Spinning and additive manufacturing of native cellulose structures: Exploration of parameter space with process machine prototypes

Tutkimustuotos

Tutkijat

Organisaatiot

Kuvaus

Selluloosa on lupaava perusta tulevaisuuden biotaloudelle. Monet uudet menetelmät jäävät kuitenkin alhaiselle kehitysasteelle yhteensopivien prosessimallien ja -laitteistojen puuttuessa. Tässä työssä tutkittiin prosesseja ja valmistusmenetelmiä luonnonperäisille selluloosa-materiaaleille. Työn tavoitteena oli tunnistaa prosessien ongelmakohtia prototyyppien kehittämisen ja testaamisen avulla. Tutkimustyö keskittyi kahteen eri valmistusmenetelmään, kehräämiseen ja lisäävään valmistukseen. Työn aikana tutkittiin kahta eri märkäkehruumenetelmää, joista kustakin kehitettiin laboratoriomittakaavan prototyyppejä. Ensimmäisessä menetelmässä käytettiin syväeutektisella liuottimella (DES) käsiteltyjä sellukuituja kehrättävän geelimäisen nesteen tuottamiseksi. Neste kehrättiin kuitulangaksi käyttäen etanolivirtausta. Etanolivirtaus sekä kuljettaa että venyttää esimuodostunutta lankaa. Toinen tutkittu kehruumenetelmä perustuu koaksiaaliseen ekstruusioon käyttäen selluloosan nanofibrillejä (CNF) ytimenä ja biopolymeeriä ulkokuorena. Nopeasti koaguloituvan biopolymeerikuoren avulla kasvatettiin kehruunopeuksia ja vetosuhteita. Kehruuprosesseja tutkittiin kokeellisesti ja parametrien vaikutusta lopputuotteen ominaisuuksiin  selvitettiin. Menetelmien kehityksellä parannettiin lopputuotteen ominaisuuksia ja kehruun tuotantonopeuksia. Työssä tutkittiin lisäksi entsymaattisesti fibrilloitujen selluloosan nanofibrillien (EFCNF) lisäävää valmistusta. EFCNF on tulostettavissa yksinkertaisin ekstruusiomenetelmin, mutta tuotettu rakenne deformoituu huomattavasti kuivuessaan. Deformaation mittaamiseen kehitettiin 3D skannaukseen perustuva mittausmenetelmä, jonka avulla selvitettiin kuivausparametrien vaikutusta deformaatioon. Tulokset osoittivat, että merkittävästä tilavuuden ja mittasuhteiden muutoksesta huolimatta alkuperäinen muototavoite on säilytettävissä. Tulostustutkimuksen yhteydessä kehitettiin avoimen lähdekoodin ekstruuderi. Ekstruuderin voimamittauksen avulla voidaan parantaa annostelutarkkuutta ja tarkkailla tulostettavan aineen virtauskäyttämistä tulostuksen aikana. Ekstruuderin mekaaniset komponentit voidaan valmistaa yksinkertaisilla 3D-tulostimilla. Ekstruuderin komponenttien hinta on alle kymmenesosan kaupallisesti saatavilla oleviin vastaaviin ekstruudereihin verrattuna. Yhteenvetona, tässä työssä demonstroitiin, miten valmistusprosessiin liittyvät tekijät voidaan ottaa huomioon koneensuunnittelussa yhtäaikaisesti materiaalikehityksen rinnalla. Tämänkaltainen yhtäaikainen poikkitieteellinen kehitys on hyödyllistä, koska suunnitteluvaatimuksiin liittyvä tieto etenee nopeammin eri kehitysalueiden välillä auttaen suunnittelupäätösten tekemisessä.

Yksityiskohdat

AlkuperäiskieliEnglanti
PätevyysTohtorintutkinto
Myöntävä instituutio
Valvoja/neuvonantaja
Kustantaja
  • Aalto University
Painoksen ISBN978-952-60-8870-9
Sähköinen ISBN978-952-60-8871-6
TilaJulkaistu - 2019
OKM-julkaisutyyppiG5 Tohtorinväitöskirja (artikkeli)

    Tutkimusalat

  • selluloosa, biotuote, kehruu, lisäävä valmistus, 3D-tulostus

ID: 39400678