Colloidal interactions and arrested dynamics of cellulose nanofibrils

• Over the past decades, concerns for the environment have increased and efforts to achieve a sustainable society have intensified. One particular challenge is to replace fossil-based plastics with biodegradable materials produced from renewable resources. Cellulose nanofibril (CNF)-based materials are strong candidates due to their excellent mechanical properties, nano-dimensions and molecular structure, which is suitable for modification. CNFs can be obtained from wood and are elongated, often charged, particles which are usually handled in aqueous dispersions. The colloidal stability is sensitive, and instability results in aggregation or transition to an arrested state. Since the properties of CNF-based materials rely on dispersion of the CNFs, an understanding of the colloidal behaviour is crucial.This work has focused on the interactions and dynamics of CNFs in different colloidal states. Arrested states of CNFs were studied in detail and it was found that two types of arrested state exist, with different colloidal interactions and mechanisms governing their formation. The dynamics in arrested and dispersed states were studied by tracer diffusion measurements, and it was found that small amounts of CNFs can constitute an excellent stabiliser for other particle dispersions according to a so far unexplored mechanism.The effects of altering the colloidal interactions using different strategies were also evaluated. The counterions of CNFs were exchanged and the impact on the swelling behaviour was measured. Based on the results, different contributions to the counterion-dependent interactions are discussed. Two strategies for using polymers to alter the interactions were furthermore studied. Polyethylene glycol (PEG) was grafted to CNFs in order to increase the arrested state threshold concentration. PEG, carboxymethyl cellulose and lignin, were also used as additives which improved the redispersion of dried CNF, especially in the case of samples containing lignin.

• Under de senaste decennierna har oron för miljön ökat och strävan mot ett hållbart samhälle har intensifierats. En del i utmaningen är att ersätta fossilbaserad plast med bionedbrytbara material producerade från förnyelsebara råvaror. Cellulosa nanofibrill (CNF)-baserade material är starka kandidater för detta tack vare deras nanostorlek, utmärkta mekaniska egenskaper och gynnsamma molekylära struktur för kemisk modifiering. CNF kan utvinnas från träd och är avlånga, ofta laddade, partiklar som oftast hanteras i vattendispersioner. Den kolloidala stabiliteten styrs av subtila växelverkningar, och instabilitet leder till aggregering eller övergång till ett volymsomfattande låst tillstånd. Egenskaperna hos CNF-baserade material påverkas av hur väl dispergerade fibrillerna är, därmed är det viktigt att förstå de faktorer som styr det kolloidala beteendet.Detta arbete har fokuserat på interaktionerna och dynamiken hos CNF i olika kolloidala tillstånd. Låsta tillstånd av CNF undersöktes och resultaten visade att det finns två typer av låsta tillstånd, med olika interaktioner och mekanismer som ligger bakom hur de genereras. Dynamiken i olika kolloidala tillstånd undersöktes genom att mäta diffusionen av sfäriska partiklar i systemen, och det påvisades att små mängder CNF kan skapa en stabilitet hos andra partiklar via en ny, ännu inte helt utredd, mekanism.De kolloidala interaktionerna modifierades på olika sätt för att klarlägga effekterna på CNFs associationstillstånd. I en serie försök undersöktes hur ett byte av motjoner till ytladdningarna påverkade växelverkan genom att mäta svällningen av nanopapper. Vidare undersöktes två strategier där polymerer användes för att öka repulsionen mellan CNFs. Polyetylenglykol (PEG) kopplades kovalent till CNF för att förhöja koncentrationen för övergången till ett låst tillstånd. PEG, karboximetylcellulosa och lignin användes även som additiv vilket förbättrade återdispergeringen av torkad CNF, speciellt när lignin användes.

Ämnesord

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

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

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

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

NATURVETENSKAP  -- Kemi -- Fysikalisk kemi (hsv//swe)

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

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

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

Nyckelord

Cellulose nanofibrils

colloidal interactions

colloidal stability

arrested state

colloidal glass

colloidal gel

tracer diffusion

counterion

steric stabilization

redispersion

redispersion agent

Fiber- och polymervetenskap

Fibre and Polymer Science

Publikations- och innehållstyp

vet (ämneskategori)

dok (ämneskategori)