Inherent and Tailored Properties of Cellulose - A Versatile Toolbox for Materials Engineering
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Chemical Technology |
Doctoral thesis (article-based)
| Defence date: 2023-08-18
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.
Authors
Date
2023
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
96 + app. 124
Series
Aalto University publication series DOCTORAL THESES, 96/2023
Abstract
Cellulosic materials exhibit significant potential to support the transition towards a circular bioeconomy, providing solutions to major challenges, such as plastic pollution, and resource sufficiency. Cellulose displays attractive properties, including high mechanical strength, biodegradability, and a broad chemical modifying capacity, further intensified in cellulose's nanoscaled forms due to their hierarchical structure and large surface area. This doctoral thesis sourced inspiration from these inherent features and aimed to exploit them in novel material solutions. The first target of this thesis was to investigate the effect of different chemical modifications on these properties focusing on mechanical strength and biodegradability. We showed that both of these properties for the different cellulose derivatives decreased with an increase in the degree of modification. The biodegradability was significantly decreased already at a degree of substitution of one (three being the maximum). These results underlined the importance of controlled modification to retain the inherent properties of cellulose, which we intended to exploit in novel material solutions. This approach was first exemplified using the inherent hygroscopicity and porosity of cellulose nanofibril (CNF) assemblies. We showed that these features, which generate water transport functions, could be utilized to capture nano- and microplastic particles smaller than 1 µm, which is considered the most challenging colloidal plastic fraction. Furthermore, as we introduced novel analytical methods for nanoparticle detection, we were able to bridge the significant methodological gap related to the collection and detection of submicron plastic particles. Next, the high surface reactivity of cellulose nanocrystals (CNCs) was utilized in a controlled manner to tune the attractive interactions between CNCs and silk proteins to demonstrate their suitability for filament formation. Here, we emphasized the detailed characterization of the introduced functionalities using novel analytical techniques and utilized a fresh perspective on determining the degree of substitution on the surface of the crystallites. In addition, using surface-sensitive techniques, we showed that ionic interactions induced sufficient binding between the CNCs and silk, promoting the shear-induced alignment of silk with the CNCs. Finally, CNFs and CNCs were combined in films with varying ratios to tailor the films' properties. With a 50 % CNC content, we could tune the films' optical properties without compromising their mechanical and barrier performance, which are characteristic features induced by cellulose nanofibrils. By exploiting cellulose's inherent and tailored properties and introducing complementary characterization methods for cellulose-based materials, this thesis provides a new angle to redefine the material bioeconomy, paving the way for new avenues for the whole forest sector.Selluloosapohjaiset materiaalit ovat tärkeässä roolissa tukemassa siirtymistä kohti vihreää kiertotaloutta tarjoten ratkaisuja globaaleihin haasteisiin, kuten muovisaasteeseen ja ehtyvien luonnonvarojen riittävyyteen. Selluloosalla on kiehtovia ominaisuuksia, kuten korkea mekaaninen lujuus, biohajoavuus ja kemiallinen muokattavuus, jotka korostuvat selluloosan nanomuodoissa eli nanoselluloosassa sen hierarkkisen rakenteen ja suuren pinta-alan ansiosta. Tämä väitöskirja pohjautuu näiden ominaispiirteiden hyödyntämiseen uusissa materiaaliratkaisuissa. Työn ensimmäisenä tavoitteena oli tutkia miten selluloosan kemiallinen muokkaus vaikuttaa näihin ominaisuuksiin keskittyen mekaaniseen lujuuteen ja biohajoavuuteen. Osoitimme eri selluloosajohdannaisille, että molemmat ominaisuudet heikkenivät substituutioasteen kasvaessa. Biohajoavuus väheni jo merkittävästi, kun substituutioaste oli yksi (maksimi on kolme). Nämä tulokset korostivat hallitun muokkauksen tärkeyttä uusien materiaalien kehityksessä, jotta selluloosan luontaiset ominaisuudet voidaan säilyttää. Tätä lähestymistapaa sovellettiin ensin käyttämällä selluloosa nanofibrillien (CNF) luontaista hygroskooppisuutta ja nanohuokoisuutta. Näiden ominaisuuksien ansiosta nanoselluloosalla on ilmiömäinen kyky imeä kosteutta itseensä, joka mahdollistaa kaikista haitallisimpien nano- ja mikromuovipartikkelien (koko ≤ 1 µm) kulkeutumisen nanoselluloosaverkostoon yhdessä veden virtauksen kanssa. Hyödyntämällä sekä uusia selluloosamateriaaleja, että uusia analyyttisiä menetelmiä nanomuovien havaitsemisessa, pystyimme tarjoamaan ratkaisuja pienimpien muovipartikkelien keräämiseen sekä niiden analysointiin. Seuraavaksi nanokiteisen selluloosan (CNC) korkeaa pintareaktiivisuutta hyödynnettiin hallitusti tavoitteena lisätä niiden vuorovaikutuksia silkkiproteiinien kanssa sekä osoittaa niiden yhdistettävyys filamenttien muodostuksessa. Hyödynsimme uusia analyyttisiä menetelmiä hallitun muokkauksen karakterisoinnissa sekä uutta näkökulmaa CNC:n pinnan substituutioasteen määrittämiseksi. Lisäksi osoitimme pintaherkkiä tekniikoita käyttämällä, että ioniset vuorovaikutukset saivat aikaan riittävän sitoutumisen CNC kiteiden ja silkin välillä, mikä edisti myös silkin järjestäytymistä virtauksessa. Lopuksi CNF ja CNC materiaalit yhdistettiin kalvoissa vaihtelevilla suhteilla, jotta kalvojen ominaisuuksia pystyttiin muokkaamaan. Kun kalvo sisälsi 50 % CNC:tä, pystyimme muokkaamaan kalvojen optisia ominaisuuksia tinkimättä niiden korkeasta mekaanisesta lujuudesta ja happi-barrierista, jotka ovat CNF verkostojen ominaispiirteitä. Hyödyntämällä selluloosan luontaisia ja tarkoin muokattuja ominaisuuksia sekä ottamalla käyttöön uusia selluloosapohjaisten materiaalien karakterisointimenetelmiä, tämä väitöskirja tarjoaa uuden näkökulman biomateriaalitaloudelle ja esittelee uusia innovaatioita koko metsäsektorille.Description
Supervising professor
Österberg, Monika, Prof., Aalto University, Department of Bioproducts and Biosystems, FinlandThesis advisor
Orelma, Hannes Dr., VTT Technical Research Centre of Finland, FinlandTammelin, Tekla, Research Prof., VTT Technical Research Centre of Finland, Finland
Keywords
nanocellulose, hygroscopicity, surface reactivity, chemical modification, biodegradation, cellulose-based films, water purification, nanoselluloosa, hygroskooppisuus, pintareaktiivisuus, kemiallinen muokkaus, biohajoavuus, selluloosakalvot, vedenpuhdistus
Other note
Parts
-
[Publication 1]: Leppänen, Ilona; Vikman, Minna; Harlin, Ali; Orelma, Hannes. 2020. Enzymatic Degradation and Pilot-scale Composting of Cellulose-Based Films with Different Chemical Structures. Journal of Polymers and the Environment, 28, 458–470.
DOI: 10.1007/s10924-019-01621-w View at publisher
-
[Publication 2]: Leppänen, Ilona; Lappalainen, Timo; Lohtander, Tia; Jonkergouw, Christopher; Arola, Suvi; Tammelin, Tekla. 2022. Capturing colloidal nano- and microplastics with plant-based nanocellulose networks. Nature Communications, 13, 1814.
Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202204282969DOI: 10.1038/s41467-022-29446-7 View at publisher
-
[Publication 3]: Leppänen Ilona; Arola, Suvi; King, Alistair W. T.; Unger, Miriam; Stadler, Hartmut; Nissen, Gry Sofie; Zborowski, Charlotte; Virtanen, Tommi; Salmela, Juha; Setälä, Harri; Lésage, Stephanie; Österberg, Monika; Tammelin, Tekla. 2023. Combining rigid cellulose nanocrystals and soft silk proteins: Revealing interactions and alignment in shear. Advanced Materials Interfaces, 2300162.
DOI: 10.1002/admi.202300162 View at publisher
-
[Publication 4]: Leppänen, Ilona; Hokkanen, Ari; Österberg, Monika; Vähä-Nissi, Mika; Harlin, Ali; Orelma, Hannes. 2022. Hybrid films from cellulose nanomaterials—properties and defined optical patterns. Cellulose, 29, 8551–8567.
Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202210196078DOI: 10.1007/s10570-022-04795-0 View at publisher