Lignine-nanodeeltjes: een duurzaam recept voor het combineren van cellulose met hydrofobe polymeren voor geavanceerde toepassingen

Het Bioproduct Chemistry-team van de Aalto University heeft een duurzame methode ontworpen om sterke en flexibele cellulosefilms te produceren die hun sterkte ongelooflijk behouden, zelfs als ze nat zijn.

Het materiaal is gemaakt door een innovatieve combinatie van op hout gebaseerde en biologisch afbreekbare polymeren zonder enige chemische wijziging, waardoor het maximale voordeel van elk onderdeel wordt benut. Voor de co-auteurs van deze studie is duurzaamheid een belangrijke motivator om de chemie te begrijpen van hoe deze materialen zouden kunnen samenwerken en om materialen van morgen te ontwikkelen met de functionaliteit die we vandaag verwachten.

Cellulosematerialen, die afkomstig zijn van de celwanden van planten, zijn naar voren gekomen als aantrekkelijke, duurzame vervangingen voor traditionele kunststoffen. De vochtgevoeligheid van cellulose en de onverenigbaarheid ervan met veel zachte hydrofobe polymeren vormen echter een uitdaging voor hun wijdverbreide toepassing.

Vanuit het oogpunt van materiaalontwerp is het raadselachtig om tegelijkertijd te profiteren van zowel hydrofiele cellulose als hydrofobe polymeren zonder enige chemische behandeling van grondstoffen. Maar wat als we hun interface met een derde component zouden kunnen ontwerpen, met gunstige interacties met zowel cellulose als zachte polymeren zoals polycaprolacton (PCL)?

Om dit doel te bereiken, toonde het team aan dat lignine-nanodeeltjes met hun goed gedefinieerde morfologie en actieve oppervlakteplaatsen kunnen interageren met zowel cellulose, in dit geval cellulose-nanofibrillen, en PCL en kunnen werken als een compatibilisator tussen hydrofiele cellulose en hydrofobe PCL. Hoewel het er ingewikkeld uitziet, is de oplossing eenvoudig.

Eerst wordt PCL opgelost in een organisch oplosmiddel gemengd met de lignine nanodeeltjes in water. De ligninedeeltjes verzamelen zich op het olie-watergrensvlak en stabiliseren de emulsie. Emulsies stabiliseren met vaste deeltjes worden Pickering emulsies genoemd. Deze emulsie wordt vervolgens gemengd met waterige CNF-suspensie voorafgaand aan filmvorming.

Deze Pickering-emulsiestrategie zorgt voor een gelijkmatige dispersie van een polymeer in het cellulosenetwerk, waardoor de natte sterkte en waterbestendigheid van het composiet wordt verhoogd, terwijl alle positieve eigenschappen van de cellulosevezels of fibrillen behouden blijven. De resultaten zijn uitstekend: het ontwikkelde composiet heeft een hogere sterkte dan puur CNF-nanopapier of puur polymeer in zowel droge als natte omstandigheden, zelfs nadat het een dag volledig in water is ondergedompeld.

“Toen de film uit het water werd gehaald, zag hij er precies hetzelfde uit als toen hij in het water werd gezet”, zegt Kimiaei. De reden hiervoor is dat het hydrofobe polymeer, met behulp van de lignine-nanodeeltjes, nu het cellulose-oppervlak bedekt en het beschermt tegen het water.

Het composiet vertoonde een natte sterkte tot 87 MPa, de hoogst verkregen natte sterkte voor cellulosecomposieten die zijn ontwikkeld zonder enige directe covalente oppervlaktemodificaties of synthetische additieven. Bovendien voegde deze strategie extra functionaliteit toe, zoals UV-afscherming en antioxiderende eigenschappen aan de ontwikkelde composieten, waardoor ze interessant werden voor verpakkingstoepassingen.

Het team van de Aalto-universiteit in Finland, een land dat aantoonbaar de meest vooraanstaande experts in de bosbouwsector ter wereld heeft, is gericht op het optimaal benutten van deze natuurlijke en industriële hulpbronnen. “De toekomst bouwen met bossen vereist een toewijding aan duurzaam bosbeheer en het creëren van toegevoegde waarde buiten de typische bioraffinage- en pulp- en papierindustrie”, zegt co-auteur Erfan Kimiaei, een promovendus aan de Aalto University, School of Chemical Engineering.

“Het begrijpen van de grensvlakchemie van houtcomponenten kan de sleutel zijn om het meeste uit deze waardevolle hulpbron te halen bij het bouwen aan de duurzame toekomst”, voegt professor Monika Österberg toe.

Voor experts in het veld opent deze aanpak nieuwe mogelijkheden om de noodzaak van chemische modificatie van cellulose te elimineren om nieuwe functionaliteiten te verlenen, waardoor het duurzame gebruik van natuurlijke hulpbronnen uit het bos wordt bevorderd. Bovendien biedt dit onderzoek een generieke basis voor het combineren van hydrofiele cellulose met gevarieerde hydrofobe zachte polymeren om multifunctionele op cellulose gebaseerde composieten te ontwerpen met alleen biologisch afbreekbare polymeren en lignocellulosematerialen, waarmee een grote stap wordt gezet in de richting van volledig duurzaam gebruik van natuurlijke hulpbronnen.

Als follow-up verkennen de onderzoekers nu een breed kader om de duurzaamheid van deze technologie in een vroeg stadium in milieu- en economische aspecten te identificeren door techno-economische en levenscyclusanalyses te integreren.

De studie is gepubliceerd in Geavanceerde materiaalinterfaces op 25 augustus.