Surface and inter-fibre interactions in aqueous cellulose-based systems for open fibrous structures

Thumbnail Image
Files
isbn9789526413624.pdf (15.74 MB)
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Chemical Technology | Doctoral thesis (article-based) | Defence date: 2023-09-01
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Author
Date
2023
Department
Biotuotteiden ja biotekniikan laitos
Department of Bioproducts and Biosystems
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
106 + app. 135
Series
Aalto University publication series DOCTORAL THESES, 115/2023
Abstract
In the thesis, the morphology of cellulose-based fibre surfaces immersed in water and their interactions with air bubbles in the presence of surfactants were investigated. The cellulose-based fibres included those from wood pulps obtained by chemical and chemi-thermomechanical processing as well as regenerated cellulose. The revealed surface characteristics and interaction mechanisms were connected to the fibre behaviour in water and in foam forming and to the resulting dry material properties. Fibre surface morphology and cellulose microfibrils (CMF) were explored using helium ion microscopy. Freeze drying and critical point drying were used to preserve the open cellulose fibril structure. Well preserved fibre surface fibrils had a significant resemblance with CMF. As wet CMF was known to be gel-like, it was suggested that fibrillated fibre surfaces bore similar gel-like behaviour. The gel-likeness of fibre surfaces was connected to the increased force transmittance capacity of fibre webs, seen as higher shrinkage and elongation of water-formed fibre webs. Bubble-cellulose interactions were investigated with a stepwise approach: 1) Hydrophobised and hydrophilic cellulose model surface studies were conducted with a captive bubble method in anionic sodium dodecyl sulphate (SDS) and non-ionic Tween 20 solutions with varying surface tensions. 2) CMF model surface was used to study the effect of surface roughness. 3) The bubble-fibre interaction was elaborated with actual cellulose fibres by using a fibre bed method. 4) Low-density foam-formed materials were prepared to test the findings from the model surface studies in the context of fibre-foam behaviour and dry structure properties. In conclusion, the bubble interaction with hydrophilic cellulose fibres was generally very weak. The hydrophobic content of cellulose (amphiphilicity and lignin) together with the entrapped air on a fibre surface can drive the bubble adhesion to the fibre. This weak interaction can be cancelled out by higher surfactant concentration. Lightweight materials prepared with hydrophilic and hydrophobized cellulose fibres (with SDS and Tween 20) showed differences in structure and mechanical behaviour, as well as formation of microscale fibre networks inside the structure. These findings increase the general understanding of fibre surface properties and interaction mechanisms between bubbles and cellulose fibres and can be applied in material design in both water-and foam-forming processes.

Väitöskirjassa perehdyttiin märkien puukuitupintojen morfologiaan sekä ilmakuplien vuorovaikutukseen selluloosapintojen kanssa yhdessä ja ilman pinta-aktiivisia aineita. Kuitujen pintaominaisuuksilla ja kuplien vuorovaikutuksella selluloosan kanssa oli yhteys kuivuvaahtojen käyttäytymiseen sekä vesi- ja vaahtorainattujen kuitumateriaalien ominaisuuksiin.  Kuitujen ja selluloosamikrofibrillien (CMF) morfologiaa tutkittiin heliumionimikroskopialla. Näytteet kuivattiin joko kriittisen pisteen kuivauksella tai pakastekuivauksella, jolloin avoin fibrillirakenne voitiin säilyttää. Kuitujen pintafibrillit olivat hyvin samankaltaisia CMF:n kanssa. Märän CMF:n tiedetään olevan geelimäistä, joten on mahdollista, että myös fibrilloitunut kuitupinta käyttäytyy geelimäisesti vesiympäristössä. Kuitupintojen geelimäisyys yhdistettiin kuituverkostojen lisääntyneeseen voimansiirtokykyyn, mikä näkyi vesirainattujen rakenteiden korkeampana kutistumisena ja venymisenä. Kuplien ja selluloosan välisten vuorovaikutusmekanismien tutkimus jaettiin neljään vaiheeseen: 1) Kuplien vuorovaikutus hydrofobisoitujen and hydrofiilisten selluloosamallipintojen kanssa pinta-aktiivisten aineiden (anioninen natriumdodekyylisulfaatti (SDS) ja nonioninen Tween 20) läsnä ollessa, 2) CMF-mallipinnat ja pinnan karheuden vaikutus kuplan tarttumiseen, 3) Kuplien vuorovaikus erilaisten selluloosakuitujen kanssa ja 4) Paksujen ja huokoisten vaahtorainattujen rakenteiden ominaisuuksien yhdistäminen mallipintakokeiden tuloksiin. Mallipinta tutkimuksissa selvisi, että hydrofiiliset selluloosapinnat vetävät kuplia heikosti puoleensa. Heikko vuorovaikutus saattaa aiheutua kuitujen osittaisesta hydrofobisuudesta (amfifiilisyys, ligniini) sekä pinnalle varastoituneesta ilmasta (nanokuplat) ja vuorovaikutus voitiin helposti kumota pinta-aktiivisilla aineilla. Valmistettujen vaahtorainattujen rakenteiden ominaisuudet vaihtelivat kuitutyypistä ja pinta-aktiivisesta aineesta riippuen. Rakenteiden sisällä havaittiin myös mikromittakaavaisten kuituverkkojen muodostumista. Työssä tehdyt havainnot lisäävät yleistä ymmärrystä kuidun pinnan ominaisuuksista sekä kuplien ja selluloosakuitujen välisistä vuorovaikutusmekanismeista. Tietoa voidaan soveltaa selluloosapohjaisten materiaalien valmistukseen sekä vesi- että vaahtorainausprosesseilla.
Description
Supervising professor
Rojas, Orlando, Prof., Aalto University, Department of Bioproducts and Biosystems, Finland
Thesis advisor
Ketoja, Jukka, Dr., Technical Research Centre of Finland, Finland
Retulainen, Elias, Dr., Technical Research Centre of Finland, Finland
Keywords
wood fibre surface morphology, surface fibrils, cellulose microfibrils (CMF), gel-like fibre surface, critical point drying, freeze drying, bubble-cellulose interactions, foam forming, model surfaces, hydrophobised cellulose, lightweight materials, puukuitujen morfologia, pintafibrillit, selluloosa mikrofibrillit (CMF), geelimäiset kuitupinnat, kriittisen pisteen kuivaus, kylmäkuivaus, kupla-selluloosa vuorovaikutukset, vaahtorainaus, mallipinnat, hydrofobinen selluloosa, kevyet materiaalit
Other note
Parts
  • [Publication 1]: Ketola Annika E., Leppänen Miika, Turpeinen Tuomas, Papponen Petri, Strand Anders, Sundberg Anna, Arstila Kai and Retulainen Elias. 2019. Cellulose nanofibrils prepared by gentle drying methods reveal the limits of helium ion microscopy imaging. RSC Advances, 9 (27), 15668–15677.
    DOI: 10.1039/C9RA01447K View at publisher
  • [Publication 2]: Ketola Annika E., Leppänen Miika, Turpeinen Tuomas, Papponen Petri, Sundberg Anna, Arstila Kai and Retulainen Elias. Wet Fibre Surface – Does It Behave Like a Gel? 2022. 17th Fundamental Research Symposium. The Pulp and Paper Fundamental Research Society. Cambridge, UK. Volume 1, p. 119–138
  • [Publication 3]: Ketola Annika E., Strand Anders, Sundberg Anna, Kouko Jarmo, Oksanen Antti, Salminen Kristian, Fu Shiyu, and Retulainen Elias. 2018. Effect of Micro- and Nanofibrillated Cellulose on the Drying Shrinkage, Extensibility, and Strength of Fibre Networks. BioResources 13 (3), 5319–5342.
    DOI: 10.15376/biores.13.3.5319-5342 View at publisher
  • [Publication 4]: Ketola Annika E., Xiang Wenchao, Hjelt Tuomo, Pajari Heikki, Tammelin Tekla, Rojas Orlando J. and Ketoja Jukka A. 2020. Bubble Attachment to Cellulose and Silica Surfaces of Varied Surface Energies: Wetting Transition and Implications in Foam Forming. Langmuir, 36 (26), 7296−7308.
    Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202008064475
    DOI: 10.1021/acs.langmuir.0c00682 View at publisher
  • [Publication 5]: Ketola Annika, Hjelt Tuomo, Lappalainen Timo, Pajari Heikki, Tammelin Tekla, Salminen Kristian, Lee Koon-Yang, Rojas Orlando and Ketoja Jukka A. The Relation Between Bubble–Fibre Interaction and Material Properties in Foam Forming. 2022. 17th Fundamental Research Symposium. The Pulp and Paper Fundamental Research Society. Cambridge, UK. Volume 1, p. 65–84
  • [Publication 6]: Ketola Annika E., Song Wenzhe, Lappalainen Timo, Salminen Kristian, Viitala Janika, Turpeinen Tuomas, Miettinen Arttu, Lee Koon-Yang, and Ketoja Jukka A. 2022. Changing the Structural and Mechanical Anisotropy of Foam-Formed Cellulose Materials by Affecting Bubble−Fibre Interaction with Surfactant. ACS Applied Polymer Materials. 2022, 4, 10, 7685–7698.
    DOI: 10.1021/acsapm.2c01248 View at publisher
Citation
Permanent link to this item
https://urn.fi/URN:ISBN:978-952-64-1362-4
Collections
[diss] Kemian tekniikan korkeakoulu / CHEM