Fundamental understanding of nanocellulose‒lignin interactions using mechano-enzymatically produced cellulose nanofibrils

Abstract

Recently the development of wood-based materials has been a trending topic due to raised environmental consciousness. This new way of thinking has opened new markets and competition towards finding environmentally friendly alternatives to petroleum based products. VTT has developed a high consistency and simple method to produce cellulose nanofibrils (CNF) referred to as “HefCel”, which is based on enzyme-assisted mechanical production of nanofibrillar cellulose. Herein HefCel and its interaction with colloidal lignin particles (CLPs) was studied by preparing nanocomposite films in order to obtain enhanced fundamental knowledge of their compatibility. Two different film preparation methods were applied in order to distinguish whether the production technique has an effect on the properties of the nanocomposite films. Moreover, treatment of the films with the enzyme laccase was used in an attempt to form crosslinks between lignin constituents and to evaluate possible changes in film properties. Produced nanocomposite films were characterized by electron microscopy (SEM, TEM), dry and wet tensile testing, and water contact angle (WCA) measurements. It was discovered that the preparation method had an influence on the properties of the nanocomposite films. Tensile stress at break and WCA values between ambient dried and filtered nanocomposite films ranged between ca. 19–56 MPa and 27–58o, respectively. Ambient dried nanocomposite films exhibited higher tensile properties compared to filtered nanocomposite films. Moreover, the ambient dried films showed generally higher WCA values exhibiting also stronger correlation to the lignin content compared to those of the nanocomposite films prepared with the filtration method. Finally, laccase experiment did not have a significant effect on tensile properties, however higher WCA values were discovered.

Puupohjaiset materiaalit ovat saaneet viime aikoina paljon huomiota ympäristöystävällisinä vaihtoehtoina öljypohjaisten materiaalien korvaamiseksi. Tämän tutkimuksen tavoitteena oli saada perusteellista ymmärrystä VTT:n kehittämän entsyymiavusteisesti tuotetun nanoselluloosan (HefCel) ja kolloidisten ligniinipartikkelien välisistä vuorovaikutuksista valmistamalla ohuita nanokomposiittifilmejä paineistetulla suodatuksella ja valumenetelmällä, jossa veden annettiin haihtua normaaliolosuhteissa. Työssä tutkittiin myös erilaisten valmistusmenetelmien vaikutusta nanofilmien ominaisuuksiin. Lisäksi tutkittiin, vaikuttaako jäännösligniiniä sisältävien HefCel-filmien käsittely lakkaasi-entsyymillä filmien ominaisuuksiin. Nanokomposiittifilmejä karakterisoitiin elektronimikroskopiamenetelmillä (SEM, TEM), vetolujuusmittauksilla sekä mittaamalla veden kontaktikulma filmien pinnalla. Tulokset osoittivat valmistusmenetelmien vaikuttavan nanokomposiittien ominaisuuksiin. Vetolujuusarvot vaihtelivat 19–56 MPa, kun taas vesikontaktikulmat vaihtelivat 27–58o valmistusmenetelmästä riippuen. Valumenetelmällä valmistettujen filmien vetolujuus- ja vesikontaktikulmalukemat olivat yleisesti korkeammat verrattuna suodatusmenetelmällä valmistettujen filmien arvoihin. Lakkaasikäsittely johti korkeampiin filmien kontaktikulma-arvoihin, mutta lujuusominaisuuksiin sillä ei ollut merkittävää vaikutusta.