Uusi ympäristöystävällinen menetelmä selluloosan muokkaukseen kestäviä materiaaleja varten

Fossiilipohjaiset polymeerit ovat useimpien kulutusmuovien, pinnoitteiden ja liimojen pääraaka-aine. Synteettisten polymeerien liikakäytöstä aiheutuu kuitenkin ympäristölle kohtuuttomia kustannuksia. Selluloosa on laajasti saatavilla oleva ja uusiutuva biopolymeeri, josta voi tulla korvaaja fossiilipohjaisille polymeereille. Erityisen paljon huomiota ovat saaneet selluloosa-nanomateriaalit niiden erinomaisten materiaaliominaisuuksien, kuten pienen tiheyden ja suuren mekaanisen lujuuden, vuoksi. 

Synteettisten polymeerien korvaaminen suoraan nanoselluloosalla ei kuitenkaan ole mahdollista, koska näiden materiaaliominaisuudet ovat hyvin erilaisia. Selluloosan kemiallinen muokkaaminen on tarpeen, jotta saavutetaan yleisesti synteettisiin polymeereihin liitetyt materiaaliominaisuudet, kuten joustavuus ja läpinäkyvyys.

Jotta voidaan edesauttaa selluloosan käyttöä synteettisten polymeerien korvaamisessa, tarvitaan kestäviä menetelmiä selluloosa-nanomateriaalien muokkaukseen.

– Suuri este natiivin selluloosan kemiallisessa muokkauksessa on selluloosasäikeiden sisällä ja välillä oleva vahva vetysidosten verkosto, mikä haittaa selluloosan liukenemista ja sekoittumista tavallisiin liuottimiin ja siten suurelta osin estää haluttujen kemiallisten reaktioiden käyttöönoton”, kertoo Aalto-yliopiston professori Mauri Kostiainen Kemian tekniikan korkeakoulusta.

– Lähdimme ratkaisemaan ongelmaa käyttämällä kiinteän olomuodon reaktioita, mikä minimoi tai poistaa liuottimien käytön tarpeen. Erityisesti mekanokemiasta on tullut yhä tärkeämpi vihreä menetelmä paitsi orgaanisessa ja (metallo-)orgaanisessa synteesissä myös polymeeritieteessä ja materiaalikemiassa, kertoo Aalto-yliopiston apulaisprofessori Sandra Kaabel Kemian tekniikan korkeakoulusta. Hän on äskettäin perustanut Kemian ja materiaalitieteen laitokselle Synteesiteknologiat-tutkimusryhmän selvittämään, kuinka kiinteän olomuodon menetelmiä voidaan käyttää liukenemattomien materiaalien, kuten selluloosan ja muiden polymeerien, valmistamiseen ja muokkaamiseen. Nämä materiaalit edellyttävät yleensä ankaria olosuhteita ja myrkyllisiä liuottimia liuoksen aikaan saamiseksi.

– Kehittämämme uuden mekanokemiallisen muokkausprosessin avulla voimme siirtää erilaisia primaarisia amiineja ja estereitä regioselektiivisesti natiivin selluloosan pinnalle. Mekanokemian avulla liuottimien määrää voidaan vähentää kymmenesosaan perinteiseen muokkaukseen verrattuna, lisäksi reaktioaikaa voidaan vähentää merkittävästi, Aalto-yliopiston tohtorikoulutettava Daniel Langerreiter kertoo.

– Mekanokemiallisen muokkauksen lisähyötynä oli mahdollisuus toiminnallistaa monentyyppisiä selluloosa-nanomateriaaleja ja käyttää lähtöaineena yksinkertaista suodatinpaperia, Langerreiter lisää.

– Alustaessamme ja suunnitellessamme projektia olimme onnekkaita, kun mukana oli kunnianhimoinen ja motivoitunut kesäopiskelija Nashwa L. Attallah, joka työskentelee nyt Aalto-yliopiston tohtorikoulutettavana”, Kaabel kertoo.

Uusi muokkausmenetelmä tarjoaa tehokkaan tavan tuottaa amiini- ja esterimuokattua selluloosaa – se palvelee monenlaisia sovelluksia, esimerkiksi ympäristöystävällisten nanokomposiittien, selluloosapohjaisen membraaniteknologian ja biolääketieteen laitteiden kehittämistä, tekijät summaavat.

Lue alkuperäinen julkaisu

Alkuperäinen englanninkielinen artikkeli ”Mechanochemical Modification of Cellulose Nanocrystals by Tosylation and Nucleophilic Substitution" on luettavissa täältä.