Many Faces of Methylcellulose-Based Nanocomposites - From Responsive Hydrogels to Optical Fibers

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Science | Doctoral thesis (article-based) | Defence date: 2021-02-05
Date
2021
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
91 + app. 69
Series
Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 4/2021
Abstract
This thesis covers the development of methylcellulose-based nanocomposite optical fibers starting from the preparation of a hydrogel spinning dope followed by the establishment of a fiber spinning process and, finally, the characterization of optical fiber capabilities and additional functionalities. Additionally, interfacial polyelectrolyte complexation (IPC) is explored as an alternative method to prepare nanocellulosic composite fibers. Cellulose-derived functional nanocomposite materials form the overall theme of the thesis. Publication I presents thermoresponsive methylcellulose-cellulose nanocrystal (MC-CNC) nanocomposite hydrogels with tunable mechanical and optical properties. The effects of both temperature and gel composition on the respective properties were screened and the interactions between MC matrix and CNC nanorods were analyzed. The hydrogels were further utilized in Publication II to prepare solid, fully cellulose-derived fibers. In Publications II and III, two different methods, wet-spinning and IPC spinning, respectively, were used to produce cellulose-based nanocomposite fibers with straightforward and environmentally benign processes without the need for chemical crosslinkers. Through the optimization of the MC-CNC composition in Publication II, exceptionally ductile, smooth, and transparent fibers were achieved. In Publication III, coated and compartmentalized cellulose nanofibril (CNF) -based fibers were feasibly achieved via IPC spinning. Humidity sensitive reversible shape change, i.e., crimping, of the compartmentalized fibers inspired by the natural wool fibers was demonstrated. The ductile fibers from Publication II were further modified and examined as potential biopolymeric optical fibers in Publication IV. Signal propagation comparable to the state-of-the-art biopolymeric optical fibers and good mechanical performances were achieved. In addition to CNCs, atomically precise gold nanoclusters (GNCs) and CNC-GNC hybrids were used in the nanocomposite fibers to enable additional photoluminescent and sensory functionalities. Overall, multifunctional and advanced cellulose-based materials were feasibly prepared from relatively simple raw materials. The thesis contributes to the development of advanced functional cellulosic materials and provides a relatively rare approach to the preparation of high-performance cellulosic fibers from the point of view of optical fibers. The results encourage more deeply to explore the potential of cellulosic nanocomposites as optical fibers and waveguides.

Tämä väitöskirja kuvaa metyyliselluloosapohjaisten nanokomposiittivalokuitujen kehitysprosessin alkaen raaka-aineena käytettävien hydrogeelien valmistuksesta kuitujen kehräämiseen ja lopulta optisten kuitujen ominaisuuksien tutkimiseen ja muokkaamiseen. Lisäksi polyelektrolyyttien rajapintalkompleksointia tarkastellaan vaihtoehtoisena menetelmänä nanoselluloosakomposiittikuitujen valmistukseen. Selluloosapohjaiset toiminnalliset nanokomposiittimateriaalit muodostavat koko väitöskirjan kattavan yhteisen teeman. Julkaisussa I tarkastellaan mekaanisesti ja optisesti säädeltäviä lämpötilaan reagoivia metyyliselluloosan (MC) ja selluloosananokiteiden (CNC) muodostamia nanokomposiittihydrogeelejä. Geelien vasteiden voimakkuutta ja palautuvuutta sekä MC-polymeerien ja CNC-partikkelien vuorovaikutusta tutkittiin sekä lämpötilan että hydrogeelin koostumuksen suhteen. Hydrogeeleistä valmistettiin edelleen Julkaisussa II täysin selluloosapohjaisia kiinteitä kuituja. Julkaisuissa II ja III kahta eri menetelmää, märkäkehräystä sekä polyelektrolyyttien rajapintakompleksointia, käytettiin selluloosapohjaisten nanokomposiittikuitujen valmistukseen. Molemmat menetelmät ovat suoraviivaisia ja ympäristölle turvallisia eivätkä vaadi haitallisia kemiallisia sidosaineita. Optimoimalla MC-CNC-kuitujen koostumus Julkaisussa II valmistettiin poikkeuksellisen venyviä, sileitä ja läpinäkyviä kuituja. Julkaisussa III rajapintakompleksointi osoittautui vaivattomaksi menetelmäksi tuottaa pinnoitettuja sekä rakenteeltaan osittuneita selluloosananokuitupohjaisia komposiittikuituja. Lisäksi kaksikomponenttikuitujen osoitettiin muuttavan muotoaan luonnollisen villakuidun kärhistymistä jäljittelevällä tavalla ympäristön kosteudesta riippuen. Julkaisun II joustavia MC-CNC kuituja kehitettiin edelleen optisiksi kuiduiksi Julkaisussa IV. Kuidut olivat mekaanisesti vahvoja ja niiden valosignaalin välityskyky oli verrattavissa parhaisiin tunnettuihin biopolymeeripohjaisiin valokuituihin. CNC:ien lisäksi atomintarkan rakenteen omaavia kultananoklustereita (GNC) ja CNC-GNC hybridirakenteita käytettiin kuiduissa lisäämään toiminnallisuutta fotoluminesessin muodossa ja muokkaamaan niitä sensoreiksi. Kaiken kaikkiaan monitoiminnallisia ja edistyneitä selluloosapohjaisia materiaaleja valmistettiin suoraviivaisilla menetelmillä suhteellisen yksinkertaisista raaka-aineista. Tämä väitöskirja palvelee osaltaan edistyneiden toiminnallisten selluloosamateriaalien kehitystä suhteellisen harvinaisesta näkökulmasta tähtäämällä erityisesti niiden soveltamiseen optisina kuituina. Tulokset kannustavat syvemmin perehtymään selluloosananokomposiittien hyödyntämiseen erilaisissa valokuiduissa ja -johtimissa.
Description
Defence 5.2.2021 14:00 – 18:00 via remote technology (Zoom), https://aalto.zoom.us/j/61953789396
Supervising professor
Ikkala, Olli, Prof., Aalto University, Department of Applied Physics, Finland
Thesis advisor
Nonappa, Assoc. Prof., Tampere University, Finland
Keywords
methylcellulose, nanocellulose, nanocomposite, hydrogel, thermoresponsive, optical fiber, metyyliselluloosa, nanoselluloosa, nanokomposiitti, hydrogeeli, lämpövaste, valokuitu
Other note
Parts
  • [Publication 1]: Ville Hynninen, Sami Hietala; Jason R. McKee, Lasse Murtomäki, Orlando J. Rojas, Olli Ikkala, Nonappa. Inverse Thermoreversible Mechanical Stiffening and Birefringence in a Methylcellulose/Cellulose Nanocrystal Hydrogel. Biomacromolecules, 2018, 19 (7), 2795-2804.
    Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201810025202
    DOI: 10.1021/acs.biomac.8b00392 View at publisher
  • [Publication 2]: Ville Hynninen, Pezhman Mohammadi, Wolfgang Wagermaier, Sami Hietala, Markus B. Linder, Olli Ikkala, Nonappa. Methylcellulose/Cellulose Nanocrystal Nanocomposite Fibers with High Ductility. European Polymer Journal, 2019, 112, 334-335.
    Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201902252045
    DOI: 10.1016/j.eurpolymj.2018.12.035 View at publisher
  • [Publication 3]: Matti S. Toivonen, Sauli Kurki-Suonio, Wolfgang Wagermaier, Ville Hynninen, Sami Hietala, Olli Ikkala. Interfacial Polyelectrolyte Complex Spinning of Cellulose Nanofibrils for Advanced Bicomponent Fibers. Biomacromolecules, 2017, 18 (4), 1293-1301.
    Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201705315132
    DOI: 10.1021/acs.biomac.7b00059 View at publisher
  • [Publication 4]: Ville Hynninen, Sourov Chandra, Susobhan Das, Mohammad Amini, Yunyun Dai, Sakari Lepikko, Pezhman Mohammadi, Sami Hietala, Robin H.A. Ras, Zhipei Sun, Olli Ikkala, Nonappa. Luminescent gold nanocluster-methylcellulose hybrid optical fibers with low attenuation coefficient and high photostability. Submitted to Small
Citation