Abstract

Nanocellulose is envisioned as one of the key product innovations of future biorefineries, since it can potentially function in numerous high-end applications and replace many current petroleum-based products due to its superior properties, abundance and renewable nature. The main difficulty hindering the industrial upscaling of nanocellulose is the lack of feasible techniques for processing cellulose fibres on a nanoscale. At the same time, ongoing research efforts have concentrated on charting the suitability of nanocellulose for various novel applications. The chemical functionalization of cellulose is currently regarded as a significant step for both enhancing nanocellulose fabrication and increasing its value as a product by virtue of its adjustable surface properties.

This thesis reports on the surface functionalization of cellulosic fibres by means of two new chemical pre-treatments based on periodate oxidation and sequential chlorite oxidation or reductive amination for use in the fabrication of nanocelluloses. The properties of the resulting nanocelluloses were characterized and their applicability to novel film structures was investigated. Both nanoporous thin films for composite membranes and self-standing barrier films were manufactured and studied for their suitability in water purification and packaging applications, respectively.

The oxidation of cellulose to 2,3-dicarboxylic acid cellulose (DCC) significantly enhanced the nanofibril production as only 1–4 passes through the homogenizer were required for disintegration of the fibres down to nano-scale. The fabricated DCC-nanofibrils had both high optical transmittance and viscosity comparable to that of TEMPO-oxidized cellulose nanofibrils. DCC-nanofibrils with a carboxyl content of 1.75 mmol/g showed a potential for functioning as a nanoporous thin-film membrane layer in ultrafiltration tests. The second pre-treatment introduced an acid-free fabrication of amphiphilic cellulose nanocrystals (CNCs) with uniform width and length into nanocellulose production for the first time. Reaction conditions of periodate oxidation were presumed to be one of the key factors to impact the formation of either CNCs or cellulose nanofibrils. The butylamino-functionalized CNCs were used to fabricate barrier films that showed good mechanical strength and high resistance to permeation by oxygen even at elevated relative humidity.

Tiivistelmä

Yksi metsäteollisuuden viimeisimmistä tuoteinnovaatiosta on nanoselluloosa, jolle on esitetty lukuisia uusia sovellusmahdollisuuksia sekä potentiaalia toimia korvaavana raaka-aineena öljypohjaisille tuotteille sen erinomaisten materiaaliominaisuuksien sekä globaalin saatavuuden ja uusiutuvuuden takia. Nanoselluloosan teollista hyödyntämistä on kuitenkin hidastanut kustannustehokkaiden valmistusmenetelmien puuttuminen. Samanaikaisesti on tehty laaja-alaista tutkimustyötä nanoselluloosan soveltuvuudesta uusiin käyttökohteisiin. Selluloosan kemiallista funktionalisointia pidetään tällä hetkellä yhtenä lupaavimpana menetelmänä tehostamaan sekä nanoselluloosan valmistusta että tuomaan lisäarvoa nanokuiduille, joiden pintaominaisuuksia voidaan muokata.

Tässä työssä tutkittiin selluloosakuitujen funktionalisointia perjodaattihapetukseen sekä kloriittihapetukseen tai pelkistävään aminointiin perustuen ja nanoselluloosan valmistusta esikäsitellystä selluloosasta. Työssä tutkittiin erityisesti valmistettujen nanoselluloosien ominaisuuksia ja selvitettiin niiden soveltuvuutta uudentyyppisiin filmirakenteisiin. Filmirakenteita muokkaamalla tehtiin nanohuokoisia komposiittimembraaneita vedenpuhdistukseen sekä barrier-filmejä pakkausmateriaaleihin.

Selluloosan hapetus 2,3-dikarboksyylihapposelluloosaksi tehosti nanoselluloosan valmistusta huomattavasti ja kuidut saatiin hajotettua 1–4 läpäisyllä homogenisaattorissa. Valmistetut DCC-nanofibrillit olivat optisesti läpinäkyviä sekä niiden viskositeetti oli yhtä korkea kuin aiemmin raportoiduilla TEMPO-hapetettuilla nanofibrilleillä. Ultrasuodatuskokeissa DCC-nanofibrilleistä pystyttiin muodostamaan nanohuokoinen kerros membraaninpinnalle, jota on mahdollista käyttää vedenpuhdistuksessa. Pelkistävällä aminointiesikäsittelyllä selluloosakuiduista onnistuttiin ensimmäistä kertaa valmistamaan kooltaan yhdenmukaisia amfifiilisiä selluloosananokiteitä ilman yleisesti käytettyä happohydrolyysiä. Siten työssä nanoselluloosien valmistukseen käytetyn perjodaattihapetuksen havaittiin soveltuvan sekä selluloosananokiteiden että selluloosananofibrillien valmistukseen. Butyyliamino-funktionalisoiduista selluloosananokiteistä valmistetut barrier-filmit olivat mekaanisesti vahvoja ja ne ehkäisivät hapenläpäisyä jopa korkeassa ilmankosteudessa.