Engineering of lignin in wood towards functional materials

• Through 270 million years of evolution, the finely tuned hierarchical structure of wood has been optimized for efficient nutrient transport and exceptional mechanical stability. Its distinctive orthotropic constitution can provide inspiration and design opportunities for the development of novel functional materials. In recent years, top-down modification approaches have adapted the wood structure for innovative applications, utilizing the hierarchical arrangement at different length scales. In doing so, preserving the structural integrity is of the essence.This thesis explores new top-down modification techniques for the functionalization and structural control of wood-based materials. With the intent of better preserving and utilizing the natural wood organization and native components, two different modification routes were explored on softwood Scots pine: complete lignin removal and in-situ lignin modification. Complete delignification was achieved through preventive crosslinking of the polysaccharide matrix, enhancing intercellular adhesion between tracheids and preventing the disintegration of the cellular arrangement after lignin removal. The second approach focused on chemical modification of lignin by sulfonation as an alternative to complete lignin removal, resulting in wood templates of high negative charge up to 375 µmol g-1 and with well-preserved residual lignin. Hot compression of the delignified wood veneers produced thin wood films with high optical transmittance of 71 % alongside exceptional tensile strength of 449 MPa and Young’s modulus of 50 GPa. Densification of lignin-retaining wood veneers yielded strong and transparent thin films with UV blocking ability. Additionally, these densified films could be easily recycled into discrete wood fibers. The integration of conductive polymers including poly(3,4-ethylenedioxythiophene) polystyrene sulfonate (PEDOT:PSS) and polypyrrole in in-situ sulfonated wood resulted in bio-composites with high conductivity up to 203 S m-1 and high pseudo-capacitance up to 38 mF cm-2, indicating that tailoring the wood chemistry and activating the redox activity of lignin by sulfonation are important strategies for the fabrication of composites with potential for sustainable energy applications. By tailoring both wood chemistry and morphology, a wood foam with unique microstructure, enhanced permeability, along with high ultimate strength of 9 MPa and Young’s modulus of 364 MPa was obtained. When combined with the conductive polymer PEDOT:PSS, the composite demonstrated uniform conductivity of 215 S m-1 and mechanoresponsive electrical resistance, showing promise in sensing and mechanoresponsive devices.Therefore, in-situ engineering of lignin proved to be a versatile toolkit to obtain wood templates of improved permeability and porosity, greater compliance to densification, and enhanced compatibility with conductive polymers.

• Träets noggranna hierarkiska struktur har genom 270 miljoner års evolution optimerats för effektiv transport av näringsämnen och enastående mekanisk stabilitet. Dess distinkta ortotropa struktur kan inspirera samt ge utvecklingsmöjligheter för nya funktionella material. Via top-down metoder har man under de senaste åren lyckats nyttja träets hierarkiska struktur i olika storleksordningar för innovativa applikationer. I detta sammanhang är bevarandet av den strukturella integriteten av största vikt.Denna avhandling undersöker nya top-down metoder för att funktionalisera och kontrollera trämaterialens struktur. Med avsikt att bättre bevara och nyttja träets naturliga struktur och komponenter har två olika modifieringsmetoder undersökts för tall (pinus sylverstris): fullständig avlägsning av lignin samt in-situ modifiering av lignin. För att motverka cellstrukturens sönderfall efter fullständig delignifiering krävs det att polysackarider tvärbinds för att stärka vidhäftningen mellan trakeiderna. Modifiering av lignin (sulfonering) undersöktes som ett alternativ till fullständig delignifiering och resulterade i trämaterial med hög negativ laddning, upp till 375 µmol g-1, och med välbevarat lignin. Varmpressning av delignifierade träfanér resulterade i tunna träfilmer med hög optisk transmittans på 71 %, enastående draghållfasthet på 449 MPa och Youngs modul på 50 GPa. Förtätning av fanér med bevarat lignin gav starka och transparenta filmer med UV-blockerande förmåga vars massafibrer även kunde återvinnas.Integrering med elektriskt ledande polymerer, som poly(3,4-etylendioxytiopen) polystyrensulfonat (PEDOT:PSS) och polypyrrol, i in-situ-sulfonerat trä resulterade i biokompositer med hög konduktivitet, upp till 203 S m-1, och hög pseudo-kapacitans upp till 38 mF cm-2. Detta visar att kontroll av träkemin och redox-aktivitet hos lignin genom sulfonering är viktiga strategier för att tillverka kompositer med potential för hållbara energitillämpningar.Ett poröst trämaterial med unik mirkostruktur framställdes genom att justera träets kemi och morfologi. Materialet har förbättrad permeabilitet, en hög tryckhållfasthet på 9 MPa och en Young's modul på 364 MPa. Genom att tillsätta PEDOT:PSS till materialet så uppnåddes en enastående ledningsförmåga på 215 S m-1 och ett mekanoresponsivt elektriskt motstånd. Materialet därmed kan potentiellt användas för sensorer och mekanoresponsiva enheter.In-situ modifiering av lignin är en mångsidig metod för att framställa trämaterial med förhöjd permeabilitet och porositet vilket förbättrar kompatibiliteten med elektriskt ledande polymerer och möjligheten för förtätning. 

Ämnesord

LANTBRUKSVETENSKAPER  -- Lantbruksvetenskap, skogsbruk och fiske -- Trävetenskap (hsv//swe)

AGRICULTURAL SCIENCES  -- Agriculture, Forestry and Fisheries -- Wood Science (hsv//eng)

NATURVETENSKAP  -- Kemi -- Materialkemi (hsv//swe)

NATURAL SCIENCES  -- Chemical Sciences -- Materials Chemistry (hsv//eng)

TEKNIK OCH TEKNOLOGIER  -- Materialteknik -- Kompositmaterial och -teknik (hsv//swe)

ENGINEERING AND TECHNOLOGY  -- Materials Engineering -- Composite Science and Engineering (hsv//eng)

TEKNIK OCH TEKNOLOGIER  -- Industriell bioteknik -- Biomaterial (hsv//swe)

ENGINEERING AND TECHNOLOGY  -- Industrial Biotechnology -- Bio Materials (hsv//eng)

TEKNIK OCH TEKNOLOGIER  -- Materialteknik -- Pappers-, massa- och fiberteknik (hsv//swe)

ENGINEERING AND TECHNOLOGY  -- Materials Engineering -- Paper, Pulp and Fiber Technology (hsv//eng)

TEKNIK OCH TEKNOLOGIER  -- Kemiteknik -- Polymerteknologi (hsv//swe)

ENGINEERING AND TECHNOLOGY  -- Chemical Engineering -- Polymer Technologies (hsv//eng)

Nyckelord

Cellulose

wood

nanotechnology

sulfonation

biocomposite

cross-linking

densification

transparent film

wood foam

conductivity

Cellulosa

trä

nanoteknologi

sulfonering

biokomposit

tvärbindning

förtätning

transparent film

poröst trämaterial

konduktivitet

Fiber- och polymervetenskap

Fibre and Polymer Science

Publikations- och innehållstyp

vet (ämneskategori)

dok (ämneskategori)