Preparation and characterization of cellulose-based nanomaterials

The interest in cellulose for the purposes of nanocomposite engineering lies in its natural abundance and renewable nature, but also in the truly impressive range of diverse properties which can be accessed from the raw resource. In cellulosic nanocomposite materials, the cellulose component may provide the polymeric matrix for nanoparticles and/or the nanometer-scale constituent. This dissertation presents unique cellulose-based nanocomposites and examines the properties of these materials. Fluorescent cellulose triacetate films are obtained by solvent casting suspensions of CdSe/ZnS quantum dots in polymer solution. The films possess properties characteristic to each distinct component: for instance, the optical absorbance and fluorescence are defined by the quantum dots, and the optical clarity and mechanical properties by the polymer. Surface hydrolysis of the hydrophobic films does not substantially alter bulk film properties but does impart aqueous compatibility, allowing film pieces to be introduced into wet paper-making suspensions to produce novel fluorescent papers. The mixture of quantum dots in cellulose triacetate solution is also employed to electrospin sub-micron diameter, birefringent, fluorescent fibers. A different cellulosic-quantum dot system is explored with the asymmetric, reducing end tagging of cellulose nanocrystals. The target fluorescently-labeled cellulose nanocrystal is achieved but the presence of substantial unreacted starting material seems unavoidable, apparently regardless of reaction conditions. Finally, a cellulosic-nanocomposite hydrogel is prepared by incorporating cellulose nanocrystals into polyvinyl alcohol hydrogels with the aim of reinforcement. The cellulose nanocrystal-loaded hydrogels exhibit distinct morphologies and microstructures, and improved elastic strengths. The thesis discusses the rationale and promise of employing cellulose particles and polymers in nanocomposite materials.L'intérêt d'utiliser la cellulose dans l'ingénierie des nanocomposites repose sur son abondance naturelle, son aspect renouvelable et sa grande variété de propriétés qui sont accessibles à partir de sa source brute. Dans les matériaux nanocomposites, la cellulose peut fournire une matrice polymérique aux nanoparticules ou peut être utiliser comme constituants nanométriques. Cette thèse présente de nouveaux matériaux nanocomposites faits à partir de cellulose et en examine les propriétés uniques. Des films fluorescents de triacétate de cellulose ont été obtenu par coulée-évaporation de suspension de points quantiques de CdSe/ZnS dans une solution de polymère. Ces films possèdent des propriétés caractéristiques distinctives. Par exemple, l'absorbance optique et la fluorescence sont définis par les points quantiques, tandis que la clarté optique et la plasticité sont définis par le polymère. L'hydrolyse à la surface des films hydrophobiques n'a pas altéré de manière significative les propriétés générales du film, mais les a rendu compatibles en milieux aqueux, ce qui a permis l'introduction de morceaux de ces films dans le procédé de fabrication du papier pour produire du papier fluorescent. Le mélange de points quantiques dans une solution de triacétate de cellulose a aussi été employé pour l'électrofilage de fibres fluorescentes ayant des diamètres inférieurs à un micron. Un système différent de points quantiques et de cellulose a aussi été exploré. Dans ce dernier système, le marquage asymétrique d'une des extrémité des nanocristaux de cellulose a été réalisé avec succès. Cependant, même en modifiant les conditions expérimentales, la présence d'une quantité substantielle de matériaux réactifs non-réagis n'a pu être évitée. De plus, un nanocomposite hydrogel à base de cellulose a été préparé par incorporation de nanocristaux de cellulose dans un hydrogel d'alcool de polyvinyle, à des fins de renforcement. L'hydrogel ainsi formé possède une microstructure distincte, une intégrité structurale améliorée, un module plus élevé ainsi qu'une structure résiliente au gonflement d'eau. Cette thèse aborde les principes et applications prometteuses de l'emploi des particules de cellulose et polymères dans la fabrication de matériaux nanocomposites