Modelling effects of salt on cellulose nanocrystal interactions

No Thumbnail Available
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Kemian tekniikan korkeakoulu | Master's thesis
Date
2020-06-15
Department
Major/Subject
Biosystems and biomaterials engineering
Mcode
CHEM3028
Degree programme
Master’s Programme in Life Science Technologies
Language
en
Pages
67+8
Series
Abstract
Improved understanding of the molecular interactions at cellulose-to-solvent interface is important for the design of advanced materials. In this thesis, changes in molecular interactions at cellulose-to-solvent interface with addition of ions (Na, Ca, Cl) are investigated. Different crystal orientations, with different hydrophilicities/hydrophobicities, were modelled and compared to each other. Of particular interest were the molecular interactions which can explain the gelation (increase in viscosity) that has been observed to occur with addition of NaCl to colloidal nanocellulose suspensions. Molecular dynamics simulations were used to examine the effects of salts on cellulose nanocrystal interactions with each other, with the goal of exploring mechanisms that cause attraction between cellulose crystals. Molecular dynamics is very useful in probing molecular interactions that are difficult or impossible to measure in any other way. Steric effects, hydration forces, depletion interactions, and specific ion effects are difficult to model on a macroscopic level but are implicitly included on the molecular level. Differences in hydrophilicity and hydrophobicity of different cellulose surfaces could be clearly seen from the water binding of the surfaces as well as the extent of oriented water. Hydrophobic surfaces showed larger water orientation peaks, consistent with water being more ordered around hydrophobic surfaces. With CaCl2 addition, there was a large increase in the water binding for the slightly hydrophilic (-1-10) and (110) surfaces, while the hydrophobic surfaces showed no such increase. Kirkwood-Buff solution theory was applied to search for attractive depletion forces at nanocellulose interfaces. The results indicate that depletion forces are likely to occur around cellulose strands in solutions containing ions, and that they are likely to contribute to the aggregation and gelation that has been experimentally observed when ions are introduced into nanocellulose aqueous dispersions. Electrostatic screening of repulsive forces from charged defects is another contributing factor in real nanocellulose dispersions which necessarily contain these defects.

Uusien selluloosalla vahvistettujen komposiittimateriaalien suunnittelulle on tärkeää ymmärtää paremmin molekyylien väliset vuorovaikutukset selluloosan ja liuottimen rajapinnalla. Tässä diplomityössä tutkitaan selluloosan ja veden rajapinnalla tapahtuvien molekyylien välisten vuorovaikutusten muuttumista, kun veteen lisätään ioneja (Na, Ca, Cl). Eri selluloosakiteen pintojen orientaatioita, joilla on eri hydrofobiset tai hydrofiiliset ominaisuudet, simuloidaan ja niista saatuja tuloksia verrataan. Erityisenä kiinnostuksen kohteena on molekyylien vuorovaikutukset jotka voisivat selittää geeliytymisen (viskositeetin kasvamisen) jota on havaittu tapahtuvan kun suolaa lisätään kolloidisiin nanoselluloosasuspensioihin. Molekyylidynaamisilla simulaatioilla tarkasteltiin suolojen vaikutuksia selluloosananokiteiden välisiin vuorovaikutuksiin, tarkoituksena tutkia mekanismeja jotka aiheuttavat selluloosakiteiden välisiä attraktiivisia vuorovaikutuksia. Molekyylidynamiikka on hyödyllinen tapa tutkia sellaisia molekyylien välisiä vuorovaikutuksia, jotka ovat vaikeita tai mahdottomia tutkia millään muulla keinolla. Steeriset vaikutukset, hydraatiovoimat, depleetiovuorovaikutukset, ja ionien spesifiset ominaisuudet ovat vaikeita mallintaa makroskooppisella tasolla, mutta tulevat implisiittisesti otetuksi huomioon molekyylitason simulaatioissa. Erot selluloosakiteiden hydrofiilisyydessä ja hydrofobisuudessa olivat selvästi nähtävissä selluloosapintojen vedensitomiskyvyssä sekä orientoituneen vesikerroksen paksuudessa. Kuten oli odotettu, veden orientoituminen oli voimakkainta hydrofobisten pintojen lähellä. CaCl2 lisäys aiheutti voimakkaan lisäyksen sitoutuneen veden määrässä lievästi hydrofiilisilla (-1-10) ja (110) pinnoilla, mutta ei hydrofobisilla pinnoilla. Kirkwoodin ja Buffin liuosmallia hyödynnettiin attraktiivisten depleetiovuorovaikutusten tutkimisessa nanoselluloosakiteiden rajapinnoilla. Tulokset kertovat, etta depleetiovuorovaikutuksia todennäköisesti esiintyy nanoselluloosasäikeiden välillä suolaa sisältävissä liuoksissa. Depleetiovoimat vaikuttavat osaltaan aggregoitumiseen ja geeliytymiseen, joita ilmenee, kun suolaa lisätään nanoselluloosan ja veden suspensioihin. Toinen lisääntyneeseen attraktioon vaikuttava tekijä on nanosellulosan pinnalla olevat negatiivisesti varautuneet epäpuhtaudet, joiden välillä vaikuttava repulsiovoima pienenee suolan vaikutuksesta.
Description
Supervisor
Laasonen, Kari
Thesis advisor
Sammalkorpi, Maria
Keywords
cellulose, nanocrystal, molecular dynamics, salt
Other note
Citation