Biocolorants for engineering materials
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Chemical Engineering |
Doctoral thesis (article-based)
| Defence date: 2025-10-17
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
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
77 + app. 38
Series
Aalto University publication series Doctoral Theses, 198/2025
Abstract
Even though colorants are rarely thought of as independent materials, colors of most human-made objects are artificially altered by applying colorant additives. Biocolorants, which are colorants from bio-based sources, offer sustainable alternatives to the currently prevalent synthetic colorants originating from petrochemical sources. However, perhaps due to the long history of using biocolorants in textile coloration, modern research has primarily focused on utilizing biocolorants in textile field. Consequently, research of biocolorants in engineering materials has received much less attention. The objective of this thesis was to find practical and durable solutions for using biocolorants in engineering materials. Thus, bio-based indigo from Isatis tinctoria was utilized in coloration of wood coatings, polypropylene, and polylactic acid. In addition to indigo, madder (Rubia tinctorum) extract, weld (Reseda luteola) extract, kraft lignin, and biochar were used for biocoloration of polylactic acid. Furthermore, dyeing of anodized aluminum surface was explored utilizing madder and weld extracts as biocolorants. Besides initial color properties, durability performance of the biocolored materials was determined by exposure to either cyclical artificial weathering or continuous Xenon light, followed by colorimetric and spectral re-evaluation. The results showed that weathering resistance of the wood coatings colored with bio-based indigo pigment was comparable to the coatings utilizing a commercial mineral pigment. Moreover, purification of the bio-based indigo pigment improved its color strength and lightfastness even further when used for polypropylene coloration. Nevertheless, even more promising biocoloration results for polylactic acid were achieved using kraft lignin pigment, which produced a stable color and improved both photodegradation resistance and mechanical performance of the polylactic acid matrix. Finally, biocoloration of anodized aluminum with madder and weld extracts successfully produced thin colored layers with even and intense metallic colors. In summary, this thesis showcases promising real-world applications for biocolorant use in coloration of engineering materials, while focusing specifically on durability and applicability performances of the studied biocolorants.Vaikka väriaineita käsitellään irrallaan muista materiaaleista vain harvoin, suurin osa ihmiskunnan tuotoksista on keinotekoisesti värjätty väriaineita käyttäen. Biopohjaisista raaka-aineista tuotetut väriaineet eli bioväriaineet tarjoavat puhtaamman vaihtoehdon nykyään laajalti käytettäville synteettisille väriaineille, jotka tuotetaan fossiilisista polttoaineista jalostamalla. Moderni bioväriainetutkimus on kuitenkin keskittynyt suurelta osin tekstiilien biovärjäyksen tutkimiseen, sillä bioväriaineita on käytetty laajalti kankaiden värjäämisessä jo kauan ennen synteettisten väriaineiden keksimistä. Tämän seurauksena teknisten materiaalien värjäämistä bioväriaineilla on tutkittu huomattavasti vähemmän. Tämän väitöskirjan tavoitteena oli löytää käytännöllisiä ja pitkäaikaiskestäviä bioväriaineita teknisten materiaalien värjäämiseen. Ensimmäiset tutkimukset keskittyivät puupinnoitteiden, polypropeenin, sekä polylaktidin biovärjäämiseen värimorsingosta (Isatis tinctoria) peräisin olevalla indigopigmentillä. Polylaktidin värjäämistä tutkittiin indigon lisäksi myös värimatarasta (Rubia tinctorum) ja väriresedasta (Reseda luteola) uutetuilla väriaineilla sekä kraftligniinillä ja biohiilellä. Lisäksi tutkittiin myös anodisoidun alumiinipinnan värjäämistä sekä matara- että resedauuttella. Tavanomaisten väriominaisuuksien lisäksi värjättyjen materiaalien pitkäaikaiskestävyyttä arvioitiin altistamalla materiaaleja joko keinotekoiselle säärasitukselle tai jatkuvalle Xenon-valolle, minkä jälkeen altistettujen materiaalien väri- ja spektriominaisuuksia arvioitiin uudelleen. Tulokset osoittivat, että puupinnoitteissa biopohjaisella indigopigmentillä saavutettiin kaupalliseen mineraalipigmenttiin verrattavissa oleva säänkesto. Lisäksi biopohjaisen indigopigmentin värin voimakkuutta ja valonkestoa polypropeenimuovissa kyettiin parantamaan edelleen pigmentin happopuhdistuksella. Polylaktidin värjäämisessä lupaavimmat tulokset saavutettiin kraftligniinillä, joka paransi valonkeston lisäksi myös polylaktidin lujuusominaisuuksia. Myös anodisoidun alumiinin värjääminen onnistui ja tuotti tulokseksi ohuen, voimakkaan metallivärisen oksidipinnoitteen. Yhteenvetona, tässä väitöskirjassa esitellään lupaavia ratkaisuja bioväriaineiden käyttöön teknisten materiaalien värjäämisessä, keskittyen eritoten värjättyjen materiaalien pitkäaikaiskestävyyteen ja käytettävyyteen reaalimaailman olosuhteissa.Description
Supervising professor
Vapaavuori, Jaana, Prof., Aalto University, Department of Chemistry and Materials Science, FinlandThesis advisor
Laaksonen, Päivi, Dr., Häme University of Applied Sciences, FinlandOther note
Parts
- [Publication 1]: Jordan, Juha; Helander, Roosa; Laaksonen, Päivi. 2021. Colour stability of wood coatings pigmented with natural indigo from Isatis tinctoria after accelerated weathering. Wiley-Blackwell. Coloration Technology, volume 138, issue 2, pages 210-218. ISSN 1472-3581.DOI: 10.1111/cote.12585
-
[Publication 2]: Jordan, Juha; de Morais de Lima, Tielidy Angelina; Nugent, Michael; Laaksonen, Päivi. 2025. Lightfastness of polypropylene pigmented with natural indigo of Isatis Tinctoria. Emerald Publishing Group. Pigment & Resin Technology.
DOI: 10.1108/PRT-03-2024-0026 View at publisher
-
[Publication 3]: Jordan, Juha; de Morais de Lima, Tielidy Angelina; Nugent, Michael; Laaksonen, Päivi. 2024. Effect of organic biocolourants on lightfastness and mechanical properties of polylactic acid. Wiley-Blackwell. Coloration Technology. Advance online publication.
DOI: 10.1111/cote.12803 View at publisher