Läpinäkyvien nanoselluloosakalvojen valmistaminen nanofibrilloidusta selluloosasta
Väätäinen, Tuomas (2022)
2022
Tekniikan ja luonnontieteiden kandidaattiohjelma - Bachelor's Programme in Engineering and Natural Sciences
Tekniikan ja luonnontieteiden tiedekunta - Faculty of Engineering and Natural Sciences
This publication is copyrighted. Only for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2022-05-16
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202205094499
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202205094499
Tiivistelmä
Öljypohjaiset muovit ovat osoittautuneet ongelmallisiksi niiden valmistamiseen tarvittavien raaka-aineiden huvetessa, sekä niiden käytöstä aiheutuvan ympäristön saastumisen takia. Uusien materiaalien kehittäminen muovien korvaajiksi on tämän hetken tärkeimpiä tutkimuksen alueita polymeeriteollisuudessa. Yksi potentiaalinen muovimateriaalin korvaaja on nanoselluloosa.
Nanoselluloosa koostuu nanokokoisista selluloosamolekyylifibrilleistä, joita saadaan hienontamalla kasvien tuottamaa selluloosaa tai suoraan eräiden bakteerien tuottamana. Nanoselluloosaan tarvittavaa raaka-ainetta on saatavilla runsaasti ja se on luonnontuotteena ympäristöystävällistä. Nanoselluloosalla on hyvät pintaominaisuudet ja erinomaiset mekaaniset ominaisuudet. Näiden ansiosta se soveltuu erinomaisesti kalvojen valmistamiseen. Nanoselluloosasta valmistetut kalvot ovat mekaanisilta ominaisuuksiltaan erinomaisia ottaen huomioon niiden pienen tiheyden ja optiset ominaisuudet. Etenkin kalvojen optisista ominaisuuksista on kiinnostuttu elektronisten sovelluksien kannalta.
Työssä perehdytään nanoselluloosan eri muotoihin (nanofibrilloitu selluloosa, nanokiteinen selluloosa ja bakteeriselluloosa), sekä niiden rakenteisiin, valmistamiseen ja ominaisuuksiin. Erityisesti tarkastellaan nanofibrilloitua selluloosaa, joka on käytetyin nanoselluloosan muoto nanoselluloosakalvojen valmistamisessa. Lisäksi työssä tarkastellaan nanoselluloosasta valmistettujen kalvojen ominaisuuksia, sekä erilaisia nanoselluloosakalvojen valmistusmenetelmiä ja muokkausmahdollisuuksia. Tämän työn kokeellisessa osassa valmistetaan nanoselluloosakalvoja nanofibrilloidusta selluloosasta käyttäen erilaisia valmistusmenetelmiä. Kokeissa tutkitaan, millä valmistusmenetelmällä saadaan mahdollisimman läpinäkyviä ja käyttökelpoisia kalvoja.
Kokeellisen osan tuloksista todetaan, että imusuodattaminen on nanoselluloosakalvojen valmistusmenetelmänä nopein ja varmin. Imusuodattamalla valmistetut kalvot olivat muodoltaan siistejä ja niiden transmittanssi (42–63 %) oli lähes yhtä hyvä, kuin valamalla valmistettujen, ohuempien kalvojen (50–68 %). Valamalla valmistettujen kalvojen ongelmaksi muodostui rypistyminen ja repeytyminen. Lisäksi nanoselluloosasuspension ultraäänikäsittely ennen kalvojen valmistamista paransi valmiiden kalvojen transmittanssia 5–15 % valmistusmenetelmästä riippuen.
Nanoselluloosa koostuu nanokokoisista selluloosamolekyylifibrilleistä, joita saadaan hienontamalla kasvien tuottamaa selluloosaa tai suoraan eräiden bakteerien tuottamana. Nanoselluloosaan tarvittavaa raaka-ainetta on saatavilla runsaasti ja se on luonnontuotteena ympäristöystävällistä. Nanoselluloosalla on hyvät pintaominaisuudet ja erinomaiset mekaaniset ominaisuudet. Näiden ansiosta se soveltuu erinomaisesti kalvojen valmistamiseen. Nanoselluloosasta valmistetut kalvot ovat mekaanisilta ominaisuuksiltaan erinomaisia ottaen huomioon niiden pienen tiheyden ja optiset ominaisuudet. Etenkin kalvojen optisista ominaisuuksista on kiinnostuttu elektronisten sovelluksien kannalta.
Työssä perehdytään nanoselluloosan eri muotoihin (nanofibrilloitu selluloosa, nanokiteinen selluloosa ja bakteeriselluloosa), sekä niiden rakenteisiin, valmistamiseen ja ominaisuuksiin. Erityisesti tarkastellaan nanofibrilloitua selluloosaa, joka on käytetyin nanoselluloosan muoto nanoselluloosakalvojen valmistamisessa. Lisäksi työssä tarkastellaan nanoselluloosasta valmistettujen kalvojen ominaisuuksia, sekä erilaisia nanoselluloosakalvojen valmistusmenetelmiä ja muokkausmahdollisuuksia. Tämän työn kokeellisessa osassa valmistetaan nanoselluloosakalvoja nanofibrilloidusta selluloosasta käyttäen erilaisia valmistusmenetelmiä. Kokeissa tutkitaan, millä valmistusmenetelmällä saadaan mahdollisimman läpinäkyviä ja käyttökelpoisia kalvoja.
Kokeellisen osan tuloksista todetaan, että imusuodattaminen on nanoselluloosakalvojen valmistusmenetelmänä nopein ja varmin. Imusuodattamalla valmistetut kalvot olivat muodoltaan siistejä ja niiden transmittanssi (42–63 %) oli lähes yhtä hyvä, kuin valamalla valmistettujen, ohuempien kalvojen (50–68 %). Valamalla valmistettujen kalvojen ongelmaksi muodostui rypistyminen ja repeytyminen. Lisäksi nanoselluloosasuspension ultraäänikäsittely ennen kalvojen valmistamista paransi valmiiden kalvojen transmittanssia 5–15 % valmistusmenetelmästä riippuen.