Short-Fiber Reinforced All-Cellulose Composites Using Aqueous NaOH Solution

Thumbnail Image
Files
isbn9789526038773.pdf (7.64 MB)
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Chemical Technology | Doctoral thesis (article-based) | Defence date: 2020-06-10
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
2020
Department
Biotuotteiden ja biotekniikan laitos
Department of Bioproducts and Biosystems
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
84 + app. 97
Series
Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 74/2020
Abstract
The demand for producing materials utilizing renewable resources instead of petroleum has increased with environmental concerns. This dissertation focuses on all-cellulose composites produced via short-fiber dispersion approach using commercial pulps as raw material and NaOH (aq) as cellulose solvent. The goal was to study the complete process of all-cellulose composite preparation and to understand how the pulp characteristics, special features of NaOH (aq) solvent and the processing parameters affect the material's properties. The influence of incomplete dissolution on the gelation properties of cellulose-NaOH systems was determined, different drying methods for all-cellulose composite production were studied and the effect of layer-by-layer hydrophobization treatment on the properties of these materials was examined. NaOH was found to be a suitable solvent for the production of all-cellulose composites if a sufficient concentration of dissolved cellulose in the matrix is achieved. The presence of non-dissolved cellulose in the cellulose-NaOH solution was found to reinforce the formed gels, but to accelerate gelation of the system, which should be taken into account for successful manufacturing. Density was found to be the main contributor to the mechanical performance of all-cellulose composites. Drying under compression resulted in materials with maximum Young's modulus of 8 GPa and tensile strength 53 MPa. In the case of porous all-cellulose composites prepared via supercritical drying, the addition of fibers significantly decreased the specific surface area. The best performance was found for the system containing only non-dissolved fiber fragments, which provided the reinforcement (compressive modulus 8 MPa), without sacrificing the high specific surface area (335 m2/g). Freeze-drying resulted in stronger materials, but surface area was significantly lower due to larger pores in the matrix. Additionally, the origin of the reinforcement (non-dissolved fragments or added fibers) was shown to have less influence on the composite's properties compared to fiber concentration. Layer by layer deposition of cationic starch and carnauba wax was shown to result in surface hydrophobized all-cellulose composites. Process optimisation was performed to obtain high water contact angle (122 °) while maintaining the composite mechanical properties. Overall, the results obtained in this work show that the properties of short-fiber reinforced all-cellulose composites can be altered and controlled, therefore allowing to design these materials to fulfil the requirements for various applications.

Huoli ympäristöstä on kasvattanut painetta käyttää materiaalien valmistuksessa uusiutuvia luonnonvaroja öljypohjaisten raaka-aineiden sijaan. Tässä väitöskirjassa tutkittiin lyhyillä kuiduilla lujitettujen täysselluloosakomposiittien valmistusta dispersiomenetelmällä, käyttäen kaupallisia selluja raaka-aineena ja natriumhydroksidin (NaOH) vesiliuosta liuottimena. Tavoitteena oli tutkia täysselluloosakomposiittien koko valmistusketjua ja pyrkiä ymmärtämään sellujen laadun, natriumhydroksidin liuotinominaisuuksien sekä prosessiparametrien vaikutusta komposiittien ominaisuuksiin. Tutkimuksessa tarkasteltiin epätäydellisen liukenemisen vaikutusta selluloosa-NaOH-liuosten geeliytymiseen, tutkittiin eri kuivausmenetelmien käyttöä täysselluloosa-komposiittien valmistuksessa ja selvitettiin monikerrosmenetelmällä toteutetun pinta-hydrofobisoinnin vaikutusta komposiittien ominaisuuksiin. Natriumhydroksidin vesiliuos todettiin sopivaksi liuottimeksi täysselluloosakomposiittien valmistukseen, kunhan matriisiin saavutettiin riittävä liuenneen selluloosaan konsentraatio. Selluloosa-NaOH-liuoksiin jäljelle jääneiden liukenemattomien kuidunosien sekä lisättyjen kuitujen todettiin vahvistavan muotoutuvia geelejä. Kuitenkin kiinteän selluloosan pitoisuuden kasvu nopeutti geeliytymistä, mikä on huomioitava valmistusprosessia suunniteltaessa. Täysselluloosakomposiittien lujuusominaisuuksien todettiin riippuvan pääasiassa niiden tiheydestä. Puristimella kuivaaminen johti 8 GPa:n enimmäiskimmomoduuliin ja 53 MPa:n -vetolujuuteen. Sekä ylikriittisissä olosuhteissa hiilidioksidilla kuivattujen että kylmäkuivauksella valmistettujen huokoisten täysselluloosakomposiittien tapauksessa lisättyjen lujitekuitujen huomattiin pienentävän ominaispinta-alaa merkittävästi. Epätäydellisestä liukenemisesta jäljelle jääneiden kuidunosien läsnäolo kuitenkin vahvisti komposiitteja ja ylikriittisellä kuivauksella saavutettiin enimmäispuristusmoduuli 8 MPa ominaispinta-alan säilyessä samansuuruisena (335 m2/g). Kylmäkuivauksella voitiin valmistaa tätä lujempia materiaaleja, mutta ominaispinta-ala oli merkittävästi pienempi matriisin suurikokoisten huokosten vuoksi. Lisäksi lujitteen alkuperän huomattiin vaikuttavan komposiittien ominaisuuksiin vähemmän kuin kuitujen konsentraation, riippumatta siitä, olivatko ne peräisin matriisin liukenemattomista kuidunosista tai lisätyistä kuiduista. Täysselluloosakomposiittien pinnoittamisen monikerrosmenetelmällä kationista tärkkelystä ja karnaubavahaa käyttäen todettiin johtavan hydrofobiseen pintaan. Prosessioptimoinnin ansiosta korkea vesikontaktikulma (122°) voitiin saavuttaa ilman lujuusominaisuuksien heikentymistä. Tässä työssä saavutetut tulokset osoittavat, että lyhyillä kuiduilla lujitettujen täysselluloosakomposiittien ominaisuuksia voidaan säädellä ja hallita. Materiaalia voidaan siis muokata monipuolisesti eri käyttösovellusten vaatimuksien mukaan.
Description
The public defense on 10th June 2020 at 12:00 will be available via remote technology. Link: https://aalto.zoom.us/j/63617659502 Zoom Quick Guide: https://www.aalto.fi/en/services/zoom-quick-guide Electronic online display version of the doctoral thesis is available by email by request from aaltodoc-diss@aalto.fi
Supervising professor
Budtova, Tatiana, Prof., Aalto University, Department of Bioproducts and Biosystems, Finland
Thesis advisor
Sixta, Herbert, Prof., Aalto University, Department of Bioproducts and Biosystems, Finland
Keywords
aerogel, gelation, hydrophobization, mechanical properties, aerogeeli, geeliytyminen, hydrofobisointi, lujuusominaisuudet
Other note
Parts
  • [Publication 1]: Oona Korhonen, Daisuke Sawada, Tatiana Budtova. All- cellulose composites via short fiber dispersion approach using NaOH-water solvent. Cellulose, 2019, 26:4881–4893.
    Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201911076094
    DOI: 10.1007/s10570-019-02422-z View at publisher
  • [Publication 2]: Oona Korhonen, Tatiana Budtova. Gelation of cellulose- NaOH solutions in the presence of cellulose fibers. Carbohydrate polymers, 224:115152, 2019.
    Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201911076145
    DOI: 10.1016/j.carbpol.2019.115152 View at publisher
  • [Publication 3]: Oona Korhonen, Tatiana Budtova. All-cellulose composite aerogels and cryogels. 2020. Submitted to Composites Part A
  • [Publication 4]: Oona Korhonen, Nina Forsman, Monika Österberg, Tatiana Budtova. Eco-friendly surface hydrophobization of all-cellulose composites using layer-by-layer deposition. 2020. Accepted in Express Polymer Letters
Citation
Permanent link to this item
https://urn.fi/URN:ISBN:978-952-60-3877-3
Collections
[diss] Kemian tekniikan korkeakoulu / CHEM