Cellulose Nanofibril Films as Bioinspired Membranes - Capitalizing on Water Interactions
Loading...
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Chemical Technology |
Doctoral thesis (article-based)
| Defence date: 2018-02-23
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
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
82 + app. 83
Series
Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 31/2018, VTT Science, 171,
Abstract
This work represents an effort to exploit the inherent features of nanoscaled cellulose as practical advantages in membrane materials. The approach was to systematically explore the behavior of 2,2,6,6-tetramethylpiperidine-1-oxyl radical oxidized cellulose nanofibrils (TEMPO CNF) with respect to water vapor sorption mechanisms and transport of water, to tune the inherent properties using facile strategies and to expose the materials to performance testing. Surface-sensitive methods were used for revealing molecular scale phenomena directly at interfaces, whereas bulk methods were used to demonstrate their significance in macroscopic scale. Films made from TEMPO CNF were in the main role, complemented by synthetic polymers to introduce new performance features with significance for membrane materials. Water vapor sorption of TEMPO CNF thin films was studied by precise surface-sensitive analytical methods, i.e. quartz crystal microbalance with dissipation monitoring and spectroscopic ellipsometry, and combined with classical physicochemical models. It was established that water vapor sorption into TEMPO CNF thin films occurs through distinct underlying mechanisms: specific sorption below 10% RH, association of Flory-Huggins population of molecules with the films at 10-75% RH and clustering of water molecules above 75% RH. Kinetic parameters defining the transport of water molecules in the TEMPO CNF film structure were determined. The results showed that diffusion of water vapor could be used as a probing tool for elucidating structural details of moisture-responsive materials in the presence of water. Bulk and interfacial chemical modification approaches were applied. Enhancement of wet strength of TEMPO CNF films was achieved by crosslinking, whereby inherent characteristics, such as hydrophilicity, were not compromised. The water stable structure was suitable for further functionalization with a thermoresponsive polymer, poly(NIPAM). Covering mere 8% of the surface with poly(NIPAM) caused drastic changes in the performance of the TEMPO CNF film, as the increment in slope of relative water permeance around the lower critical solution temperature of poly(NIPAM) increased from 18% to 100%, showcasing the efficiency of the interfacial modification approach. CNF films were also subjected to performance testing in tetrahydrofuran and n-hexane, whereby their suitability for organic solvent nanofiltration was demonstrated. This thesis furthers the fundamental understanding of water interactions of cellulosic nanomaterials and other complex moisture-sensitive structures in the biomaterial genre. It also proposes concrete means to tune selected material properties toward desired environments and effects. In the view of this thesis, inherent structure-derived properties are the key for achieving performance features that will carry future biomaterials development beyond conventional applications.Tässä työssä tutkittiin nanoselluloosan luontaisten ominaisuuksien hyödyntämistä membraanimateriaaleissa. Aihetta lähestyttiin tarkastelemalla 2,2,6,6-tetrametyylipiperidiini-1-oksyyli-radikaali-hapetettujen nanoselluloosafibrillien (TEMPO CNF) vesihöyryn sorptiomekanismeja ja vesimolekyylien kuljetusominaisuuksia. Lisäksi työssä muokattiin kemiallisesti nanoselluloosakalvojen ominaisuuksia ja tutkittiin kalvojen suorituskykyä membraanimateriaalina. Materiaaliominaisuuksia ja ilmiöitä karakterisoitiin sekä pintarakennetta että koko materiaalirakennetta analysoivilla menetelmillä. Työssä keskeisessä roolissa olivat sekä ohut- että makrokokoiset nanoselluloosapohjaiset kalvot, joiden ominaisuuksia muokattiin synteettisillä polymeereillä membraanimateriaaleilta vaadittujen suorituskykyominaisuuksien aikaansaamiseksi. TEMPO CNF-ohutkalvojen vesihöyrysorptiota tutkittiin tarkkojen pintamenetelmien, kuten kvartsikidemikrovaa'an ja spektroskooppisen ellipsometrian avulla. Tuloksia tulkittiin klassisten fysikokemiallisten mallien avulla. Vesihöyrysorptio TEMPO CNF-ohutkalvoihin tapahtui erillisten vallitsevien mekanismien kautta: spesifisenä sorptiona alle 10% suhteellisessa kosteudessa, Flory-Huggins-mekanismin kautta 10-75% suhteellisessa kosteudessa, ja vesimolekyylien klusterointina yli 75% suhteellisessa kosteudessa. Yhdistämällä pintaherkkä lähestymistapa Fickin diffuusiomalleihin pystyttiin selvittämään kineettiset lainalaisuudet, jotka määrittävät vesimolekyylien kulkeutumisen TEMPO CNF -ohutkalvoissa. Saatujen tulosten perusteella vesihöyryn diffuusiota voidaan hyödyntää kosteusherkkien materiaalien rakenteellisten yksityiskohtien tutkimuksessa. Ilmiöiden perustutkimukselliseen ymmärrykseen pohjautuen vesivuorovaikutuksia tutkittiin myös sovelluslähtöisesti räätälöimällä CNF-kalvoja membraanimateriaaliksi soveltuvaksi. Kalvojen vesilujuutta parannettiin merkittävästi polyvinyylialkoholi-ristisilloituksen avulla. Ristisilloitus ei kuitenkaan vaikuttanut kalvon toivottuihin luontaisiin ominaisuuksiin, kuten hydrofiilisyyteen. Vedessä stabiilit ristisilloitetut CNF-kalvot soveltuivat jatkomuokkaukseen lämpövasteisella polymeerillä (poly(N-isopropyyliakryyliamidi)). Merkittäviä suorituskykymuutoksia veden läpäisevyyden suhteen saavutettiin jo 8%:n peittoasteella. Lisäksi työssä havaittiin, että CNF-kalvot soveltuvat orgaanisten liuottimien, esim. tetrahydrofuraanin ja n-heksaanin nanosuodatukseen. Tämä väitöskirjatyö lisää perustavanlaatuista tietoa nanomittakaavaisten selluloosamateriaalien vesivuorovaikutuksista ja niiden monimuotoisista kosteusherkistä rakenteista. Työssä esitetään konkreettisia tapoja, joiden avulla ominaisuuksia voidaan muokata haluttuihin ympäristöihin sopiviksi. Tämän väitöskirjatyön tulokset osoittavat, että luontaiset, materiaalirakenteesta johtuvat ominaisuudet ovat avainasemassa, kun pyritään saavuttamaan suorituskykyisiä tulevaisuuden biomateriaaliratkaisuja.Description
Supervising professor
Kontturi, Eero, Prof., Aalto University, Department of Bioproducts and Biosystems, FinlandThesis advisor
Tammelin, Tekla, Dr., VTT Technical Research Centre of Finland Ltd, FinlandKeywords
cellulose nanofibrils, water interactions, films, membranes, surface-sensitive techniques, selluloosananofibrillit, vesivuorovaikutukset, membraanit, pintaherkät analyysit
Parts
-
[Publication 1]: Hakalahti, M.; Faustini, M.; Boissière, C.; Kontturi, E.; Tammelin, T. Interfacial Mechanisms of Water Vapor Sorption as Revealed by Quantitative Models. Biomacromolecules 2017, 18, 2951-2958.
DOI: 10.1021/acs.biomac.7b00890 View at publisher
- [Publication 2]: Hakalahti, M.; Hjelt, T.; Faustini, M.; Boissière, C.; Kontturi, E.; Tammelin, T. Cellulose Nanofibril Film Structure Probed by Water Vapor Diffusion. Submitted to J. Phys. Chem. Lett.
-
[Publication 3]: Hakalahti, M.; Salminen, A.; Seppälä, J.; Tammelin, T.; Hänninen, T. Effect of Interfibrillar PVA Bridging on Water Stability and Mechanical Properties of TEMPO/NaClO2 Oxidized Cellulosic Nanofibril Films. Carbohydr. Polym. 2015, 126, 78-82.
DOI: 10.1016/j.carbpol.2015.03.007 View at publisher
-
[Publication 4]: Hakalahti, M.; Mautner, A.; Johansson, L.-S.; Hänninen, T.; Setälä, H.; Kontturi, E.; Bismarck, A.; Tammelin, T. Direct Interfacial Modification of Nanocellulose Films for Thermoresponsive Membrane Templates. ACS Appl. Mater. Interfaces 2016, 8, 2923-2927.
DOI: 10.1021/acsami.5b12300 View at publisher
-
[Publication 5]: Mautner, A.; Lee, K.-Y.; Lahtinen, P.; Hakalahti, M.; Tammelin, T.; Li, K.; Bismarck, A. Nanopapers for Organic Solvent Nanofiltration. Chem. Commun. 2014, 50, 5778-5781.
DOI: 10.1039/C4CC00467A View at publisher
