This thesis presents novel methods and approaches for designing, preparing/fabricating, and characterizing wood-based nanomaterials. It investigates how modifications in structure, process variables, and composition can enhance functional properties. It employs advanced characterization techniques to analyze process-structure-property relationships and utilizes innovative colloidal processing approaches such as controlled nanoparticle incorporation, Layer-by-Layer self-assembly, and unidirectional ice-templating to improve the functional properties of wood-based nanomaterials.

A novel approach has been developed to fabricate lightweight, highly porous hybrid foams using iron oxide nanoparticles (IONP) and TEMPO-oxidized cellulose nanofibers (TOCNF). The addition of tannic acid (TA) and the application of a magnetic field-enhanced unidirectional ice-templating technique (MFUIT) enhanced processability, mechanical, and magnetic characteristics of the foams. The hybrid foam containing 87% IONPs exhibited a saturation magnetization of 83.2 emu g^–1, which is equivalent to 95% of the magnetization value observed in bulk magnetite.

Hybrid, anisotropic foams have been prepared by incorporation of reduced graphene oxide (rGO) onto the macropore-walls of anisotropic TOCNF foams using a liquid-phase Layer-by-Layer self-assembly method. These hierarchical rGO-TOCNF foams exhibit lower radial thermal conductivity (λ_r) across a wide range of relative humidity compared to control TOCNF foams.

The shear-induced orientations and relaxations of multi-component dispersions containing cellulose nanocrystals (CNC) and montmorillonite nanoplatelets (MNT) have been studied by rheological small-angle X-ray scattering (Rheo-SAXS). The addition of MNT resulted in gelation and changes in flow behavior, shear responses, and relaxation dynamics. Rheo-SAXS measurements showed that CNC and MNT aligned under shear, creating aligned structures that relaxed upon shear removal. Gaining insights into shear-induced orientations and relaxation dynamics can aid in the development of advanced wood-based nanocomposite materials.

Transmission Electron Microscopy (TEM) was employed to characterize lignin oleate nanoparticles (OLNPs) derived from abundant lignin waste. TEM analysis revealed that the OLNPs had a spherical shape and a core-shell structure. Upon drying, the particles tended to agglomerate due to the loss of electrostatic repulsion forces. This agglomeration behavior indirectly supports the hypothesis that oleate chains act as a hydration barrier, preventing water permeation into the particles. 

Finally, a comprehensive study showed that TEMPO-oxidized lignocellulose nanofibers (TOLCNF)-based foams made from unbleached pulp can be used to prepare anisotropic, light-weight ice-templated foams with high mechanical strength. TOLCNF foams utilize lignin and hemicellulose to enhance properties while require less energy for production compared to TOCNF-based foams. This study emphasizes the potential for developing sustainable wood-based nanomaterials using TOLCNF.

The results presented in this thesis offer valuable insights for further advancements of wood-based nanomaterials. 

Denna avhandling presenterar nya metoder och tillvägagångssätt för design, beredning/tillverkning och karakterisering av träbaserade nanomaterial. Den undersöker hur förändringar i struktur, processvariabler och sammansättning kan förbättra funktionella egenskaper. Avancerade karaktäriseringstekniker används för att analysera samband mellan process, struktur och egenskaper, och innovativa kolloidala bearbetningsmetoder såsom kontrollerad nanopartikelinkorporering, lager-på-lager-självmontering och unidirektionell is-templering används för att förbättra de funktionella egenskaperna hos träbaserade nanomaterial.

En ny metod har utvecklats för att tillverka lätta, högporösa hybridskum med järnoxidnanopartiklar (IONP) och TEMPO-oxiderade cellulosa nanofibrer (TOCNF). Tillsatsen av tanninsyra (TA) och användningen av en magnetfältförstärkt unidirektionell is-templeringsteknik (MFUIT) förbättrade bearbetningsbarheten, de mekaniska egenskaperna och de magnetiska egenskaperna hos skummen. Hybridskummet med 87 % IONP uppvisade en mättnadsmagnetisering på 83,2 emu g^–1, vilket motsvarar 95 % av magnetiseringsvärdet hos bulk magnetit.

Hybrida, anisotropa skum har framställts genom att införliva reducerad grafenoxid (rGO) på makroporernas väggar av anisotropa TOCNF-skum med hjälp av en flytande fas Layer-by-Layer självmonteringsmetod. Dessa hierarkiska rGO-TOCNF-skum uppvisar lägre radial termisk ledningsförmåga (λ_r) över ett brett relativt fuktighetsområde jämfört med kontroll-TOCNF-skum.

Skjuvinducerade orienteringar och relaxationer av multikomponentdispersioner innehållande cellulosananokristaller (CNC) och montmorillonitnanoplattor (MNT) har studerats med hjälp av reologisk röntgenstrukturanalys med små vinklar (Rheo-SAXS). Tillsatsen av MNT resulterade i gelbildning och förändringar i flödesbeteende, skjuvresponser och relaxationsdynamik. Rheo-SAXS-mätningar visade att CNC och MNT linjerades upp under skjuvning, vilket skapade linjerade strukturer som slappnade av efter att skjuvningen avlägsnats. Att få insikt i skjuvinducerade orienteringar och relaxationsdynamik kan hjälpa vid utvecklingen av avancerade träbaserade nanokompositmaterial.

Transmissionselektronmikroskopi (TEM) användes för att karakterisera nanopartiklar av ligninoleat (OLNP) som härstammar från rikligt förekommande ligninavfall. TEM-analysen visade att OLNP hade en sfärisk form och en kärna-skal-struktur. Vid torkning tenderade partiklarna att agglomerera på grund av förlusten av elektrostatiska repulsionskrafter. Denna agglomerationsbeteende stöder indirekt hypotesen att oleatkedjorna fungerar som en hydratiseringsbarriär, vilket förhindrar vatteninträngning i partiklarna.

En omfattande studie visade att skum baserade på TEMPO-oxiderade lignocellulosa nanofibrer (TOLCNF) tillverkade av obelagd massa kan användas för att förbereda anisotropa, lätta is-templaterade skum med hög mekanisk styrka. TOLCNF-skum utnyttjar lignin och hemicellulosa för att förbättra egenskaper samtidigt som de kräver mindre energi för produktion jämfört med TOCNF-baserade skum. Studien betonar potentialen för att utveckla hållbara träbaserade nanomaterial med hjälp av TOLCNF.

Resultaten som presenteras i denna avhandling erbjuder värdefulla insikter för ytterligare framsteg inom träbaserade nanomaterial.