Cellulose Nanofibril Networks and Composites : Preparation, Structure and Properties

Abstract: Träbaserade cellulosananofibriller är intressanta som förstärkande fas i polymera nanokompositer; detta främst på grund av den kristallina cellulosans höga styvhet och på grund av nanofibrillernas förmåga att bilda nätverk. Cellulosananofibriller kan användas i form av mikrokristallin cellulosa, MCC, som har lågt längd/diameter förhållande, eller i form av mikrofibrillerad cellulosa, MFC, med högt längd/diameter förhållande. Målet med det här arbetet är att studera struktur-egenskapsförhållanden för nanofibrillnätverk och kompositer. Nanokompositer baserade på MCC och termoplastisk polyuretan tillverkades genom in-situ polymerisation. Cellulosafibrillerna var väl dispergerade i matrisfasen och kompositen visade ökad styvhet, styrka samt brottöjning. Dessa förbättningar antas bero på stark interaktion mellan polyuretan och cellulosananofibrillerna. En metod som underlättar mikrofibrillering av massafiberns cellvägg under homogenisering har utvecklats. Massan förbehandlades med ett enzym innan homogenisering. Den här metoden förenklade mikrofibrilleringen och mekanismerna diskuteras. De resulterande MFC-nanofibrillerna hade högt längd/diameter förhållande. Filmer har tillverkats av MFC-nanofibriller och filmernas struktur samt mekaniska egenskaper har studerats. Röntgendiffraktion och SEM visar att nanofibrilerna är mer orienterade i planet än i rymden. SEM och densitetsmätningar visar även att filmerna har en porös struktur. Resultaten från dragprovning visade att filmernas brottstyrka är beroende av molekylvikten för cellulosan. Nanofibrillerna med högst molekylvikt visade en E-modul på 13.2 GPa, brottstyrkan var 214 MPa och brottöjningen 10.1%. Kompositer med hög fiberhalt har tillverkats genom tillsats av melaminformaldehyd till MFC-filmer. Dessa kompositer visar ökad styvhet och styrka på bekostnad av brottöjningen. Kompositer har också tillverkats genom impregnering av MFC-nätverk med en hyperförgrenad polymer som tvärbands. DMA visar två Tg för kompositerna med 0.26 och 0.43 volymfraktion nanofibriller; matrisens Tg samt ytterligare ett Tg vid högre temperatur. Detta motsvarar molekyler med lägre mobilitet på grund av ökad interaktion med nanofibrillernas ytor.