Een van de onderwerpen die momenteel wordt bestudeerd bij de afdeling Bosproductentechnologie van de School of Chemical Technology, is het gebruik van nanocellulose als versterking van polymeren zoals thermoplasten. nanocellulose, of houtvezels afgebroken tot op nanoschaal, gemengd met een polymeer resulteert in een taai materiaal. Dit puur natuurlijke product kan synthetische vezels op basis van aardolie vervangen die tegenwoordig vaak worden gebruikt om composietmaterialen te versterken.

In zijn proefschrift, Mindaugas Bulota, M.Sc. (Tech.), bestudeerde composieten gemaakt van poly(melk)zuur (PLA) en cellulose. Bulota merkte op dat zelfs een kleine hoeveelheid cellulose de taaiheid van PLA verbetert. Wanneer de hoeveelheid cellulose in het composiet minder dan 5 gewichtsprocent was, de taaiheid van composiet was ongeveer tien keer hoger dan die van puur polymeer.

Dit composietmateriaal is hernieuwbaar en, volgens de onderzoeker ontleedt in ongeveer enkele maanden.

"Het zou ontbinden in water en kooldioxide in een natuurlijke compostomgeving en zou de natuur geen schade toebrengen, ' legt Bulota uit.

Twee brosse polymeren vormen samen een taai materiaal

Zowel PLA als cellulose zijn brosse polymeren.

"Als deze pen in mijn hand gemaakt was van nanocellulose, het zou in stukken breken zodra het op de grond viel. Nog, nanocellulose gemengd met PLA resulteert in een taai materiaal dat bestand is tegen servicebelastingen, ' beschrijft Bulota.

"Het is alsof broos glas op magische wijze is veranderd in taai plastic, "Bulota illustreert.

Natuurlijk, zo simpel is het niet. Cellulose is hydrofiel, wat betekent dat het gemakkelijk met water mengt en dus niet gemakkelijk bindt met het hydrofobe of waterafstotende PLA-polymeer. In een reactie genaamd verestering, sommige hydrofiele OH-groepen in cellulose zijn vervangen door hydrofobe estergroepen, die de compatibiliteit verbeteren. Het substitutieniveau kan worden gebruikt om het mechanische gedrag van composieten te regelen.

Hernieuwbaar product met veel potentiële toepassingen

Er werden PLA-nanocellulose composietfilms van 70 micrometer dik vervaardigd en hun mechanische eigenschappen getest. Bijzondere aandacht werd besteed aan hun vervormings- en factureringsmechanismen onder mechanische belasting onder spanning.

In aanvulling, de chemische structuur van composiet werd onderzocht met behulp van Raman-spectroscopie. Intensiteitsbanden in een Raman-spectrum duiden op een grotere materiaalconcentratie in composiet. Nanocellulose moet gelijkmatig in een polymeer worden verdeeld om de beste eigenschappen te verkrijgen.

De vervormings- en breukmechanismen van composieten op nanoschaal zijn complexe fenomenen die nog niet volledig worden begrepen. Aanvullend onderzoek naar het gedrag van nanocellulose in het polymeer is vereist.

"Als we erin slagen een beter begrip te krijgen van wat er gebeurt in nanocellulose en PLA-composiet onder mechanische belasting, komen we dichter bij een recept voor het vervaardigen van een nieuw soort materialen die milieuvriendelijk zijn, moeilijk, sterk en hernieuwbaar. Bovendien zouden we de eigenschappen van deze materialen kunnen afstemmen op de behoeften, legt Bulota uit."

Het scala aan mogelijke toepassingen is breed.

"Nanocellulosecomposieten kunnen geschikt zijn voor verschillende toepassingen, zoals medische implantaten, flexibele schermen, steiger voor weefseltechniek, om er een paar te noemen. Het zou ook een milieuvriendelijk alternatief kunnen bieden voor op aardolie gebaseerde kunststoffen die veel worden gebruikt in verpakkingen. Het uitgebreide gebruik van niet-afbreekbare kunststoffen heeft geleid tot ecologische rampen zoals 'The Great Pacific Garbage Patch', die bestaat uit plastic rommel die in de Stille Oceaan drijft en twee keer zo groot is als de Verenigde Staten."