Ett av ämnena som för närvarande studeras vid Institutionen för skogsindustriteknik vid Skolan för kemiteknik är användningen av nanocellulosa som förstärkning av polymerer såsom termoplaster. Nanocellulosa, eller träfiber nedbruten till nanoskala, blandat med en polymer resulterar i ett segt material. Denna rent naturliga produkt kan ersätta syntetiska petroleumbaserade fibrer som idag används för att förstärka kompositmaterial.

I sin doktorsavhandling, Mindaugas Bulota, M. Sc. (Tekn.), studerade kompositer gjorda av poly(mjölksyra) (PLA) och cellulosa. Bulota observerade att även en liten mängd cellulosa förbättrar segheten hos PLA. När mängden cellulosa i kompositen var mindre än 5 viktprocent, segheten hos komposit var ungefär tio gånger högre än den för ren polymer.

Detta kompositmaterial är förnybart och, enligt forskaren, sönderfaller på ungefär flera månader.

"Det skulle sönderfalla till vatten och koldioxid i naturlig kompostmiljö och skulle inte skada naturen, Bulota förklarar.

Två sköra polymerer kombineras för att bilda ett segt material

Både PLA och cellulosa är spröda polymerer.

"Om den här pennan i min hand var gjord av nanocellulosa, den skulle gå sönder så fort den föll på golvet. Än, nanocellulosa blandat med PLA resulterar i ett segt material som skulle kunna motstå servicebelastningar, Bulota beskriver.

"Det är som om sprött glas på magiskt sätt förvandlades till tuff plast, " Bulota illustrerar.

Självklart, det är inte riktigt så enkelt. Cellulosa är hydrofilt, vilket innebär att det lätt blandas med vatten och därmed inte lätt binder till den hydrofoba eller vattenavvisande PLA-polymeren. I en reaktion som kallas förestring, några av de hydrofila OH-grupperna i cellulosa är ersatta av hydrofoba estergrupper, som förbättrar kompatibiliteten. Substitutionsnivån kan användas för att kontrollera det mekaniska beteendet hos kompositer.

Förnybar produkt med många potentiella tillämpningar

PLA-nanocellulosakompositfilmer med en tjocklek på 70 mikrometer tillverkades och deras mekaniska egenskaper testades. Särskild uppmärksamhet ägnades åt deras deformation och tillverkningsmekanismer under mekanisk belastning i spänning.

Dessutom, kompositens kemiska struktur undersöktes med Raman-spektroskopi. Intensitetsband i ett Raman-spektrum indikerar en större koncentration av material i komposit. Nanocellulosa måste vara jämnt fördelat i en polymer för att uppnå de bästa egenskaperna.

Deformations- och brottmekanismerna för kompositer i nanoskala är komplexa fenomen som ännu inte är helt klarlagda. Ytterligare studier om beteendet hos nanocellulosa i polymeren krävs.

"Om vi ​​lyckas få en bättre förståelse för vad som händer i nanocellulosa och PLA-komposit under mekanisk belastning, vi kommer närmare ett recept för att tillverka en ny typ av material som är miljövänliga, tuff, stark och förnybar. Dessutom skulle vi kunna skräddarsy egenskaperna hos dessa material efter ens behov, Bulota förklarar."

Utbudet av möjliga tillämpningar är brett.

"Nanocellulosakompositer kan vara lämpliga för olika applikationer som medicinska implantat, flexibla skärmar, ställning för vävnadsteknik, bara för att nämna några. Det skulle också kunna utgöra ett miljövänligt alternativ för petroleumbaserad plast som används mycket i förpackningar. Den omfattande användningen av icke-nedbrytbar plast har lett till ekologiska katastrofer som "The Great Pacific Garbage Patch" som består av plastskräp som flyter i Stilla havet och är dubbelt så stort som USA."