Learning Centre

Cellulose Nanofibril Films as Bioinspired Membranes - Capitalizing on Water Interactions

 |  Login

Show simple item record

dc.contributor Aalto-yliopisto fi
dc.contributor Aalto University en
dc.contributor.advisor Tammelin, Tekla, Dr., VTT Technical Research Centre of Finland Ltd, Finland
dc.contributor.author Hakalahti, Minna
dc.date.accessioned 2018-02-26T10:02:44Z
dc.date.available 2018-02-26T10:02:44Z
dc.date.issued 2018
dc.identifier.isbn 978-952-60-7857-1 (Aalto, electronic)
dc.identifier.isbn 978-952-60-7856-4 (Aalto, printed)
dc.identifier.isbn 978-951-38-8618-9 (VTT, electronic)
dc.identifier.isbn 978-951-38-8619-6 (VTT, printed)
dc.identifier.issn 1799-4942 (Aalto, electronic)
dc.identifier.issn 1799-4934 (Aalto, printed)
dc.identifier.issn 1799-4934 (Aalto, ISSN-L)
dc.identifier.issn 2242-1203 (VTT, electronic)
dc.identifier.issn 2242-119X (VTT, printed)
dc.identifier.issn 2242-119X (VTT, ISSN-L)
dc.identifier.uri https://aaltodoc.aalto.fi/handle/123456789/30122
dc.description.abstract This work represents an effort to exploit the inherent features of nanoscaled cellulose as practical advantages in membrane materials. The approach was to systematically explore the behavior of 2,2,6,6-tetramethylpiperidine-1-oxyl radical oxidized cellulose nanofibrils (TEMPO CNF) with respect to water vapor sorption mechanisms and transport of water, to tune the inherent properties using facile strategies and to expose the materials to performance testing. Surface-sensitive methods were used for revealing molecular scale phenomena directly at interfaces, whereas bulk methods were used to demonstrate their significance in macroscopic scale. Films made from TEMPO CNF were in the main role, complemented by synthetic polymers to introduce new performance features with significance for membrane materials. Water vapor sorption of TEMPO CNF thin films was studied by precise surface-sensitive analytical methods, i.e. quartz crystal microbalance with dissipation monitoring and spectroscopic ellipsometry, and combined with classical physicochemical models. It was established that water vapor sorption into TEMPO CNF thin films occurs through distinct underlying mechanisms: specific sorption below 10% RH, association of Flory-Huggins population of molecules with the films at 10-75% RH and clustering of water molecules above 75% RH. Kinetic parameters defining the transport of water molecules in the TEMPO CNF film structure were determined. The results showed that diffusion of water vapor could be used as a probing tool for elucidating structural details of moisture-responsive materials in the presence of water. Bulk and interfacial chemical modification approaches were applied. Enhancement of wet strength of TEMPO CNF films was achieved by crosslinking, whereby inherent characteristics, such as hydrophilicity, were not compromised. The water stable structure was suitable for further functionalization with a thermoresponsive polymer, poly(NIPAM). Covering mere 8% of the surface with poly(NIPAM) caused drastic changes in the performance of the TEMPO CNF film, as the increment in slope of relative water permeance around the lower critical solution temperature of poly(NIPAM) increased from 18% to 100%, showcasing the efficiency of the interfacial modification approach. CNF films were also subjected to performance testing in tetrahydrofuran and n-hexane, whereby their suitability for organic solvent nanofiltration was demonstrated. This thesis furthers the fundamental understanding of water interactions of cellulosic nanomaterials and other complex moisture-sensitive structures in the biomaterial genre. It also proposes concrete means to tune selected material properties toward desired environments and effects. In the view of this thesis, inherent structure-derived properties are the key for achieving performance features that will carry future biomaterials development beyond conventional applications. en
dc.description.abstract Tässä työssä tutkittiin nanoselluloosan luontaisten ominaisuuksien hyödyntämistä membraanimateriaaleissa. Aihetta lähestyttiin tarkastelemalla 2,2,6,6-tetrametyylipiperidiini-1-oksyyli-radikaali-hapetettujen nanoselluloosafibrillien (TEMPO CNF) vesihöyryn sorptiomekanismeja ja vesimolekyylien kuljetusominaisuuksia. Lisäksi työssä muokattiin kemiallisesti nanoselluloosakalvojen ominaisuuksia ja tutkittiin kalvojen suorituskykyä membraanimateriaalina. Materiaaliominaisuuksia ja ilmiöitä karakterisoitiin sekä pintarakennetta että koko materiaalirakennetta analysoivilla menetelmillä. Työssä keskeisessä roolissa olivat sekä ohut- että makrokokoiset nanoselluloosapohjaiset kalvot, joiden ominaisuuksia muokattiin synteettisillä polymeereillä membraanimateriaaleilta vaadittujen suorituskykyominaisuuksien aikaansaamiseksi. TEMPO CNF-ohutkalvojen vesihöyrysorptiota tutkittiin tarkkojen pintamenetelmien, kuten kvartsikidemikrovaa'an ja spektroskooppisen ellipsometrian avulla. Tuloksia tulkittiin klassisten fysikokemiallisten mallien avulla. Vesihöyrysorptio TEMPO CNF-ohutkalvoihin tapahtui erillisten vallitsevien mekanismien kautta: spesifisenä sorptiona alle 10% suhteellisessa kosteudessa, Flory-Huggins-mekanismin kautta 10-75% suhteellisessa kosteudessa, ja vesimolekyylien klusterointina yli 75% suhteellisessa kosteudessa. Yhdistämällä pintaherkkä lähestymistapa Fickin diffuusiomalleihin pystyttiin selvittämään kineettiset lainalaisuudet, jotka määrittävät vesimolekyylien kulkeutumisen TEMPO CNF -ohutkalvoissa. Saatujen tulosten perusteella vesihöyryn diffuusiota voidaan hyödyntää kosteusherkkien materiaalien rakenteellisten yksityiskohtien tutkimuksessa. Ilmiöiden perustutkimukselliseen ymmärrykseen pohjautuen vesivuorovaikutuksia tutkittiin myös sovelluslähtöisesti räätälöimällä CNF-kalvoja membraanimateriaaliksi soveltuvaksi. Kalvojen vesilujuutta parannettiin merkittävästi polyvinyylialkoholi-ristisilloituksen avulla. Ristisilloitus ei kuitenkaan vaikuttanut kalvon toivottuihin luontaisiin ominaisuuksiin, kuten hydrofiilisyyteen. Vedessä stabiilit ristisilloitetut CNF-kalvot soveltuivat jatkomuokkaukseen lämpövasteisella polymeerillä (poly(N-isopropyyliakryyliamidi)). Merkittäviä suorituskykymuutoksia veden läpäisevyyden suhteen saavutettiin jo 8%:n peittoasteella. Lisäksi työssä havaittiin, että CNF-kalvot soveltuvat orgaanisten liuottimien, esim. tetrahydrofuraanin ja n-heksaanin nanosuodatukseen. Tämä väitöskirjatyö lisää perustavanlaatuista tietoa nanomittakaavaisten selluloosamateriaalien vesivuorovaikutuksista ja niiden monimuotoisista kosteusherkistä rakenteista. Työssä esitetään konkreettisia tapoja, joiden avulla ominaisuuksia voidaan muokata haluttuihin ympäristöihin sopiviksi. Tämän väitöskirjatyön tulokset osoittavat, että luontaiset, materiaalirakenteesta johtuvat ominaisuudet ovat avainasemassa, kun pyritään saavuttamaan suorituskykyisiä tulevaisuuden biomateriaaliratkaisuja. fi
dc.format.extent 82 + app. 83
dc.format.mimetype application/pdf en
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 31/2018
dc.relation.ispartofseries VTT Science en
dc.relation.ispartofseries 171
dc.relation.ispartofseries
dc.relation.haspart [Publication 1]: Hakalahti, M.; Faustini, M.; Boissière, C.; Kontturi, E.; Tammelin, T. Interfacial Mechanisms of Water Vapor Sorption as Revealed by Quantitative Models. Biomacromolecules 2017, 18, 2951-2958. DOI: 10.1021/acs.biomac.7b00890
dc.relation.haspart [Publication 2]: Hakalahti, M.; Hjelt, T.; Faustini, M.; Boissière, C.; Kontturi, E.; Tammelin, T. Cellulose Nanofibril Film Structure Probed by Water Vapor Diffusion. Submitted to J. Phys. Chem. Lett.
dc.relation.haspart [Publication 3]: Hakalahti, M.; Salminen, A.; Seppälä, J.; Tammelin, T.; Hänninen, T. Effect of Interfibrillar PVA Bridging on Water Stability and Mechanical Properties of TEMPO/NaClO2 Oxidized Cellulosic Nanofibril Films. Carbohydr. Polym. 2015, 126, 78-82. DOI: 10.1016/j.carbpol.2015.03.007
dc.relation.haspart [Publication 4]: Hakalahti, M.; Mautner, A.; Johansson, L.-S.; Hänninen, T.; Setälä, H.; Kontturi, E.; Bismarck, A.; Tammelin, T. Direct Interfacial Modification of Nanocellulose Films for Thermoresponsive Membrane Templates. ACS Appl. Mater. Interfaces 2016, 8, 2923-2927. DOI: 10.1021/acsami.5b12300
dc.relation.haspart [Publication 5]: Mautner, A.; Lee, K.-Y.; Lahtinen, P.; Hakalahti, M.; Tammelin, T.; Li, K.; Bismarck, A. Nanopapers for Organic Solvent Nanofiltration. Chem. Commun. 2014, 50, 5778-5781. DOI: 10.1039/C4CC00467A
dc.subject.other Biotechnology en
dc.subject.other Chemistry en
dc.title Cellulose Nanofibril Films as Bioinspired Membranes - Capitalizing on Water Interactions en
dc.title Nanoselluloosafilmit membraanimateriaalina - Vesivuorovaikutusten hyödyntäminen fi
dc.type G5 Artikkeliväitöskirja fi
dc.contributor.school Kemian tekniikan korkeakoulu fi
dc.contributor.school School of Chemical Technology en
dc.contributor.department Biotuotteiden ja biotekniikan laitos fi
dc.contributor.department Department of Bioproducts and Biosystems en
dc.subject.keyword cellulose nanofibrils en
dc.subject.keyword water interactions en
dc.subject.keyword films en
dc.subject.keyword membranes en
dc.subject.keyword surface-sensitive techniques en
dc.subject.keyword selluloosananofibrillit fi
dc.subject.keyword vesivuorovaikutukset fi
dc.subject.keyword membraanit fi
dc.subject.keyword pintaherkät analyysit fi
dc.identifier.urn URN:ISBN:978-952-60-7857-1
dc.type.dcmitype text en
dc.type.ontasot Doctoral dissertation (article-based) en
dc.type.ontasot Väitöskirja (artikkeli) fi
dc.contributor.supervisor Kontturi, Eero, Prof., Aalto University, Department of Bioproducts and Biosystems, Finland
dc.opn Gray, Derek, Prof., McGill University, Canada
dc.contributor.lab Materials Chemistry of Cellulose en
dc.rev Kitaoka, Takuya, Prof., Kyushu University, Japan
dc.rev Pettersson, Torbjörn, Prof., KTH Royal Institute of Technology, Sweden
dc.date.defence 2018-02-23
local.aalto.acrisexportstatus checked
local.aalto.formfolder 2018_02_26_klo_10_36
local.aalto.archive yes


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