Publication

Design of experiments to investigate multi-additive cellulose nanocrystal films

Tiffany Abitbol
2022
Article
Résumé

Cellulose nanocrystal (CNC) suspensions can self-assemble into chiral nematic films upon the slow evaporation of water. These films are brittle, as indicated by their fracturing instead of plastically deforming once they are fully elastically deformed. This aspect can be mediated to some extent by plasticizing additives, such as glucose and glycerol, however, few reports consider more than one additive at a time or address the influence of additive content on the homogeneity of the self-assembled structure. In this work, design of experiments (DoE) was used to empirically model complex film compositions, attempting to relate additive concentrations in dilute suspension to film properties, and to understand whether outcome specific predictions are possible using this approach. We demonstrate that DoE can be used to predict film properties in multi-additive systems, without consideration given to the different phenomena that occur along the drying process or to the nature of the additives. Additionally, a homogeneity metric is introduced in relation to chiral nematic organization in CNC films, with most of the additive-containing compositions in this work found to reduce the homogeneity of the self-assembly relative to pure CNC films.

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Auto-assemblage
L’auto-assemblage, parfois rapproché de l'auto-organisation, désigne les procédés par lesquels un système désorganisé de composants élémentaires s'assemble et s'organise de façon spontanée et autonome, à la suite d'interactions spécifiques et locales entre ces composants. On parle d'auto-assemblage moléculaire lorsque les composants en question sont des molécules, mais l'auto-assemblage s'observe à différentes échelles, des molécules à la formation du système solaire et des galaxies en passant par l'échelle nanométrique.
Matière plastique
vignette|Les matières plastiques font désormais partie de notre quotidien. Structure typique d'une formule : matière plastique = polymère(s) brut(s) (résine(s) de base) + charges + plastifiants + additifs. Les élastomères sont souvent classés hors des matières plastiques proprement dites. Une matière plastique (le plastique en langage courant) est un polymère généralement mélangé à des additifs, colorants, charges (miscibles ou non dans la matrice polymère).
Self-assembly of nanoparticles
Nanoparticles are classified as having at least one of three dimensions be in the range of 1-100 nm. The small size of nanoparticles allows them to have unique characteristics which may not be possible on the macro-scale. Self-assembly is the spontaneous organization of smaller subunits to form larger, well-organized patterns. For nanoparticles, this spontaneous assembly is a consequence of interactions between the particles aimed at achieving a thermodynamic equilibrium and reducing the system’s free energy.
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