Multifunctional and hybrid nanocomposites from micro/nano fibrillated cellulose

Abstract

As a renewable alternative to petroleum-based materials, wood or plant-based materials offer a greater prospect in the transition towards sustainable replacements. Native to wood, cellulose nanofibers (CNF) form the major load bearing component and possess tremendous potential as a reinforcement material in polymeric matrices. This study focuses on nanocellulose-based composites and aims to prepare and characterize bio-(nano)composites with high cellulose weight/volume fraction. The influence of nanoscale reinforcement or nanostructure on the macroscopic properties of the nanocomposites are investigated. Distinct prominence is given to the effect of nanocellulose dispersion and nanocellulose/polymer interface on the physical characteristics of biocomposites. In an initial study, effects of cellulose pulp fibers (micro scale dimensions) were investigated in pulp-fiber/polyamide 6 (PA6) composites system obtained by melt compounding and injection moulding. Strong influence on the pulp fiber reinforcement on the polymer matrix were observed with well dispersed pulp-fibers resulting in enhanced mechanical properties. Further, the effect of pulp fiber orientation within the composites was assessed and the composites with longitudinal fiber alignment recorded the highest mechanical properties. Regarding the investigation of PA6 and cellulose nanofibers, two different approaches were used to process the nanocomposites. Firstly, solvent casting-based approach, where CNF derived from enzymatic pretreatment were used to produce high content of CNF biocomposites by adopting a green solvent mixture to disperse the CNF and then impregnated by the dissolved polymer. Nanocomposite formulations up to 50 wt% of CNF were prepared and characterized. Unique characteristics due to the nanostructure of composites are discussed corresponding to CNF dispersion, CNF network, and CNF/matrix interface. In addition, a comparison between the reinforcement effect of pulp-fiber and CNF are discussed to emphasize the importance of nano-scale reinforcement and their contribution in enhancing the physical properties of thermoplastic-matrix composites. Subsequently, melt processing approach with a high speed thermo-kinetic mixer was used to prepare PA6/CNF nanocomposites with up to 25 wt% formulations. This study focused on the industrial scalability and provided a methodology to produce high cellulose content CNF-nanocomposites at a commercial spectrum. Mechanical properties were characterized at different relative humidity and the investigation revealed good hygro-mechanical properties. All in all, the current nanocomposites exhibited excellent dispersion without major agglomerations and the mechanical properties were significantly enhanced with the addition of CNF in both the approaches. Nanocomposites from polyamide-6 and high content of cellulose nanofibers were successfully prepared in this work, with remarkable improvement in the mechanical performance compared to the neat matrix, for both Young’s modulus and tensile strength. This in itself is an outstanding achievement, as compared to the literature up today. Moreover, the used methodology stands for industrial scalability and feasible processes towards the use of renewable and more sustainable products

Els materials procedents de plantes i arbres representen una alternativa renovable als materials procedents del petroli, en la transició cap a la producció de materials més sostenibles. Les nanofibres de cel·lulosa (CNF) procedents de la fusta són el principal component de càrrega i tenen un gran potencial com a material de reforç de matrius polimèriques. El present estudi es focalitza en la preparació i caracterització de bio-nano-compòsits amb un alt contingut en nanofibres de cel·lulosa (CNF). En concret, s’investiga la influència de la nanoestructura o del nano-reforç en les propietats macroscòpiques del nanocompòsit. L’efecte del grau de dispersió i de la interface nanocel·lulosa/polímer són factors claus sobre les propietats físiques dels nanocompòsits. En la primera part del treball, s’ha investigat l’efecte de fibres de cel·lulosa (de dimensions micro) com a reforç en materials compòsits de poliamida-6 (PA6)/cel·lulosa, obtinguts per un procés de barreja (melt-compounding) i posterior moldeig per injecció. S’ha observat una marcada influència de la pasta de cel·lulosa a l’hora d’actuar com a reforç de la matriu polimèirca, presentant una bona dispersió de les fibres, i conseqüentment es van obtenir molt bones propietats mecàniques. També s’ha investigat la influència del grau d’orientatió de les fibres dins dels compòsits, obtenint-se millors propietats quan les fibres estaven alineades longitudinalment en la direcció de l’assaig mecànic, Pel que fa al reforç de la matriu de PA6 amb nanofibres de cel·lulosa, s’han estudiat dos tipus diferents procediments per a processar els nanocompòsits de PA6/CNF. Per un costat es va fer servir el mètode solvent-càsting. En aquest cas, les CNF derivades d'un pretractament enzimàtic, es van dispersar i impregnar amb el polímer dissolt en una barreja de solvents “verds”. Es van produir biocompòsits amb un alt contingut de CNF, de fins al 50% en pes. Les elevades propietats dels materials es van justificar en base a la bona dispersió de les CNF, la mateixa xarxa de CNF en sí, i la interfase CNF/matriu. A més, una comparació entre l'efecte del reforç de polpa de fibres i reforç de CNF va emfatitzar la importància dels reforços nanométricos i la seva contribució en la millora de les propietats físiques dels compósits de matriu termoplàstica. Per altra banada es va fer utilitzar un procés de barreja tèrmica amb un mesclador termo-cinètic d'alta velocitat per a preparar els nanocompósits de PA6/CNF amb formulacions de fins a un 25 wt%. Aquest estudi se centra en l'escalat industrial i en proveir una metodologia per a produir nanocompósits de CNF amb un elevat contingut de cel·lulosa a nivell comercial. Les propietats mecàniques es van avaluar a diferents valors humitats relatives i es van obtenir molt bones propietats higromecàniques. En tots els casos, els materials nanocompósits presentaven una bona dispersió sense grans aglomeracions i les propietats mecàniques van millorar significativament amb l'addició de CNF en tots dos mètodes