Nanofibrillaarinen selluloosa/polymeeri komposiittien optimointi

Biological materials, like nacre and spider silk show exceptionally good mechanical properties. Therefore the biological nanocomposites are used as model compounds inspiring the field of biomimicry and they illustrate the importance of control from molecular level to macroscale by using highly optimized hierarchical structures. The resulting stiff and tough, bio-based nanocomposite materials are desired for many applications, but the combination has proved to be elusive. A good basis for creating such stiff and tough nanocomposites is nanofibrillated cellulose (NFC), which is renewable, abundant and has good mechanical properties. The elementary NFC fibrils have modulus of as high as 130 GPa, strength in the range of gigapascals, diameters of 2-4 nm and very high aspect ratios, making them good for nanocomposite materials. Previous studies have combined NFC with multiple polymer matrices, but it has generally proved to be hard to achieve significantly increased toughness in the composites while preserving the stiffness. This illustrates the complexity and some lack of fundamental understanding of the NFC composites. This thesis uses a concept of preparing nanocomposites by forming well-defined core-shell particles by polyelectrolyte adsorption. The well-defined structure allows a systematic study on the composite properties by varying the NFC/polymer ratio and the strength of the polyelectrolyte. The changes in the polyelectrolyte properties are expected to alter the stress transfer properties between the NFC fibrils, and with the weaker polyelectrolytes the composites are expected to allow energy dissipating frictional sliding between the NFC fibers. Similar changes in the dynamics of the composites are expected from altering the moisture content in the nanopapers, and they are also studied. With the systematic study, the important deformation mechanisms can be recognized and understood, which helps in the design of high toughness NFC composite materials. It was found out that in nanocomposites with high NFC content, the network structure dominates the mechanical performance of the composites because of the extremely high specific surface area of the NFC. Therefore, the composites cannot be considered as simple soft and hard matrix composites. Expectedly, stronger fiber-fiber interactions lead to stiffer composites, but weaker interactions did not lead to highly increased strains. It is shown that especially the deformation and breaking mechanisms limiting the strains at break arise from the NFC network structures, which are highly dependent on sample preparation procedures.Biologiset materiaalit kuten helmiäinen ja hämähäkin silkki ovat mekaanisesti hämmästyttävän vahvoja, jonka vuoksi kyseisiä bionanokomposiitteja käytetään malleina biomimetiikassa, jossa ne materiaaleina korostavat erityisesti pitkälle optimoitujen molekyylitasolta aina makrotasolle yltävien hierarkkisten rakenteiden tärkeyttä. Näin syntyviä jäykkiä ja sitkeitä bio-pohjaisia nanokomposiittimateriaaleja tarvitaan useisiin sovelluksiin, mutta näiden ominaisuuksien yhdistäminen on vaikeaa. Nanofibrillaarisella selluloosalla on erinomaiset lähtökohdat jäykkien ja sitkeiden nanokomposiittien kehittämiseen. Nanofibrillaarinen selluloosa (NFC) on uusiutuvaa, sitä on runsaastin saatavilla ja sillä on hyvät mekaaniset ominaisuudet. Yksittäisten NFC kuitujen moduuli on jopa 130 GPa, vetolujuus gigapascalien suuruusluokkaa, halkaisija 2-4 nm ja halkaisija-pituus-suhde erittäin suuri. Aiemmissa tutkimuksissa nanofibrillaarista selluloosaa on yhdistetty useiden eri polymeerien kanssa, mutta on osoittautunut vaikeaksi luoda sitkeitä komposiitteja, jotka ovat samalla jäykkiä. Tämä kuvaa NFC pohjaisten komposiittien monimutkaisuutta ja perusteellisen ymmärryksen puutetta. Tässä työssä valmistetaan nanofibrillaarisesta selluloosasta nanokomposiitteja muodostamalla hyvin määriteltyjä ydin-kuori rakenteita polyelektrolyyttien adsorption avulla. Hyvin määritelty rakenne mahdollistaa systemaattisen tutkimuksen komposiittien ominaisuuksista muuttamalla NFC/polymeeri suhdetta ja polyelektrolyytin varaustiheyttä. Muutoksien polyelektrolyytin ominaisuuksissa odotetaan muuttavan kuormituksen välittymistä NFC kuitujen välillä, ja heikommilla polyelektrolyyteillä komposiittien odotetaan mahdollistavan kuitujen kitkallisen liukumisen. Muutosten odotetaan olevan samanlaisia kuin mitä voidaan saada aikaan eri suhteellisilla kosteuksilla, joten myös suhteellisten kosteuksien vaikutuksia komposiittien ominaisuuksiin tutkittiin. Systemaattisella tutkimuksella voidaan tunnistaa ja ymmärtää tärkeimmät NFC komposiittien muodonmuutosmekanismit, mikä on erityisen tärkeää uusien komposiittimateriaalien suunnittelulle. Työssä havaittiin, että NFC:n muodostama verkostorakenne hallitsee voimakkaasti nanokomposiittien muodonmuutosmekanismeja suurilla NFC:n tilavuusosuuksilla. Tämä johtuu NFC:n erittäin suuresta ominaispinta-alasta ja siihen liittyvästä polymeeriketjujen liikkeen rajoittumisesta, josta johtuen komposiitteja ei voida ajatella yksinkertaisina pehmeä-kova matriisi komposiitteina. Odotetusti voimakkaammat kuitujen väliset vuorovaikutukset johtivat jäykempiin komposiitteihin, mutta heikommat eivät johtaneet kasvaneisiin venymiin NFC-verkoston hallitsevuuden vuoksi. Lisäksi tämä työ korostaa erityisesti NFC verkoston rakenteen muutoksien merkitystä, jotka aiheuttavat voimakkaan riippuvuuden näytteenvalmistusmenetelmästä