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
Design of Cellulose-Based Materials via Sustainable and Scalable Processes
KTH, School of Engineering Sciences in Chemistry, Biotechnology and Health (CBH), Fibre- and Polymer Technology, Fibre Technology.ORCID iD: 0000-0003-0519-7917
2022 (English)Doctoral thesis, comprehensive summary (Other academic)
Abstract [en]

Plastic pollution is one of the most pressing environmental issues in today’s world. Addressing this problem calls for the development of environmentally friendly alternatives that would reduce the amount of persistent plastic waste. Wood-based cellulose is an excellent candidate as a renewable and biodegradable alternative to oil-based plastics in a variety of applications. However, for their widespread adoption, cellulosic materials need to perform comparably to their oil-based counterparts, while simultaneously attaining similarly high processing efficiencies. A major challenge today is to produce high-performance cellulosic materials at industrially feasible rates using scalable methods. 

This thesis demonstrates that with a fundamental understanding of fiber chemistry and behavior, cellulose fibers can be tuned to develop sustainable material streams and advanced functional materials at high process rates. First, a new stimuli-responsive cellulosic fiber material called self-fibrillating fibers (SFFs) was developed, where the mechanisms governing the swelling of the fiber wall were thoroughly investigated. The knowledge and understanding obtained from these fundamental studies were utilized to prepare pH-responsive filters. Secondly, the preparation of SFF papers and nanopapers using conventional papermaking methods and equipment was demonstrated within the context of rapid transparent paper preparation. It was shown that SFFs can be rapidly dewatered to obtain papers, where the constituting fibers can be nanofibrillated in situ, resulting in strong, transparent and gas barrier nanopapers without sacrificing processing speed. Thirdly, the use of SFFs was extended to functional nanocomposites. A new and scalable materials processing platform for the rapid preparation of functional cellulose hybrids was developed. The stimuli-responsive self-assembly of chemically nanofibrillated SFFs was studied and utilized to prepare nanopapers and hybrid materials. Finally, SFFs were used as bio-based binders in the fabrication of graphitic Li-ion battery electrodes with improved processing and electrochemistry. Taking advantage of their facile nanofibrillation and favorable chemistry, SFFs were nanofibrillated during slurry mixing then blade-coated on copper supports to create strong electrodes with excellent performance.

The novel materials and methodologies presented herein combine an aqueous fiber modification strategy with excellent processing properties for the preparation of high-performance cellulosic materials that can compete with oil-based plastics in various applications.

Abstract [sv]

Plastföroreningar är en av de mest akuta miljöfrågorna i dagens värld. För att ta itu med problemet krävs en utveckling av miljövänliga alternativ som skulle kunna begränsa mängden icke nedbrytbart plastavfall. I träbaserade, cellulosarika fibrer utgör i detta avseende en utmärkt råvara som kan användas som ett förnyelsebart och biologiskt nedbrytbart alternativ till oljebaserade plaster i en rad olika tillämpningar. Cellulosamaterialen måste naturligtvis ha egenskaper som är i paritet med, eller bättre än, de oljebaserade materialen för att klara konkurrensen och samtidigt ha en konkurrenskraftig tillverkningsekonomi. En stor utmaning idag är därför att producera högpresterande cellulosamaterial med effektiva och skalbara processer.

Föreliggande avhandling visar att det mha grundläggande förståelse för fiberkemi och fibrernas fysikaliska beteende under olika kemiska betingelser att det är möjligt att skräddarsy vedbaserade fibrer så att det är möjligt att utveckla hållbara, avancerade funktionella material tom vid höga tillverkningshastigheter. Initialt utvecklades ett stimuli-känsligt cellulosafibermaterial, sk självfibrillerande fibrer (SFFs), som tillåter att fibrerna kan användas i konventionella arkformningsmetoder för att sedan sönderdelas till fibriller i det tillverkade arket som förvandlar det tillverkade arket till en genomskinlig film. Det visade sig att det var möjligt att snabbt avvattna de självfibrillerande fibrerna och mha en pH-höjning var det sedan möjligt attfibrillera de modifierade fibrerna  in-situ vilket resulterade i starka, transparenta nanopapper med goda barriäregenskaper. Med hjälp av avancerade karakteriseringsmetoder var det också möjligt att klarlägga de mekanismer som styr fibrillfriläggningen och svällningen hos fiberväggen i de modifierade fibrerna. Denna insikt, om hur de modifierade fibrerna sväller under olika betingelser, användes vidare för att tillverka pH-känsliga filter där avskiljningsförmåga och filtreringshastighet enkelt kan styras med enkla pH justeringar. De skräddarsydda, självfibrillerande fibrerna är naturligtvis mycket lämpade för användning i olika typer av kompositer och i avhandlingen visas hur SFF kan användas i olika typer av nanokompositer där de frilagda fibrillernas utmärkta mekaniska egenskaper kan utnyttjas i kombination med tex oorganiska, anisotropa material för att skapa kompositer med mycket goda barriäregenskaper och tex brandsäkra material. Genom att kombinera SFF med energilagrande aktiverat kol visade det sig också vara möjligt att tillverka batterielektroder för användning i Li-jon batterier där konventionella bindemedel kunde ersättas för att skapa elektroder med bättre egenskaper än det som idag finns i kommersiella Li-jon batterier. 

Alla dessa exempel visar att det nya SFF-materialet gör det möjligt att använda konventionella arkformningsmetoder för att skapa nya högpresterande material där det är möjligt att bibehålla en rimlig tillverkningshastighet och att framställa komponenter eller slutgiltiga anordningar som har egenskaper som kan konkurrera med högpresterande material som baseras på fossila råvaror.

Place, publisher, year, edition, pages
Stockholm, Sweden: KTH Royal Institute of Technology, 2022. , p. 75
Series
TRITA-CBH-FOU ; 2022:26
Keywords [en]
Transparent paper, cellulose nanofiber, fibers, CNF, nanofibrillation, nanopaper, functional hybrids, nanocomposites, green materials, energy storage, binders
Keywords [sv]
Transparent papper, cellulosa nanofiber, fibrer, CNF, nanofibrillering, nanopapper, funktionella hybrider, nanokompositer, gröna material, energilagring, bindemedel
National Category
Materials Engineering Nano Technology Paper, Pulp and Fiber Technology Energy Systems Wood Science
Research subject
Fibre and Polymer Science
Identifiers
URN: urn:nbn:se:kth:diva-310614ISBN: 978-91-8040-200-2 (print)OAI: oai:DiVA.org:kth-310614DiVA, id: diva2:1650032
Public defence
2022-05-06, F3, Lindstedtsvägen 26, via Zoom: https://kth-se.zoom.us/j/66018737029, Stockholm, 10:00 (English)
Opponent
Supervisors
Note

QC 2022-04-06

Available from: 2022-04-06 Created: 2022-04-05 Last updated: 2023-03-16Bibliographically approved

Open Access in DiVA

summary(16210 kB)75 downloads
File information
File name SUMMARY01.pdfFile size 16210 kBChecksum SHA-512
b315a477a382e380baa682a72f055199b122379e8582be0e7227b0331c5aca4c3dabad373ec2585bc6178d6d5acc2b030f7a8086de09399ece422a01f2767e3d
Type fulltextMimetype application/pdf

Authority records

Görür, Yunus Can

Search in DiVA

By author/editor
Görür, Yunus Can
By organisation
Fibre Technology
Materials EngineeringNano TechnologyPaper, Pulp and Fiber TechnologyEnergy SystemsWood Science

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar
Total: 0 downloads
The number of downloads is the sum of all downloads of full texts. It may include eg previous versions that are now no longer available

isbn
urn-nbn

Altmetric score

isbn
urn-nbn
Total: 883 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