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
Influence of Fibril Aspect Ratio and Chemical Functionality on the Mechanical Properties of Cellulose Nanofibril Materials
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
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: 0000-0003-0435-1150
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: 0000-0002-2114-3014
Show others and affiliations
(English)Manuscript (preprint) (Other academic)
National Category
Paper, Pulp and Fiber Technology
Identifiers
URN: urn:nbn:se:kth:diva-346027OAI: oai:DiVA.org:kth-346027DiVA, id: diva2:1855117
Note

QC 20240508

Available from: 2024-04-29 Created: 2024-04-29 Last updated: 2024-05-21Bibliographically approved
In thesis
1. The properties of hydrated nanocellulose network structures
Open this publication in new window or tab >>The properties of hydrated nanocellulose network structures
2024 (English)Doctoral thesis, comprehensive summary (Other academic)
Abstract [en]

Long, slender cellulose nanofibrils (CNF) are unique with their high axial modulus, small diameter, high flexibility, and the possibility of chemical tailoring of, among other things, their surface charge density. The objective of this work has been to elucidate how the hydrogel network properties and how their related deformation mechanisms depend on CNF properties, concentration, and chemical environment. In addition, the influence of CNF characteristics on the formation of the structure and properties of isotropic hydrogels, anisotropic hydrogels, and aerogels has been studied. 

This was done by combining theoretical models describing the CNF network's topology and mechanics with high-resolution experiments to validate the theoretical models. Furthermore, the properties of the fibrils have been characterized in detail and linked to the material properties of materials formed from the fibrils. Finally, the CNF networks in this work have been functionalized in two different ways. In the first case, a flow channel was created within the hydrogel network at extremely low CNF concentrations, that could be surface treated with a Layer-by-layer (LbL) methodology with a consecutive addition of oppositely charged polyelectrolytes/nanoparticles to add new functionalities to the channels. Secondly, wet stable aerogels, prepared at higher concentrations of CNFs, were treated using the LbL methodology to adjust the aerogels' surface structure and surface energy, thereby controlling the liquid spreading rate properties of the formed networks.

The most important findings in this work are that CNF network topology and network mechanics can be described using theoretical, rather non-complicated, elastoplastic models. Furthermore, at lower concentrations of CNFs, the network structure is formed in a more organized way, meaning that the fibrils have the time and freedom to seek their optimal contact points during the network formation from a thermodynamic free energy point of view. It has also been shown that the low-density, wet fibrillar network structures formed by neutralizing the charges of the fibrils deform by sliding in fibril/fibril contacts upon straining the network structure above a critical stress. These fibril/fibril contacts are also shown to be re-established when the stress is released, provided that the networks have not been subjected to a macroscopic collapse. Finally, these cellulose networks show great potential for further functionalization using the LbL modification methodology.

Abstract [sv]

Långa, smala cellulosananofibriller (CNF) är unika med sin höga axiella E-modul, låga diameter, höga flexibilitet och stora möjlighet till kemisk modifiering som bland annat använts för att styra fibrillernas ytladdningstäthet. Syftet med detta arbete har varit att klarlägga hur egenskaperna hos hydrogeler, framställda av nanofibriller, och dess deformationsmekanismer, kan kopplas till olika grundläggande CNF-egenskaper, koncentration och kemisk miljö. Dessutom har vi studerat inverkan av hur CNF-egenskaperna påverkar den bildade nätverksstrukturen och hur de påverkar de slutliga egenskaperna hos isotropa- och anisotropa hydrogeler och aerogeler som formats ifrån de olika fibrillslagen. 

Den strategi som användes, och visade sig mycket framgångsrik, för att nå dessa mål, var att kombinera teoretiska modeller som beskriver CNF-nätverkets topologi och mekanik med specialdesignade experiment för att validera de teoretiska modellerna. Vidare har ett omfattande arbete lagts ned på att karakterisera fibrillernas kemiska, strukturella och morfologiska egenskaper och att koppla dessa till de funktionella materialegenskaperna hos de material som har tillverkats ifrån dessa fibriller. Slutligen har de färdiga CNF-nätverken funktionaliserats på två olika sätt. I det första fallet skapades en stabil flödeskanal i ett hydrogelnätverk, som preparerats vid extremt låg CNF-koncentration, och det visade sig vara möjligt att ytbehandla denna kanal med en lager för lager (LbL) metod där motladdade polyelektrolyter och/eller nanopartiklar användes för att tillföra nya egenskaper till kanalen. I det andra fallet behandlades förtillverkade, våtstabila aerogeler, som preparerats vid högre koncentration av CNF, med en LbL-behandling för att kontrollera ytstruktur och ytkemi hos aerogelerna, och att därigenom kontrollera vätskespridningshastigheten hos nätverken.

De viktigaste resultaten i detta arbete är att CNF-nätverkets topologi och nätverksmekanik kan beskrivas med hjälp av relativt okomplicerade teoretiska elastoplastiska modeller. Vidare, har det varit möjligt att visa att vid lägre CNF koncentrationer så bildas nätverksstrukturen på ett mer organiserat sätt, vilket innebär att fibrillerna har tid och friheten att söka sina kontaktpunkter under nätverksbildningen för att nå en optimal struktur utifrån ett termodynamiskt fritt energiperspektiv. Det har också visats att den våta fibrillära nätverksstrukturen hos hydrogelerna deformeras genom att fibrillkontakterna börjar glida vid en pålagd spänning på nätverksstrukturen som överskrider en viss gränsnivå och att fibrillkontakterna återbildas när den pålagda spänningen tas bort. Detta förutsatt att nätverken inte utsatts för en makroskopisk kollaps. Slutligen har vi lyckats visa hur det är möjligt att funktionalisera både hydrogeler och arogeler med hjälp av den så kallade LbL metoden för att skapa nya egenskaper hos nätverken.

Place, publisher, year, edition, pages
KTH Royal Institute of Technology, 2024. p. 78
Series
TRITA-CBH-FOU ; 2024:18
Keywords
Cellulose nanofibrils, Colloidal interactions, colloidal gels, network structure, fibrillar network models, Cellulosa nanofibriller, Kolloidala interaktioner, Kolloidala geler, nätverksstruktur, fibrillära nätverksmodeller
National Category
Paper, Pulp and Fiber Technology
Research subject
Fibre and Polymer Science
Identifiers
urn:nbn:se:kth:diva-346029 (URN)978-91-8040-919-3 (ISBN)
Public defence
2024-05-24, F3 (Flodis),, Lindstedtsvägen 26, Stockholm, 10:00 (English)
Opponent
Supervisors
Funder
Knut and Alice Wallenberg Foundation
Note

QC 2024-04-30

Embargo godkänt av skolchef Amelie Eriksson Karlström via e-post 2024-04-18.

Available from: 2024-04-30 Created: 2024-04-29 Last updated: 2024-05-08Bibliographically approved
2. Characterization and Utilization of Interactions in Wet and Dry Cellulose Nanofibrillar Networks
Open this publication in new window or tab >>Characterization and Utilization of Interactions in Wet and Dry Cellulose Nanofibrillar Networks
2024 (English)Doctoral thesis, comprehensive summary (Other academic)
Abstract [en]

Expanding our understanding of how cellulose fibers and fibrils interact with water and its effect on their inherent properties is needed to optimize their utilization in the making of novel bio-based materials, but also useful in more traditional products (pulp, paper, and packaging).

The overall objective of the work in this thesis was to deepen the understanding of drying-induced structural changes and cellulose-water interactions using cellulosic model materials. Cellulose nanofibrils (CNFs) were employed as they present a distinct advantage with their defined geometry and controlled surface chemistry compared to macroscopic cellulose fibers.

The first part considers the fundamental interactions of CNFs in contact with water and by water removal, and is devoted to identifying the molecular mechanisms behind the process known as hornification. This was done by studying the exposure of CNF sheets to different heat treatments to establish a connection between their reswelling properties, chemical and structural characteristics, and mechanical behavior. The findings indicate that hornification is governed by non-covalent interactions and that the diffusion of water back into a hornified CNF network is kinetically limited. Furthermore, the influence of fibril aspect ratio and chemical functionality on the mechanical properties of wet fibrillar networks was studied. Fibrils were prepared from fibers with different hemicellulose content. It was found that longer fibrils formed stiffer and more ductile materials, owing to a longer-range and more uniform distribution of stress transfer. Additionally, high aspect ratio fibrils form networks capable of holding larger amounts of water. It was also possible to elucidate the influence of aspect ratio on the network formation, where long and short fibrils form networks with different topologies. These results were integrated into a mechanical network model to present an improved elastoplastic description of the network properties.

The second part of the thesis presents potential applications where control of the water uptake in the fibrillar networks is required. Anisotropic fibrillar hydrogels were prepared to function as actuators and superabsorbents. With the help of the knowledge built in the first part of the work, the water uptake in the fibrillar networks could be maximized. This resulted in CNF hydrogel actuators far surpassing conventional hydrogel used in actuation performance and integration of CNF sheets in a superabsorbent heterostructure, where the most strongly immobilized water can be retained at high pressures. 

Abstract [sv]

Att utvidga vår förståelse för hur cellulosafibrer och fibriller interagerar med vatten och dess effekt på deras inneboende egenskaper är nödvändigt för att optimera deras användning vid tillverkning av nya biobaserade material, men även i traditionella produkter (massa, papper och förpackningar).

Det övergripande målet med arbetet i denna avhandling var att fördjupa förståelsen för strukturella förändringar orsakade av torkning och cellulosa-vatten interaktioner med hjälp av cellulosabaserade modellmaterial. Cellulosa nanofibriller (CNFs) användes då de har en fördel med sin definierade geometri och kontrollerade ytkemi i jämförelse med makroskopiska cellulosafibrer. 

Den första delen avhandlar de grundläggande interaktionerna mellan CNFs i kontakt med vatten och efter vattenborttagning, och ägnas åt att identifiera de molekylära mekanismerna bakom processen som kallas hornifiering. Detta gjordes genom att studera CNF-ark som utsatts för olika värmebehandlingar för att fastställa en koppling mellan deras svällningsegenskaper, kemiska och strukturella egenskaper samt mekaniska beteende. Resultaten indikerar att förhorning styrs av icke-kovalenta interaktioner och att diffusionen av vatten tillbaka in i ett förhornat CNF-nätverk är kinetiskt begränsad. Sedan studerades inflytandet av fibrillernas längd-bredd förhållande och kemisk funktionalitet på de mekaniska egenskaperna hos våta fibrillnätverk. Fibriller framställdes från fibrer med olika hemicellulosahalt. Resultaten visade att längre fibriller bildade styvare och mer töjbara material, tack vare en längre och mer jämn fördelning av belastningsöverföring. Dessutom bildar fibriller med högt längd-bredd förhållande nätverk som kan hålla större mängder vatten. Det var också möjligt att förklara inflytandet av längd-bredd förhållande på nätverksbildningen, där långa och korta fibriller bildar nätverk med olika topologier. Dessa resultat integrerades i en mekanisk nätverksmodell för att presentera en förbättrad elastoplastisk beskrivning av nätverksegenskaperna.

Den andra delen av avhandlingen presenterar potentiella tillämpningar där kontroll av vattenupptaget i fibrillnätverken krävs. Anisotropa fibrillära hydrogeler framställdes för att fungera som aktuatorer och superabsorbenter. Med hjälp av kunskapen som byggts upp i första delen av avhandlingen kunde vattenupptaget i fibrillnätverken maximeras. Detta resulterade i CNF hydrogelaktuatorer som långt överträffade konventionella hydrogeler i aktuatorprestanda, och integration av CNF-ark i en superabsorbent heterostruktur, där det starkast bundna vattnet kan behållas vid höga tryck.

Place, publisher, year, edition, pages
Stockholm: KTH Royal Institute of Technology, 2024. p. 72
Series
TRITA-CBH-FOU ; 2024:21
Keywords
Cellulose nanofibrils, Drying, Swelling, Colloidal interactions, Network structure, Cellulosa nanofibriller, Torkning, Svällning, Kolloidala interaktioner, Nätverksstrukturer
National Category
Paper, Pulp and Fiber Technology
Research subject
Fibre and Polymer Science
Identifiers
urn:nbn:se:kth:diva-346231 (URN)978-91-8040-932-2 (ISBN)
Public defence
2024-06-05, F3, Lindstedtsvägen 26, Stockholm, 13:00 (English)
Opponent
Supervisors
Funder
Knut and Alice Wallenberg Foundation
Note

QC 20240508

Embargo godkänt av skolchef Amelie Eriksson Karlström via e-post 2024-05-08

Available from: 2024-05-08 Created: 2024-05-07 Last updated: 2024-05-08Bibliographically approved
3. Functional Low-Density Materials from Cellulose Fibers and Fibrils
Open this publication in new window or tab >>Functional Low-Density Materials from Cellulose Fibers and Fibrils
2024 (English)Doctoral thesis, comprehensive summary (Other academic)
Abstract [en]

Cellulose-based aerogels are emerging bio-based materials for a range of applications in the quest toward a circular and carbon-neutral society. Owing to their lightweight nature, high porosity, high specific surface area, biocompatibility, and biodegradability, cellulose aerogels are suitable for packaging, insulation, wound care products, hygiene products, and water purification. However, their commercial use is hampered by complicated time- and energy-consuming fabrication processes. Hence, industrially relevant processes with upscaling opportunities need to be developed for cellulose-based aerogels to reach their full potential. 

This thesis explores different scalable and simple methods for preparing and designing highly porous aerogels with high wet integrity using cellulose-rich fibers and cellulose nanofibrils (CNFs). As wet integrity is crucial for specific applications and enables further functionalization of the aerogels using water-based chemistry, different methods were developed to achieve wet integrity without complicated crosslinking procedures. The effects of the raw materials and processing methods on the final material properties were also carefully studied to optimize the performance for the targeted applications. Moreover, the role of the network-forming ability of CNFs in the development of functional materials with structural integrity was explored by incorporating small amounts of CNFs in aerogel systems based on macroscopic cellulose-rich fibers and nanosized metal-organic frameworks. 

Finally, the potential of the different developed cellulose-based or cellulose-reinforced aerogels with high wet integrity was demonstrated in applications for which the aerogels’ structural integrity and physical and mechanical properties are highly advantageous, such as biomedical applications, gas storage and separation, flame retardancy, and hygiene products. As demonstrated in this thesis, these functional aerogel materials could be a bio-based alternative for today’s fossil-based materials. 

Abstract [sv]

Cellulosabaserade aerogeler har på senare tid visat sig vara användbara biobaserade material för olika tillämpningar i strävan mot ett cirkulärt och kolneutralt samhälle. Materialens mycket låga densitet, höga porositet, höga specifika yta, biokompatibilitet och biologiska nedbrytbarhet innebär att cellulosaaerogeler är lämpliga för förpackningar, isolering, sårvårdsprodukter, hygienprodukter och vattenrening. Den kommersiella användningen har dock bromsats av komplicerade, tid- och energikrävande tillverkningsmetoder. Därmed måste industriellt relevanta processer med uppskalningsmöjligheter utvecklas för att cellulosabaserade aerogeler ska nå sin fulla potential. 

Denna avhandling utforskar olika skalbara och enkla metoder för att bereda och skräddarsy högporösa och våtstabila aerogeler från cellulosafibrer och cellulosananofibriller (CNFer). Eftersom våtstabilitet är avgörande för vissa tillämpningar och möjliggör ytterligare funktionalisering med vattenbaserad kemi, har ett omfattande arbete genomförts för att identifiera nya metoder för att skapa en god våtstabilitet utan att använda komplicerade tvärbindningsprocedurer. Ett stort fokus har även lagts på att klarlägga råvarans och bearbetningsmetodernas inverkan på de slutliga materialegenskaperna för att optimera prestandan för riktade tillämpningar. Dessutom har CNFers unika nätverksbildande egenskaper också utforskats i att skapa funktionella material med strukturell integritet från mycket små mängder CNFer i aerogelsystem baserade på makroskopiska cellulosarika fibrer och nanopartiklar av metallorganiska nätverk.

Slutligen demonstrerades potentialen av de framställda cellulosabaserade och cellulosaförstärkta aerogelerna med utmärkt våtstyrka i tillämpningar där deras strukturella integritet, fysikaliska och mekaniska egenskaper kan användas på ett mycket fördelaktigt sätt, till exempel biomedicinska applikationer, gaslagring och -separering, flamskydd, och hygienprodukter. Mot bakgrund av dessa resultat är det alltså rimligt att slå fast att dessa funktionella aerogeler kan utgöra möjliga biobaserade alternativ till dagens fossilbaserade material.

Place, publisher, year, edition, pages
Stockholm: Kungliga Tekniska högskolan, 2024. p. 70
Series
TRITA-CBH-FOU ; 2024:20
Keywords
Aerogel, cellulose, nanotechnology, wood, fibers, nanofibrils, microfibrils, functional materials, bio-based, wet integrity, metal-organic frameworks, Aerogel, cellulosa, nanoteknologi, trä, fibrer, nanofibriller, mikrofibriller, funktionella material, biobaserad, våtstyrka, metallorganiska nätverk
National Category
Paper, Pulp and Fiber Technology
Research subject
Fibre and Polymer Science
Identifiers
urn:nbn:se:kth:diva-346652 (URN)978-91-8040-933-9 (ISBN)
Public defence
2024-06-14, D1, Lindstedtsvägen 9, https://kth-se.zoom.us/j/63426784337, Stockholm, 10:00 (English)
Opponent
Supervisors
Funder
Swedish Research Council
Note

QC 20240522

Embargo godkänt av skolchef Amelie Eriksson Karlström via e-post 2024-05-14

Available from: 2024-05-22 Created: 2024-05-21 Last updated: 2024-06-10Bibliographically approved

Open Access in DiVA

No full text in DiVA

Authority records

Sellman, Farhiya AlexÖstmans, RebeccaCortes Ruiz, Maria F.Wågberg, Lars

Search in DiVA

By author/editor
Sellman, Farhiya AlexRostami, JowanÖstmans, RebeccaCortes Ruiz, Maria F.Lindström, Stefan B.Wågberg, Lars
By organisation
Fibre TechnologyWallenberg Wood Science Center
Paper, Pulp and Fiber Technology

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar

urn-nbn

Altmetric score

urn-nbn
Total: 71 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