Learning Centre

Cellulose Nanofibrils as a Functional Material

 |  Login

Show simple item record

dc.contributor Aalto-yliopisto fi
dc.contributor Aalto University en
dc.contributor.advisor Ikkala, Olli, Prof., Aalto University, Department of Applied Physics, Finland
dc.contributor.author Kettunen, Marjo
dc.date.accessioned 2013-08-14T09:00:10Z
dc.date.available 2013-08-14T09:00:10Z
dc.date.issued 2013
dc.identifier.isbn 978-952-60-5256-4 (electronic)
dc.identifier.isbn 978-952-60-5255-7 (printed)
dc.identifier.issn 1799-4942 (electronic)
dc.identifier.issn 1799-4934 (printed)
dc.identifier.issn 1799-4934 (ISSN-L)
dc.identifier.uri https://aaltodoc.aalto.fi/handle/123456789/10886
dc.description.abstract The recent developments to disintegrate nanocelluloses from plant and wood cell materials have attracted considerable interest in materials science. Nanocelluloses are considered as fascinating building blocks for functional materials, thanks to their high mechanical properties, rod-like or fibrous structure, biocompatibility and sustainability. In addition, they own high surface area with numerous free reactive groups offering great opportunities for chemical or physical functionalization. Among nanocelluloses, native cellulose nanofibrils form an important class of materials, and this thesis explores them as building blocks for functional and responsive materials. The characteristics of enzymatically and mechanically prepared cellulose nanofibrils are studied in Publication I. The cellulose nanofibrils form strong inherent hydrogels at low concentration without chemical cross-linking, and show shear thinning which is useful both in processing and in applicability. Publication II demonstrates that the hydrogel enables vacuum freeze-drying to form light-weight aerogels which are ductile and deformable, even if the porosity totals 98%. The tunable morphology provides multiple length scale structures and porosity, as well as percolative template for conducting polymer, e.g. polyaniline to achieve highly porous conducting materials. The aerogels, made from the long and entangled cellulose nanofibrils, are also versatile templates for titanium dioxide (TiO2) and fluorosilane deposition to tune the wetting, and to enable responsive materials. In Publication III, the TiO2-coated nanocellulose aerogel shows switchable water absorption between nonabsorbent and superabsorbent states upon exposure of UV light. In addition, TiO2-coated aerogel shows improved photo-catalytic activity. The aerogel template not only serves as a support for TiO2 but also enhances the effects due to its multiple scale structures. The superoleophobic and -hydrophobic bio-inspired nanocellulose cargo carrier, reported in Publication IV, is also shown to benefit from multiple length scaled structures and the pores. The TiO2 approach is extended in Publication V, where the selective absorption of TiO2-coated nanocellulose aerogels is applied, and floatable oil-absorbing nanocellulose aerogel is demonstrated for oil spill removal. This thesis contributes to basic research on nanocelluloses, while yielding concrete benefits for the industrial context. It furthers the fundamental understanding of the behavior of cellulose nanofibrils, and suggests novel value-added applications beyond the classic cellulose applications. Nanocellulose can lead to strengthened competitiveness of the forest industry in its changing operational environment. en
dc.description.abstract Tässä työssä selluloosan nanokuidusta on valmistettu funktionaalisia ja ulkoisiin olosuhteisiin, reagoivia materiaaleja. Nanoselluloosa on materiaalitieteen kannalta kiinnostava sen mekaanisen lujuuden, nanoskaalan kuiturakenteen, uusiutuvan alkuperän, sekä biologisen yhteensopivuuden vuoksi. Lisäksi nanoselluloosan suuri ominaispinta-ala, ja kuidun pinnalla olevat lukuisat kemiallisesti tai fysikaalisesti muokattavat ryhmät mahdollistavat mitä moninaisimpia funktionaalisia nanoselluloosamateriaaleja. Natiivin selluloosan nanokuitujen kykyä muodostaa vahvoja hydrogeelejä hyvin alhaisilla konsentraatioilla on tutkittu julkaisussa I. Niiden osoitettiin olevan lujia ja voimakkaasti leikkausohenevia, mikä on tärkeää materiaalien valmistus- ja prosessointimenetelmissä sekä sovelluksissa. Julkaisussa II havainnolistettiin, miten vahva hydrogeeli voidaan kuivata kylmäkuivauksella, jolloin muodostuu aerogeelejä. Natiivin selluloosan nanokuiduista valmistetut aerogeelit ovat muokkautuvia ja taipuisia, huolimatta niiden 98 % huokoisuudesta. Niiden sisärakennetta ja huokoisuutta voidaan muunnella mm. kuivausolosuhteiden avulla, minkä vuoksi ne soveltuvat mitä erilaisimpiin käyttötarkoituksiin. Ne tarjoavat esimerkiksi perkoloivan substraatin johtavalle polymeerille, kuten polyaniliinille, jonka avulla saavutettiin erittäin huokoinen sähköisesti johtava nanoselluloosamateriaali. Lisäksi, päällystämällä aerogeeli titaanidioksilla (TiO2), sen ominaisuuksia voidaan ohjata ulkoisesti. Julkaisussa III osoitettiin, että TiO2-pinnoitetut nanoselluloosa-aerogeelit muuttuvat UV-valon vaikutuksesta vettä hylkivästä vettä superabsorboiviksi. Aerogeelin vaikutus on kaksijakoinen: se toimii sekä alustana että tehostaa omalla rakenteellaan pinnoitteen aiheuttamia ominaisuuksia. Myös TiO2-nanoselluloosa-aerogeelin hyvä fotokatalyyttinen aktiivisuus perustuu suurehkoon ominaispinta-alaan ja hierarkkiseen huokoisuuteen. Julkaisussa IV tarkasteltiin edelleen nanoselluloosa-aerogeelin rakenteen ja huokoisuuden merkitystä niin hydrofobisuuteen kuin myös oleofobisuuteen fluoraamalla aerogeeli. Julkaisussa V havainnollistetaan miten hydrofobiseksi TiO2:lla pinnoitettu nanoselluloosa-aerogeeli absorboi selektiivisesti öljyä, mutta hylkii vettä. Tällaista veden pinnalla kelluvaa, öljyä imevää materiaalia voidaan käyttää esim. öljyn poistamiseen vedestä öljyvahingoissa. Tässä työssä tutkitut funktionalisoidut nanoselluloosamateriaalit tarjoavat mahdollisuuksia uusiin erityissovellutuksiin materiaalitieteessä, ja yhtälailla nanoselluloosa luo mahdollisuuksia metsäteollisuuden kilpailukyvyn vahvistamiseen sen muuttuvassa ja haastavassa toimintaympäristössä. fi
dc.format.extent 144
dc.format.mimetype application/pdf
dc.language.iso en en
dc.publisher Aalto University en
dc.publisher Aalto-yliopisto fi
dc.relation.ispartofseries Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS en
dc.relation.ispartofseries 114/2013
dc.relation.haspart [Publication 1]: M. Pääkkö, M. Ankerfors, H. Kosonen, A. Nykänen, S. Ahola, M. Österberg, J. Ruokolainen, J. Laine, P. T. Larsson, O. Ikkala, T. Lindström. Enzymatic hydrolysis combined with mechanical shearing and high-pressure homogenization for nanoscale cellulose fibrils and strong gels, Biomacromolecules, 8, 1934-1941, May 2007.
dc.relation.haspart [Publication 2]: M. Pääkkö, J. Vapaavuori, R. Silvennoinen, H. Kosonen, M. Ankerfors, T. Lindström, L.A. Berglund, Ikkala Olli. Long and entangled native cellulose I nanofibers allow flexible aerogels and hierarchically porous templates for functionalities, Soft Matter, 4, 2492-2499, September 2008.
dc.relation.haspart [Publication 3]: M. Kettunen, R. Silvennoinen, N. Houbenov, A. Nykänen, J. Ruokolainen, J. Sainio, V. Pore, M. Kemell, M. Ankerfors, T. Lindström, M. Ritala, R.H.A. Ras, O. Ikkala (2011). Photoswitchable Superabsorbency Based on Nanocellulose Aerogels, Advanced Functional Materials, 21, 510-517, February 2011.
dc.relation.haspart [Publication 4]: H. Jin, M. Kettunen, A. Laiho, H. Pynnönen, J. Paltakari, A. Marmur, O. Ikkala, R.H.A. Ras. Superhydrophobic and Superoleophobic Nanocellulose Aerogel Membranes as Bioinspired Cargo Carriers on Water and Oil. Langmuir, 27, 1930-1934, January 2011.
dc.relation.haspart [Publication 5]: J.T. Korhonen, M. Kettunen, R. H. A. Ras, O. Ikkala, Hydrophobic Nanocellulose Aerogels as Floating, Sustainable, Reusable, and Recyclable Oil Absorbents. ACS Applied Materials & Interfaces, 3, 1813-1816, May 2011.
dc.subject.other Physics en
dc.title Cellulose Nanofibrils as a Functional Material en
dc.title Selluloosan Nanokuidut Funktionaalisena Materiaalina fi
dc.type G5 Artikkeliväitöskirja fi
dc.contributor.school Perustieteiden korkeakoulu fi
dc.contributor.school School of Science en
dc.contributor.department Teknillisen fysiikan laitos fi
dc.contributor.department Department of Applied Physics en
dc.subject.keyword nanocellulose en
dc.subject.keyword microfibrillated cellulose en
dc.subject.keyword aerogel en
dc.subject.keyword foam en
dc.subject.keyword UV-switchable absorption en
dc.subject.keyword selective absorption en
dc.subject.keyword nanoselluloosa fi
dc.subject.keyword nanofibrillaarinen selluloosa fi
dc.subject.keyword mikrofibrillaarinen selluloosa fi
dc.subject.keyword aerogeeli fi
dc.subject.keyword valo-ohjautuva absorptio fi
dc.subject.keyword selektiivinen absorptio fi
dc.identifier.urn URN:ISBN:978-952-60-5256-4
dc.type.dcmitype text en
dc.type.ontasot Doctoral dissertation (article-based) en
dc.type.ontasot Väitöskirja (artikkeli) fi
dc.contributor.supervisor Ikkala, Olli, Prof., Aalto University, Department of Applied Physics, Finland
dc.opn Isogai, Akira, Prof., The University of Tokyo, Japan
dc.date.dateaccepted 2013-06-27
dc.contributor.lab Molecular Materials en
dc.rev Eichhorn, Stephen, Prof., University of Exeter, UK
dc.rev Maunu, Sirkka-Liisa, Prof., University of Helsinki, Finland
dc.date.defence 2013-08-14


Files in this item

This item appears in the following Collection(s)

Show simple item record

Search archive


Advanced Search

article-iconSubmit a publication

Browse