Hydrophobic cellulose nanomaterials

No Thumbnail Available
Files
Ruohola_Varpu_2024.pdf (583.57 KB)
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Kemiantekniikan korkeakoulu | Bachelor's thesis
Electronic archive copy is available locally at the Harald Herlin Learning Centre. The staff of Aalto University has access to the electronic bachelor's theses by logging into Aaltodoc with their personal Aalto user ID. Read more about the availability of the bachelor's theses.
Date
2024-05-22
Department
Major/Subject
Biotuotteet
Mcode
CHEM3048
Degree programme
Kemiantekniikan kandidaattiohjelma
Language
en
Pages
29
Series
Abstract
Cellulose is one of nature's most common natural materials. It can be processed into nanocellulose, which can be used in a wide range of applications. Cellulose can be processed into either cellulose nanocrystals or nanofibres. This bachelor’s thesis is a literature review that gives an overview of the hydrophobically modified nanomaterials of nanocellulose. Nanocellulose, like cellulose, is highly hydrophilic due to the hydroxyl groups in its structure. The hydroxyl groups bind with weak bonds, for example to water. The hydrophilic nature of nanocellulose restricts its use in applications where water-repelling properties are required for example self-cleaning surfaces, or where nanocellulose is incorporated to composites with hydrophobic materials. However, nanocellulose can be chemically modified to be more hydrophobic. Six such methods are presented in this work: amination, alkalinization, urethanization, silylation, grafting and surfactants. In addition to methods that characterize the chemical modification and surface properties of cellulose, techniques specific to the structural analysis of cellulose nanomaterials and hydrophobic materials are discussed. These properties are analysed with various methods such as SEM (scanning electron microscope) and contact angle. Hydrophobic nanocelluloses can improve the adhesion of different materials. The more hydrophobic nanocellulose can be used for various composites and wound healing applications, including self-cleaning and healing materials. This thesis dissects the use of nanocellulose in self-healing and self-cleaning applications. Nanocellulose can be used to make self-cleaning and healing coatings for textiles. A self-healing composite of nanocellulose has been made in a research project, which, after a cut wound, heals itself after heat treatment. This could be used, for example, as an anti-corrosion coating. Self-cleaning and healing applications will increase the durability of matrices by extending their lifetime. Thus, hydrophobic nanocelluloses can increase sustainability.

Selluloosa on luonnon yleisimpiä luonnonmateriaaleja. Siitä voidaan jalostaa nanosel-luloosaa, jota voidaan hyödyntää laajalti eri sovelluksissa. Selluloosasta voidaan jalostaa joko selluloosananokristalleja tai selluloosananokuituja. Tämä kandidaatintyö on kirjalli-suuskatsaus, joka antaa kokonaiskuvan nanoselluloosan hydrofobisesti muokatuista nanomateriaaleista. Nanoselluloosa, kuten selluloosakin, on erittäin hydrofiilistä sen rakenteeseen kuuluvien hydroksyyliryhmien takia. Hydroksyyliryhmät sitoutuvat heikoilla sidoksilla esimerkiksi veteen. Tällöin nanoselluloosan mahdollisuudet esimerkiksi komposiiteissa, itsepuhdistuvissa pinnoissa, sekä lääketieteellisissä sovelluksissa ovat kapeammat. Nanoselluloosaa voidaan kuitenkin muokata kemiallisesti hydrofobisemmaksi. Näitä menetelmiä esitellään tässä työssä kuusi: aminointi, alkalisointi, uretanisaatio, piittämistekniikka, liittäminen ja pinta-aktiivisten aineiden käyttö. Osa näistä vaatii toimiakseen selluloosan hapetusreaktion ennen kuin hydrofobisointi voidaan toteuttaa. Hydrofobisuuden lisäksi muutkin ominaisuudet voivat muuttua, kun selluloosaa käsitellään kemiallisesti. Esimerkiksi kristallirakenne voi muuttua kemiallisten muokkausten jälkeen. Näitä eri ominaisuuksia analysoidaan eri menetelmillä, kuten SEM (scanning elecron microscope) ja kontaktikulmalla. Hydrofobisempaa nanoselluloosaa voidaan eri komposiittien ja haavan parannuksen lisäksi hyödyntää muun muassa itsepuhdistuvissa ja parantuvissa materiaaleissa. Nanoselluloosasta voidaan valmistaa itsepuhdistuvan ja parantuvan pinnoitteen tekstiileille. Tutkimuksessa on tehty nanoselluloosasta itseparantuva komposiitti, joka viilletyn vaurion jälkeen parantaa itsensä lämpökäsittelyn jälkeen. Tätä voitaisiin hyödyntää esimerkiksi ruostumisenestopinnoitteena. Itsepuhdistuvat ja parantuvat applikaatiot kasvattavat materiaalien kestävyyttä, sillä niiden käyttöikä pitenee. Muovipohjaisia materiaaleja voidaan myös korvata nanoselluloosan avulla, tällöin nanoselluloosa on myös osana kestävää kehitystä.
Description
Supervisor
Kontturi, Eero
Thesis advisor
Kaabel, Sandra
Keywords
hydrophobic nanocellulose, cellulose nanocrystals, cellulose nanofibrils, self-healing, self-cleaning
Other note
Citation