Biobased and renewable cellulose nanocrystals (CNC) can form hierarchically structured assemblies with impressive optical and mechanical properties. These rod-shaped nanoparticles, produced through acid hydrolysis of biomass, self-assemble in aqueous suspensions and form a liquid crystalline anisotropic volume fraction (AVF), the extent of which depends on the concentration. The anisotropic chiral nematic liquid crystalline phase can be preserved in the dry state through evaporation-induced self-assembly (EISA). This transition is not fully understood and requires more thorough inspection, in order to create large-scale defect-free structures for demanding applications, such as impact resistant materials. This work addresses this by studying the conditions during EISA for producing highly ordered CNC films. Solid CNC films display structural colour, whose intensity and uniformity reveal how well the chiral nematic order is preserved and defined within the film. UV-Vis spectroscopy, optical microscopy and scanning electron microscopy (SEM) provide information on the formation and distribution of the structural colour.
In the first part of this work, the EISA drying temperature was varied (23, 28, 36, 41, 51 and 61°C). The results showed deteriorated helical order within solid films produced at higher drying temperatures. This conclusion was deduced from UV-Vis spectroscopy data that implied a larger distribution of structural colours in the films dried at elevated temperatures.
In the second part, five different concentrations of the suspensions (3-7% w/w), and thereby AVFs, were used, while keeping the drying conditions the same. One set of samples was dried immediately after casting, while another set was equilibrated prior to drying. The characterization of the dry films by microscopy, UV-Vis and SEM showed that suspensions dried from a high AVF and an equilibrated state produced films with more homogeneous, long-range order, having larger chiral nematic domains. In contrast, films dried from AVF=0 lacked long-range order and did not benefit from equilibration.Biobaserade och förnybara cellulosananokristaller (CNC) kan bilda hierarkiskt strukturerade enheter med imponerande optiska och mekaniska egenskaper. Dessa stavformade nanopartiklar, som produceras genom syrahydrolys av biomassa, självhopsätter sig vätskesuspensioner och bildar en vätksekristallin anisotrop volymfraktion (AVF), vars storlek beror på koncentrationen. Den anisotropa kirala nematiska vätskekristallina fasen bevaras i fast form genom Avdusntningsinducerad självhopsättning (EISA). Denna övergång är inte fullständigt förstådd och kräver noggrannare inspektion för att man skall kunna skapa defektfria strukturer i större skala, för mer krävande tillämpningar, såsom slagfasta material. Detta arbete fokuserar på denna övergång genom att studera omständigheterna under EISA för att producera CNC filmer med en organiserad struktur. Torra CNC filmer uppvisar strukturell färg, vars intensitet och likformighet avslöjar hur väl den chirala nematiska ordningen är bevarad och organiserad. UV-Vis-spektroskopi, optisk mikroskopi och skanningselektronmikroskopi (SEM) avslöjar distributionen av den strukturella färgen.
I den första delen av detta arbete varierades torkningstemperaturen (23, 28, 36, 41, 51 och 61 ° C) under EISA. Enligt resultaten var organiseringen av den önskvärda spriralstrukturen sämre i fasta filmer framställda vid högre torkningstemperaturer. Denna slutsats härleddes från UV-Vis-spektroskopi-data som vars data avslöjade en större fördelning av strukturella färger i filmer producerade i förhöjda temperaturer.
I andra delen användes fem olika suspensionkoncentrationer (3–7% vikt/vikt) och därigenom AVF:er, medan torkningsomständigheterna var konstanta. En uppsättning prover torkades omedelbart efter placeringen i substratet, medan en annan sats jämviktades före torkningen. Karaktäriseringen av torrfilmerna med mikroskopi, UV-Vis och SEM visade att de suspensionerna torkade från en högre AVF och ett jämviktat tillstånd producerade filmer med en mer homogen långdistansordning och större kirala nematiska domäner. Filmer torkade från AVF = 0 och utan jämviktning saknade långdistansordning
