Magnifying the nanostructure of wood reveals the features of an extraordinary nanocomposite material. In this nanocomposite, long fibrils of semicrystalline cellulose, with a cross-section in the nanometer range and length up to several micrometers, are embedded in an amorphous matrix made of other polymeric components. Cellulose is the load-bearing skeleton responsible for the mechanical strength of plant tissues, while the matrix cements the fibrils together and provides flexibility. 

Ever since the first methods were developed for producing individualized cellulose nanofibrils (CNFs), materials scientists have explored the potential of these biobased nanomaterials as reinforcement for nanocomposite applications. In light of the quest for renewable alternatives to fossil-based materials, both for common use and high-value applications, wood nanocomponents offer important opportunities. However, dispersing CNFs within conventional polymer matrices entails challenges related to the hydrophilic–hydrophobic character of the nanofibril–matrix interface. In this context, the aim of this thesis is to evaluate strategies for compatibilizing CNFs in relatively hydrophobic polymer matrices. 

Three different nanocomposite applications were explored by incorporating low loadings of CNFs (0.5–6 wt%) in polymer matrices. The properties of the nanofibril–matrix interface were modified by two alternative approaches, both based on the adsorption of copolymers onto CNFs in water dispersion. In the first part of the work, a tailor-made random copolymer was adsorbed onto the CNF surface and used as a macroinitiator for the in situ polymerization of methacrylate monomers by aqueous atom transfer radical polymerization (ATRP). The second part focuses on the adsorption onto CNFs of amphiphilic block copolymers synthesized by ATRP to function as CNF–matrix compatibilizers. Synthetic and analytical aspects related to the design of well-defined structures were investigated, as well as fundamental parameters affecting their adsorption onto cellulose. The use of amphiphilic block copolymers as CNF–matrix compatibilizers was explored both while targeting the dispersion of CNFs in a thermosetting coating resin, and in a thermoplastic polymer matrix. 

The outcomes of this work highlight significant effects induced by surface-modified CNFs on the structural and mechanical properties of the studied nanocomposite materials.

Om man tittar på trä med hög förstoring framkommer ett extraordinärt nanokompositmaterial med långa fibriller av semikristallin cellulosa, med ett nanometerstort tvärsnitt och en längd på upp till flera mikrometer, inbäddade i en amorf matris av andra polymera komponenter. Cellulosa är det bärande skelettet och ansvarar för växters mekaniska styrka, medan matrisen binder ihop fibrillerna och förser strukturen med stabilitet. Ända sedan utvecklingen av de första metoderna för att producera enskilda cellulosananofibriller (CNF) har potentialen hos dessa biobaserade nanomaterial studerats som bärande material inom nanokomposittillämpningar. I sökandet efter förnybara alternativ till fossilbaserade material, för såväl vardaglig som högteknologisk användning, erbjuder de nanokomponenter som kan utvinnas ur trä många möjligheter. Men en utmaning vid användningen av CNF i konventionella polymermatriser är den hydrofila–hydrofoba karaktären i gränssnittet mellan nanofibriller och matris. Det är den utmaning som denna avhandling har haft som syfte att utforska genom att utvärdera strategier för att inkorporera CNF i relativt hydrofoba polymermatriser. Tre olika typer av nanokomposittillämpningar undersöktes, genom att inkorporera låga halter av CNF (0.5–6 wt%) i polymermatriser. Förhållandena i gränssnittet mellan nanofibriller och matris modifierades utifrån två olika tillvägagångssätt, båda baserade på adsorption av sampolymerer på CNF:er i vattenlösning. I den första delen av arbetet studerades adsorption av en skräddarsydd slumpmässig sampolymer på CNF‑ytan som sedan användes som makroinitiator för in situ-polymerisering av metakrylatmonomerer genom vattenbaserad kontrollerad radikalpolymerisation. I den andra delen studerades adsorption på CNF:er genom att använda amfifila blocksampolymerer som CNF-matrixkompatibilisatorer. Själva polymersyntesen och de analysmetoder som används vid karakterisering av väldefinerade polymerstrukturer utvärderades, liksom de grundläggande parametrar som påverkar deras adsorption på cellulosa. Användningen av amfifila blocksampolymerer som CNF-matrixkompatibilisatorer undersöktes för CNF inom värmehärdande ytbeläggningsapplikationer och som bärande material i en termoplastisk polymermatris. Arbetets resultat belyser hur modifierade CNF:er har betydande effekter på de studerade nanokompositmaterialens strukturella och mekaniska egenskaper.

Cellulosic materials are widely used in our everyday lives, ranging from paperand packaging to biomedical applications. However, in most applications, cellulose must coexist with hydrophobic polymers which can be challenging due to its hydrophilic character. This has encouraged the exploration of chemical and physical modifications of cellulose.

The projects included in this thesis focus on the physical modification of cellulosic materials with tailor-made, highly versatile colloidal nanoparticles synthesized in water, called nanolatexes. Their synthesis is based on the combination of the reversible addition-fragmentation chain transfer (RAFT) polymerization with polymerization-induced self-assembly (PISA). The bridging of these techniques results in the formation of amphiphilic diblock copolymers which self-assemble in water forming a variety of morphologies. Spheres, worms and vesicles with pH-responsive shell polymers were prepared to investigate the parameters that tune these morphological transitions. Less investigated parameters such as the chemical composition of the RAFT agent were studied which resulted in the formation of bimodal nanolatexes with opal-like characteristics in a reproducible manner. 

A fundamental investigation of the parameters that govern the adsorption of cationically charged nanolatexes onto silica and regenerated TEMPO-oxidized cellulose model surfaces was also performed. The combination of gravimetric and a reflectometric techniques revealed the complexity of that model surface. Both the size and the charge density of the nanolatexes were found to influence their adsorption. The information gained from this study was implemented in the preparation of cellulose nanofibril (CNF)-nanocomposites with low contents of nanolatexes. It was found that when the nanolatex content was below 1 wt% the mechanical profile of the CNF-nanocomposites was improved. 

Finally, wood-based components were used to replace fossil-based monomers in nanolatexes. They were readily adsorbed onto cellulose filter papers and annealed, thus demonstrating their film formation capacity. Nanolatexes comprised of a wood-based shell polymer have a promising high-end application profile, as showcased by their interactions with Cu(II) ions, where nanolatexes prevented the formation of Cu(II) ion aggregates. 

The results summarized in this thesis add to the understanding on physical modification of cellulose and are envisaged to further promote the utilization of wood-based monomers in the production of the polymers for high-end applications.

Cellulosamaterial används i stor utsträckning i vår vardag, i allt från papper och förpackningar till biomedicinska tillämpningar. Men i de flesta tillämpningar måste cellulosa samexistera med hydrofoba polymerer, vilket kan vara utmanande på grund av cellulosas hydrofila karaktär. Detta har lett till betydande forskning på kemiska och fysikalisk modifiering av cellulosa.

Projekten som ingår i denna avhandling fokuserar på icke-kovalent modifiering av cellulosamaterial med skräddarsydda, mycket mångsidiga kolloidala nanopartiklar syntetiserade i vatten, så kallade nanolatex-partiklar. Syntesen av dem är baserad på kombinationen av reversibel addition-fragmentation chain transfer (RAFT) polymerisation med ”polymerisationsinducerad självorganisering” (PISA). Kombinationen av dessa tekniker resulterar i bildningen av amfifila diblock-sampolymerer som självorganiseras i vatten till att bilda en mängd olika morfologier. Sfärer, worms och vesiklar med pH-känsliga skalpolymerer bereddes för att undersöka vilka reaktionsparametrar som resulterar i övergång mellan olika morfologier. Mindre undersökta parametrar som den kemiska sammansättningen av RAFT-agenten studerades vilket resulterade i bildandet av bimodala nanolatexer med opalliknande egenskaper på ett reproducerbart sätt.

En grundläggande undersökning av parametrarna som styr adsorptionen av katjoniskt laddade nanolatex-partiklar på silika och regenererade cellulosamodellytor (TEMPO-oxiderad cellulosa) genomfördes också. Kombinationen av gravimetriska och reflektometriska tekniker avslöjade komplexiteten hos modellytan. Både storleken och laddningstätheten hos nanolatexarna visade sig påverka deras adsorption. Informationen från denna studie implementerades vid framställningen av cellulosa nanofibril (CNF)-nanokompositer med låga halter av nanolatexer. Det visade sig att när nanolatexhalten var under 1 viktprocent förbättrades den mekaniska egenskapsprofilen för CNF-nanokompositerna. 

Slutligen användes träbaserade komponenter för att ersätta fossilbaserade monomerer i nanolatexer. De adsorberades lätt på filterpapper (cellulosa) och anlöptes vid en temperatur över glasomvandlingstemperaturen, vilket demonstrerade deras filmbildningskapacitet. Nanolatexer som består av en träbaserad skalpolymer har en lovande egenskapsprofil för high-end tillämpningar vilket t ex framgår av deras interaktioner med Cu(II)-joner, där nanolatex-partiklarna förhindrade bildandet av Cu(II)-jonaggregat. 

Resultaten som sammanfattas i denna avhandling bidrar till förståelsen om icke-kovalent modifiering av cellulosa och är också avsedda att ytterligare främja användningen av träbaserade monomerer i produktionen av polymererna för avancerade applikationer.