Functional materials from cellulose and biocolorants

Abstract

Cellulose, an abundant and renewable material, that can be utilized as a nanomaterial as well as macroscopic fibers has obtained great attention for creating biomaterials for various applications. And color, an everyday phenomenon, is an essential part of almost any kind of material due to its symbolic and cultural meanings. The coloration of cellulosic and other materials is nowadays achieved mainly with synthetized dyes and pigments whose use has been identified especially as a source of aquatic pollution. The renewable biocolorants derived from natural sources are an interesting alternative to synthetic colorants. The objective of this thesis was to investigate the functional materials made of cellulosics and biocolorants. Two different colorants from forest industry residues (willow bark extract and kraft lignin), high added-value crop Isatis tinctoria (indigo), and fast-growing microalgae Chlorella vulgaris were utilized as colorants for various cellulosic materials from cellulose nanofibrils (CNF), to microcrystalline cellulose, and macroscopic textile fibers. Unlike synthetized colorants, the biocolorants often are mixtures of multiple compounds and exhibit bioactive properties that can be incorporated into cellulosics to create added-value materials. The antioxidant and ultraviolet protecting properties were utilized to create biocomposite films useful for packaging applications. The antioxidant activity and CNF as a carrier matrix were utilized for developing the indigo dyeing towards a more facile process with fewer process steps. In the conventional dyeing process again, the multicomponent structure of biocolorants was found to be a significant feature since they all contribute to the interaction with dyeable cellulose material, dye fixation yield, and the overall result. The foamability and stability of lightweight foams from surfactant, cellulosics, and biocolorants were explored for creating camouflage foams with thermal and spectral stealth properties. This thesis provides insights into the chemical and physical characteristics of biocolorants, understanding of the multicomponent nature and its effect on coloration, and introduces the potential practical applications for functional materials composed of cellulose and biocolorants.

Selluloosa on uusiutuva ja runsaasti saatavilla oleva materiaali, jota voidaan hyödyntää sekä nano- että makrokokoisena, minkä takia se on kiinnostava biomateriaali moniin eri sovelluskohteisiin. Värit puolestaan ovat arkipäiväinen ilmiö ja tärkeä osa miltei kaikkia materiaaleja niiden symbolisten ja kulttuuristen merkitysten takia. Suurin osa materiaaleista, mukaan lukien selluloosapohjaiset kuidut, saavat värityksensä nykyisin syntetisoiduilla väriaineilla ja pigmenteillä, joiden on kuitenkin havaittu olevan yksi erityisesti vesistöjen saastumista aiheuttavista lähteistä. Luonnosta eristettävät biovärit ovat yksi kiinnostava vaihtoehto synteettisille väriaineille. Tämän tutkimuksen tavoitteena oli tutkia selluloosamateriaaleista ja bioväreistä valmistettuja funktionaalisia materiaaleja. Bioväreiksi valikoitui neljä erilaista väriä, jotka saatiin metsäteollisuuden sivuvirroista (pajunkuoriuute ja kraft ligniini), korkean arvon värimorsinko (Isatis tinctoria) kasvista sekä nopeakasvuisesta mikrolevästä (Chlorella vulgaris). Selluloosamateriaaleina hyödynnettiin nanofibrilloitua ja mikrokiteistä sellulloosaa sekä tekstiilikuituja. Toisinkuin syntetisoidut väriaineet ja pigmentit, biovärit ovat koostumukseltaan seoksia ja ne omaavat usein värin lisäksi myös bioaktiivisia ominaisuuksia, jotka on mahdollista siirtää myös selluloosamateriaalin ja siten luoda lisäarvoa kyseiselle materiaalille. Näitä antioksidanttisia ja UV-valolta suojaavia ominaisuuksia hyödynnettiin esimerkiksi pakkausmateriaaleihin sopivien biokomposiittikalvojen valmistuksessa. Lisäksi antioksidanttisten ominaisuuksien ja nanoselluloosamatriisin yhdistelmää hyödynnettiin indigovärjäysprosessin kehittämisessä kestävämpään suuntaan. Yhden biovärin värjäysominaisuuksia tarkasteltiin myös perinteisessä värjäysprosessissa, ja tulokset paljastivat että biovärien seosmaisella koostumuksella on merkitystä värin komponenttien vuorovaikutukseen selluloosamateriaalin kanssa, kiinnittymisasteeseen ja visuaaliseen lopputulokseen. Lisäksi surfaktantista, selluloosasta ja bioväristä valmistettujen vaahtojen vaahtoutumista ja stabiiliutta tutkittiin visuaalista ja termistä suojaa tuovan häivevaahdon luomiseksi. Tämä tutkimus tarjoaa uusia havaintoja biovärien kemiallisista ja fysikaalisista ominaisuuksista, ymmärrystä biovärien monikomponenttisuudesta ja sen vaikutuksista väritykseen sekä esittelee potentiaalisia käytännön sovelluskohteta selluloosasta ja bioväreistä valmistetuille funktionaalisille materiaaleille.