Carbon-Cellulose Foams

No Thumbnail Available

Files

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

Kemiantekniikan korkeakoulu | Bachelor's thesis
Electronic archive copy is available locally at the Harald Herlin Learning Centre. The staff of Aalto University has access to the electronic bachelor's theses by logging into Aaltodoc with their personal Aalto user ID. Read more about the availability of the bachelor's theses.

Date

2024-05-05

Department

Major/Subject

Kemia ja materiaalitiede

Mcode

CHEM3049

Degree programme

Kemiantekniikan kandidaattiohjelma

Language

en

Pages

32

Series

Abstract

Foams have long been regarded as versatile and environmentally friendly materials due to their excellent properties relative to their low raw material consumption. However, the most commonly used foams are fossil-based and environmentally harmful. Therefore, the need for alternative materials has grown. In recent years, carbon-cellulose foams have been proposed as a replacement for fossil-based foams, offering an environmentally friendly material alternative. Carbon-cellulose foams are low-density materials constructed from carbon- and cellulose-based raw materials, such as cellulose nanofibres and carbon nanotubes. This bachelor's thesis examines carbon-cellulose foams as environmentally friendly materials for industrial applications. The purpose of the thesis is to determine whether carbon-cellulose foams can function as a versatile and environmentally friendly material option that is realistically applicable in various industrial applications. The thesis explores different manufacturing methods, the mechanical, thermal, and electrical properties, potential applications, as well as the strengths and challenges associated with the material. The material is examined particularly from a sustainable development perspective. The research is based on a literature review, which collects information from relevant research reports, books, articles, and reviews. Information on the topic is readily available, and the quality of the sources found is high, with consistent results supporting each other. This allows for a comprehensive literature review of the properties and applications of carbon-cellulose foams, the results of which can be considered reliable. The morphological, mechanical, thermal, and electrical properties of carbon-cellulose foams are diverse and benefit from the properties inherent in the raw materials, which can be regulated by the manufacturing methods and the ratios of raw materials. Particularly, their electrical and thermal properties, largely stemming from the material's porosity and carbon fibres, open up several potential applications for the material. Among these, applications in electronics, insulation, and filtration are considered realistic, where carbon-cellulose foams demonstrate higher performance in some cases than traditional foam materials. However, the material suffers from poor durability against external factors such as moisture, which complicates its long-term usability. Additionally, the scalability of the manufacturing process is weak due to the high cost of raw materials, namely carbon nanofibres and graphene, which are essential for the intended applications. Moreover, the environmental friendliness of carbon-based raw materials varies greatly, further compromising the material's overall environmental friendliness. Based on the research, carbon-cellulose foams are a versatile and diverse material with many potential applications. However, they are not yet realistically able to serve as material alternatives for their intended purposes due to their poor long-term durability and high cost of raw materials. The material's current environmental friendliness may also not be sufficient to justify a shift away from traditional foam materials. Nevertheless, carbon-cellulose foams show potential to function as efficient replacements for fossil-based foams in the future and to advance sustainable development goals by reducing dependence on traditional, environmentally harmful materials.

Vaahtoja on jo pitkään pidetty monipuolisina, ympäristöystävällisinä materiaaleina johtuen niiden erinomaisista ominaisuuksista suhteessa niiden pieneen raaka-ainekulutukseen. Yleisimmin käytettävissä olevat vaahdot ovat kuitenkin fossiilipohjaisia ja ympäristölle haitallisia. Näin ollen tarve vaihtoehtoisille materiaaleille on kasvanut. Viime vuosina fossiilipohjaisille vaahdoille korvaavaksi, ympäristöystävälliseksi materiaaliksi on ehdotettu hiili-selluloosavaahtoja. Hiili-selluloosavaahdot ovat matalatiheyksisiä materiaaleja, jotka rakentuvat hiili- ja selluloosapohjaisista raaka-aineista, kuten nanoselluloosasta ja hiilinanoputkista. Tämä kandidaatintyö käsittelee hiili-selluloosavaahtoja ympäristöystävällisenä materiaalina teollisuuden käyttökohteisiin. Kandidaatintyön tarkoituksena on selvittää voivatko hiili-selluloosavaahdot toimia monipuolisena ja ympäristöystävällisenä materiaalivaihtoehtona, joka soveltuu realistisesti käyttöön monissa eri teollisuuden käyttökohteissa. Työssä tutkitaan materiaalin eri valmistusmenetelmiä, niiden mekaanisia, termisiä ja sähköisiä ominaisuuksia, mahdollisia käyttökohteita ja materiaaliin liittyviä vahvuuksia ja haasteita. Materiaalia tarkastellaan erityisesti kestävän kehityksen perspektiivistä. Tutkimus pohjautuu kirjallisuuskatsaukseen, johon on kerätty materiaalia aiheelle relevanteista tutkimusraporteista, kirjoista, artikkeleista ja katsauksista. Aiheesta on valmiisti saatavilla informaatiota, ja löydettyjen lähteiden laatu on korkea ja niiden tulokset tukevat toisiaan. Tämä mahdollistaa työstä koostavan kirjallisuuskatsauksen hiili-selluloosavaahtojen ominaisuuksiin ja käyttökohteisiin, jonka tuloksia voidaan pitää luotettavina. Hiili-selluloosavaahtojen morfologiset, mekaaniset, termiset ja sähköiset ominaisuudet ovat monipuoliset, ja hyötyvät raaka-aineille ominaisista ominaisuuksista, jotka ovat säädeltävissä materiaalin valmistusmenetelmien ja raaka-aineiden suhteiden avulla. Erityisesti niiden sähköiset ja termiset ominaisuudet, jotka juontavat pitkälti materiaalin huokoisuuden ja hiilikuitujen vaikutuksesta avaavat materiaalille useita mahdollisia käyttökohteita. Näistä realistisimpina pidetyt ovat sovellukset elektroniikassa, eristemateriaalina sekä suodattimena, missä hiili-selluloosavaahdot osoittavat paikoitellen korkeampaa suorituskykyä kuin perinteiset vaahtomateriaalit. Materiaali kuitenkin kärsii heikosta kestävyydestä ulkoisia tekijöitä, kuten kosteutta vastaan, mikä hankaloittaa sen pitkäaikaisia käyttömahdollisuuksia. Myös materiaalin valmistusprosessin skaalattavuus on heikko johtuen käyttökohteille välttämättömien raaka-aineiden, nimellisesti hiilinanokuitujen ja grafeenin korkeasta hinnasta. Myös hiilipohjaisten raaka-aineiden ympäristöystävällisyys vaihtelee suuresti, mikä heikentää materiaalin ympäristöystävällisyyttä kokonaisuudessaan. Hiili-selluloosavaahdot ovat tutkimuksen perusteella monikäyttöinen ja monipuolinen materiaali, jolla on monia mahdollisia käyttökohteita. Ne eivät kuitenkaan sellaisenaan vielä pysty realistisesti toimimaan materiaalivaihtoehtoina niille suunniteltuihin käyttötarkoituksiin johtuen niiden heikosta pitkäaikaisesta kestävyydestä sekä korkeasta raaka-aineiden hinnasta. Materiaalin tämänhetkinen ympäristöystävällisyys ei myöskään ole välttämättä riittävä perustelemaan siirtymään pois perinteisistä vaahtomateriaaleista. Hiili-selluloosavaahdot kuitenkin näyttävät potentiaalia toimia tulevaisuudessa tehokkaasti korvaavina materiaaleina fossiilipohjaisille vaahdoille ja edistämään kestävän kehityksen tavoitteiden saavuttamista vähentämällä riippuvuutta perinteisistä, ympäristölle haitallisista materiaaleista.

Description

Supervisor

Kontturi, Eero

Thesis advisor

Abidnejad, Roozbeh

Keywords

carbon-cellulose foams, foams, carbon, cellulose, carbon nanotubes, cellulose nanofibres

Other note

Citation