University of Oulu

Cellulose nanopapers with improved preparation time, mechanical properties, and water resistance

Saved in:
Author: Sethi, Jatin1,2
Organizations: 1University of Oulu Graduate School
2University of Oulu, Faculty of Technology
Format: ebook
Version: published version
Persistent link: http://urn.fi/urn:isbn:9789526221540
Language: English
Published: Oulu : University of Oulu, 2018
Publish Date: 2018-12-11
Thesis type: Doctoral Dissertation
Defence Note: Academic dissertation to be presented with the assent of the Doctoral Training Committee of Technology and Natural Sciences of the University of Oulu for public defence in the Arina auditorium (TA105), Linnanmaa, on 21 December 2018, at 12 noon
Tutor: Docent Juho Sirviö
Professor Mirja Illikainen
Reviewer: Professor Sami Boufi
Associate Professor Julien Bras
Opponent: Associate Professor Eero Kontturi
Description:

Abstracts

Cellulose nanopapers are the strongest polymeric material known to us, and in the near future, they are likely to be a backbone of numerous functional materials. Cellulose nanopapers have gained much attention due to qualities such as their environmentally friendly nature, renewable raw material source and biodegradability. Additionally, they offer an industrially adaptable, water-based processing route, which is similar to current paper production. Functionally, besides being tougher than any known plastic, cellulose nanopapers remain foldable like a paper. Despite their fascinating properties, cellulose nanopapers are still far from commercialisation – mainly due to two obstacles. Firstly, it can take up to hours to prepare a nanopaper due to poor draining of cellulosic nanofibres. Secondly, cellulose nanopapers have extremely poor water and humidity resistance, as up to 90% of their stiffness is lost in the presence of water.

The purpose of this dissertation is to address both obstacles and suggest an eco-friendly yet industrially relevant solution. Two approaches are employed: increasing the hydrophobicity of cellulose nanofibres with lactic acid and ultrasonication (Paper I and II), and combining cellulose nanofibres with hydrophobic materials, such as polyurethane (Paper III) and lignin-rich entities (Paper IV). By using these methods, the preparation time was improved by 75% (Paper II) and by 70% (Paper IV) respectively. All reported nanopapers were significantly more tolerant of water and moisture than the reference nanopaper. The mechanical properties were also improved in Paper I and IV. Additionally, all reported nanopapers were thermally stable. This thesis also discusses the importance of quick draining in cellulose nanofibre-reinforced paper products. The results of this study are likely to aid the commercialisation of cellulose nanopapers in practical applications and the use of cellulose nanofibres in other materials, such as reinforcing paperboards. All methods used in this thesis are water-based.

see all

Tiivistelmä

Selluloosapohjaiset nanopaperit ovat lujimpia tunnettuja polymeerimateriaaleja ja lähitulevaisuudessa niiden voidaan odottaa luovan perustan useille funktionaalisille materiaaleille. Nanopaperit ovat saaneet paljon huomiota ympäristöystävällisyytensä, uusiutuvan raaka-aineensa ja biohajoavuutensa ansiosta. Lisäksi niiden valmistusprosessi on vesipohjainen ja samankaltainen kuin tavallisen paperin valmistukseen käytetty teollinen prosessi. Käyttöominaisuuksiltaan ne ovat erinomaisia, sillä vaikka niiden sitkeys on parempi kuin tunnetuilla muoveilla, ovat ne silti paperin tavoin taiteltavia. Kiehtovista ominaisuuksistaan huolimatta selluloosapohjaiset nanopaperit ovat kuitenkin vielä kaukana kaupallistamisesta ja tähän vaikuttavat pääosin kaksi tekijää. Tärkein syy on selluloosananokuitujen kuivattamisen ja näin ollen nanopaperin muodostamisen vaatima huomattavan pitkä aika. Nykyisillä menetelmillä nanopaperin valmistaminen kestää useita tunteja. Toinen syy on niiden erittäin huono veden- ja kosteudenkestävyys. Ne menettävät jopa 90 % jäykkyydestään veden vaikutuksesta, mikä rajoittaa niiden käyttöä kosteissa ja vesiroiskeille alttiissa kohteissa.

Tämän väitöskirjatutkimuksen päätavoitteena on löytää ekologisesti kestävä ja teollisuudessa hyödynnettävissä oleva menetelmä molempien edellä mainittujen ongelmien ratkaisemiseksi. Työssä noudatetaan kahta eri lähestymistapaa: lisätään selluloosananokuitujen hydrofobisuutta maitohapon ja ultrasonikoinnin avulla (Artikkelit I ja II), ja yhdistetään selluloosananokuituihin hydrofobisia materiaaleja, kuten polyuretaania (PU) (Artikkeli III) ja ligniinipitoisia yhdisteitä (Artikkeli IV). Näitä menetelmiä käyttämällä valmistusaikaa saatiin lyhennettyä 75 % (Artikkeli II) ja 70 % (Artikkeli IV). Kaikki valmistetut nanopaperit olivat huomattavasti veden- ja kosteudenkestävämpiä kuin verrokkinäytteet sekä osoittivat lämpöstabiiliutta. Lisäksi mekaanisia ominaisuuksia saatiin parannettua Artikkeleissa I ja IV. Tässä työssä käsitellään myös nopean kuivattamisen tärkeyttä selluloosananokuitulujitteisten paperituotteiden valmistuksessa. Saadut tulokset todennäköisesti edistävät selluloosapohjaisten nanopaperien kaupallistamista ja selluloosananokuitujen hyödyntämistä esimerkiksi kartongin lujitemateriaalina. Kaikki työssä käytetyt menetelmät ovat vesipohjaisia.

see all

Series: Acta Universitatis Ouluensis. C, Technica
ISSN: 0355-3213
ISSN-E: 1796-2226
ISSN-L: 0355-3213
ISBN: 978-952-62-2154-0
ISBN Print: 978-952-62-2153-3
Issue: 692
Subjects: