From wood to industrial polymeric biomaterials

 |  Login

Show simple item record

dc.contributor Aalto-yliopisto fi
dc.contributor Aalto University en
dc.contributor.advisor Vuoti, Sauli, Dr., Merck & Co., Finland
dc.contributor.author Virtanen, Sanna
dc.date.accessioned 2018-07-20T09:02:52Z
dc.date.available 2018-07-20T09:02:52Z
dc.date.issued 2018
dc.identifier.isbn 978-952-60-8082-6 (electronic)
dc.identifier.isbn 978-952-60-8081-9 (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/123456789/32641
dc.description.abstract Population growth, the dependence on fossil raw materials, and environmental problems caused by oil-based plastics have created a global need to search for alternative materials to replace conventional oil-based materials. Any effort to tackle such challenge, however, needs to meet the principles of sustainable development. Biodegradable and bio-based materials are promising candidates to support related bioeconomy strategies. Here, forest products are key players and, as such, this thesis targets the development of biocomposite materials by utilising wood as renewable source. The introduction of epoxy and silyl functional groups into wood-derived cellulose surface through chemical modification seemed to provide an advantageous route to enhance cellulose nanofibrils (CNF) dispersibility and compatibility with both polyvinyl alcohol (PVA) and polyurethane (PU) polymer matrices. The solution-casted PVA composites were developed by utilising the crosslinking reaction between the hydroxyl groups of PVA and epoxy groups of CNF. Using epoxidised CNF as reinforcement in PVA produced composites with outstanding mechanical properties already at low levels (0.5 to 1.5 wt.%). Additionally, the silylated CNF exhibit potential reinforcing additives already at low loadings in the water- and solvent-based two-component PU coatings by improving their strength, elasticity and abrasion resistance. The adhesion properties of the PU coatings to substrate were still retained when using the silylated CNF as additive. Modified wood-derived CNF provide fundamental improvements to PVA and PU properties, and are not only scientifically interesting but also industrially important. The study also demonstrates that moist, never-dried bleached softwood kraft pulp (BSKP) can be successfully melt compounded with polylactic acid (PLA) without chemical modification, resulting in a composite with enhanced mechanical properties. By using BSKP with relatively high moisture content in feeding, the general drawbacks associated with fibre cutting and degradation of PLA during melt processing were diminished. Also, the expensive and time-consuming stages involved in drying pulp fibres can be curtailed by using this production route. The processability and properties of the PLA/BSKP composites facilitate their future industrialisation and unveil technically and economically feasible applications. en
dc.description.abstract Väestön kasvu, riippuvuus fossiilisista raaka-aineista ja öljypohjaisten muovien aiheuttamat ympäristöongelmat ovat luoneet maailmanlaajuisen tarpeen etsiä vaihtoehtoisia materiaaleja korvaamaan perinteisiä öljypohjaisia materiaaleja. Biohajoavat ja biopohjaiset materiaalit ovat lupaavia biotalouden strategiaa tukevia tuotteita. Metsäteollisuuden tuotteilla on keskeinen rooli biotaloudessa. Tämän väitöskirjan tavoitteena oli kehittää biokomposiittimateriaaleja hyödyntämällä puuta uusiutuvana raaka-aineena. Funktionaalisten epoksi- ja silyyliryhmien tuominen selluloosananokuitujen pintaan kemiallisella muokkauksella osoittautui keinoksi parantaa kuitujen dirpergoitavuutta ja yhteensopivuutta polyvinyylialkoholin (PVA) ja polyuretaanin (PU) kanssa. Liuoksesta valettujen PVA-komposiittien valmistuksessa hyödynnettiin PVA:n hydroksyyliryhmien ja selluloosan epoksiryhmien välistä ristisilloitusreaktiota. Jo 0.5-1.5 painoprosentin lisäys epoksoitua nanokuitua paransi PVA:n mekaanisia ominaisuuksia merkittävästi. Myös silyloidut selluloosananokuidut osoittautuivat lupaaviksi lujittaviksi ainesosiksi jo alhaisina pitoisuuksina vesi-liuotin-pohjaisissa kaksikomponentti PU-pinnoitteissa parantaen niiden lujuutta, elastisuutta ja kulutuskestävyyttä. Käytettäessä silyloitua selluloosananokuitua lujitteena PU-pinnoitteiden adheesio substraattiin voitiin säilyttää. Kemiallisesti muokatut selluloosananokuidut paransivat merkittävästi PVA:n ja PU:n ominaisuuksia. Tulokset ovat sekä tieteellisestä että teollisesta näkökulmasta vaikuttavia. Tutkimuksessa osoitettiin, että kosteaa puumassakuitua (BSKP) voidaan onnistuneesti käyttää sulatyöstöprosessissa polylaktidin (PLA) kanssa ilman kemiallista muokkausta. Kostean puumassakuidun lisäys paransi myös PLA:n mekaanisia ominaisuuksia. Kostean puumassakuidun käyttö komposiitin valmistuksen syöttövaiheessa vähensi kuitujen pilkkoutumista ja PLA:n hajoamista, jotka ovat yleisiä sulatyöstöön liittyviä haasteita. Tämä valmistustapa vähentää kalliita ja aikaa vieviä selluloosan kuivausvaiheita. PLA/BSKP komposiittien prosessoitavuus ja ominaisuudet helpottavat niiden käyttöönottoa teollisessa mittakaavassa ja avaavat teknisesti ja taloudellisesti toteuttamiskelpoisia sovelluksia. fi
dc.format.extent 75 + app. 55
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 132/2018
dc.relation.haspart [Publication 1]: Virtanen, S., Vartiainen, J., Setälä, H., Tammelin, T., Vuoti, S. 2014. Modified nanofibrillated cellulose-polyvinyl alcohol films with improved mechanical performance. RSC Adv. 4, 11343-11350. DOI: 10.1039/c3ra46287k
dc.relation.haspart [Publication 2]: Virtanen, S., Vuoti, S., Heikkinen, H., Lahtinen, P. 2014. High strength modified nanofibrillated cellulose-polyvinyl alcohol films. Cellulose 21, 3561-3571. DOI: 10.1007/s10570-014-0347-7
dc.relation.haspart [Publication 3]: Virtanen, S., Jämsä, S., Talja, R., Heikkinen, H., Vuoti, S. 2016. Chemically modified cellulose nanofibril as an additive for two-component polyurethane coatings. J. Appl. Polym. Sci. 44801, 1-14. DOI: 10.1002/APP.44801
dc.relation.haspart [Publication 4]: Virtanen, S., Wikström, L., Immonen, K., Anttila, U., Retulainen, E. 2016. Cellulose kraft pulp reinforced polylactic acid (PLA) composites: effect of fibre moisture content. AIMS Mater. Sci. 3(3), 756-769. DOI: 10.3934/matersci.2016.3.756
dc.subject.other Chemistry en
dc.subject.other Materials science en
dc.title From wood to industrial polymeric biomaterials en
dc.title Puusta teollisiin polymeerisiin biomateriaaleihin fi
dc.type G5 Artikkeliväitöskirja fi
dc.contributor.school Kemian tekniikan korkeakoulu fi
dc.contributor.school School of Chemical Technology en
dc.contributor.department Biotekniikan ja kemian tekniikan laitos fi
dc.contributor.department Department of Biotechnology and Chemical Technology en
dc.subject.keyword cellulose en
dc.subject.keyword chemical modification en
dc.subject.keyword processing en
dc.subject.keyword polymer composites en
dc.subject.keyword selluloosa fi
dc.subject.keyword kemiallinen muokkaus fi
dc.subject.keyword prosessointi fi
dc.subject.keyword polymeerikomposiitit fi
dc.identifier.urn URN:ISBN:978-952-60-8082-6
dc.type.dcmitype text en
dc.type.ontasot Doctoral dissertation (article-based) en
dc.type.ontasot Väitöskirja (artikkeli) fi
dc.contributor.supervisor Rojas, Orlando J., Prof., Aalto University, Department of Bioproducts and Biosystems, Finland
dc.opn Kekäläinen, Kaarina, Dr., Centria University of Applied Sciences, Finland
dc.rev Lee, Koon-Yang, Dr., Imperial College London, UK
dc.rev Moon, Robert, Dr., US Forest Service, USA
dc.date.defence 2018-08-10
local.aalto.acrisexportstatus checked 2019-03-08_1415


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

My Account