Scalable Surface Chemistry for Lignin Modification - Creating Value for a Forest-Based Society

dc.contributorAalto-yliopistofi
dc.contributorAalto Universityen
dc.contributor.authorHenn, Karl Alexander
dc.contributor.departmentBiotuotteiden ja biotekniikan laitosfi
dc.contributor.departmentDepartment of Bioproducts and Biosystemsen
dc.contributor.labBioproduct Chemistry Groupen
dc.contributor.schoolKemian tekniikan korkeakoulufi
dc.contributor.schoolSchool of Chemical Technologyen
dc.contributor.supervisorÖsterberg, Monika, Prof., Aalto University, Department of Bioproducts and Biosystems, Finland
dc.date.accessioned2023-11-16T10:00:17Z
dc.date.available2023-11-16T10:00:17Z
dc.date.defence2023-12-01
dc.date.issued2023
dc.description.abstractLignins is a highly abundant biomaterial produced as a side-stream in chemical pulping. Kraft lignin is the most common technical lignin, but it is difficult to utilize. Kraft lignin's properties can be improved, but chemical modification processes often struggle with balancing costs, performance, and environmental burden. The recent emergence of technologies to prepare and apply colloidal lignin nanoparticles (LNPs) has however increased lignin's potential, as it allows lignin to be used in multiple water-based applications. This thesis aims to demonstrate the usefulness of lignin and LNPs by presenting new scalable ways to modify lignin, in native and colloidal form, for both high-value and high-volume applications. LNPs are formed through a solvent shifting process, where an anti-solvent is added to a lignin solution. Lignin's hydroxyl group content and overall chemical structure determine how the particles are assembled during solvent shifting. Reducing lignin's hydroxyl group content through acetylation allowed smaller particles to be prepared at higher concentrations than what is possible with non-modified lignin. The acetylated particles' small size made them optically clear, which allowed them to be used for both antifogging coating and photonic films. The LNPs' inner structure could be changed by including hydrophobic fatty acids in the solvent shifting process. This resulted in hybrid nanocapsules whose cores consisted mainly of fatty acids and the shell mainly of lignin. Many fatty acids can be used as latent heat storage, but their meltingand solidification temperatures are prone to shift. However, the fatty acids' melting and solidification temperatures were effectively stabilized when encapsulated by lignin. LNPs outer structure could be hydrophobized for water-repellent surface coatings by adding a hydrophobic glycerol-based epoxy cross-linker to LNP dispersions. The LNPs allowed the epoxy to fuse with the aqueous dispersion phase despite its poor water solubility, and simultaneously acted as a curing agent. By combining LNPs with epoxidized lignin, strong and thermally stable adhesives with exceptionally high lignin contents could be prepared. The thesis also presents new methods for performing lignin epoxidation and acetylation. Both methods were designed to be scalable and material efficient, and therefore utilized short reaction times, moderate temperatures, and recycling of all excess chemicals. Overall, this thesis demonstrates how lignin's utility is improved in colloidal form, and by doing so provides examples of how lignin could be successfully valorized and applied.en
dc.description.abstractLigniini on puupohjainen polymeeri, joka syntyy sivutuotteena sellutuotannossa. Kraft ligniini on yleisin ja runsain tekninen ligniinimuoto, mutta se on haastava soveltaa. Kraft ligniinin amfifiilisyys ja haarautunut molekyylirakenne heikentävät sen ominaisuuksia, ja sen huono vesiliukoisuus rajoittaa merkittävästi sovelluksia, joissa sen käyttö olisi mahdollista. Kemiallisten muokkausten kautta voidaan parantaa ligniinin ominaisuuksia, mutta tasapainon saavuttaminen hinnan, ominaisuuksien, ja ympäristöystävällisyyden välillä on haasteellista. Kolloidaalisten ligniinipartikkelien kehitys on parantanut ligniinin potentiaalia, sillä nämä partikkelit soveltuvat myös vesipohjaisiin sovelluksiin. Tämän väitöskirjan tavoitteena on osoittaa ligniinin potentiaalinen arvo esittelemällä uusia skaalautuvia tapoja muokata ligniiniä käytettäväksi erilaisissa lisäarvotuotteissa. Ligniinipartikkelit valmistetaan liuotinvaihtoprosessissa, jossa saostumisaine – yleensä vesi – lisätään ligniiniliuoksiin. Hydroksyyliryhmien määrä vaikuttaa partikkelien järjestäytymiseen prosessin aikana. Asetyloinnin avulla voidaan vähentää ligniinin hydroksyyliryhmien määrää, mikä pienentää partikkelikokoa ja tämän kautta vähentää partikkelien vuorovaikutuksia valon kanssa. Tämä mahdollistaa partikkeleiden käyttöä optisesti läpinäkyvinä huurtumisenesto pinnoitteina. Hallitsemalla partikkelifilmien paksuutta, voitiin myös valmistaa fotonisia pinnoitteita asetyloituneista ligniinipartikkeleista. Ligniinipartikkeleita voitiin käyttää hankauskestävänä ja hydrofiilisenä pinnoitteena yhdistämällä ligniinidispersio vesiliukenemattoman glyserolipohjaisen epoksin kanssa. Epoksin vesiliukenemattomuudesta huolimatta, se kykeni sekoittumaan vesifaasiin ligniinipartikkelien välityksellä. Ligniinipartikkelit toimivat samalla myös kovettimena. Väitöskirjassa esitellään lisäksi uusia menetelmiä ligniinin epoksidointiin ja asetylointiin. Molemmissa menetelmissä on otettu huomioon skaalautuvuus ja resurssitehokkuus, minkä vuoksi niissä käytetään lyhyitä reaktioaikoja, matalia reaktiolämpötiloja ja kemikaalien kierrätystä. Yhteenvetona väitöskirja esittelee vaihtoehtoisia tapoja käyttää ligniiniä kolloidaalisessa muodossa ja tarjoaa hyödyllisiä esimerkkejä ligniinin arvonlisäyksestä.fi
dc.format.extent85 + app. 129
dc.format.mimetypeapplication/pdfen
dc.identifier.isbn978-952-64-1516-1 (electronic)
dc.identifier.isbn978-952-64-1515-4 (printed)
dc.identifier.issn1799-4942 (electronic)
dc.identifier.issn1799-4934 (printed)
dc.identifier.issn1799-4934 (ISSN-L)
dc.identifier.urihttps://aaltodoc.aalto.fi/handle/123456789/124511
dc.identifier.urnURN:ISBN:978-952-64-1516-1
dc.language.isoenen
dc.opnWågberg, Lars, Prof., KTH Royal Institute of Technology, Sweden
dc.publisherAalto Universityen
dc.publisherAalto-yliopistofi
dc.relation.haspart[Publication 1]: Henn, K. Alexander; Babaeipour, Sahar, Forssell, Susanna; Nousiainen, Paula; Meinander, Kristoffer; Oinas, Pekka; Österberg, Monika. 2023. Transparent Lignin Nanoparticles for Superhydrophilic Antifogging Coatings and Photonic Films. Chemical Engineering Journal, volume 475, page 145965. Full text in Acris/Aaltodoc http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202310116267. DOI:10.1016/j.cej.2023.145965
dc.relation.haspart[Publication 2]: Sipponen, H. Mika; Henn, K. Alexander; Penttilä, Paavo; Österberg, Monika. 2020. Lignin-fatty acid hybrid nanocapsules for scalable thermal energy storage in phase-change materials. Chemical Engineering Journal, volume 393, page 124711, 1385-8947. DOI:10.1016/j.cej.2020.124711
dc.relation.haspart[Publication 3]: Henn, K. Alexander; Forsman, Nina; Zou, Tao; Österberg, Monika. 2021. Colloidal lignin particles and epoxies for bio-based, durable, and multiresistant nanostructured coatings. ACS Applied Materials & Interfaces, volume 13, number 29, pages 34793 – 34806, 1944-8244. Full text in Acris/Aaltodoc http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202108258395. DOI:10.1021/acsami.1c06087
dc.relation.haspart[Publication 4]: Henn, K. Alexander; Forssell, Susanna; Pietiläinen, Antti; Forsman, Nina; Nousiainen, Paula; Oinas, Pekka; Österberg, Monika. 2022 Interfacial catalysis and lignin nanoparticles for strong fire-and water-resistant composite adhesives. Green Chemistry, volume 24, number 17, pages 6487 – 6500, 1463-9270. Full text in Acris/Aaltodoc http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202209145605. DOI:10.1039/D2GC01637K
dc.relation.ispartofseriesAalto University publication series DOCTORAL THESESen
dc.relation.ispartofseries188/2023
dc.revSevastyanova, Olena, Prof., KTH Royal Institute of Technology, Sweden
dc.revPeresin, Maria Soledad, Prof., Auburn University, United States of America
dc.subject.keywordlignin nanoparticlesen
dc.subject.keywordLNPsen
dc.subject.keywordepoxyen
dc.subject.keywordepoxidationen
dc.subject.keywordacetylationen
dc.subject.keywordantifoggingen
dc.subject.keywordphotonicen
dc.subject.keywordcoatingsen
dc.subject.keywordligniinifi
dc.subject.keywordnanopartikkeleitafi
dc.subject.keywordLNPfi
dc.subject.keywordpinnoitefi
dc.subject.keywordliimafi
dc.subject.keywordepoksifi
dc.subject.keywordasetylointifi
dc.subject.keywordhuurtumisenestofi
dc.subject.otherBiotechnologyen
dc.titleScalable Surface Chemistry for Lignin Modification - Creating Value for a Forest-Based Societyen
dc.titleSkaalautuva pintakemia ligniinin muokkaamiseen – Arvon luominen metsäpohjaiselle yhteiskunnallefi
dc.typeG5 Artikkeliväitöskirjafi
dc.type.dcmitypetexten
dc.type.ontasotDoctoral dissertation (article-based)en
dc.type.ontasotVäitöskirja (artikkeli)fi
local.aalto.acrisexportstatuschecked 2023-12-01_1101
local.aalto.archiveyes
local.aalto.formfolder2023_11_16_klo_07_58

Files

Original bundle

Now showing 1 - 1 of 1
No Thumbnail Available
Name:
isbn9789526415161.pdf
Size:
6.73 MB
Format:
Adobe Portable Document Format