Integration and characterization of wood-based nanocellulose in novel thermoset polymer composites

Saugbrugs has developed an approach to integrate nanocelluloses (NCs) into thermoset polymer systems, called “master batches” (MBs). Application of NC MBs in coatings and adhesives are explored in the NanoHEFT-project, and initial results suggest compelling rheological properties and improved strength. Still, in order to cement NC MBs as a viable alternative to conventional products, we need better understanding of interfaces between NCs and polymers, NC and polymer interaction, NC’s distribution, degradation of uncured bio-based resins, and the effect of heat and moisture on cured and uncured MB-resins. These are the primary targets of the project to answer, and discoveries can readily be tested in an industrial setting as Saugbrugs are planning to build a demo plant for NC MB production in 2022. A variety of NCs with different raw materials and dimensional sized will be screened during the project as NCs can be produced at both Saugbrugs’ NC pilot and PFI’s lab machines. This allows for testing on MBs prepared with LigNano, a unique thermomechanical pulp-derived NC with high lignin content. Another research area of interest is functionalization of NC MBs, to improve performance and to attain new properties such as anti-corrosion or electrical conductivity. NC MBs could potentially be interesting for 3D printing applications, which PFI have extensive background in researching. Epoxy and PUR-systems have been the primary carrier systems researched in the NanoHEFT-project. However, styrene-free unsaturated polyesters (UP) made from bio-based materials have possibly a larger improvement potential where NC can boost rheology and strength greatly. A potential NC/UP bio-composite could be a lightweight, high strength material with large applications areas.

Norske Skog Saugbrugs i Halden har et pilotanlegg som produserer nanocellulose (cellulose nanofibriller, CNF), og har flere initiativer på gang som kan skape en økt kommersiell interesse rundt CNF i Norge og Europa. MekMFC og LigNano-prosjektene har demonstrert at man kan lage en unik type nanocellulose basert på mekanisk masse i stor skala ved Saugbrugs. Man har demonstrert i andre prosjekter at CNF kan integreres i herdeplast og termoplast, noe som undersøkes videre i NanoHEFT-prosjektet. Underveis i disse prosjektene har det dukket opp nye spørsmål man må finne svarene til. Doktorgrad-prosjektet vil forsøke å svare på noe av dette, men fokus på applikasjon av nanocellulose inn i herdeplaster. Herdeplaster har et stort volum på verdensmarkedet, ca. 65 millioner tonn i 2018, og det er et økende marked for biopolymerer - både som følge nye krav fra konsumenter og myndigheter. Biobaserte polymere har en tendens til å være dyrere og svakere enn de petroleums-baserte. Ved å tilsette CNF til både petroleums- og biobaserte polymersystemer så vil styrken øke, noe som er ekstra verdifullt for de biobaserte polymerene. I doktorgraden vil man ta for seg introduksjonen av CNF inn i herdeplast-kompositter med både petroleum- og bio-baserte polymere. Spørsmålene man må finne svar på handler om CNFs sine interaksjoner med polymeren i kompositt-materialet, påvirkningen av ulike kvaliteter av CNF på kompositten, og også hvordan CNF arter seg i en herdeplast. Da med tanke på hvordan "CNF-skjelettet" ser ut i kompositten, samt hvordan fukt, varme og biologisk aktivitet påvirker CNF/polymer kompositten. Med tanke på videre kommersialisering av CNF i herdeplast, så vil dette være kjernekunnskap for utviklingen av ett nytt produkt.