Wet-spinning of cellulose nanofibril hydrogels

Thumbnail Image
Files
isbn9789526082660.pdf (5.71 MB)
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Chemical Technology | Doctoral thesis (article-based) | Defence date: 2018-11-09
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.
Author
Date
2018
Department
Biotuotteiden ja biotekniikan laitos
Department of Bioproducts and Biosystems
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
58 + app. 132
Series
Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 211/2018
Abstract
Filaments were produced from cellulose nanofibrils (CNF) through wet-spinning for developments toward renewable fibre-based materials, such as absorbents or fibre-reinforced composites. The possibility to spin long filaments (i.e., spinnability) and resulting filament quality were related with the rheological behaviour of the CNF hydrogels used as precursors. A prototype wet-spinning line was developed for high-throughput filament production by co-extrusion with a supporting biopolymer shell around the CNF core. This system was also employed to spin absorbent filaments from CNF in combination with a shell that had limited compatibility with cellulose and coagulated effectively in aqueous media. The moisture sorption capacity was also increased by increasing the CNF surface charge, which also enhanced fibril alignment during filament formation. Filament mechanical integrity in wet conditions was improved through hydrophobic coating and interfibrillar crosslinking. The results highlight the use of wet-spinning as a simple and versatile approach to generate tuneable filaments from cellulose, an abundant bioresource. This will eventually enable the adoption of renewable options in applications that currently rely on fibres made from fossil carbon.

Selluloosan nanofibrillejä (CNF) märkäkehrättiin filamenteiksi käytettäväksi uusiutuvissa kuitupohjaisissa materiaaleissa, kuten absorboimisaineissa tai kuituvahvisteisissa komposiiteissa. CNF:n kehräytyvyyteen, eli kykyyn muodostaa pitkiä filamentteja, sekä saatujen filamenttien laatuun vaikutti esiasteena käytetyn CNF:n hydrogeelin reologinen käyttäytyminen. Märkäkehruulinjan prototyyppi kehitettiin suurten filamenttimäärien tuottamiseen kehräämällä CNF filamentin rakennetta tukevan biopolymeerikuoren sisällä. Näin valmistettiin myös imukykyisiä filamentteja CNF:stä valitsemalla kuorimateriaali, jolla on rajattu kemiallinen yhteensopivuus selluloosan kanssa ja joka koaguloituu tehokkaasti vedessä. Vesihöyrynkin sorptiota pystyttiin lisäämään kasvattamalla CNF:n pintavarausta, mikä myös paransi fibrillien suuntautumista kehräyksen aikana. Filamentin mekaanista kestävyyttä märissä olosuhteissa parannettiin vettä hylkivällä pinnoitteella ja fibrillien välisellä ristisilloituksella. Tulokset korostavat märkäkehräyksen hyödynnettävyyttä yksinkertaisena ja monipuolisena keinona valmistaa runsaasta bioraaka-aineesta filamentteja muokattavilla ominaisuuksilla. Tämä voi mahdollistaa uusiutuvien vaihtoehtojen käyttöönoton sovelluksissa, jotka nykyisin ovat riippuvaisia fossiilisesta hiilestä valmistetuista kuiduista.
Description
Supervising professor
Rojas, Orlando, Prof., Aalto University, Department of Bioproducts and Biosystems, Finland
Thesis advisor
Rojo, Ester, Dr., Aalto University, Finland
Arboleda, Julio, Dr., Aalto University, Finland
Cunha, Gisela, Dr., Aalto University, Finland
Ago, Mariko, Dr., Aalto University, Finland
Huan, Siqi, Dr., Aalto University, Finland
Keywords
nanocellulose, wet-spinning, rheology, hydrogel, filament, water absorbency, nanoselluloosa, märkäkehräys, reologia, hydrogeeli, filamentti, veden imukyky
Other note
Parts
  • [Publication 1]: Lundahl M.J., Cunha A.G., Rojo E., Papageorgiou A.C., Rautkari L., Arboleda J.C., Rojas O.J. Strength and Water Interactions of Cellulose I Filaments Wet-Spun from Cellulose Nanofibril Hydrogels. Sci Rep, 2016, 6, 30695.
    Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201612165973
    DOI: 10.1038/srep30695 View at publisher
  • [Publication 2]: Vuoriluoto M., Orelma H., Lundahl M., Borghei M., Rojas O.J. Filaments with Affinity Binding and Wet Strength Can Be Achieved by Spinning Bifunctional Cellulose Nanofibrils. Biomacromolecules, 2017, 18 (6), 1803–1813.
    DOI: 10.1021/acs.biomac.7b00256 View at publisher
  • [Publication 3]: Lundahl M.J., Berta M., Ago M., Stading M., Rojas O.J. Shear and extensional rheology of aqueous suspensions of cellulose nanofibrils for biopolymer-assisted filament spinning. Eur. Polym. J., 2018, 109, 367-378.
    DOI: 10.1016/j.eurpolymj.2018.10.006 View at publisher
  • [Publication 4]: Lundahl M.J., Klar V., Ajdary R., Norberg N., Ago M., Cunha A.G., Rojas O.J. Absorbent Filaments from Cellulose Nanofibril Hydrogels through Continuous Coaxial Wet Spinning. ACS Appl. Mater. Interfaces, 2018, 10 (32), 27287–27296.
    DOI: 10.1021/acsami.8b08153 View at publisher
  • [Publication 5]: Cunha A.G., Lundahl M.J., Ansari M.F., Johansson L.-S., Campbell J.M., Rojas O.J. Surface Structuring and Water Interactions of Nanocellulose Filaments Modified with Organosilanes toward Wearable Materials. ACS Appl. Nano Mater. 2019, 1 (9), 5279–5288.
    DOI: 10.1021/acsanm.8b01268 View at publisher
Citation
Permanent link to this item
https://urn.fi/URN:ISBN:978-952-60-8266-0
Collections
[diss] Kemian tekniikan korkeakoulu / CHEM