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          Last update : August 26, 2014
Cellulose nanocrystals: surface modification and advanced materials

Nanocristaux de cellulose : modification de surface et matériaux avancés


Ning Lin

Grenoble INP-Pagora


PhD thesis defended on June 24, 2014
Thèse soutenue le 24 juin 2014

LGP2

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Abstract

   


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The present work focuses on the properties of cellulose nanocrystals, their surface modification and development of advanced materials. Diverse approaches are employed on these nanoscaled substrates aiming to modify their surface properties and extend their use in highly sophisticated applications, such as postsulfation and desulfation, polymer grafting and adsorption, selective oxidation, molecular grafting, and ‘host-guest’ inclusion.

On the basis of surface modifications, properties analysis (for different sulfate group contents) and various nanomaterials derived from cellulose nanocrystals are investigated and prepared, including gradient sulfated nanocrystals, extruded nanocomposites, biocomposite sponges, and supramolecular hydrogels. The effect of gradient degrees of sulfate groups on cellulose nanocrystals to surface chemistry, morphology and physical properties are discussed, particularly four cross-section models are compared for the determination of the surface degree of substitution on cellulose nanocrystals.

A novel strategy involving a double-polymer-layer shield and physical and/or chemical compatibilization of cellulose nanocrystals is proposed, in order to realize both improvement of thermal stability and promotion of compatibility for nanocrystals with non-polar polymeric matrices during processing by melt-extrusion. With the idea of participating as crosslinking aid for the construction of advanced materials, selectively oxidized cellulose nanocrystals (with oxidized microfibrillated cellulose as comparison) are introduced in alginate for the development of biocomposite sponges with improved mechanical stability or structural stability. Through the smart design of in situ ‘host−guest’ inclusion between chemically modified cellulose nanocrystals and cyclodextrin, two hydrophilic polysaccharides are combined in supramolecular hydrogels for use as drug delivery.

In a word, this dissertation contributes to the advances of cellulose nanocrystals in the topics of property analysis and application development.

Résumé

Ce travail porte sur les propriétés des nanocristaux de cellulose, la modification de leur surface et le développement de matériaux avancés. Diverses approches sont utilisées sur ces substrats nanométriques visant à modifier leurs propriétés de surface et étendre leur utilisation dans des applications très sophistiquées, telles que la postsulfation et la désulfatation, le greffage et l'adsorption de polymères, l’oxydation sélective, le greffage moléculaire et l'inclusion "hôte-invité".

Sur la base de modifications de surface, l'analyse des propriétés (pour différents taux de groupements sulfates) et divers nanomatériaux dérivés des nanocristaux de cellulose sont étudiés et préparés, notamment des nanocristaux sulfatés à différents taux, des nanocomposites extrudés, des éponges biocomposites et des hydrogels supramoléculaires. L'effet d’un gradient de groupements sulfates sur la chimie de surface, la morphologie et les propriétés physiques des nanocristaux de cellulose est discuté et notamment quatre modèles de section transversale sont comparés pour la détermination de la mesure du degré de substitution surfacique des nanocristaux de cellulose.

Une stratégie nouvelle de protection impliquant une double couche polymère et la compatibilisation physique et/ou chimique des nanocristaux de cellulose est proposée afin de promouvoir à la fois la stabilité thermique des nanoparticules et la compatibilité des nanocristaux avec des matrices polymères non polaires au cours de la mise en forme par extrusion. En participant à la réticulation pour la construction de matériaux avancés, des nanocristaux de cellulose sélectivement oxydés (et de la cellulose microfibrillée oxydée pour comparaison) sont introduits dans de l'alginate pour développer des éponges biocomposites présentant une meilleure stabilité mécanique et une meilleure stabilité structurelle. Grâce à la conception intelligente par inclusion 'hôte-invité' in situ entre des nanocristaux de cellulose chimiquement modifiés et la cyclodextrine, deux polysaccharides hydrophiles sont combinés dans des hydrogels supramoléculaires pour l'administration de médicaments.

En un mot, cette thèse contribue à l’avancée des nanocristaux de cellulose dans les domaines de l'analyse des propriétés et le développement des applications.

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