Cellulose Derivatives : Synthesis, Properties and Applications

Even though cellulose is the most abundant polymer on Earth, its utilisation has some limitations regarding its efficient use in the production of bio-based materials. It is quite clear from statistics that only a relatively small fraction of cellulose is used for the production of commodity materials and chemicals. This fact was the driving force in our research into understanding, designing, synthesising and finding new alternative applications for this well-known but underused biomaterial. This thesis focuses on the developing advanced materials and products from cellulose by using novel approaches. The aim of this study was to investigate and explore the versatility of cellulose as a starting material for the synthesis of cellulose-based materials, to introduce new synthetic methods for cellulose modification, and to widen the already existing synthetic approaches. Due to the insolubility of cellulose in organic solvents and in water, ionic liquids were applied extensively as the reaction media in the modification reactions. Cellulose derivatives were designed and fine-tuned to obtain desired properties. This was done by altering the inherent hydrogen bond network by introducing different substituents. These substituents either prevented spontaneous formation of hydrogen bonding completely or created new interactions between the cellulose chains. This enabled spontaneous self-assembly leading to supramolecular structures. It was also demonstrated that the material properties of cellulose can be modified even those molecules with a low degree of substitution when highly hydrophobic films and aerogels were prepared from fatty acid derivatives of nanocellulose. Development towards advanced cellulose-based materials was demostrated by synthesising chlorophyllcellulose derivatives that showed potential in photocurrent generation systems. In addition, liquid crystalline cellulose derivatives prepared in this study, showed to function as UV-absorbers in paper.

Tämän väitöskirjan kantavana voimana on ollut tieto siitä, että vaikka selluloosa on runsaasti esiintyvä luonnonvara, sen tehokas käyttö biopohjaisten materiaalien valmistuksessa on vähäistä. Tässä tutkimuksessa keskityttiin uusien kehittyneiden selluloosapohjaisten materiaalien valmistamiseen käyttäen uudenlaisia lähestymistapoja. Väitöskirjatyön päämääränä oli tutkia selluloosan monimuotoisuutta lähtöaineena uusille selluloosapohjaisille materiaaleille, kehittää uusia synteettisiä lähestymistapoja selluloosan kemialliseen muokkaukseen ja avartaa jo olemassa olevia synteettisiä reittejä. Selluloosan tehokasta käyttöä ja kemiallista muokkausta varjostaa sen liukenemattomuus orgaanisiin liuottimiin sekä veteen. Tässä työssä ongelma ratkaistiin käyttämällä ioniliuottimia selluloosan liuottamiseen. Ioniliuottimien tehokkuus selluloosan liuottimena sekä toimivuus selluloosan kemiallisessa muokkauksessa osoitettiin suorittamalla useita eri reaktiotyyppejä kyseisissä liuottimissa. Selluloosajohdannaisten kemialliset rakenteet suunniteltiin ja hienosäädettiin tuottamaan tiettyjä haluttuja ominaisuuksia. Nämä tavoitteet saavutettiin muuttamalla ja manipuloimalla selluloosalle tyypillistä vetysidosverkostoa. Vetysidokset estettiin selluloosamolekyylien välillä tai sisällä, joko täysin tai luomalla uusia vuorovaikutuksia selluloosaketjujen välille, substituoimalla selluloosan vapaita hydroksyyliryhmiä erityyppisillä ryhmillä. Tämä vuorostaan mahdollisti, substituentin kemiallisesta luonteesta riippuen, selluloosamolekyylien spontaanin itsejärjestymisen muodostaen isompia rakennekokonaisuuksia. Esimerkkeinä työssä valmistetuista uusista selluloosapohjaisista materiaaleista voidaan mainita nestekiteiset selluloosajohdannaiset, jotka toimivat UV-suojana paperin pinnalla, tai klorofylliselluloosa filmit, jotka pystyvät tuottamaan sähköä valon avulla kuten aurinkokennot.