Chemical Modification of Cellulose Nanocrystals: Creating a Novel Toolbox Utilising the Overlooked Sulphate Surface Groups
Doktorsavhandling, 2020

The move towards a bio-based economy has created an increasing demand for renewable, sustainably produced materials. For future generations, it is crucial to develop economically, socially and environmentally sustainable materials and processes. Cellulose, as the main component in plant biomass, has been an integral part of society since the dawn of age and still continues to provide new possibilities. The complex hierarchical structure of lignocellulosic materials makes it possible to liberate nano-sized cellulose particles with extraordinary and versatile properties, such as large surface area, transparency and excellent mechanical properties. However, the hydrophilic nature of nanocellulose can cause issues in certain applications, and in other instances it may be desirable to introduce additional properties to the CNCs. This can be achieved by functionalising the nanocellulose surface through chemical modification.

This thesis presents a novel approach to chemical modification of cellulose nanocrystals, by utilising the sulphate half-ester groups that decorate their surface. Cellulose nanocrystals produced by sulphuric acid hydrolysis were functionalised with dialkylamines through a ring-opening reaction with azetidinium salts, as well as through conjugation with dialkyl alkylchloride and dialkyl cyclocarbonate. The impact on thermal and rheological properties of the functionalised CNCs was evaluated and they were also incorporated as reinforcing elements in bio-based composites.

The functionalisation had a significant impact on the thermal stability, improving it by around 100 °C. The functionalised CNCs also exhibited a significantly higher viscosity compared to unmodified CNCs and were prone to network formation at considerably lower solid contents. The conjugation protocol was improved by a more robust synthesis path for the dialkylamine reagents and by shifting from using organic solvents to water, to facilitate scale-up. Incorporation of CNCs into a polymeric matrix resulted in a near three-fold increase in stiffness, depending on matrix, modification and processing techniques used. The modifications also created a stronger interphase between the CNCs and the matrix.

Composites

Scale-up

Dialkylamines

Cellulose nanocrystals

Azetidinium salts

Chemical modification

Thermal stability

Opponent: Alain Dufresne, Grenoble INP-Pagora, France

Författare

Karin Sjövold

Chalmers, Kemi och kemiteknik, Kemi och biokemi, Fysikalisk kemi

Increased thermal stability of nanocellulose composites by functionalization of the sulfate groups on cellulose nanocrystals with azetidinium ions

Journal of Applied Polymer Science,; Vol. 135(2018)p. Art no: 45963-

Artikel i vetenskaplig tidskrift

Surface treatment of cellulose nanocrystals (CNC): effects on dispersion rheology

Cellulose,; Vol. 25(2018)p. 331-345

Artikel i vetenskaplig tidskrift

Composites with surface-grafted cellulose nanocrystals (CNC)

Journal of Materials Science,; Vol. 54(2019)p. 3009-3022

Artikel i vetenskaplig tidskrift

Sahlin-Sjövold, K., Kumar Sonker, A., Westman, G. A New Route for Surface Functionalization of Cellulose Nanocrystals

Sedan urminnes tider har trä haft en oumbärlig roll i vår tillvaro. Det har bl.a. använts till byggmaterial, inredning, bränsle, papper och textil. Huvudkomponenten av trä utgörs av cellulosa, en lång och stor molekyl som bildar kluster, kallade fibriller, som ger träet dess styrka. Cellulosa utgör ungefär två tredjedelar av världens biomassa och produceras främst av växter, men det finns även alger, svampar, bakterier och till och med vissa djur som kan bilda cellulosa. Under början av förra århundradet upptäcktes att man kan introducera nya egenskaper till cellulosa genom kemisk modifiering, vilket öppnade upp för att skapa många nya material. Tyvärr glömdes cellulosans och träets potential till viss del bort i och med upptäckten och utvinningen av fossil olja och de nya, lättproducerade material den förde med sig. Med klimatförändringarna som följde i spåren av oljans framfart, och strävan mot ett biobaserat samhälle, har nu återigen intresset för cellulosa börjat växa.

Avhandlingen presenterar en ny metod för att ändra egenskaperna hos nanocellulosa, en typ av cellulosapartikel med unika egenskaper tack vare sina små dimensioner. Egenskaperna kan styras genom att kemiskt förändra sulfatgrupperna som dekorerar dess yta. Sulfatgrupperna gör bland annat att nanocellulosan blir värmekänslig. Med hjälp av modifieringen förbättrades cellulosans värmebeständighet och gjorde det lättare för partiklarna att bilda starka nätverk, både i vatten, men också i plast-baserade kompositer, där den kunde förstärka plasten och därigenom skapa starkare och samtidigt lättare material.

Ämneskategorier

Materialkemi

Kemi

Infrastruktur

Chalmers materialanalyslaboratorium

Styrkeområden

Materialvetenskap

ISBN

978-91-7905-429-8

Doktorsavhandlingar vid Chalmers tekniska högskola. Ny serie: 4896

Utgivare

Chalmers tekniska högskola

Online

Opponent: Alain Dufresne, Grenoble INP-Pagora, France

Mer information

Senast uppdaterat

2021-01-18