Synchrotron Imaging of Synthetic and Lignocellulose-based Packaging Materials
Doktorsavhandling, 2025

The widespread success of polymer-based packaging materials is associated with having melt processability, which allows to create products with complex shapes at a low cost. However, the resulting polymer morphology is influenced by a combination of factors, including material properties, processing conditions, and environmental factors such as humidity. These structural variations directly impact the mechanical performance of the packaging material and consequently, understanding the correlation between material, processing parameters, and resulting morphology remains an important challenge. Furthermore, to expand the use of renewable cellulosic materials, intrinsic limitations in cellulose that impede melt processing must be overcome. This can be achieved by chemically modifying the cellulose, however chemical modifications impact the morphology formed during processing. 
 
This thesis applies advanced X-ray based imaging techniques to investigate polymer based packaging materials, aiming to correlate their hierarchical structures with material performance. The thesis covers a diverse range of polymer materials, from conventional synthetic polymers to lignocellulose-based papers and chemically modified cellulose. In injection-molded polyethylene, scanning small and wide-angle X-ray scattering (SAXS/WAXS) combined with computational simulations was used to reveal a complex multilayered morphology with oriented structures near the sample edges. These organized structures were strongly influenced by material composition as well as local shear and cooling rates during the injection process and could be linked to enhanced mechanical strength (Papers I and II). In chemically modified cellulose, dialcohol cellulose is explored as a new path toward sustainable packaging, as it can be melt-processed both by itself and in composites with synthetic polymers. Scanning SAXS and WAXS showed that both degree of modification and processing conditions influenced the cellulose orientation, and that using humidity control during processing helps maintain favorable crystalline structures during processing (Papers III and IV). In non-modified cellulose fibers for drinking straw application, SAXS and WAXS demonstrated how liquid exposure and changes in relative humidity induced multiscale structural changes crucial for understanding the real-world performance of commercially available pulp materials (Paper V). Finally, the potential of using near-edge X-ray absorption fine-structure spectroscopy (NEXAFS) coupled with scanning transmission X-ray microscopy (STXM) was explored as a chemical imaging tool for fiber-based materials. Sample preparation strategies were shown to critically influence the quality of the measurement, influencing sample homogeneity, spectral quality and sensitivity to radiation damage (Paper VI). The combined findings of this work advance structural and chemical characterization of both fossil- and lignocellulose-based polymers, contributing to a deeper understanding of structure–property relationships critical for tailoring material performance in packaging applications.

X-ray scattering

Melt Processing

X-ray imaging

Polyethylene

Dialcohol cellulose

Packaging Materials

X-ray microscopy

Pulp

PJ-Salen, Origo Norra, Chalmers Tekniska Högskola.
Opponent: Lennart Bergström

Författare

Linnea Björn

Chalmers, Fysik, Materialfysik

Process-Induced Structures of Injection-Molded High-Density Polyethylene─Combining X-ray Scattering and Finite Element Modeling

ACS Applied Polymer Materials,;Vol. 6(2024)p. 4852-4864

Artikel i vetenskaplig tidskrift

Melt processable cellulose fibres engineered for replacing oil-based thermoplastics

Chemical Engineering Journal,;Vol. 458(2023)

Artikel i vetenskaplig tidskrift

Using scanning small and wide angle X-ray scattering to investigate the effect of water during processing of modified cellulose, Linnea Björn, Katarina Jonasson, Enrica Pellegrino, Linnea Rensmo, Dimitra Athanasiadou, Manuel Guizar-Sicairos, Per Larsson, Giada Lo Re, Anette Larsson, Marianne Liebi

Investigating the influence of moisture in paper-based materials using SAXS, Linnea Björn, Fredrik Olofsson, Eskil Andreasson, Elin Persson Jutemar, Joachim Kohlbrecher, Christian Appel, Kim Nygård, and Marianne Liebi

Sample preparation and measurement strategies for imaging cellulose fibers with carbon K-edge spectro-microscopy, Linnea Björn, Martina Olsson, Gunnar Westman, Agnieszka Ziolkowska, Jonathan Avaro, Benjamin Watts, Aleksandar Matic, Marianne Liebi

Avancerad röntgenkarakterisering av syntetiska och cellulosabaserade förpackningsmaterial

För att minska användningen av fossilbaserad plast ökar intresset för att utveckla hållbara cellulosabaserade alternativ. Detta är särskillt påtagligt inom forskning på förpackningsmaterial, där krav på återvinningsbarhet, biologisk nedbrytbarhet och förnybarhet driver utvecklingen framåt. Ett tydligt exempel på detta är utvecklingen av material till engångsprodukter som sugrör. Dessa tillverkades tidigare ofta av fossilbaserad plast, men har till följd av nya EU-regler behövt ersättas med mer hållbara material, såsom papper eller biobaserade kompositer. Detta ställer höga krav på materialens funktion, särskillt krävs det att de nya materialen har tillräcklig vätsketålighet och strukturell hållbarhet.
Både fossilbaserade och cellulosabaserade plaster har komplexa, hierarkiska strukturer som påverkas av materialval, tillverkningsmetod och yttre faktorer som temperatur och fukt. För att kunna skräddarsy material till olika tillämpningar krävs en ökad förstålse för hur dessa strukturer bildas och vad som påverkar dem. Detta är viktigt eftersom strukturerna i hög grad styr materialets egenskaper, såsom styrka, flexibilitet och fukttålighet.
I den här avhandlingen har avancerade röntgenbaserade metoder använts för att studera olika förpackningsmaterials uppbyggnad, från atom- till mikrometerskala. Arbetet omfattar både konventionella fossilbaserade plaster och nya, hållbara, cellulosabaserade alternativ. Bland de fossilbaserade materialen har polyeten varit i fokus, eftersom det är ett vanligt förekommande material i dagens förpackningar. De cellulosabaserade materialen inkluderar både kommersiella pappersprodukter som redan används industriellt och nya material baserade på kemiskt modifierad cellulosa. De kemiska modifieringarna förbättrar materialets processbarhet, vilket gör materialen till lovande  kandidater för att ersätta fossilbaserade plaster. Resultaten som presenteras i avhandlingen har gett nya insikter i hur de komplexa materialstrukturerna hänger samman med tillverkningsprocesser och materialegenskaper. Arbetet presenterar dessutom nya metoder för provpreparering och mätstratergier, som breddar möjligheterna att använda röntgenmetoder för kemisk karakterisering av cellulosabaserade material. Sammantaget bidrar arbetet till utvecklingen av framtidens hållbara förpackningsmaterial med förbättrade egenskaper och utökade tillämpningsområden.

Ämneskategorier (SSIF 2025)

Materialkemi

Polymerkemi

Pappers-, massa- och fiberteknik

Drivkrafter

Hållbar utveckling

Infrastruktur

Chalmers materialanalyslaboratorium

ISBN

978-91-8103-255-0

Doktorsavhandlingar vid Chalmers tekniska högskola. Ny serie: 5713

Utgivare

Chalmers

PJ-Salen, Origo Norra, Chalmers Tekniska Högskola.

Online

Opponent: Lennart Bergström

Mer information

Senast uppdaterat

2025-08-21