Weather resistance nanocellulose paper for structural applications
Kuru, Heli (2023)
Kandidaatintyö
2023
School of Engineering Science, Kemiantekniikka
Kaikki oikeudet pidätetään.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2023061655923
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2023061655923
Tiivistelmä
Sustainable development is becoming a premier concept of governments and business alike. The exhaustion of fossil reserves and impacts of global warming, eventually force us look for renewable resources to fill the demand for materials. This research aimed to study environmentally friendly biodegradable composite material made from sustainable materials cellulose nanofibrils and bark powder. Nanocellulose has a combination of outstanding properties suitable to produce strong, flexible, light, and green composite material for applications such as construction, transportation, and electronics.
Promising structural materials have been achieved by combining hydrophilic nanocellulose with hydrophobic bark powder. Mechanical study was carried out for composites. Bark powder/NFC composites proved high mechanical strength and increased elongation at break. Morphology was studied with FE-SEM, ATR-FTIR and WAXS analyses. Hydrophobicity was examined by sessile drop water contact angle. Bark powder is hydrophobic and integrating bark powder to the NFC matrix increased the hydrophobicity of the composites.
Selection of filler material for NFC matrix is important since resulting composite should have outstanding properties of hydrophobicity, mechanical strength, flexibility etc. Novel materials should have the same excellent properties as the materials they are replacing (plastics, metals, glass). Behaviour of nanocellulose itself is relatively well known and explained by its strong hydrogen bonding network. However, the network is changed when filler materials are introduced, resulting in outstanding properties. Kestävästä kehityksestä on tulossa sekä yritysten että hallitusten johtava käsite. Ilmastonlämpenemisen vaikutukset ja fossiilisten varojen väheneminen pakottavat meidät etsimään uusiutuvia luonnonvaroja materiaalitarpeen tyydyttämiseksi. Tämän tutkimuksen tavoitteena oli tutkia ympäristöystävällistä biohajoavaa komposiittimateriaalia, joka on valmistettu kestävistä materiaaleista; nanofibrilloidusta selluloosasta ja puunkuorijauheesta. Nanoselluloosalla on erinomaisia ominaisuuksia, jotka sopivat vahvan, joustavan, kevyen ja ympäristöystävällisen komposiittimateriaalin valmistamiseen vaativiin sovelluksiin, kuten rakentamiseen, kuljetukseen ja elektroniikkaan.
Lupaava rakennemateriaali saatiin yhdistämällä hydrofiilistä nanoselluloosaa hydrofobiseen puunkuorijauheeseen. Komposiiteille tehtiin mekaanisia tutkimuksia. Komposiiteilla oli korkea mekaaninen lujuus ja murtovenymä. Morfologiaa tutkittiin FE-SEM-, ATR-FTIR- ja WAXS-analyyseillä. Hydrofobisuutta tutkittiin veden kontaktikulmamittausten avulla. Puunkuorijauhe on hydrofobista, joten kuorijauheen lisääminen NFC-matriisiin lisäsi komposiittien hydrofobisuutta.
Täyteaineen valinta NFC-matriisiin on tärkeää, sillä tuloksena syntyvällä komposiitilla tulee olla mm. erinomainen hydrofobisuus, mekaaninen lujuus ja joustavuus. Uusilla materiaaleilla tulee olla samat hyvät ominaisuudet kuin materiaaleilla, joita ne korvaavat (muovit, metallit, lasi). Nanoselluloosan ominaisuudet tunnetaan suhteellisen hyvin ja ne selittyvät sen vahvalla vetysidosverkostolla. Sidokset muuttuvat, kun selluloosaa muokataan lisäämällä siihen täyteaineita. Täten saadaan uusia ominaisuuksia.
Promising structural materials have been achieved by combining hydrophilic nanocellulose with hydrophobic bark powder. Mechanical study was carried out for composites. Bark powder/NFC composites proved high mechanical strength and increased elongation at break. Morphology was studied with FE-SEM, ATR-FTIR and WAXS analyses. Hydrophobicity was examined by sessile drop water contact angle. Bark powder is hydrophobic and integrating bark powder to the NFC matrix increased the hydrophobicity of the composites.
Selection of filler material for NFC matrix is important since resulting composite should have outstanding properties of hydrophobicity, mechanical strength, flexibility etc. Novel materials should have the same excellent properties as the materials they are replacing (plastics, metals, glass). Behaviour of nanocellulose itself is relatively well known and explained by its strong hydrogen bonding network. However, the network is changed when filler materials are introduced, resulting in outstanding properties.
Lupaava rakennemateriaali saatiin yhdistämällä hydrofiilistä nanoselluloosaa hydrofobiseen puunkuorijauheeseen. Komposiiteille tehtiin mekaanisia tutkimuksia. Komposiiteilla oli korkea mekaaninen lujuus ja murtovenymä. Morfologiaa tutkittiin FE-SEM-, ATR-FTIR- ja WAXS-analyyseillä. Hydrofobisuutta tutkittiin veden kontaktikulmamittausten avulla. Puunkuorijauhe on hydrofobista, joten kuorijauheen lisääminen NFC-matriisiin lisäsi komposiittien hydrofobisuutta.
Täyteaineen valinta NFC-matriisiin on tärkeää, sillä tuloksena syntyvällä komposiitilla tulee olla mm. erinomainen hydrofobisuus, mekaaninen lujuus ja joustavuus. Uusilla materiaaleilla tulee olla samat hyvät ominaisuudet kuin materiaaleilla, joita ne korvaavat (muovit, metallit, lasi). Nanoselluloosan ominaisuudet tunnetaan suhteellisen hyvin ja ne selittyvät sen vahvalla vetysidosverkostolla. Sidokset muuttuvat, kun selluloosaa muokataan lisäämällä siihen täyteaineita. Täten saadaan uusia ominaisuuksia.