aalto1 untyped-item.component.html
Interfacial Engineering of Lignocellulosics: Manufacturing, Application, and End-of-Life
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Chemical Engineering |
Doctoral thesis (article-based)
| Defence date: 2024-12-13
Electronic archive copy is available via Aalto Thesis Database.
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Authors
Date
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
103 + app. 113
Series
Aalto University publication series DOCTORAL THESES, 253/2024
Abstract
Increasing awareness of sustainability has directed significant attention towards biobased alternatives to petroleum-based products. Lignocellulosic materials, including cellulose and lignin, an industrial side stream, are valued for their renewability and desired properties. While lignocellulosics are widely used in applications like paper and board, challenges emerge when adapting them for plastic replacements. These challenges include cellulose's tendency to absorb moisture and its incompatibility with hydrophobic polymers, along with lignin's structural variability. This thesis addresses these issues by developing high-performance biobased materials through the strategic assembly of wood building blocks and biodegradable polyesters, like polycaprolactone.
We designed emulsion-based systems by controlling the interfacial interactions between lignocellulosics and other polymers. These colloidal systems served as a foundation for fabricating bioproducts in packaging and thermal insulator foams with competitive properties compared to synthetic alternatives. The developed materials exhibited unprecedented technical performance due to the favourable intercomponent interactions. To gain a comprehensive insight into these interactions, we conducted a detailed analysis of surface-to-bulk interactions in both wet and dry conditions using techniques including quartz crystal microbalance with dissipation, atomic force microscopy, water contact angle measurements, broadband dielectric spectroscopy, and inverse gas chromatography. Beyond these technical advancements, we assessed how these materials degrade in aquatic environments to confirm they break down easily and are environmentally friendly, even if disposed improperly.
Overall, the integration of technological advancements with sustainability assessment across material production and end-of-life scenarios makes this research a holistic package addressing both engineering challenges and environmental imperatives. Hence, it could be of great interest to the forest sector communities and related fields aiming to transform renewable resources into sustainable, high-value material.
Kasvava tietoisuus kestävästä kehityksestä on ohjannut merkittävää huomiota biopohjaisiin vaihtoehtoihin öljypohjaisille tuotteille. Lignoselluloosamateriaaleja, kuten selluloosa ja teollisuuden sivuvirroista saatava ligniini, arvostetaan uusiutuvuutensa ja toivottujen ominaisuuksiensa vuoksi. Vaikka lignoselluloosapohjaisia materiaaleja käytetään laajasti sovelluksissa kuten paperi ja kartonki, niiden soveltaminen muovin korvaajiksi on haastavaa. Näihin haasteisiin kuuluvat selluloosan taipumus imeä kosteutta ja yhteensopimattomuus hydrofobisten polymeerien kanssa, sekä ligniinin rakenteellinen vaihtelevuus. Tämä väitöskirja käsittelee näitä ongelmia kehittämällä suorituskykyisiä biopohjaisia materiaaleja hyödyntämällä puun rakenneyksiköiden strategista yhdistämistä biohajoavien polyesterien, kuten polykaprolaktonin, kanssa.
Kehitimme emulsiopohjaisia systeemejä kontrolloimalla vuorovaikutuksia lignoselluloosan ja muiden polymeerien välisellä rajapinnalla. Nämä kolloidiset systeemit toimivat perustana valmistettaessa pakkausmateriaaleina ja lämpöeristävinä vaahtoina käytettäviä biotuotteita, joiden ominaisuudet olivat kilpailukykyiset synteettisiin vaihtoehtoihin verrattuna. Kehitetyillä materiaaleilla oli ennennäkemätön tekninen suorituskyky niiden komponenttien välisten suotuisten vuorovaikutusten ansiosta. Näiden vuorovaikutusten syvälliseksi ymmärtämiseksi analysoimme yksityiskohtaisesti pinnan ja materiaalin välisiä vuorovaikutuksia sekä kosteissa että kuivissa olosuhteissa. Työssä käytetyt menetelmät olivat kvartsikide-mikropunnitus dissipaatiolla, atomivoimamikroskopia, veden kontaktikulmamittaus, laajakaista dielektrinen spektroskopia sekä käänteinen kaasukromatografia. Edellä mainittujen teknisten edistysaskeleiden lisäksi arvioimme, kuinka tuotetut materiaalit hajoavat vesistöympäristöissä siinä tapauksessa, että ne hävitettäisiin väärin, varmistaaksemme että ne hajoavat helposti ja ovat ympäristöystävällisiä.
Kaiken kaikkiaan, teknologisten edistysaskeleiden yhdistäminen kestävyyden arviointiin materiaalien tuotannon sekä niiden elinkaaren loppuvaiheen välillä tekee tästä tutkimuksesta kokonaisvaltaisen paketin, joka käsittelee sekä teknisiä haasteita että ympäristövaatimuksia. Näin ollen tutkimus voi kiinnostaa metsäteollisuuden toimijoita ja siihen liittyviä aloja, jotka pyrkivät muokkaamaan uusiutuvia resursseja kestäviksi ja arvokkaiksi materiaaleiksi.
Description
Supervising professor
Österberg, Monika, Prof., Aalto University, Department of Bioproducts and Biosystems, FinlandThesis advisor
Österberg, Monika, Prof., Aalto University, Department of Bioproducts and Biosystems, FinlandFarooq, Muhammad, Dr., Aalto University, Department of Bioproducts and Biosystems, Finland
Keywords
lignocellulosics, lignin nanoparticles, cellulose nanofibrils, polyester, pickering emulsion, composite film, pickering foam, interfacial interactions, biodegradation, lignoselluloosat, ligniini, nanopartikkelit, selluloosananofibrillit, polyesterit, pickering-emulsiot, komposiittikalvo, pickering, vaahto, rajapinta, vuorovaikutukset, biohajoavuus
Other note
Parts
- [Publication 1]: Erfan Kimiaei, Muhammad Farooq, Rafael Grande, Kristoffer Meinander, and Monika Österberg. Lignin nanoparticles as an interfacial modulator in tough and multi‐resistant cellulose-polycaprolactone nanocomposites based on Pickering emulsion strategy. Advanced Materials Interfaces. 2022, 9, 2200988,
Full text in Acris/Aaltodoc: https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202209145566DOI: 10.1002/admi.202200988 View at publisher
- [Publication 2]: Tao Zou, Erfan Kimiaei, Zahra Madani, Muzaffer A. Karaaslan, Jaana Vapaavuori, Johan Foster, Scott Renneckar, and Monika Österberg. Hydrophobized Lignin Nanoparticle-Stabilized Pickering Foams: Building Blocks for Sustainable Lightweight Porous Materials. Materials Advances. 2024, 5, 5802-5812.
Full text in Acris/Aaltodoc: https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202408215574DOI: 10.1039/d4ma00295d View at publisher
- [Publication 3]: Erfan Kimiaei, Muhammad Farooq, Paulina Szymoniak, Shayan Ahmadi, Sahar Babaeipour, Andreas Schönhals, and Monika Österberg. The role of lignin as an interfacial compatibilizer in designing lignocellulosic-polyester composite films, Journal of Colloid and Interface Science, 2024, 679, 263-275.
Full text in Acris/Aaltodoc: https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202411137122DOI: 10.1016/j.jcis.2024.10.083 View at publisher
- [Publication 4]: Erfan Kimiaei, Soojin Kwon, Kristoffer Meinander, Monika Österberg, Nathalie Lavoine, Richard Venditti. Biodegradation of lignocellulose-polyester composite films in freshwater and seawater conditions. Journal of Polymers and Environment. 2024, 32, 1-16.
Full text in Acris/Aaltodoc: https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202408285921DOI: 10.1007/s10924-024-03328-z View at publisher