Agglomerated cellulose fibrils embedded in a lignin matrix in the cell wall are a predominant reason for the outstanding specific tensile strength of wood. To convert these mechanical properties to practical use for polymer composites, the fibrils were isolated out of sulphite pulp. Depending on the disintegration method, the fibrils have diameters in the nanometer and lengths in the micrometer range.

In this work, we report the facile synthesis of hydrophobic, flexible, and ultralightweight (ρsponge ≤ 17.3 mg/cm3) nanocellulose sponges using a novel and efficient silylation process in water. These functional materials with high porosity (≥99%) are easily engineered by freeze-drying water suspensions of nanofibrillated cellulose (NFC), a natural nanomaterial isolated from renewable resources, in the presence of methyltrimethoxysilane sols of various concentrations. Microscopic and solid state nuclear magnetic resonance analyses reveal that the sponges are composed of a three-dimensional cellulosic network of thin sheets and nanofilaments, covered by polysiloxanes. Compared with conventional inorganic porous materials, the silylated NFC sponges display an unprecedented flexibility with a maximal shape recovery corresponding to 96% of the original thickness after 50% compression strain. The sponges also combine both hydrophobic and oleophilic properties and prove to be very efficient in removing dodecane spills from a water surface with an excellent selectivity and recyclability. Finally, the sponges can collect a wide range of organic solvents and oils with absorption capacities up to 100 times their own weight, depending on the density of the liquids. This versatile functionalization method opens up new opportunities for the design of novel advanced functional biomaterials with controlled properties.

3D printing of renewable building blocks like cellulose nanocrystals offers an attractive pathway for fabricating sustainable structures. Here, viscoelastic inks composed of anisotropic cellulose nanocrystals (CNC) that enable patterning of 3D objects by direct ink writing are designed and formulated. These concentrated inks are composed of CNC particles suspended in either water or a photopolymerizable monomer solution. The shear‐induced alignment of these anisotropic building blocks during printing is quantified by atomic force microscopy, polarized light microscopy, and 2D wide‐angle X‐ray scattering measurements. Akin to the microreinforcing effect in plant cell walls, the alignment of CNC particles during direct writing yields textured composites with enhanced stiffness along the printing direction. The observations serve as an important step forward toward the development of sustainable materials for 3D printing of cellular architectures with tailored mechanical properties.

Five commercial wood and wheat straw fiber sources with different morphologies were mechanically disintegrated into nanofibrillated cellulose (NFC). The processing times for disintegration varied, depending on the sizes and the moisture content of the starting materials. A decrease in polymerization degree (DP) for the fibrillated materials between 15% and 63% could be observed. Nevertheless, all isolated NFC materials showed homogenous network structures. They were used for the production of composite films with hydroxypropyl cellulose (HPC) as matrix and different proportions of NFC and two commercial fibrillar-fibrous celluloses as reinforcing components. Films with the commercial, more inhomogeneous fibrillated celluloses showed up to 2.5 times lower strength and up to four times lower stiffness. It appeared that homogeneity of the NFC material is more important for its reinforcement potential than the DP. A proper pre-treatment and choice of starting cellulose materials can reduce energy consumption, a key issue for industrial up-scaling.

A novel amine-based adsorbent for CO2 capture from air was developed, which uses biogenic raw materials and an environmentally benign synthesis route without organic solvents. The adsorbent was synthesized through freeze-drying an aqueous suspension of nanofibrillated cellulose (NFC) and N-(2-aminoethyl)-3-aminopropylmethyldimethoxysilane (AEAPDMS). At a CO2 concentration of 506 ppm in air and a relative humidity of 40% at 25 °C, 1.39 mmol CO2/g was absorbed after 12 h. Stability was examined for over 20 consecutive 2-h-adsorption/1-h-desorption cycles, yielding a cyclic capacity of 0.695 mmol CO2/g.

In the present study, novel bionanocomposite materials with tunable properties were successfully prepared using a poly(lactic acid) (PLA) matrix and acetylated microfibrillated cellulose (MFC) as reinforcing agent. The acetylation of MFC was confirmed by FTIR and 13C CP-MAS NMR spectroscopies. The grafting of acetyl moieties on the cellulose surface not only prevented MFC hornification upon drying but also dramatically improved redispersibility of the powdered nanofibers in chloroform, a PLA solvent of low polarity. Moreover, we demonstrate that the properties of the resulting PLA nanocomposites could be tailored by adjusting both the acetyl content (Ac%) and the amount of MFC. These nanomaterials showed improved filler dispersion, higher thermal stability, and reduced hygroscopicity with respect to those prepared with unmodified MFC. Dynamic mechanical analysis (DMA) highlighted the reinforcing potential of both the unmodified and the acetylated MFC on the viscoelastic properties of the neat PLA. But more interesting, an increase in the PLA glass transition temperature was detected when using the 8.5% acetylated MFC at 17 wt %, indicating an improved compatibility at the fiber−matrix interface. These findings suggest that the final properties of nanocomposite materials can be controlled by adjusting the %Ac of MFC.

In this article, we highlight the potential of nanocelluloses, such as cellulose nanocrystals (CNC) and microfibrillated cellulose (MFC), to serve as building blocks for the design of hierarchical functional nanomaterials. Four categories of value-added nanomaterials are envisaged here, namely aerogels, emulsions, templated materials and stimuli-responsive nanodevices. But most importantly, we demonstrate that appropriate functionalization methods are required in order to tailor the nanocellulose surface and further design materials with required characteristics.

The alignment of anisotropic particles during ink deposition directly affects the microstructure and properties of materials manufactured by extrusion-based 3D printing. Although particle alignment in diluted suspensions is well described by analytical and numerical models, the dynamics of particle orientation in the highly concentrated inks typically used for printing via direct ink writing (DIW) remains poorly understood. Using cellulose nanocrystals (CNCs) as model building blocks of increasing technological relevance, we study the dynamics of particle alignment under the shear stresses applied to concentrated inks during DIW. With the help of in situ polarization rheology, we find that the time period needed for particle alignment scales inversely with the applied shear rate and directly with the particle concentration. Such dependences can be quantitatively described by a simple scaling relation and qualitatively interpreted in terms of steric and hydrodynamic interactions between particles at high shear rates and particle concentrations. Our understanding of the alignment dynamics is then utilized to estimate the effect of shear stresses on the orientation of particles during the printing process. Finally, proof-of-concept experiments show that the combination of shear and extensional flow in 3D printing nozzles of different geometries provides an effective means to tune the orientation of CNCs from fully aligned to core-shell architectures. These findings offer powerful quantitative guidelines for the digital manufacturing of composite materials with programmed particle orientations and properties.