Selluloosan nanokuitujen ja amfifiilisten polymeerien komposiitit

Microfibrillated cellulose (MFC) is relatively new field of research even though cellulose itself is widely studied. MFC is very hydrophilic which is caused by many hydroxyl groups of cellulose chain. Because of strong hydrophilicity MFC can't be dispersed into most polymers. MFC form gel-like suspension when binding large amount of water to its structure. When water is removed MFC aggregates. After aggregation it is very difficult to recover its nanostructure. In this master's thesis possibility to coat MFC with water-soluble polymer was investigated. Water-soluble layer on MFC could prevent aggregation of nanofibrils when drying. This would enable redispersion and melt processing of MFC. Poly(ethylene glycol) (PEG) and amphiphihc triblock copolymer of PEG and octadecenyl succinic anhydride (OSA) were chosen to be two studied polymers. Composite films of different polymer/MFC mass ratios were prepared. Morphology of prepared films was studied with atomic force microscopy (AFM). Thermal and mechanical properties were also investigated as well as redispersability of composite films. Morphology studies show that dispersion of MFC was uniform in PEG-matrix but not in amphiphilic PEG-OS A-block copolymer. According to rheological and dynamic mechanic analysis (DMA) redispersion of composite films didn't successfully recover nanostructure of MFC. Studies of differential scanning calorimetry (DSC) and DMS indicate that MFC can bind large amount (up to 50 m-% of composite film) of polymer to its structure. Composite films showed no melting or weakening of mechanical properties even when they were heated over the melting point of the matrix polymer.Vaikka selluloosaa on tutkittu erittäin paljon, on selluloosan nanokuidut tutkimuksenalana vielä melko nuori. Selluloosan nanokuidut ovat erittäin hydrofiilisiä, mikä aiheutuu selluloosaketjun useista hydroksyyliryhmistä. Hydrofiilisyyden takia ei nanokuitujen dispergoiminen yleisimpiin polymeereihin ole mahdollista. Selluloosan nanokuidut kykenevät myös sitomaan itseensä suuren määrän vettä, muodostaen geelimäisen suspension. Kun vettä poistetaan suspensiosta, sitoutuvat nanokuidut toisiinsa voimakkain vetysidoksin, jonka jälkeen materiaalin nanorakenteen palauttaminen on erittäin haasteellista. Diplomityön kokeellisessa osassa selluloosan nanokuitujen pintaan pyrittiin vesiliukoisen polymeerin avulla adsorboimaan kerros, joka estäisi nanokuitujen aggregoitumisen kuivauksen yhteydessä. Tämä mahdollistaisi selluloosan nanokuitujen uudelleendispergoinnin sekä sulatyöstettävyyden. Tutkittaviksi polymeereiksi valittiin polyeteeniglykoli (PEG) sekä PEG:n ja oktadekenyylisukkiinianhydridin (OSA) trilohkokopolymeeri, jossa OSA on kiinnittynyt PEG-ketjun päiden hydroksyyliryhmiin. Komposiittikalvoja valmistettiin eri massasuhteilla ja komposiittikalvojen morfologiaa tutkittiin atomivoimamikroskopian (AFM) avulla. Myös kalvojen termisiä ja mekaanisia ominaisuuksia tutkittiin, sekä niiden uudelleendispergoituvuutta veteen. Komposiittikalvojen morfologiatutkimuksissa selluloosan nanokuitujen havaittiin dispergoituvan tasaisesti PEG-matriisiin, muttei amfifiiliseen PEG-OSA-lohkokopolymeeriin. Uudelleendispergointi ei reologia- ja dynaamismekaanisen analyysin (DMA) perusteella onnistunut siten, että selluloosan nanokuitujen nanorakenne olisi saatu palautettua. Differentiaalisella pyyhkäisykalorimetrialla (DSC) ja DMA:lla saadut tiedot komposiittikalvojen termisistä ominaisuuksista osoittavat, että selluloosan nanokuidut kykenevät sitomaan itseensä erittäin suuren määrän jopa 50 m-% komposiittikalvosta) matriisipolymeeriä ilman, että komposiitista havaittiin minkäänlaista sulamista. Samalla komposiitti säilytti mekaaniset ominaisuutensa, vaikka lämpötilaa korotetaan matriisipolymeerin sulamispisteen yläpuolelle