Design of Cellulose-Based Materials via Sustainable and Scalable Processes

QC 2022-04-06

Abstract

Plastföroreningar är en av de mest akuta miljöfrågorna i dagens värld. För att ta itu med problemet krävs en utveckling av miljövänliga alternativ som skulle kunna begränsa mängden icke nedbrytbart plastavfall. I träbaserade, cellulosarika fibrer utgör i detta avseende en utmärkt råvara som kan användas som ett förnyelsebart och biologiskt nedbrytbart alternativ till oljebaserade plaster i en rad olika tillämpningar. Cellulosamaterialen måste naturligtvis ha egenskaper som är i paritet med, eller bättre än, de oljebaserade materialen för att klara konkurrensen och samtidigt ha en konkurrenskraftig tillverkningsekonomi. En stor utmaning idag är därför att producera högpresterande cellulosamaterial med effektiva och skalbara processer.

Föreliggande avhandling visar att det mha grundläggande förståelse för fiberkemi och fibrernas fysikaliska beteende under olika kemiska betingelser att det är möjligt att skräddarsy vedbaserade fibrer så att det är möjligt att utveckla hållbara, avancerade funktionella material tom vid höga tillverkningshastigheter. Initialt utvecklades ett stimuli-känsligt cellulosafibermaterial, sk självfibrillerande fibrer (SFFs), som tillåter att fibrerna kan användas i konventionella arkformningsmetoder för att sedan sönderdelas till fibriller i det tillverkade arket som förvandlar det tillverkade arket till en genomskinlig film. Det visade sig att det var möjligt att snabbt avvattna de självfibrillerande fibrerna och mha en pH-höjning var det sedan möjligt attfibrillera de modifierade fibrerna  in-situ vilket resulterade i starka, transparenta nanopapper med goda barriäregenskaper. Med hjälp av avancerade karakteriseringsmetoder var det också möjligt att klarlägga de mekanismer som styr fibrillfriläggningen och svällningen hos fiberväggen i de modifierade fibrerna. Denna insikt, om hur de modifierade fibrerna sväller under olika betingelser, användes vidare för att tillverka pH-känsliga filter där avskiljningsförmåga och filtreringshastighet enkelt kan styras med enkla pH justeringar. De skräddarsydda, självfibrillerande fibrerna är naturligtvis mycket lämpade för användning i olika typer av kompositer och i avhandlingen visas hur SFF kan användas i olika typer av nanokompositer där de frilagda fibrillernas utmärkta mekaniska egenskaper kan utnyttjas i kombination med tex oorganiska, anisotropa material för att skapa kompositer med mycket goda barriäregenskaper och tex brandsäkra material. Genom att kombinera SFF med energilagrande aktiverat kol visade det sig också vara möjligt att tillverka batterielektroder för användning i Li-jon batterier där konventionella bindemedel kunde ersättas för att skapa elektroder med bättre egenskaper än det som idag finns i kommersiella Li-jon batterier. 

Alla dessa exempel visar att det nya SFF-materialet gör det möjligt att använda konventionella arkformningsmetoder för att skapa nya högpresterande material där det är möjligt att bibehålla en rimlig tillverkningshastighet och att framställa komponenter eller slutgiltiga anordningar som har egenskaper som kan konkurrera med högpresterande material som baseras på fossila råvaror.

urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-310614