Engineering of lignin in wood towards functional materials
Tid: Ti 2023-09-19 kl 10.00
Plats: F3 (Flodis), Lindstedtsvägen 26 & 28, Stockholm
Videolänk: https://kth-se.zoom.us/j/68517648405
Språk: Engelska
Ämnesområde: Fiber- och polymervetenskap
Respondent: Gabriella G. Mastantuoni , Glykovetenskap, Wallenberg Wood Science Center
Opponent: Professor Jean-Marie Raquez, Laboratory of Polymeric and Composite Materials, Center of Innovation and Research in Materials and Polymers (CIRMAP), University of Mons (UMONS), Belgien
Handledare: Professor Qi Zhou, Albanova VinnExcellence Center for Protein Technology, ProNova, Strategiskt Centrum för Biomimetiska Material, BioMime, Glykovetenskap, Wallenberg Wood Science Center; Professor Lars Berglund, VinnExcellens Centrum BiMaC Innovation, Biokompositer, Wallenberg Wood Science Center
QC 2023-08-21
Embargo godkänt av skolchef Amelie Eriksson Karlström i e-post 2023-08-22.
Abstract
Träets noggranna hierarkiska struktur har genom 270 miljoner års evolution optimerats för effektiv transport av näringsämnen och enastående mekanisk stabilitet. Dess distinkta ortotropa struktur kan inspirera samt ge utvecklingsmöjligheter för nya funktionella material. Via top-down metoder har man under de senaste åren lyckats nyttja träets hierarkiska struktur i olika storleksordningar för innovativa applikationer. I detta sammanhang är bevarandet av den strukturella integriteten av största vikt.
Denna avhandling undersöker nya top-down metoder för att funktionalisera och kontrollera trämaterialens struktur. Med avsikt att bättre bevara och nyttja träets naturliga struktur och komponenter har två olika modifieringsmetoder undersökts för tall (pinus sylverstris): fullständig avlägsning av lignin samt in-situ modifiering av lignin. För att motverka cellstrukturens sönderfall efter fullständig delignifiering krävs det att polysackarider tvärbinds för att stärka vidhäftningen mellan trakeiderna. Modifiering av lignin (sulfonering) undersöktes som ett alternativ till fullständig delignifiering och resulterade i trämaterial med hög negativ laddning, upp till 375 µmol g-1, och med välbevarat lignin.
Varmpressning av delignifierade träfanér resulterade i tunna träfilmer med hög optisk transmittans på 71 %, enastående draghållfasthet på 449 MPa och Youngs modul på 50 GPa. Förtätning av fanér med bevarat lignin gav starka och transparenta filmer med UV-blockerande förmåga vars massafibrer även kunde återvinnas.
Integrering med elektriskt ledande polymerer, som poly(3,4-etylendioxytiopen) polystyrensulfonat (PEDOT:PSS) och polypyrrol, i in-situ-sulfonerat trä resulterade i biokompositer med hög konduktivitet, upp till 203 S m-1, och hög pseudo-kapacitans upp till 38 mF cm-2. Detta visar att kontroll av träkemin och redox-aktivitet hos lignin genom sulfonering är viktiga strategier för att tillverka kompositer med potential för hållbara energitillämpningar.
Ett poröst trämaterial med unik mirkostruktur framställdes genom att justera träets kemi och morfologi. Materialet har förbättrad permeabilitet, en hög tryckhållfasthet på 9 MPa och en Young's modul på 364 MPa. Genom att tillsätta PEDOT:PSS till materialet så uppnåddes en enastående ledningsförmåga på 215 S m-1 och ett mekanoresponsivt elektriskt motstånd. Materialet därmed kan potentiellt användas för sensorer och mekanoresponsiva enheter.
In-situ modifiering av lignin är en mångsidig metod för att framställa trämaterial med förhöjd permeabilitet och porositet vilket förbättrar kompatibiliteten med elektriskt ledande polymerer och möjligheten för förtätning.