Design of Cellulose-Based Electrically Conductive Composites: Fundamentals, Modifications, and Scale-up
Tid: Fr 2022-12-16 kl 14.00
Plats: F3, Lindstedtsvägen 26 & 28, Stockholm
Språk: Engelska
Ämnesområde: Fiber- och polymervetenskap
Respondent: Karishma Jain , Fiber- och polymerteknologi, Fiberteknologi, Fibre Technology
Opponent: Professor Davide Beneventi, University of Grenoble-Alpes, France
Handledare: Professor Lars Wågberg, Fiber- och polymerteknologi, Fiberteknologi, VinnExcellens Centrum BiMaC Innovation, Linné Flow Center, FLOW, Wallenberg Wood Science Center; Doktor Per A. Larsson, Fiberteknologi, VinnExcellens Centrum BiMaC Innovation
QC 2022-11-21. Embargo godkänt av Mikael Lindström, skolchef CBH.
Abstract
En enorm efterfrågan på hemelektronik skapar ett stort "e-avfalls” problem i dagenssamhälle. De råvaror som idag används för att tillverka elektronik har ett högtkoldioxidavtryck, och traditionella tillverkningsmetoder för elektronik är dessutomenergikrävande. Därför finns det en stort behov av högpresterande, hållbara, billiga,förnyelsebara råvaror för elektroniska komponenter. Dessutom behövs nya, hållbarabearbetningsmetoder för att producera elektroniska komponenter med lägre mängderinbyggd energi. I detta avseende är biobaserade material ett miljövänligt alternativ till ickeförnybaramaterial och tryckt elektronik skulle kunna användas för att ersätta traditionellatillverkningsmetoder. Cellulosa är en mycket vanligt förekommande biopolymer i mångaväxter och i vissa djur och det finns många rationella metoder för att utvinna denna polymeroch polymeren är därför en mycket intressant råvara för framtida produkter. Denhögmolekylära glukanmolekylen organiseras i i de flesta fallen i cellulosa nanofibriller (CNF)som sedan anordnas i en hierarkisk struktur i makroskopiska fibrer. Modern forskning harockså visat att de frilagda fibrillerna kan självorganiseras i skräddarsydda nano-strukturersom kan vara mycket intressanta för att tillverka högpresterande elektroniska komponenter.Med hjälp av all den forskning som genomförts för cellulosamaterial genom åren finns detockså tillgång till en fantastisk verktygslåda för att kemiskt modifiera cellulosa för att passa iolika tillämpningar. Eftersom cellulosa är elektriskt isolerande är det nödvändigt attkombinera cellulosa med ett ledande material för att skapa skräddarsydda komponenter medgod elektrisk ledningsförmåga.Arbetet i denna avhandling har fokuserats på studera växelverkan mellan cellulosa och denledande polymer PEDOT:PSS, och för att klarlägga hur denna grundläggande förståelse kanutnyttjas för att identifiera nödvändiga kemiska modifieringar på cellulosan för att överföraresultaten till storskalig produktion av hållbar elektronik. Initialt studerades den molekyläraoch övermolekylära strukturen hos PEDOT:PSS komplex med en kombination avmolekylärdynamiska (MD) simuleringar och experimentella undersökningar. För det andrastuderades växelverkan mellan cellulosa och PEDOT:PSS, och det visade sig möjligt attidentifiera de faktorer som kontrollerar denna växelverkan. Dessa kunskaper användes sedanför att molekylärt förklara hur dessa material fundamentalt växelverkar med varandra.Nanocellulosa, särskilt cellulosa nanofibriller (CNF) har varit en del av biobaserade ledandekompositer. Nanofibrilleringsprocessen är dock kostnads- och energikrävande. Dessutom ärPEDOT:PSS en dyr polymer. Därför användes i detta arbete kemiskt modifierade fibrer föratt förbättra interaktionen mellan cellulosa och PEDOT:PSS (för att minska kostnaderna),och för att förbereda fiberbaserad bioelektronik och energilagringsenheter. Storskaligproduktion av energilagringspapper demonstrerades också med kemiskt modifierade fibreroch faktorer som påverkar bearbetningen av dessa material identifierades.