kth.sePublications
Change search
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
Elastoplastic behavior of anisotropic, physically crosslinked hydrogel networks comprising stiff, charged fibrils in an electrolyte
KTH, School of Engineering Sciences in Chemistry, Biotechnology and Health (CBH), Fibre- and Polymer Technology, Fibre Technology. KTH, School of Engineering Sciences in Chemistry, Biotechnology and Health (CBH), Centres, Wallenberg Wood Science Center.ORCID iD: 0000-0003-0435-1150
KTH, School of Engineering Sciences in Chemistry, Biotechnology and Health (CBH), Centres, Wallenberg Wood Science Center. KTH, School of Engineering Sciences in Chemistry, Biotechnology and Health (CBH), Fibre- and Polymer Technology, Fibre Technology.ORCID iD: 0000-0002-2114-3014
KTH, School of Engineering Sciences in Chemistry, Biotechnology and Health (CBH), Fibre- and Polymer Technology, Fibre Technology.ORCID iD: 0000-0002-2489-8439
KTH, School of Engineering Sciences in Chemistry, Biotechnology and Health (CBH), Fibre- and Polymer Technology, Fibre Technology. KTH, School of Engineering Sciences in Chemistry, Biotechnology and Health (CBH), Centres, Wallenberg Wood Science Center.ORCID iD: 0000-0003-0624-2185
Show others and affiliations
2023 (English)In: Soft Matter, ISSN 1744-683X, E-ISSN 1744-6848, Vol. 19, no 15, p. 2792-2800Article in journal (Refereed) Published
Abstract [en]

Fibrillar hydrogels are remarkably stiff, low-density networks that can hold vast amounts of water. These hydrogels can easily be made anisotropic by orienting the fibrils using different methods. Unlike the detailed and established descriptions of polymer gels, there is no coherent theoretical framework describing the elastoplastic behavior of fibrillar gels, especially concerning anisotropy. In this work, the swelling pressures of anisotropic fibrillar hydrogels made from cellulose nanofibrils were measured in the direction perpendicular to the fibril alignment. This experimental data was used to develop a model comprising three mechanical elements representing the network and the osmotic pressure due to non-ionic and ionic surface groups on the fibrils. At low solidity, the stiffness of the hydrogels was dominated by the ionic swelling pressure governed by the osmotic ingress of water. Fibrils with different functionality show the influence of aspect ratio, chemical functionality, and the remaining amount of hemicelluloses. This general model describes physically crosslinked hydrogels comprising fibrils with high flexural rigidity - that is, with a persistence length larger than the mesh size. The experimental technique is a framework to study and understand the importance of fibrillar networks for the evolution of multicellular organisms, like plants, and the influence of different components in plant cell walls.

Place, publisher, year, edition, pages
Royal Society of Chemistry (RSC) , 2023. Vol. 19, no 15, p. 2792-2800
National Category
Polymer Chemistry
Identifiers
URN: urn:nbn:se:kth:diva-330921DOI: 10.1039/d2sm01571dISI: 000960684700001PubMedID: 36992628Scopus ID: 2-s2.0-85152114916OAI: oai:DiVA.org:kth-330921DiVA, id: diva2:1779609
Note

QC 20230704

Available from: 2023-07-04 Created: 2023-07-04 Last updated: 2024-01-16Bibliographically approved
In thesis
1. Tailoring and Characterization of Polymer-linked Fibrillar Structures
Open this publication in new window or tab >>Tailoring and Characterization of Polymer-linked Fibrillar Structures
2024 (English)Doctoral thesis, comprehensive summary (Other academic)
Abstract [en]

The development of sustainable and renewable materials is paramount in today’s society. As the most abundant biopolymer on Earth, cellulose from cellulose-rich fibres is an excellent alternative for advanced and innovative material solutions. Nonetheless, competing with the impressive material properties and the low manufacturing costs of fossil-based plastics imposes great challenges. To increase the potential of cellulose fibres in a broader set of applications, the material properties of cellulose need to be tuned depending on the application. An in-depth study of the fibre structure and the application of different tailoring techniques is required to induce tailoring of the physical and chemical properties of the cellulose fibre materials. 

This thesis focuses on the structure-property relationship of fibrillar hydrogel networks as model structures for the delignified wet-fibre wall. First, a mathematical framework was developed to describe the characteristics of the swelling and mechanical behaviour of anisotropic fibrillar structures, considering the fibril aspect ratio, surface chemistry of the fibrils, and electrolyte concentration in the system. A chemical functionalisation was then introduced to the fibrillar structure, which provided the CNFs with colloidal stability and the ability to participate in free radical polymerisation with monomers and telechelic oligomers. As a result, fibrillar networks were crosslinked with flexible polymer links that provided the network with different mechanical and chemical properties. Additionally, by tailoring the molecular weight of the crosslinks, the ionic strength of the solution, and even the aspect ratio of the fibrils, the mechanical properties of the network were tuned to be either stiffer or more ductile. 

Finally, an innovative and more sustainable approach was developed to introduce charge and alkene functionality to the fibres. Following the lessons learned from the CNF model investigations, a polymerisation approach was developed in the presence of functionalised fibres. The polymers were grown from the fibre wall, followed by radical crosslinking to create strong Fibre reinforced hydrogel structures. Depending on the application, the method can be easily applied to introduce other types of molecules and functionalities to the fibres and tailor the properties of the fibres to suit a wide range of applications.

Abstract [sv]

Utvecklingen av hållbara och förnyelsebara material är avgörande i dagens samhälle. Eftersom cellulosa ifrån växtfibrer är den mest förekommande biopolymeren på jorden är den ett utmärkt alternativ för användning i avancerade och innovativa materiallösningar. Det innebär dock en enorm utmaning att konkurrera med de imponerande materialegenskaperna och låga tillverkningskostnaderna hos fossilbaserade plaster. För att utnyttja den inneboende potentialen hos cellulosafibrerna och utveckla deras egenskapsrymd för användning i vidare tillämpningar är det helt nödvändigt att modifiera cellulosans materialegenskaper för att passa till specifika slutanvändningar. Det är därför nödvändigt att ingående studera hur olika modifieringstekniker kan användas för att skräddarsy fysikaliska och kemiska egenskaper hos cellulosan på olika strukturella nivåer i de delignifierade fibrerna.  

Arbetet i denna avhandling har fokuserats på att klarlägga struktur-egenskapsförhållandena för cellulosa-rika fibrilstrukturer. Initialt användes fibrillära hydrogelnätverk som modell för den delignifierade våtfibreväggen. Till att börja med utvecklades ett matematiskt ramverk för att beskriva det typiska svällningsbeteendet och de mekaniska egenskaperna hos de anisotropa fibrillstrukturerna med avseende på fibrillernas längs/tvärs förhållande, ytkemi och elektrolytkoncentration i systemet.  Efter detta modifierades fibrillerna på ett sådant sätt att de erhöll en god kolloidal stabilitet samtidigt som de försågs med en vinyl-funktionalitet som innebar att de kunde användas i friradikalpolymerisation med olika typer av monomerer och telecheliska oligomerer. Via denna typ av radikalpolymerisation var det möjligt att skapa fibrillnätverk med flexibla polymerkopplingar som resulterade i skräddarsydda mekaniska och kemiska egenskaper. Genom att kontrollera tvärbindningarnas molekylvikt, lösningens jonstyrka och fibrillernas längs/tvärs förhållande kunde nätverkets mekaniska egenskaper kontrolleras så att de antingen blev mer töjbara eller styva. 

Med hjälp av en innovativ och mer hållbar modifieringsteknik visade det sig vidare möjligt att samtidigt skapa hög laddning och att introducera en vinylfunktionalitet hos cellulosa-rika fibrer. Genom att använda de tidigare erfarenheterna ifrån de modifierade fibrillnätverken visade det sig möjligt att utveckla en polymerisationsmetod i närvaro av de funktionaliserade fibrer där polymerisation initierades både inuti och omkring de modifierade fibrerna. Polymererna ympades ifrån den modifierade fibreväggen både inuti och omkring fibrerna, följt av radikaltvärbindning för att skapa helt nya typer av starka, fibrebaserade hydrogelstrukturer. Beroende på den slutliga tillämpningen, av denna nya typ av fiberförstärkta hydrogeler, är det enkelt att använda metoden för att inkludera andra molekyler och funktionaliteter till fibrerna för att skräddarsy gelegenskaperna.

Place, publisher, year, edition, pages
Stockholm: KTH Royal Institute of Technology, 2024. p. 58
Series
TRITA-CBH-FOU ; 2024:4
Keywords
Cellulose nanofibrils, hydrogels, cellulose fibres, functionalisation, structure-property relationships.
National Category
Paper, Pulp and Fiber Technology
Research subject
Fibre and Polymer Science
Identifiers
urn:nbn:se:kth:diva-342125 (URN)978-91-8040-819-6 (ISBN)
Public defence
2024-02-09, F3, Lindstedtsvägen 26, Stockholm, 10:00 (English)
Opponent
Supervisors
Funder
Knut and Alice Wallenberg Foundation
Note

QC 20240118

Embargo godkänt av skolchef Amelie Eriksson Karlström via e-post 2024-01-16

Available from: 2024-01-18 Created: 2024-01-16 Last updated: 2024-01-22Bibliographically approved

Open Access in DiVA

No full text in DiVA

Other links

Publisher's full textPubMedScopus

Authority records

Östmans, RebeccaCortes Ruiz, Maria F.Rostami, JowanSellman, Farhiya AlexWågberg, LarsBenselfelt, Tobias

Search in DiVA

By author/editor
Östmans, RebeccaCortes Ruiz, Maria F.Rostami, JowanSellman, Farhiya AlexWågberg, LarsLindström, Stefan B.Benselfelt, Tobias
By organisation
Fibre TechnologyWallenberg Wood Science Center
In the same journal
Soft Matter
Polymer Chemistry

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar

doi
pubmed
urn-nbn

Altmetric score

doi
pubmed
urn-nbn
Total: 49 hits
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf