Controle over de colloïdale depositie van cellulose nanokristallen tijdens het drogen van waterige suspensiedruppels

Cellulose nanokristallen (CNCs) zijn biogebaseerde organische materialen met unieke eigenschappen zoals hernieuwbaarheid, biodegradeerbaarheid, duurzaamheid, milieuvriendelijkheid, een hoge stijfheid, modificeerbare oppervlaktechemie, chiraliteit, een hoog specifiek oppervlak, en een anisotrope vorm. Deze eigenschappen maken van CNCs een veelbelovend product voor toepassingen in nanocomposieten, films, papierproducten, membranen, cement, fotonische materialen, inkten, en poreuze netwerken voor celgroei. Cellulose nanokristallen worden gewoonlijk verkregen via een hydrolyse van natuurlijke cellulose met zwavelzuur. Dit geeft staafvormige nanokristallen met een negatieve lading aan het oppervlak, wat stabiele waterige colloïdale dispersies mogelijk maakt.

CNCs kunnen in suspensie op eigen kracht reguliere structuren vormen, wat hen zeer interessant maakt. De staafvormige CNCs ondergaan een fase-transitie van een isotrope (3D willekeurige oriëntatie) fase naar een chiraal nematische fase met toenemende concentratie in de suspensie. Deze chiraal nematische structuur kan behouden worden tijdens verdamping van het water, wat leidt tot films die een structurele kleur vertonen. Dit kan gebruikt worden in inkten, coatings, sensoren, en in optische toepassingen. Gestructureerde CNC films kunnen geproduceerd worden via de natuurlijke structurering van de CNCs tijdens het drogen van colloïdale CNC suspensiedruppels. Het depositiepatroon van de CNCs wordt echter beïnvloed door de interne vloeistofmechanica in de druppel en dit interne vloeigedrag leidt normaal tot een ringvormige depositie dat over het algemeen het koffieringeffect genoemd wordt. Daarom is het noodzakelijk om de filmvorming beter te begrijpen zodat een uniforme dikte van de film gegarandeerd kan worden en om de optische eigenschappen van de gevormde film te kunnen controleren.

Dit eindwerk geeft nieuwe inzichten in de colloïdale depositie van en in de controle over de filmvorming tijdens het drogen van CNC suspensiedruppels. De structurele kleur die verkregen wordt tijdens het drogen van de CNC suspensieduppels op vaste oppervlakken werd bestudeerd. Ten eerste werd de rol van de concentratie van nanodeeltjes in de suspensie op het depositiepatroon bestudeerd. Het bepalen van de concentratie in de drogende druppel is cruciaal aangezien CNCs kunnen bestaan in verschillende staten van organisatie afhankelijk van hun concentratie. Deze zijn respectievelijk van lagen naar hoge concentratie: een isotrope fase, een tweefasig overgangsregime, en een chiraal nematische fase. Bovendien is de pitch van de chiraal nematische fase ook nog eens afhankelijk van de concentratie. Daarom werd een analytische methode ontwikkeld om de concentratie van de nanodeeltjes in de druppel tijdens het drogen te kunnen berekenen. 

Daarnaast werden vloeistofstromingen in de drogende colloïdale druppel bestudeerd via analyse van Marangoni stroming, diffusie van de nanodeeltjes, en de viscositeit van de suspensie. Eens er voldoende kennis was opgebouwd over de rol van de deeltjesconcentratie en het interne vloeigedrag in de drogende druppel op het depositiepatroon van de CNC films, werd deze kennis gebruikt om de colloïdale depositie van CNCs te controleren en om het effect van het depositiepatroon op de optische eigenschappen van de gevormde films te bestuderen. 

Om het depositiepatroon te veranderen werd een methodologie ontwikkeld om films met een uniforme dikte te bekomen door Marangoni stroming geïnduceerd door een extra opgeloste stof tijdens het drogen van de druppel te gebruiken. Hiervoor werden druppels gedroogd in een lucht/ethanol atmosfeer met variërende compositie. Het koffieringeffect kon op deze manier geëlimineerd worden omdat atmosferisch ethanol oploste in de druppel en zo Marangoni stroming versterkte ten opzichte van capillaire stroming. De colloïdale stabiliteit van de CNC suspensies in water/ethanol mengsels werd ook in kaart gebracht met reologische en zeta potentiaalmetingen om de optische eigenschappen van de bekomen films te optimaliseren. Hierdoor werd het mogelijk om iriserende films met een uniforme filmdikte te maken. 

Vervolgens werd een alternatieve manier ontworpen om colloïdale depositie te controleren: via het verminderen van capillaire stroming in de drogende druppel via gelvorming. Het effect van gelvorming op het depositiepatroon en op het zelf-structureren van de CNCs werd aldus bestudeerd. Hiervoor werden waterige suspensies van CNCs met opgeloste NaCl en CaCl2zouten gebruikt. Dit systeem werd dan bestudeerd via reologische en gedepolariseerde dynamische lichtverstrooiingsmetingen. Verder werden ook de oppervlaktespanning, viscositeit, en vloeigrens van de gels bepaald om een dieper inzicht te krijgen in het gedrag van de zout-CNC suspensies. Ten slotte werd de opgedane kennis gebruikt om het depositiepatroon van de CNC suspensies te veranderen van een koffiering patroon naar een koepelvormige afzetting. 

Ten laatste werden de optische eigenschappen van CNC films gevormd door depositie op superhydrofobe oppervlakken bestudeerd. Hierbij werd ook een methode voorgesteld om de bijdrage van thermische Marangoni stroming in de drogende druppels te bestuderen. 

Ter conclusie, het onderzoek in dit eindwerk demonstreert belangrijke oplossingen om problemen met niet-uniforme filmvorming tijdens colloïdale depositie van CNCs in drogende druppels te voorkomen. Dit werk vormt een van de eerste studies die Marangoni stroming onder invloed van extra opgeloste stoffen en die gelvorming in drogende colloïdale druppels gebruikt om het depositiepatroon van CNCs in films te controleren.