Rheological and mechanical properties of systems containing nanocellulose
Doktorsavhandling, 2016

Nanocellulose is a cellulose entity at the nanoscale. There are several different types of nanocellulose such as cellulose nanofibrils (CNF), which are long, somewhat flexible fibrils and cellulose nanocrystals (CNC), which are shorter and more rod-like particles. These entities are considered to have good mechanical properties; this combined with a low density makes nanocellulose an interesting candidate for several applications, e.g. transparent high strength paper, barrier films, reinforcing elements in composites and rheological modifiers. In the manufacturing of such products the rheological properties of the material are of great importance. A substantial part of this thesis has been devoted to assessment of the rheological behaviour of aqueous suspensions of CNF/CNC as well as of polymer melts containing the same nanomaterials. In general, both systems exhibited, quite a complex behaviour; the suspensions were shear-thinning and also exhibited a viscoelastic character (in agreement with other studies). An increase in the concentration of CNF/CNC generates a corresponding increase in shear viscosity and of the magnitude of the storage and loss moduli, characterizing the viscoelastic behaviour. For the first time, it was also shown that aqueous CNF suspension exhibited an extensional thinning viscosity during contraction flow, which can be of consequence in processing operations. It may be remarked that this complex rheological behaviour was noted already at low concentrations of CNF/CNC and could be attributed to a low percolation threshold for network formation. It is not only the concentration of the nanoelements that is of importance in this context. Here, different types of CNF/CNF were characterized with regard to their dimensions using atomic force microscopy and transmission electron microscopy and relations between the rheological properties and the dimensions were noted and discussed. . In a similar way, presence of charged surface groups and grafted polymer segments on CNF/CNC were found to have a strong effect on the rheology of these suspensions. Another area focussed on in this thesis was the use of CNF as reinforcing elements in polymer matrices. Two polymer matrices were used; poly(ethylene glycol) and an ethylene-acrylic acid copolymer. With the latter matrix, the amount of CNF used was high, up to 70 volume-%. In both systems, the addition of CNF substantially improved the modulus of the materials (and in some cases also the strength). Even at temperatures higher than the melting point of the matrices, the material could carry load indicating the forming of a coherent CNF-network. An analysis of the tensile modulus using the Cox-Krenchel model, pointed to that the fibrils formed aggregates in the composite resulting in stiffness values less than possibly could be expected.

Shear rheology

Cellulose nanocrystals

Cellulose nanofibrils

Mechanical properties

Dynamic-mechanical analysis

Composites

Extensional rheology

VDL-room, Chalmers tvärgata 4, Gothenburg
Opponent: Professor Mikael Hedenqvist, KTH - Royal Institute of Technology, Stockholm

Författare

Tobias Moberg

Chalmers, Material- och tillverkningsteknik, Polymera material och kompositer

Trä är och har varit en betydande handelsvara för Sverige under en lång tid. Materialet används till exempel som bränsle för att värma hus, som virke vid olika byggprojekt, som konstruktionsmaterial för båtar och för att tillverka pappersmassa för framställning av papper och kartong. Under de senare årtiondena har mängden producerat papper i Sverige tenderat att stagnera och till och med minska något, speciellt gäller detta för tryckpappersområdet. Wallenberg Wood Science Center (WWSC), som finns vid Chalmers och KTH i Stockholm, är ett forskningscentrum vars mål bland annat är att finna nya sätt att använda trä som råvara. Den här avhandlingen är ett resultat från arbetet inom WWSC.

Inom ramen för det här arbetet har intresset i första hand riktats mot cellulosa, som utgör den största beståndsdelen av trämaterialet. Speciellt har vissa egenskaper hos nanocellulosa, som något förenklat är cellulosapartiklar eller fibriller i nanometerskala, studerats. Materialet kan tas fram från trä på flera olika sätt vilket i viss mån påverkar dess egenskaper. Nanocellulosa antas vara starkt och styvt, vilket är bra egenskaper för kompositmaterial. Att det dessutom är förnybart innebär att man har en potentiell ersättare av glasfiber i kompositmaterial. I den här avhandlingen visas bland annat att nanocellulosa kan styva upp och förstärka vissa polymermaterial (plaster) högst väsentligt. Ett problem med nanocellulosan är dock att det framställs i form av en vattenbaserad suspension som inte är helt enkel att kombinera med andra material eller att använda i olika tillverkningsprocesser. De reologiska egenskaperna (eller flytegenskaperna) hos suspensionen är därför av stort intresse eftersom bearbetningen eller tillverkningen måste ske i en vätskefas.

De reologiska egenskaperna hos suspensioner eller plastsmältor innehållande nanocellulosa har studerats för att få en bättre uppfattning vilka materialegenskaper som påverkar flytförmågan. Det visade sig att ökande koncentration av nanocellulosa i suspensionerna gav en högre viskositet, det vill säga de blev mer trögflytande. Dessutom visade det sig att ytmodifieringar av nanocellulosan har en väldigt tydlig effekt på både viskositeten och andra reologiska egenskaper, de kan faktiskt både öka och minska beroende på behandlingen.

Ämneskategorier

Polymerkemi

Polymerteknologi

Kompositmaterial och -teknik

Drivkrafter

Hållbar utveckling

Styrkeområden

Nanovetenskap och nanoteknik

Materialvetenskap

ISBN

978-91-7597-505-4

Doktorsavhandlingar vid Chalmers tekniska högskola. Ny serie: 4186

Utgivare

Chalmers tekniska högskola

VDL-room, Chalmers tvärgata 4, Gothenburg

Opponent: Professor Mikael Hedenqvist, KTH - Royal Institute of Technology, Stockholm