Integrated Cellulosic Wood Aerogel Structures

• Highly porous aerogels based on renewable materials that possess structural functionality are appealing for sustainable energy regulation and harvesting. Achieving structural anisotropy provides advantageous directional diffusion and mechanical strength, however, introduces great engineering challenges, such as complex, costly, and time-consuming processing. Direct use of wood, where nanocellulose is favorably orientated, offers the opportunity of forming low-cost, scalable, and eco-friendly aerogels.This thesis explores a new type of nanostructured wood material design by filling the empty wood space with cellulosic aerogel structures based on its intrinsic biopolymers. The structure control is achieved through selective reassembly of the cell wall nanocomponents by cell wall partial dissolution and regeneration. The resultant structures, named integrated wood aerogels, show a unique combination of high specific surface area and strength due to partial retention of the wood hierarchical structure and formation of mesoporous nanofibrillated networks occupying the lumen. Different chemical systems are investigated, including DMAc/LiCl, ionic liquid (IL), and aqueous NaOH, and the processing-structure-property relationships are investigated. DMAc/LiCl is successfully used as proof of concept for integrated wood aerogel formation, but moisture sensitivity and toxicity of the system hinder further development. The IL [MTBD][MMP] is developed to solve the issues and to improve the structure control in cell wall dissolution and regeneration. An aqueous NaOH system advances the integrated cellulosic wood aerogel preparation further, considering low cost and greener chemistry. Wood composition, lignin in particular, is critical to the processing and final properties of the integrated wood aerogel. The influence of lignin content is investigated based on IL and NaOH systems. The influence of processing (such as chemical system, time and temperature) on the structure and properties (e.g. porosity, specific surface area, mechanical performance, thermal conductivity and charge density) of the aerogels are studied. Ascribing to the structure-property profile, the application of the integrated aerogel for efficient thermal insulation is demonstrated. Inspired by the water uptake in plants, high-performing pH-responsive wood power generators are formed based on water evaporation-induced electricity. The integrated aerogel structure greatly increases the solid/liquid interphase while allowing excellent mass diffusion.The methodologies presented in this thesis for selective nanoscale reassembly of the wood cell wall pave the way for advanced wood nanostructure control. The integrated wood aerogel structure reported here provides a universal material platform for advanced material design, such as a self-sustaining wood power generator. The facile and scalable processing contribute toward sustainable high-performing bioaerogels which can compete with fossil-based materials.

• Högporösa aerogeler baserade på förnybara material med strukturell funktionalitet är attraktiva för hållbar energireglering och energiutvinning. Strukturell anisotropi har potential att ge dessa material fördelaktiga diffusiva och mekaniska egenskaper, men framställning av ordnade strukturer kräver mer kostsamma och tidskrävande processer. Direkt användning av trä, där nanocellulosa redan är gynnsamt orienterad ger möjlighet att framställa billiga, skalbara och miljövänliga aerogeler.I den här avhandlingen utforskas en ny typ av nanostrukturerade trämaterial skapade genom att fylla det tomma utrymmet i trä med aerogelstrukturer baserade på cellväggens egna biopolymerer. Strukturen kan kontrolleras genom att selektivt återuppbygga nanokomponenterna i cellväggen genom partiell upplösning och utfällning. De erhållna strukturerna, här benämnda integrerade träaerogeler, uppvisar en unik kombination av hög ytarea och styrka på grund av att träets hierarkiska struktur delvis bibehålls och att mesoporösa nätverk av nanofibriller bildas i lumen. Olika kemiska system undersöks, bland annat DMAc/LiCl, jonvätska och vattenbaserad NaOH, och förhållandet mellan framställning, struktur och egenskaper undersöks. DMAc/LiCl används med framgång för att visa det integrerade träaerogelkonceptets gångbarhet, men systemets fuktkänslighet och toxicitet hämmar fortsatt utveckling. Jonvätskan [MTBD][MMP] utvecklades för att underlätta processen och för att förbättra strukturkontrollen vid upplösning och utfällning av cellväggens komponenter. Ett vattenbaserat NaOH-system förbättrade framställningen av integrerade träaerogeler ytterligare, speciellt med avseende på lägre kostnad och miljövänligare kemi. Träets sammansättning, särskilt lignin, är avgörande för framställningen och för de integrerade träaerogelernas egenskaper. Lignininnehållets inverkan undersöks utifrån jonvätska- och NaOH-systemen. Framställningsparametrars (t.ex. kemiskt system, tid och temperatur) inverkan på aerogelens struktur och egenskaper (t.ex. porositet, specifik yta, mekanisk prestanda, värmeledningsförmåga och laddningstäthet) studeras.Med de erhållna strukturegenskaperna kunde de integrerade träaerogelerna användas för effektiv värmeisolering och  med inspiration av den naturliga vattenledningsförmågan i träd designades högpresterande och pH-responsiva kraftgeneratorer. Den integrerade aerogelstrukturen ökade interaktionen mellan trämaterialet och vätskan samtidigt som den möjliggjorde bättre vätsketransport.Metoderna som presenteras i den här avhandlingen visar en ny strategi för avancerad kontroll av träets nanostruktur genom selektiv återuppbyggnad av träets cellvägg. Den träbaserade aerogelstrukturen som uppvisas här utgör en helt biobaserad materialplattform för avancerad materialdesign. Den enkla och skalbara framställningen från trä bidrar i hög grad till hållbara och högpresterande bioaerogeler som kan konkurrera med fossilbaserade material.

Subject headings

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)

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

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

Keyword

Aerogel

cellulose

energy harvesting

ionic liquids

nanotechnology

wood

thermal insulation

Fiber- och polymervetenskap

Fibre and Polymer Science

Publication and Content Type

vet (subject category)

dok (subject category)