search query: @supervisor Ikkala, Olli / total: 39
results-list
reference: 10 / 39
« previous | next »
Author:Mertaniemi, Henrikki
Title:Biomimetic fibrous patterns and composite materials with nanofibrillated cellulose
Nanokuituselluloosaa sisältävät biologisia materiaaleja jäljittelevät kuiturakenteet ja komposiittimateriaalit
Publication type:Master's thesis
Publication year:2012
Pages:64      Language:   eng
Department/School:Teknillisen fysiikan laitos
Main subject:Optiikka ja molekyylimateriaalit   (Tfy-125)
Supervisor:Ikkala, Olli
Instructor:
OEVS:
Electronic archive copy is available via Aalto Thesis Database.
Instructions
close

Reading digital theses in the closed network of the Aalto University Harald Herlin Learning Centre

In the closed network of Learning Centre you can read digital and digitized theses not available in the open network.

The Learning Centre contact details and opening hours: https://learningcentre.aalto.fi/en/harald-herlin-learning-centre/

You can read theses on the Learning Centre customer computers, which are available on all floors.

Logging on to the customer computers

  • Aalto University staff members log on to the customer computer using the Aalto username and password.
  • Other customers log on using a shared username and password.

Opening a thesis

  • On the desktop of the customer computers, you will find an icon titled:

    Aalto Thesis Database

  • Click on the icon to search for and open the thesis you are looking for from Aaltodoc database. You can find the thesis file by clicking the link on the OEV or OEVS field.

Reading the thesis

  • You can either print the thesis or read it on the customer computer screen.
  • You cannot save the thesis file on a flash drive or email it.
  • You cannot copy text or images from the file.
  • You cannot edit the file.

Printing the thesis

  • You can print the thesis for your personal study or research use.
  • Aalto University students and staff members may print black-and-white prints on the PrintingPoint devices when using the computer with personal Aalto username and password. Color printing is possible using the printer u90203-psc3, which is located near the customer service. Color printing is subject to a charge to Aalto University students and staff members.
  • Other customers can use the printer u90203-psc3. All printing is subject to a charge to non-University members.
Location:P1 Ark Aalto  195   | Archive
Keywords:nacre
clay
aerogel
cellulose nanofibers
grids
additive manufacturing
helmiäinen
aerogeeli
savi
selluloosa-nanokuidut
ristikot
pikavalmistus
Abstract (eng): Learning from material and structural design principles found in biological materials, it may be possible to manufacture strong and lightweight structures difficult to obtain via traditional fabrication.
Biological models for such new materials include nacre and a glass sponge skeleton.
The organized layered structure in nacre results in an at least hundredfold increase in toughness compared to its main constituent, the brittle mineral aragonite.

The nacre structure effectively spreads stresses and damage to a wider area around a crack propagating in the material.
Thus, breaking of nacre requires a large amount of energy.
In the glass sponge skeleton, a biological composite material is combined with optimized structural design.
The grid structure of the glass sponge appears to provide optimum mechanical performance with minimal material use.
Another promising new material from a biological source is nanofibrillated cellulose.
The strength of the cellulose nanofibers, together with the abundance of wood-based cellulose, makes cellulose nanofibers a promising component in novel materials.

In this work, two approaches for fabricating strong and lightweight materials were explored, finding inspiration for design from biological systems and utilizing the strong natural material, nanofibrillated cellulose.
First, a concept was developed to fabricate glass-sponge-mimicking structures with macroscopic fiber grids of nanofibrillated cellulose.
Employing a 3D printer and principles of additive manufacturing, programmable fabrication of the grid structures was demonstrated.

The macroscopic fibers prepared from nanofibrillated cellulose were found to be strong, having a tensile strength of 300 MPa.
Compared to previous art, more than two times larger ultimate elongation was achieved, making the fibers remarkably tougher.
Furthermore, chemically cross-linking the nanocellulose within the macroscopic fibers improved the material performance in wet environment, potentially enabling biomedical applications. 3D-printed ultra-lightweight grid structures were found to be considerably stronger in tension than in compression.

Still, some of the potential strength of individual fibers was lost during the fabrication of grid structures due to defects.
Further optimizing the fabrication process of the fibrous patterns, very strong and lightweight structures may be obtained.
Second, a nacre-mimicking clay/polymer composite material was employed in combination with cellulose nanofibers in preparation of aerogels, i.e., gels where water is replaced with air.

It was observed that in the clay/polymer/nanocellulose aerogels, clay platelets probably arrange to fill the pores between cellulose nanofibers in the sheet-like microstructure of the aerogel, making the aerogel less porous.
The resulting aerogels were soft and had so far very limited mechanical strength.
Abstract (fin): Hyödyntämällä biologisista materiaaleista ja rakenteista löydettyjä suunnitteluperiaatteita voitaneen valmistaa sellaisia vahvoja ja keveitä rakenteita, joiden valmistaminen perinteisillä tuotantomenetelmillä on vaikeaa.
Biologisina malleina tällaisille uusille materiaaleille voidaan käyttää muiden muassa helmiäistä ja eräiden pesusienilajien lasista tukirankaa.

Helmiäinen on kerrosrakenteensa ansioista ainakin sata kertaa sitkeämpää kuin sen pääasiallinen ainesosa, hauras aragoniitti.
Helmiäisen murtamiseen tarvitaan paljon energiaa, sillä särön edetessä materiaalissa helmiäisen rakenne levittää kuormituksen ja vauriot tehokkaasti laajalle alueelle.
Lasisienen tukirangassa biologinen komposiittimateriaali on yhdistetty optimoidusti muotoiltuun rakenteeseen.
Tämä ristikkorakenne vaikuttaa olevan mekaanisesti mahdollisimman luja, kuitenkin sisältäen mahdollisimman vähä materiaalia.
Myös nanokuituselluloosa on lupaava uusi, biologisesta lähteestä peräisin oleva materiaali.
Selluloosa-nanokuitujen lujuuden ja puuperäisen selluloosan runsaan saatavuuden vuoksi selluloosa-nanokuidut ovat lupaava ainesosa uudenlaisiin materiaaleihin.

Tässä työssä tutkittiin kahta lähestymistapaa vahvojen ja keveiden materiaalien valmistukseen.
Suunnitteluun haettiin innoitusta elollisen luonnon ratkaisuista, ja materiaaleissa hyödynnettiin vahvaa luonnonmateriaalia, nanokuituselluloosaa.
Ensimmäiseksi kehitettiin menetelmä, jolla voitiin valmistaa lasisienen rakennetta jäljitteleviä, makroskooppisista kuiduista koostuvia ristikoita nanokuituselluloosasta.

Käyttäen 3D-tulostinta ja pikavalmistuksen periaatteita pystyttiin ohjelmoimaan ristikkorakenteiden valmistusta.
Nanoselluloosasta valmistettujen makroskooppisten kuitujen havaittiin olevan vahvoja: vetolujuus oli 300 MPa.
Kirjallisuuteen verrattuna äärimmäinen venymä oli yli kaksi kertaa suurempi, minkä vuoksi kuidut olivat huomattavasti sitkeämpiä.
Ristisilloittamalla kemiallisesti selluloosa-nanokuituja makroskooppisten kuitujen sisällä pystyttiin parantamaan materiaalin suorituskykyä märässä ympäristössä.

Tämän myötä materiaalia voi olla mahdollista hyödyntää biolääketieteellisissä sovelluksissa. 3D-tulostettujen ultrakeveiden ristikkorakenteiden havaittiin olevan merkittävästi lujempia vetokuormituksessa kuin puristuksessa.
Ristikkorakenteissa ei kuitenkaan saatu hyödynnettyä yksittäisten kuitujen koko lujuuspotentiaalia.
Kehittämällä ristikkojen valmistusprosesseja voitaneen saadaan aikaan erittäin vahvoja ja keveitä rakenteita.
Lisäksi käytettiin helmiäistä jäljittelevää savi/polymeeri-komposiittimateriaalia yhdessä selluloosa-nanokuitujen kanssa aerogeelien valmistamiseen.

Havaittiin, että savi/polymeeri/nanoselluloosaaerogeeleissä savihiutaleet todennäköisesti asettuivat täyttämään selluloosa-nanokuitujen väleihin jääviä huokosia aerogeelin mikrorakenteessa, ja näin aerogeelin huokoisuus pieneni.
Tulokseksi saatiin pehmeitä aerogeelejä, joiden mekaaniset ominaisuudet olivat toistaiseksi vaatimattomat.
ED:2012-10-17
INSSI record number: 45362
+ add basket
« previous | next »
INSSI