaherkkiä tekniikoita käyttämällä, että ioniset vuorovaikutukset saivat aikaan riittävän sitoutumisen CNC kiteiden ja silkin välillä, mikä edisti myös silkin järjestäytymistä virtauksessa. Lopuksi CNF ja CNC materiaalit yhdistettiin kalvoissa vaihtelevilla suhteilla, jotta kalvojen ominaisuuksia pystyttiin muokkaamaan. Kun kalvo sisälsi 50 % CNC:tä, pystyimme muokkaamaan kalvojen optisia ominaisuuksia tinkimättä niiden korkeasta mekaanisesta lujuudesta ja happi-barrierista, jotka ovat CNF verkostojen ominaispiirteitä. Hyödyntämällä selluloosan luontaisia ja tarkoin muokattuja ominaisuuksia sekä ottamalla käyttöön uusia selluloosapohjaisten materiaalien karakterisointimenetelmiä, tämä väitöskirja tarjoaa uuden näkökulman biomateriaalitaloudelle ja esittelee uusia innovaatioita koko metsäsektorille.
Julkaisun otsikon käännösSelluloosan luontaisten ja muokattujen ominaisuuksien hyödyntäminen materiaalitekniikassa
AlkuperäiskieliEnglanti
PätevyysTohtorintutkinto
Myöntävä instituutio
  • Aalto-yliopisto
Valvoja/neuvonantaja
  • Österberg, Monika, Vastuuprofessori
  • Orelma, Hannes, Ohjaaja
  • Tammelin, Tekla, Ohjaaja, Ulkoinen henkilö
Kustantaja
Painoksen ISBN978-952-64-1322-8
Sähköinen ISBN978-952-64-1323-5
TilaJulkaistu - 2023
OKM-julkaisutyyppiG5 Artikkeliväitöskirja

Tutkimusalat

  • nanoselluloosa
  • hygroskooppisuus
  • pintareaktiivisuus
  • kemiallinen muokkaus
  • biohajoavuus
  • selluloosakalvot
  • vedenpuhdistus

Sormenjälki

Sukella tutkimusaiheisiin 'Selluloosan luontaisten ja muokattujen ominaisuuksien hyödyntäminen materiaalitekniikassa'. Ne muodostavat yhdessä ainutlaatuisen sormenjäljen.

Siteeraa tätä