Surface-modified nanoparticles for ultrathin coatings

 |  Login

Show simple item record

dc.contributor Aalto-yliopisto fi
dc.contributor Aalto University en
dc.contributor.advisor Österberg, Monika, Associate Professor
dc.contributor.author Nypelö, Tiina
dc.date.accessioned 2012-10-16T13:03:53Z
dc.date.available 2012-10-16T13:03:53Z
dc.date.issued 2012
dc.identifier.isbn 978-952-60-4499-6 (electronic)
dc.identifier.isbn 978-952-60-4498-9 (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/123456789/5999
dc.description.abstract Nanoparticle modification and their utilization in the modification of planar substrates were examined. Emphasis was placed on two topics: the control of layer structure during formation and the alteration of the wetting characteristics of modified surfaces. Layer formation was investigated by adsorbing nanoparticles with a distinct shape and charge onto a nanofibrillated cellulose (NFC) substrate. In addition, nanosized silica particles and NFC were adsorbed sequentially with an oppositely charged polyelectrolyte onto an NFC substrate in order to explore the structures achievable using layer-by-layer assembly. Evidently, the utilization of nanoparticles in layer formation demands the control of the nanoparticle dispersion stability and particle affinity to the substrate. When combining nanoparticles with other substances, the properties of the particles define the layer structure; large fibrils were able to form a stratified layer, while silica nanoparticles were able to penetrate the preceding layer and transform the structure into a uniform network of polyelectrolyte and nanoparticles. The effect of nanoparticle surface modification on dispersion properties and on the structure and properties of the layers formed were also of interest. Modification of nanosized silica and precipitated calcium carbonate particles was conducted by treatment with oppositely charged substances. This treatment resulted in stable nanoparticle dispersions able to be further modified with hydrophobic sizing agents. In addition to enhanced stability and functionality, the polyelectrolyte treatment could be used to affect the interaction of the nanoparticles with the other dispersion constituents. Wetting of a smooth and dense substrate was not affected by the nanoscale roughness caused by the nanoparticle coating on the substrate. In order to affect substrate hydrophobicity, chemical hydrophobicity was deemed necessary. The combination of modified nanoparticles and a hydrophobic emulsion resulted in a nanostructure able to change the wetting characteristics of a planar substrate. Treatment of a smooth substrate with a hydrophobic dispersion resulted in slightly enhanced surface hydrophobicity. On paper, the combination of micron and nanoscale roughness with chemical hydrophobicity resulted in a significant increase in hydrophobicity. The coatings consisted of a thin nanoparticle structure with evenly distributed particles. In addition to use as a paper surface treatment, a layer, consisting of inexpensive particles allowing simple surface modification, could be used to functionalize planar substrates and enable the use of paper as a sustainable substrate, even in applications beyond its traditional use. en
dc.description.abstract Tässä työssä tutkittiin nanopartikkeleiden käyttöä tasomaisten pintojen muokkauksessa. Erityisesti keskityttiin nanopartikkelikerroksen rakenteeseen sekä muodostuneen rakenteen vaikutukseen tason pintaominaisuuksiin. Nanopartikkelikerroksen muodostumista havainnoitiin muun muassa tutkimalla kahden ominaisuuksiltaan hyvin erilaisen nanopartikkelimateriaalin asettumista selluloosapinnalle. Nanopartikkelidispersion stabiilisuudella, partikkeleiden ja pinnan varauksella sekä liuoksen väliaineen ominaisuuksilla havaittiin olevan välitön vaikutus muodostuneen pinnan rakenteeseen. Nanopartikkeleiden adsorboimisen lisäksi kerroksen rakentumista hallittiin adsorboimalla nanopartikkelidispersio selluloosapinnalle vuorotellen vastakkaisesti varautuneen polyelektrolyyttiliuoksen kanssa. Tämä niin sanottu monikerrosrakenne muodostui eri tavoin riippuen käytettyjen nanopartikkeleiden koosta ja muodosta. Pienet silikananopartikkelit pystyivät tunkeutumaan polyelektrolyyttikerrokseen, ja monikerrosrakenne tasoittui rakenteeksi, jossa nanopartikkelit olivat jakautuneet tasaisesti polyelektrolyyttimatriisiin. Pitkät nanofibrillit taas muodostivat kerroksellisen rakenteen polyelektrolyyttikerroksen kanssa, eikä huomattavaa kerrosten sekoittumista havaittu. Nanopartikkeleiden pintaominaisuuksilla on suuri vaikutus muodostuneeseen rakenteeseen. Niinpä nanopartikkeleita modifioitiin adsorboimalla pintaan vastakkaisesti varautunut polyelektrolyyttikerros, jonka avulla dispersioiden stabiilisuutta sekä partikkeleiden pintavarausta pystyttiin muokkaamaan. Lisäksi modifioinnilla pystyttiin joissakin tapauksissa vaikuttamaan nanopartikkeleiden vuorovaikutukseen muiden dispersion ainesosien kanssa. Nanopartikkeleiden aiheuttama karheus tasolla todettiin hyödyttömäksi nesteiden leviämisominaisuuksien muuttamisessa. Yhdistämällä nanopartikkelit hydrofobisten materiaalien kanssa vesidispersiossa pystyttiin luomaan päällystyskerros, jolla tasaisen pinnan kastumiseen voitiin vaikuttaa. Muodostamalla sama rakenne paperin päälle, siis yhdistämällä mikro- ja nanoluokan karheus kemialliseen hydrofobisuuteen, valmistettiin erittäin vettähylkivä pinta. Vedenkeston lisäksi tällaista hyvin tarkasti määriteltyä nanopartikkelirakennetta, esimerkiksi paperin päällysteenä, voidaan käyttää lisäämään pinnan funktionaalisuutta, ja lisätä niin tämän luonnonmukaisen pohjamateriaalin käyttöä myös muualla kuin perinteisessä tarkoituksessaan. fi
dc.format.extent 163
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 12/2012
dc.relation.haspart [Publication 1]: Tiina Nypelö, Hanna Pynnönen, Monika Österberg, Jouni Paltakari, and Janne Laine. Interactions between inorganic nanoparticles and cellulose nanofibrils. Cellulose, accepted for publication.
dc.relation.haspart [Publication 2]: Jani Salmi, Tiina Nypelö, Monika Österberg, and Janne Laine. 2009. Layer structures formed by silica nanoparticles and cellulose nanofibrils with cationic polyacrylamide (C-PAM) on cellulose surface and their influence on interactions. BioResources, volume 4, number 2, pages 602-625.
dc.relation.haspart [Publication 3]: Tiina Nypelö, Monika Österberg, Xuejie Zu, and Janne Laine. 2011. Preparation of ultrathin coating layers using surface modified silica nanoparticles. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, volume 392, number 1, pages 313-321.
dc.relation.haspart [Publication 4]: Tiina Nypelö, Monika Österberg, and Janne Laine. 2011. Tailoring surface properties of paper using nanosized precipitated calcium carbonate particles. ACS Applied Materials & Interfaces, volume 3, number 9, pages 3725-3731.
dc.relation.haspart [Publication 5]: Lei Dong, Tiina Nypelö, Monika Österberg, Janne Laine, and Mikko Alava. 2010. Modifying the wettability of surfaces by nanoparticles: Experiments and modeling using the Wenzel law. Langmuir, volume 26, number 18, pages 14563-14566.
dc.subject.other Paper technology en
dc.title Surface-modified nanoparticles for ultrathin coatings en
dc.title Nanopartikkeleiden pintamodifiointi ja käyttö tasomaisten pintojen muokkaamisessa fi
dc.type G5 Artikkeliväitöskirja fi
dc.contributor.school Kemian tekniikan korkeakoulu fi
dc.contributor.school School of Chemical Technology en
dc.contributor.department Puunjalostustekniikan laitos fi
dc.contributor.department Department of Forest Products Technology en
dc.subject.keyword nanoparticle adsorption en
dc.subject.keyword dispersion stability en
dc.subject.keyword surface modification en
dc.subject.keyword ultrathin coatings en
dc.subject.keyword layer-by-layer assembly en
dc.subject.keyword wetting en
dc.subject.keyword nanopartikkeleiden adsorbointi fi
dc.subject.keyword dispersiostabiilisuus fi
dc.subject.keyword pintamuokkaus fi
dc.subject.keyword ohutpäällysteet fi
dc.subject.keyword nesteen leviäminen pinnalla fi
dc.identifier.urn URN:ISBN:978-952-60-4499-6
dc.type.dcmitype text en
dc.type.ontasot Doctoral dissertation (article-based) en
dc.type.ontasot Väitöskirja (artikkeli) fi
dc.contributor.supervisor Laine, Janne, Professor
dc.opn Hinestroza, Juan, Professor, Cornell University, USA
dc.rev Saarinen, Jarkko, Dr., Åbo Akademi, Finland
dc.rev Dickey, Michael, Dr., North Carolina State University, USA
dc.date.defence 2012-02-17


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