kth.sePublikationer KTH
Driftstörningar
Det förekommer återkommande driftstörningar på några av sök-portalerna på grund av hög belastning. Vi arbetar på att lösa problemet, ni kan tillfälligt mötas av ett felmeddelande.
Ändra sökning
RefereraExporteraLänk till posten
Permanent länk

Direktlänk
Referera
Referensformat
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Annat format
Fler format
Språk
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Annat språk
Fler språk
Utmatningsformat
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
Engineering Polyhydroxyurethane Nanocomposites with Cellulose and Chitin Nanomaterials
KTH, Skolan för kemi, bioteknologi och hälsa (CBH), Kemi, Glykovetenskap.ORCID-id: 0000-0001-5805-0818
2025 (Engelska)Doktorsavhandling, sammanläggning (Övrigt vetenskapligt)
Hållbar utveckling
SDG 3: Hälsa och välbefinnande, SDG 12: Hållbar konsumtion och produktion, SDG 13: Bekämpa klimatförändringen, SDG 14: Hav och marina resurser, SDG 15: Ekosystem och biologisk mångfald
Abstract [en]

The transition toward sustainable polymers requires alternatives to conventional isocyanate-based polyurethanes that retain performance while reducing environmental and health concerns. Polyhydroxyurethanes (PHUs), synthesized via cyclic carbonate aminolysis, represent a promising isocyanate-free polyurethane platform, but their development has so far been limited by relatively low mechanical performance and challenges in processing. This thesis addresses these limitations through the design of bio-based PHUnanocomposites reinforced with polysaccharide nanomaterials, with emphasis on interfacial chemistry, nanofiller morphology, and processing strategy.

The first part focuses on interface engineering through epoxy hybridization and polysaccharide reinforcement. Incorporation of epoxy resins into PHU matrices significantly increased modulus and tensile strength, though at the expense of ductility, leading to brittle behavior at higher epoxy contents. Complementary reinforcement with cellulose nanocrystals (CNCs) provided a more synergistic improvement, enhancing both modulus and strength while maintaining a strain-to-failure above 240%, a key advantage for applications requiring both strength and toughness. A second system based on segmented PHUs reinforced with CNCs and partially deacetylated chitin nanocrystals (ChNCs) demonstrated the critical role of interfacial interactions. CNCs, engaging primarily through hydrogen bonding, tripled the modulus (up to 1.2 MPa), while ChNCs, capable of covalent grafting to the PHU matrix, showed over 140-fold modulus enhancement (58.8 MPa) and a ~20-fold increase in tensile strength compared to neat segmented PHU.

The second part explores processing strategies for PHU-based nanocomposites. Reactive extrusion was employed as a solvent-free route to synthesize PHU/ChNC nanocomposites, achieving homogeneous nanocrystal dispersion and improved thermomechanical stability. These nanocomposites exhibited a storage modulus up to three orders of magnitude higher than neat PHU rubbery state and displayed ferroelectric-like polarization switching, demonstrating potential for energy-harvesting applications. In parallel, an aqueous one-pot synthesis was developed to prepare PHU hydrogels reinforced with chitin nanofibers and form double-network (DN) architectures. These DN hydrogels achieved compressive modulus up to 0.39 MPa in the wet state and tensile Young’s modulus above 20 MPa after drying. The ability to tailor performance through nanofiber surface chemistry and loading demonstrated the versatility of this approach for designing high-performance, sustainable hydrogels.

In summary, this work establishes systematic strategies to improve the mechanical performance of PHUs by combining interfacial engineering with processing control. The findings demonstrate that renewable nanofillers, integrated into tailored PHU matrices through scalable methods, can significantly expand the property profile of these isocyanate-free polymers and open new pathways toward sustainable, high-performance materials.

Abstract [sv]

Övergången mot hållbara polymerer kräver alternativ till konventionella isocyanatbaserade polyuretaner som kan bibehålla prestanda samtidigt sommiljö- och hälsorisker minskas. Polyhydroxyuretaner (PHU), framställda genom aminolys av cykliska karbonater, utgör ett lovande alternativ men begränsas av måttliga mekaniska egenskaper och processeringsutmaningar. Denna avhandling behandlar dessa utmaningar genom att utveckla biobaserade PHU-nanokompositer förstärkta med polysackaridbaserade nanomaterial, med fokus på interfas-kompatibilitet, fyllmedelsmorfologi och processtrategier.

Den första delen betonar interfasengineering genom epoxihybridisering och polysackaridförstärkning. Inblandning av epoxihartser i PHU-matriser ökade elasticitetsmodul och draghållfasthet avsevärt, men på bekostnad av duktilitet, vilket ledde till sprött beteende vid högre epoxiinnehåll. Komplementär förstärkning med cellulosananokristaller (CNC) gav mer balanserade förbättringar genom att öka modul och hållfasthet samtidigt som brottöjningar över 240 % bibehölls, en avgörande fördel för mjuka tillämpningar som kräver seghet. Ett andra system fokuserade på segmenterade PHU förstärkta medCNC och partiellt deacetylerade kitinnanokristaller (ChNC), vilket ytterligare tydliggjorde interfasens betydelse. CNC, bundna via vätebindningar, tredubblade modulen (upp till 1.2 MPa), medan ChNC, kapabla till kovalent bindning med PHU-matrisen, uppnådde mer än 140-faldig ökning av modulen (58.8 MPa) och cirka 20-faldig ökning av draghållfastheten jämfört med obelagd segmenterad PHU.

Den andra delen undersöker processtrategier. Reaktiv extrudering användes som ett lösningsmedelsfritt tillvägagångssätt för att framställa PHU/ChNC nanokompositer med homogen dispersion och förbättrad termomekanisk stabilitet. Dessa kompositer uppvisade lagringsmoduler i det gummielastiska tillståndet upp till tre storleksordningar högre än ren PHU och visade ferroelektriskt liknande polariseringsomkoppling, vilket indikerar potential för energiutvinning. Parallellt tillämpades en vattenbaserad enstegssyntes för att framställa PHU-hydrogeler förstärkta med kitinnanofibrer i dubbelnätverksarkitektur (DN). Dessa DN-hydrogeler uppnådde kompressionsmoduler upp till 0.39 MPa i vått tillstånd och dragmoduler över 20 MPa efter torkning. Möjligheten att anpassa prestanda genom nanofibrernas yt-kemi och inblandning visade ytterligare metodens mångsidighet.

Sammanfattningsvis etablerar detta arbete systematiska strategier för att förbättra de mekaniska egenskaperna hos PHU genom att kombinera interfasengineering med processkontroll. Resultaten visar att förnybara nanofyllmedel, i kombination med skräddarsydd matrisdesign och skalbara processer, kan omvandla PHU till konkurrenskraftiga kandidater föravancerade tillämpningar där hållbara men högpresterande polymermaterial krävs.

Ort, förlag, år, upplaga, sidor
Stockholm: KTH Royal Institute of Technology, 2025. , s. 94
Serie
TRITA-CBH-FOU ; 2025:26
Nyckelord [en]
Polyhydroxyurethane, epoxy hybrid, cellulose nanocrystals, chitin nanocrystals, chitin nanofibers, mechanical reinforcement, nanocomposites, hydrogels, interface engineering
Nyckelord [sv]
Polyhydroxyuretan, epoxihybrid, cellulosananokristaller, kitinnanokristaller, kitinnanofibrer, mekanisk förstärkning, nanokompositer, hydrogeler, gränsyteteknik
Nationell ämneskategori
Biomaterial Kompositmaterial och -teknik Polymerkemi
Forskningsämne
Kemi
Identifikatorer
URN: urn:nbn:se:kth:diva-369845ISBN: 978-91-8106-384-4 (tryckt)OAI: oai:DiVA.org:kth-369845DiVA, id: diva2:1998280
Disputation
2025-10-14, https://kth-se.zoom.us/j/63944377485, Kollegiesalen, Brinellvägen 8, Stockholm, 10:00 (Engelska)
Opponent
Handledare
Anmärkning

Embargo t.o.m. 2026-10-14 godkänt av skolchef Amelie Eriksson Karlström via e-post 2025-10-16

QC 20250917

Tillgänglig från: 2025-09-17 Skapad: 2025-09-16 Senast uppdaterad: 2026-10-14Bibliografiskt granskad
Delarbeten
1. Thermo-Mechanical Properties of Cellulose Nanocrystals Reinforced Hybrid Polyhydroxyurethane-Epoxy Polymer
Öppna denna publikation i ny flik eller fönster >>Thermo-Mechanical Properties of Cellulose Nanocrystals Reinforced Hybrid Polyhydroxyurethane-Epoxy Polymer
Visa övriga...
(Engelska)Manuskript (preprint) (Övrigt vetenskapligt)
Nationell ämneskategori
Polymerteknologi Kompositmaterial och -teknik Polymerkemi
Forskningsämne
Kemi
Identifikatorer
urn:nbn:se:kth:diva-369841 (URN)
Anmärkning

QC 20250916

Tillgänglig från: 2025-09-15 Skapad: 2025-09-15 Senast uppdaterad: 2025-09-16Bibliografiskt granskad
2. Synthesis, Thermal and Mechanical Properties of Nonisocyanate Thermoplastic Polyhydroxyurethane Nanocomposites with Cellulose Nanocrystals and Chitin Nanocrystals
Öppna denna publikation i ny flik eller fönster >>Synthesis, Thermal and Mechanical Properties of Nonisocyanate Thermoplastic Polyhydroxyurethane Nanocomposites with Cellulose Nanocrystals and Chitin Nanocrystals
Visa övriga...
2025 (Engelska)Ingår i: Biomacromolecules, ISSN 1525-7797, E-ISSN 1526-4602, Vol. 26, nr 6, s. 3481-3494Artikel i tidskrift (Refereegranskat) Published
Abstract [en]

Incorporating biobased nanofillers including cellulose nanocrystals (CNCs) and chitin nanocrystals (ChNCs) into nonisocyanate polyurethane (NIPU) offers a multifunctional approach to improving mechanical and thermal properties while promoting sustainability and green chemistry. Nanocomposites of segmented thermoplastic polyhydroxyurethane (PHU) from vanillyl alcohol bis(cyclocarbonate) (VABC), poly(tetramethylene oxide) diamine (PTMODA), and bis(aminomethyl) norbornane (NORB) reinforced with a low amount of CNCs and partially deacetylated ChNCs were prepared and characterized. Fourier transform infrared spectroscopy, atomic force microscopy, and small-angle X-ray scattering revealed that partially deacetylated ChNCs were covalently grafted to the PHU through aminolysis of carbonate end groups in the hard segment, while CNCs were mixed with the PHU without interfacial covalent bonding. Consequently, the PHU/ChNC nanocomposites showed nanophase separation with smaller hard domains compared to neat PHU, while the PHU/CNC nanocomposites exhibited a phase-mixed system with broader interface regions. Dynamic mechanical analysis and tensile tests further revealed that the PHU/ChNC nanocomposites demonstrated a 49-fold increase in Young's modulus, a 20-fold increase in ultimate tensile strength, and a three-order-of-magnitude enhancement in storage modulus in the rubbery state compared to the PHU/CNC nanocomposites, highlighting the profound influence of interfacial covalent linkages in enhancing the thermal mechanical performance of segmented PHU.

Ort, förlag, år, upplaga, sidor
American Chemical Society (ACS), 2025
Nationell ämneskategori
Biomaterial
Identifikatorer
urn:nbn:se:kth:diva-364704 (URN)10.1021/acs.biomac.5c00113 (DOI)001485243700001 ()40343709 (PubMedID)2-s2.0-105004695950 (Scopus ID)
Anmärkning

QC 20260120

Tillgänglig från: 2025-07-01 Skapad: 2025-07-01 Senast uppdaterad: 2026-01-20Bibliografiskt granskad
3. Synthesis of Polyhydroxyurethane Composites Incorporating Chitin Nanocrystals via Reactive Extrusion for Piezoelectric Applications
Öppna denna publikation i ny flik eller fönster >>Synthesis of Polyhydroxyurethane Composites Incorporating Chitin Nanocrystals via Reactive Extrusion for Piezoelectric Applications
Visa övriga...
(Engelska)Manuskript (preprint) (Övrigt vetenskapligt)
Nyckelord
Polyhydroxyurethane, reactive extrusion, chitin nanocrystals, nanocomposites, nanophase separation, piezoelectricity
Nationell ämneskategori
Polymerteknologi Kompositmaterial och -teknik Polymerkemi
Forskningsämne
Kemi
Identifikatorer
urn:nbn:se:kth:diva-369838 (URN)
Anmärkning

QC 20250916

Tillgänglig från: 2025-09-15 Skapad: 2025-09-15 Senast uppdaterad: 2025-09-16Bibliografiskt granskad
4. One-Pot Synthesis of Double-Network Hydrogels from Polyhydroxyurethane and Chitin Nanofibers
Öppna denna publikation i ny flik eller fönster >>One-Pot Synthesis of Double-Network Hydrogels from Polyhydroxyurethane and Chitin Nanofibers
Visa övriga...
(Engelska)Manuskript (preprint) (Övrigt vetenskapligt)
Nationell ämneskategori
Polymerteknologi Kompositmaterial och -teknik Polymerkemi
Forskningsämne
Kemi
Identifikatorer
urn:nbn:se:kth:diva-369842 (URN)
Anmärkning

QC 20250916

Tillgänglig från: 2025-09-15 Skapad: 2025-09-15 Senast uppdaterad: 2025-09-16Bibliografiskt granskad

Open Access i DiVA

Kappa(7192 kB)77 nedladdningar
Filinformation
Filnamn FULLTEXT01.pdfFilstorlek 7192 kBChecksumma SHA-512
1ba17dcc27e5a96bd586fbef91e4a4d40b9ee06491f9ea895a0354636782eaf097ec3ceec72674f3dc518e54606ea275ae06eeacbe36c4c9873f01ae2e5124c9
Typ fulltextMimetyp application/pdf

Person

Wijeratne, Pavithra

Sök vidare i DiVA

Av författaren/redaktören
Wijeratne, Pavithra
Av organisationen
Glykovetenskap
BiomaterialKompositmaterial och -teknikPolymerkemi

Sök vidare utanför DiVA

GoogleGoogle Scholar
Totalt: 77 nedladdningar
Antalet nedladdningar är summan av nedladdningar för alla fulltexter. Det kan inkludera t.ex tidigare versioner som nu inte längre är tillgängliga.

isbn
urn-nbn

Altmetricpoäng

isbn
urn-nbn
Totalt: 640 träffar
RefereraExporteraLänk till posten
Permanent länk

Direktlänk
Referera
Referensformat
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Annat format
Fler format
Språk
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Annat språk
Fler språk
Utmatningsformat
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf