A design of experiments approach to cellulose nanocrystal films: Towards a universal model for predicting film order
(2021) KASM10 20211Centre for Analysis and Synthesis
- Abstract (Swedish)
- Kristallin nanocellulosa i vattensuspensioner självordnar till vackra, iriserande, kiralt ordnade filmer om vattnet i suspensionen låts evaporera bort över några dagar. Denna processen kallas evaporation induced self-assembly. Filmernas egenskaper kan påverkas genom tillsättning av additiv till startsuspensionen och denna effekt har undersökts, men sällan med mer än ett additiv åt gången. För att undersöka egenskaperna i multikomponentfilmer med en rimlig mängd resurser behövs en experimentsdesignapproach. Då modellkonstruktion och applicering av multivariata modeller är relativt nytt inom fältet kring kristallin nanocellulosa har målet i detta projektet varit att testa applicerbarheten, styrkorna och svagheterna i denna approach inom... (More)
- Kristallin nanocellulosa i vattensuspensioner självordnar till vackra, iriserande, kiralt ordnade filmer om vattnet i suspensionen låts evaporera bort över några dagar. Denna processen kallas evaporation induced self-assembly. Filmernas egenskaper kan påverkas genom tillsättning av additiv till startsuspensionen och denna effekt har undersökts, men sällan med mer än ett additiv åt gången. För att undersöka egenskaperna i multikomponentfilmer med en rimlig mängd resurser behövs en experimentsdesignapproach. Då modellkonstruktion och applicering av multivariata modeller är relativt nytt inom fältet kring kristallin nanocellulosa har målet i detta projektet varit att testa applicerbarheten, styrkorna och svagheterna i denna approach inom cellulosaområdet. Målet var både att modellera och förutsäga filmernas egenskaper samt de underliggande mekanismer som orsakar filmernas egenskaper. Approachen var att applicera multivariata modeller för att försöka länka suspensionerna egenskaper (turbiditet, jonstryrka) till utfallen i solida filmer (deras ordning, mekaniska och optiska egenskaper). I praktiken mättes filmernas optiska och mekaniska egenskaper samt suspensionernas turbiditet vid olika kompositioner bestående av nanocellulosa och fyra distinkta bio-baserade additiv och en prediktiv kvantitativ modell konstruerades. Resultaten från detta arbetet antyder att en experimentdesignapproach kan användas för att förutsäga både suspensioners och filmers egenskaper. Dock mer intressant antyder resultatet även att egenskaperna hos utspädda suspensioner kan användas för att förutsäga det slutgiltiga ordnade tillståndet efter EISA utan att ta de olika fenomenen som sker i mellanliggande koncentrationsområde i beaktning. (Less)
- Popular Abstract
- A grand challenge the coming century is to shift humanity’s material dependence from petroleum based to renewable. Using cellulose, the most abundant material on earth, and nanotechnology to create smart, safe and renewable alternatives could be a part of the solution to our global problems. New data based tools aimed to make this task easier, ensuring the transition to renewable materials happen on time was investigated and created in this project.
Cellulose is everywhere, trees, cotton, algae, hemp, sisal and tunicates all contain large amounts of cellulose. Nanoscale cellulose can be extracted from these organisms through processing them in a strong acid. By choosing the acid and processing parameters carefully the cellulose can be... (More) - A grand challenge the coming century is to shift humanity’s material dependence from petroleum based to renewable. Using cellulose, the most abundant material on earth, and nanotechnology to create smart, safe and renewable alternatives could be a part of the solution to our global problems. New data based tools aimed to make this task easier, ensuring the transition to renewable materials happen on time was investigated and created in this project.
Cellulose is everywhere, trees, cotton, algae, hemp, sisal and tunicates all contain large amounts of cellulose. Nanoscale cellulose can be extracted from these organisms through processing them in a strong acid. By choosing the acid and processing parameters carefully the cellulose can be tuned in a myriad of ways. Already at this stage useful functionalities are obtained but we can go further and process the nanocellulose even more to create an even larger set of possible materials. Adding other compounds, evaporating in to films, evaporating in to aerogels, gelling and crosslinking are just a few examples of the possibilities with this material. All these processes can be done in different ways with different additives. In other words, the space of possibilities in enormous. This project has tested a Design of Experiments approach in this field which is a mathematical way of structuring experimentation to maximize the information that is gained from the experiments. This information can then be used to construct computer models that predict properties of the materials after one of these processing steps. Why is this important then? Well imagine that you want to make a film, for example, that reflects all red light, is flexible and strong enough to handle, and is made from entirely renewable materials. This can be made with nanocellulose and by using our model it’s possible to predict what the results will be without even getting in to the lab or at least with far less work. This makes it less laborious to develop novel functional products that doesn’t jeopardize the future of civilization.
So now we know how to develop materials with nanocellulose faster, what’s the point of this?
These renewable materials can be used in conjunction with solar cells to either improve their efficiency or replace parts of the solar cells to reduce the environmental impact of the solar cell production. There is also promising application to use nanocellulose based materials as renewable, biodegradable packaging. Another exciting application is to use nanocellulose to make aerogels which are incredibly light, relatively strong materials that can be used as a replacement for current Styrofoam like materials. But the common denominator of all these applications is that they need development, development made easier with Patrik Nilsson’s thesis work titled.
A design of experiments approach to cellulose nanocrystal films:
Towards a universal model for predicting film order (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
http://lup.lub.lu.se/student-papers/record/9048548
- author
- Nilsson, Patrik LU
- supervisor
- organization
- course
- KASM10 20211
- year
- 2021
- type
- H2 - Master's Degree (Two Years)
- subject
- keywords
- Nanocellulose, Cellulose Nanocrystals, Modelling, Design of Experiments, Surface Chemistry, Self-assembly, Chemistry, Nanoscience, Biopolymers, Sustainability, Biomaterials, Cellulose, Materials Chemistry
- language
- English
- id
- 9048548
- date added to LUP
- 2021-07-05 11:20:06
- date last changed
- 2021-07-05 11:20:06
@misc{9048548,
abstract = {{Kristallin nanocellulosa i vattensuspensioner självordnar till vackra, iriserande, kiralt ordnade filmer om vattnet i suspensionen låts evaporera bort över några dagar. Denna processen kallas evaporation induced self-assembly. Filmernas egenskaper kan påverkas genom tillsättning av additiv till startsuspensionen och denna effekt har undersökts, men sällan med mer än ett additiv åt gången. För att undersöka egenskaperna i multikomponentfilmer med en rimlig mängd resurser behövs en experimentsdesignapproach. Då modellkonstruktion och applicering av multivariata modeller är relativt nytt inom fältet kring kristallin nanocellulosa har målet i detta projektet varit att testa applicerbarheten, styrkorna och svagheterna i denna approach inom cellulosaområdet. Målet var både att modellera och förutsäga filmernas egenskaper samt de underliggande mekanismer som orsakar filmernas egenskaper. Approachen var att applicera multivariata modeller för att försöka länka suspensionerna egenskaper (turbiditet, jonstryrka) till utfallen i solida filmer (deras ordning, mekaniska och optiska egenskaper). I praktiken mättes filmernas optiska och mekaniska egenskaper samt suspensionernas turbiditet vid olika kompositioner bestående av nanocellulosa och fyra distinkta bio-baserade additiv och en prediktiv kvantitativ modell konstruerades. Resultaten från detta arbetet antyder att en experimentdesignapproach kan användas för att förutsäga både suspensioners och filmers egenskaper. Dock mer intressant antyder resultatet även att egenskaperna hos utspädda suspensioner kan användas för att förutsäga det slutgiltiga ordnade tillståndet efter EISA utan att ta de olika fenomenen som sker i mellanliggande koncentrationsområde i beaktning.}},
author = {{Nilsson, Patrik}},
language = {{eng}},
note = {{Student Paper}},
title = {{A design of experiments approach to cellulose nanocrystal films: Towards a universal model for predicting film order}},
year = {{2021}},
}