With increasing interest for sustainably sourced and renewable materials, lignocellulose-based biopolymers are a natural candidate for such applications. However, most biopolymers, including lignocellulose, are intrinsically rigid and are therefore difficult to shape with e.g. extrusion and other tools for processing thermoplastic polymers. The lignocellulose must thus be modified somehow, with e.g. chemical modifications and/or plasticizers, to become thermoplastic. In this thesis, the molecular and atomistic-level mechanisms that govern the interactions important for thermoplasticity within lignocellulosic materials are investigated through the use of molecular dynamics (MD) simulations combined with experimental validation. The chemical structures of the lignocellulosic components, in particular cellulose and lignin, are explored to improve processability, mechanical performance, and thermodynamical behavior.

The first part of the work focuses on cellulose and dialcohol cellulose, a ring-opened derivative which have demonstrated promising properties for processing, both via simulations and experiments. An increased degree of ring opening enhances the molecular mobility and lowers the glass transition temperature, both in dry and moist conditions, facilitating thermoplastic behavior while maintaining mechanical performance. Subsequent studies, extend the investigation into a broader set of cellulose modifications and ring openings, including aldehyde- hydroxylamine and carboxyl functionalization, identifying how the different types of modifications affect the thermodynamic and mechanical properties. The role and effect of moisture content, and the presence of functional groups are thoroughly investigated. 

Plasticizers in cellulose and dialcohol cellulose systems were also evaluated, revealing that the plasticizer size and mobility influence the stability and thermal softening of the systems, with sorbitol and glycerol in particular showing especially promising results. 

The thermo-mechanical behavior of lignin is also examined under the influence of temperature and moisture content, linking lignin softening with effects on hot-pressed unbleached paper through a combined simulation and experimental study. The study showed that wet hotpressing is an efficient way for improving the mechanical properties of paper.

This thesis demonstrates how molecular dynamics simulations can provide a better understanding of the internal structure of materials. It shows how MD simulations can guide the development of new thermoplastic materials, especially by examining properties that are difficult or even impossible to observe experimentally.

Med ett växande intresse för hållbart framställda och förnybara material så har lignocellulosabaserade biopolymerer framträtt som starka kandidater för sådana tillämpningar. De flesta biopolymerer, inklusive lignocellulosa, är dock styva och är därför svåra att forma med exempelvis extrudering och andra metoder som används för att bearbeta termoplastiska polymerer. Lignocellulosan måste därför modifieras på något sätt, exempelvis genom kemiska modifieringar och/eller tillsats av mjukgörare för att bli termoplastisk. I denna avhandling undersöks de molekylära och atomistiska mekanismerna som styr interaktioner som är viktiga för termoplasticitet i lignocellulosabaserade material, med hjälp av molekyldynamik-simuleringar (MD-simuleringar) i kombination med experimentell validering. De kemiska strukturerna hos lignocellulosans beståndsdelar, särskilt cellulose och lignin, utforskas i syfte att förbättra bearbetbarhet, mekaniska egenskaper och termodynamiskt beteende.

Den första delen av arbetet fokuserar i huvudsak på cellulosa och dialkoholcellulosa, ett ringöppnat derivat som visat lovande egenskaper för processering, både via simuleringar och experiment. En ökad grad av ringöppning förbättrar den molekylära rörligheten och sänker glastransitionstemperaturen, både under torra och fuktiga förhållanden, vilket förbättrar termoplasticiteten samtidigt som de mekaniska egenskaperna kan bibehållas. I efterföljande studier så breddas urvalet till ett större antal cellulosamodifikationer och ringöppningar, inklusive aldehyd-, hydroxylamin- och karboxyl-funktionaliseirng. Dessa studier visar hur de olika modifieringarna påverkar de termodynamiska och mekaniska egenskaperna. Påverkan av vattenhalt och de funktionella gruppernas roll undersöks nogrannt. 

Mjukgörares påverkan på cellulosa och dialkoholcellulosa-system utvärderas också, och det framgår att storleken och mobiliteten hos mjukgörarna påverkar stabiliteten och den termiska mjukgörningen av systemen. Särskilt sorbitol och glycerol visade sig vara mycket lovande kandidater som hållbara mjukgörare i dessa system. 

Lignins termomekaniska beteende undersöktes också under varierade temperatur och fuktförhållanden. Kopplingar mellan ligninets mjukgörning till förbättrad fiberbinding i varmpressat oblekt papper identifieras, genom en kombinerad studie med simuleringar och experiment. Studien visade att vår varmpressning är en effektiv metod för att förbättra de mekaniska egenskaperna av papper.

Denna avhandling visar hur MD-simuleringar kan ge insikter i materials inre struktur och beteenden, samt hur MD-simuleringar kan vägleda utvecklingen av nya termoplastiska material, särskilt genom att visa egenskaper som är svåra eller omöjliga att observera experimentellt.