Producing the strongest bio-based material called nanocellulose, in the form of filaments, has shown to be technically feasible at lab-scale, but the production costs remain unknown. The research has focused on technical feasibility and less on costs, which is a common phenomenon when developing new technologies. Constructing a Process-Based Cost Model (PBCM) can link the technical aspects of a technology to its costs of production. However, the accuracy of such a model might be dependent on the data availability of the technology. In this study, the technology of producing nanocellulose filaments has been evaluated along the scale of Technology Readiness Level (TRL) to understand the maturity of the technology and a PBCM has been constructed to show the economic prerequisites for the production of nanocellulose filaments. The main results indicate that at TRL 4, with parts of TRL 5 fulfilled, parameters such as Capital Expenditures cannot be allocated to unit production cost, only Operational Expenditures. Therefore, the relevant cost elements become material and energy as these constitute the currently available data. The PBCM can thus be used to estimate the production costs of different scenarios while highlighting the areas of future research. In the empirical context of nanocellulose filament production, utilizing deionized water in the production is a more promising option compared to utilizing solvents as the cost of recovering the solvent becomes high. Furthermore, using deionized water also becomes more promising due to the fact that other scenarios have not yet been evaluated experimentally. However, as the technology matures and more data becomes available, the model accuracy will increase as more parameters can be included in the model and the basis increases for decisionmaking regarding techno-economic concerns of the technology. / Produktionen av världens starkaste biobaserade material, nanocellulosa i filamentform, har visat sig vara tekniskt möjligt på labbskala, men produktionskostnaderna är idag okända. Forskning som fokuserar mer på den tekniska genomförbarheten och mindre på produktionskostnader är ett vanligt förekommande fenomen i utveckling av ny teknologi. Genom att konstruera en processbaserad kostnadsmodell (PBCM) kan en teknologis tekniska aspekt länkas till dess produktionskostnader. Dock påverkas en sådan modells noggrannhet av datatillgängligheten för teknologin. I denna studie har teknologin för produktionen av nanocellulosa filament utvärderats längs med Technology Readiness Level (TRL) skalan för att förstå teknologins mognadsgrad. Därefter har en PBCM konstruerats för att visa de ekonomiska förutsättningarna för en produktion av nanocellulosafilamenten på industriell skala. Huvudresultaten indikerar att på TRL 4, med delar av TRL 5 uppfyllda, kan somliga parametrar såsom investeringskostnader inte allokeras till enhetsproduktionskostnaden, utan bara löpande kostnader. De relevanta kostnadselementen blir därför material och energi då dessa utgör den aktuellt tillgängliga datan. PBCM kan därför användas för att beräkna produktionskostnader av olika scenarion och lyfta fram områden för framtida forskning. I den empiriska kontexten av produktionen av nanocellulosafilament är användningen av avjoniserat vatten ett mer lovande alternativ jämfört med användningen av lösningsmedel då kostnaden för återvinningen av lösningsmedlet blir högt. Dessutom är användningen av avjoniserat vatten mer lovande eftersom övriga scenarion inte har testats experimentellt än. Allteftersom teknologin mognar och mer data blir tillgänglig, så kommer modellens noggrannhet öka då fler parametrar kan inkluderas i modellen och därmed kan underlaget öka för beslutsfattning gällande teknoekonomiska frågor om teknologin.

Literature shows that production of cottonseed adhesives is feasible to develop an environmentally friendly and competitive bio-based wood adhesive. Defatted cottonseed and water-washed cottonseed meals were prepared from glandless cottonseed and were used in adhesive formulations to produce three-ply yellow poplar (Liriodendron tulipifera) plywood panels as the first objective. These two cottonseed meals were compared with the properties of plywood panels made with an adhesive formulated from a commercial soybean meal, as a control. Adhesive resins were prepared from each protein meal with sodium metabisulfite (Na2S2O5) and one of two polyamido-amine-epichlorohydrin (PAE) wet strength agents, and the plywood panels were produced by hot pressing for 7, 8.5 and 10 minutes at 135°C with a constant pressure of 1.241 MPa. Panels prepared from three protein meals had comparable shear strengths. The combinations of the two cottonseed preparations and the two wet strength agents produced panels with acceptable wet resistant properties, whereas the soybean meal only produced acceptable panels with one of the wet strength agents. Because the panels prepared from the two cottonseed meals had comparable properties, there appears to be no benefit to including a water-washing step to increase the meal’s protein level. The second objective of this research was to reduce the hot press time and develop cottonseed meals into adhesives to become comparable to commercial soybean-based adhesives. New cottonseed, water-washed cottonseed, and commercial in-house soybean meals were separately prepared with deionized water, sodium metabisulfite, and PAE to produce three-ply yellow poplar plywood panels. The panels were hot pressed for 4, 5, and 6 minutes at 135°C with a constant pressure of 1.241 MPa. Panels prepared from the three meals and commercial soybean plywood panels had comparable mechanical shear strengths and water resistance properties. Results indicated that press time, meal types, and interactions were statistically significant. Shear strength results indicate that cottonseed could be used alternatively to soybean. The new cottonseed panels were more resistant to delamination than soybean. The cottonseed meals showed great promise for applicability as a formaldehyde-free, bio-based, and environmentally friendly hardwood plywood wood-based adhesives product for use in interior type applications.

Den globala efterfrågan på textila produkter ökar ständigt, samtidigt som branschen står inför stora utmaningar gällande dess höga klimat- och miljöpåverkan. Omkring 65 miljoner ton syntetiskt material framställs årligen, där polyester står för 82% och dominerar marknaden. Polyester (PET) tillverkas från fossila råvaror, det vill säga icke-förnybara källor, vilket bidrar till en ökad andel CO2 i atmosfären, vilket i sin tur leder till en förhöjd medeltemperatur. För att lyckas minska koldioxidavtrycket med 30% fram till år 2030 behövs flera åtgärder genomföras. Bioplaster kan komma att bidra till en mer hållbar livscykel, då de jungfruliga polymererna tillverkas av förnyelsebara eller återvunna råvaror. Denna rapport söker svar på effekten av att ersätta konventionell polyester med biobaserade polymera material i textila produkter. Studien ger en inblick i fibervalets klimatpåverkan under framställning, användarfasen och hantering vid end-of-life som en del av vägen mot en cirkulär ekonomi. Arbetet utgår ifrån en produkt tilldelad från uppdragsgivaren BRAV Norway, Lundhags. Med hjälp av en litteraturstudie och Higg MSI, som mäter klimatpåverkan cradle-to-gate, utvärderas och jämförs återvunnen polyester (rPET), polytrimetylenteftalat (Bio-PTT), polyetenfuranoat (PEF), polyetentereftalat (Bio- PET), polymjölksyra (PLA), polybutensuccinat (PBS) och polyhydroxialkanoater (PHA). I teorin kan samtliga biobaserade material som undersökts spinnas till textila fibrer, vissa finns redan på marknaden och andra är under utvecklingsfasen. Resultatet i Higg MSI visar att råvarans ursprung har en inverkan, men att de biobaserade råvaror inte alltid leder till en lägre klimatpåverkan, här kan återvunna fossilbaserade material uppvisa bättre resultat. Biobaserade material är fördelaktiga ur den synpunkt att de utvinns från förnybara källor, vilket bidrar till lägre koldioxidutsläpp längs hela värdekedjan. Konceptet kring bioekonomi stärker tillämpningen av biopolymerer, då materialet kan övergå från den tekniska till biologiska cykeln enligt Ellen MacArthus fjärilsdiagram. Hanteringen när produkten når end-of-life avgör om man kan närma sig ett cirkulärt kretslopp. Bionedbrytningsbara polymerer ingår i en open-loop- För en cirkulär ekonomi eftersträvar man att material skall ingå i en closed-loop samt uppnå så lång livslängd som möjlig för att minska den totala klimatpåverkan, vilket kan var kritiskt för de bionedbrytningsbara material. I detta område krävs mer efterforskning. Bio-PET och PEF är fördelaktiga då de går att framställa och återvinna i samma strömmar som PET. Det är även avgörande hur stor tillgängligheten är, möjlighet för återvinning och materialets egenskaper när det kommer till val av fibrer för en minskad klimatpåverkan. Bland de bionedbrytningbara materialen är PLA den mest lämpade. Polyester är i dagsläget svårt att ersätta med ett annat polymert material som avsevärt förbättrar produkten under användarfasen. Forskningen som bedrivs leder till ökad tillgång av de biobaserade materialen samt förbättrade egenskaper under användarfasen. Biobaserade material är ett bra komplement till återvunna material för att fasa ut tillverkningen av jungfruliga material. / The global demand for textiles is constantly increasing, and at the same time the textile industry is facing major challenges regarding its significant impact on the climate and the environment. Approximately 65 million tons of synthetic materials are produced annually, with polyester accounting for 82% and dominating the market. Polyester (PET) is produced from non-renewable resources, increasing the share of CO2 in the atmosphere and contributing to higher average temperatures. Several measures need to be implemented to reduce CO2 emissions by 30% until 2030. Bioplastics have the potential to contribute to a more sustainable life cycle because they are made from renewable or recycled raw materials. The purpose with this report is to investigate the impact of replacing conventional polyester with bio-based polymeric materials in textile products. The study will provide insight into the climate impacts of fiber choices production, usephases, and waste management as part of the transition to a circular economy. The study is based on products provided by the Norwegian company BRAV (Lundhags). The information is based on a literature review and the Higg MSI, and is based on cradle-to-gate. Recycled polyester (rPET), polytrimethylenephthalate (bio-PTT), polyethylenefuranoate (PEF), polyethyleneterephthalate (bio-PET), polylactic acid (PLA), and polybutenesuccinate (PBS) and polyhydroxyalkanoate(PHA) were evaluated and compared in terms of their impact on the climate, recycled PET and polytrimethylene (BPET) shows the best result. Theoretically, all of the biobased materials considered can be spun into fiber, some are already on the market, and others are still under development. The result from HiggMSI shows that the source of the raw material has an impact, but biobased raw materials doesn't necessarily have a lower impact on climate and conversely, fossil-based recycled feedstock may show better results. Bio-based feedstocks are advantageous in that they are extracted from renewable resources and contribute to lower carbon emissions throughout the value chain. The concept of bioeconomics enhances the application of biopolymers because it allows materials to move from the technological cycle to the biological cycle according to the Ellen MacArthus butterfly diagram. Waste management determines whether a material can be moved closer to a circular cycle or not. Biodegradable polymers are part of an open-loop, and in a circular economy, the goal is for materials to be part of this system. It is also desirable to achieve the longest possible lifetime to reduce the impact on climate, which is critical for biodegradable materials and requires further research in this area. Bio-PET and PEF have the advantage that they can be produced and recycled in the same stream as PET. In addition, availability, recyclability, and properties are important to consider when choosing fibers to reduce climate impact. Among biodegradable materials, PLA is the most suitable. Polyester is currently difficult to replace with other polymeric materialsals can significantly improve products during the usephase. As research continues, access to biobased materials will increase and their properties will improve. Biobased materials are an effective complement to recycled materials and can help phase out the production of virgin materials.

Thermosets are appropriate materials for various applications due to benefits such as heat resistance and good mechanical properties. The disadvantages of traditional thermosets from a sustainable manufacturing perspective are that they are usually derived from fossil resources, and also have permanent cross-linked networks that are difficult to break, making them non-recyclable. It is therefore of great interest to find bio-based alternatives, especially ones that can be recycled or bio-degraded. In this project four bio-based photocurable resins, meant for 3D printing thermosets, were characterized by their mechanical properties and chemical degradation. They were designed with esters and imine groups in order to use dynamic, reversible bonds to attempt mechanical recycling and chemical degradation. The resins were composed of methacrylated eugenol, methacrylated PHB-diol and Schiff base methacrylated extended vanillin. The latter provided good thermal stability, solvent resistance and mechanical properties to the thermosets. The mechanical recycling was able to produce cohesive thermoset films, successfully reforming broken bonds, but the mechanical properties decreased substantially from the process. Chemical degradation of the thermosets could be performed, but further use of the degraded material was not examined. / Härdplaster är lämpliga material för olika applikationer på grund av sina fördelaktiga egenskaper, som värmebeständighet och goda mekaniska egenskaper. Nackdelarna med traditionella härdplaster ur ett hållbarhetsperspektiv är att de vanligtvis härrör från fossila resurser. De har även permanent tvärbundna nätverk som är svåra att bryta, vilket gör dem icke-återvinningsbara. Det är därför av stort intresse att hitta biobaserade alternativ, särskilt sådana som kan återvinnas eller biologiskt nedbrytas. I detta projekt karaktäriserades fyra biobaserade foto-polymeriserbara hartser, avsedda för 3D-tillverkning av härdplaster, genom sina mekaniska egenskaper och kemiska nedbrytbarhet. De designades med ester- och imingrupper för att kunna använda dynamiska, reversibla bindningar i ett försök att mekaniskt återvinna och kemiskt bryta ned härdplasterna. Hartserna var sammansatta av metakrylerad eugenol, metakrylerad PHB-diol och Schiff-bas metakrylerad förlängd vanillin. Den senare tillförde bra termisk stabilitet, motstånd mot lösningsmedel och mekaniska egenskaper åt härdplasterna. Den mekaniska återvinningen kunde producera sammanhängande plastfilmer genom återskapade bindningar, men de mekaniska egenskaperna försämrades avsevärt från processen. Kemisk nedbrytning av härdplasterna kunde utföras, men ytterligare användning av det nedbrutna materialet undersöktes inte.

The energy sector represents the biggest contributor to global climate change. The concurring efforts to decarbonise electricity and heat generation contribute to the ongoing expansion of renewable energy systems.  The European wind power (WP) capacity is expected to triple by the year 2030, with onshore wind farms accounting for over 80% of new installations. This upswing entails critical demands for construction materials, shifting environmental burdens to the construction phase, compared to the use-phase hotspot of fossil resources. To counteract these magnified impacts, emerging innovations are disrupting conventional wind turbine (WT) technologies. To assess these developments, this study evaluates the future environmental impacts of WP production in Sweden using the emerging prospective life cycle assessment (pLCA) methodology. Six explorative foreground scenarios are developed for a generic Swedish WP plant in the year 2050. The scenarios build on projected national capacity developments, as well as identified key processes of hydrogen-based steel and concrete, as well as wooden WT towers. In addition, the application and propagation of the integrated assessment model REMIND-SSP2-NDC-2050 is deployed to project socio-economic changes in the background system.   Compared to the reference year 2020, all six scenarios show clear improvements of the climate change contribution. Especially “green” materials and wood towers promise significant future potential to accelerate a sustainable transition of Swedish WP production. The combined introduction of green steel, concrete, and hydrogen results in the overall best environmental performance, reducing the global warming potential by 47% from 6,3 g CO2eq per kWh in 2020 to 3,34 g CO2eq per kWh in 2050. However, burden-shifting occurs in particular for cancerous human toxicity and the occupation of agricultural land. While inheriting only 8% higher GWP, the wood tower scenario avoids the shifted effect on human toxicity but increases land occupation and terrestrial acidification even further. For all six scenarios, critical pressures emerge for non-fossil elements resulting from the growing demand for permanent magnet materials. The study’s results highlight a promising outlook for Swedish WP production by 2050 and the corresponding importance of pLCA to facilitate a sustainable transition of the energy sector. / Energisektorn är den sektor som bidrar mest till den globala klimatförändringen. De samtidiga insatserna för att minska koldioxidutsläppen från el- och värmeproduktion bidrar till den pågående utbyggnaden av förnybara energisystem.  Den europeiska vindkraftskapaciteten (WP) förväntas tredubblas fram till år 2030, och vindkraftsparker på land står för över 80% av de nya installationerna. Detta uppsving medför en kritisk efterfrågan på byggmaterial, vilket innebär att miljöbelastningen flyttas från användnings- till byggfasen. För att motverka dessa ökade effekter finns det nya innovationer som förändrar den konventionella tekniken för vindkraftverk (WT). För att bedöma denna utveckling utvärderas i denna studie den framtida miljöpåverkan från produktionen av vindkraftverk i Sverige med hjälp av den nya prospektiva livscykelanalysmetoden (pLCA). Sex explorativa förgrundsscenarier utvecklas för en generisk svensk WP-anläggning år 2050. Scenarierna bygger på förväntad nationell kapacitetsutveckling, samt identifierade nyckelprocesser för vätgasbaserat stål och betong, samt WT-torn av trä. Dessutom används tillämpningen och spridningen av den integrerade utvärderingsmodellen REMIND-SSP2-NDC-2050 för att projicera socioekonomiska förändringar i bakgrundssystemet.   Jämfört med referensåret 2020 visar alla sex scenarierna tydliga förbättringar av bidraget till klimatförändringarna. Särskilt ”gröna” material och trätorn har en betydande framtida potential för att påskynda en hållbar omställning av svensk WPproduktion. Det kombinerade införandet av grönt stål, betong och vätgas resulterar i den övergripande bästa miljöprestandan, vilket minskar den globala uppvärmningspotentialen med 47% från 6,3 g CO2eq per kWh 2020 till 3,34 g CO2eq per kWh 2050. Det sker dock en omfördelning av bördorna, särskilt när det gäller cancerframkallande toxicitet för människor och ianspråktagande av jordbruksmark. Trätornsscenariot, som endast har 8 % högre GWP, undviker rebound-effekten för humantoxicitet men ökar markanvändningen och försurningen av marken ytterligare. För alla sex scenarierna uppstår ett kritiskt tryck på icke-fossila grundämnen till följd av den växande efterfrågan på permanentmagnetmaterial. Studiens resultat belyser en lovande utsikt för svensk WP produktion fram till 2050 och den motsvarande betydelsen av pLCA för att underlätta en hållbar övergång av energisektorn.

Tesis por compendio / [ES] El principal objetivo de la presente tesis doctoral se centra en la obtención de poliésteres alifáticos con propiedades mejoradas para su empleo en procesos industriales aplicando técnicas de fabricación específicas de polímeros como son el proceso de inyección o la fabricación aditiva. Para alcanzar dicho objetivo se proponen diferentes estrategias como la incorporación de aditivos plastificantes de origen natural, la incorporación de cargas naturales, la obtención de mezclas con otros polímeros, así como la incorporación de aditivos orientados al sector médico. En una primera fase, se han estudiado los poliésteres alifáticos de la familia de los polihidroxialcanoatos - PHA. Las modificaciones realizadas a los polihidroxialcanoatos van desde la incorporación de residuos de cáscara de almendra para la obtención de composites, el desarrollo de mezclas binarias con poli(¿-caprolactona) para la mejora de las propiedades dúctiles y el análisis del efecto de diferentes plastificantes derivados de terpenoides, concretamente ésteres de geraniol. En esta primera fase se propone el uso del moldeo mediante inyección para la determinación precisa de las propiedades que alcanzan las formulaciones tras las modificaciones realizadas. Posteriormente se propone el uso de los polihidroxialcanoatos para su empleo en el sector médico debido a sus propiedades biocompatibles y bioabsorbibles. En un primer momento se opta por analizar el efecto de los parámetros a emplear en fabricación aditiva empleando PHA, siendo polímeros con una ventana de procesado bastante estrecha, y con una alta sensibilidad al grado de cristalinidad que alcanzan en función de las condiciones de enfriamiento. La incorporación de aditivos osteoconductores como la hidroxiapatita tiene un especial interés para la mejora del proceso de regeneración ósea; es por ello que se considera como aditivo para PHA en el sector médico. En un primer trabajo, se propone el uso del proceso de moldeo por inyección para determinar las propiedades que se obtienen con la incorporación de las nanopartículas de hidroxiapatita. Posteriormente, esas mismas formulaciones se emplean en impresión 3D para ofrecer una aplicación más directa al sector médico mediante la obtención de scaffolds que pueden ser empleados en procesos de regeneración ósea. Finalmente, esta tesis aborda el empleo de ácido poliláctico - PLA, empleando las técnicas de conformado mediante inyección y fabricación aditiva. El PLA es un poliéster alifático con propiedades y coste interesante, pero presenta una elevada fragilidad; es por ello que el uso de plastificantes naturales derivados de ésteres del ácido itacónico ofrece una especial relevancia para el desarrollo de formulaciones con alta ductilidad. Adicionalmente, el PLA es un material con alto interés en fabricación aditiva. El empleo de diferentes patrones y la cantidad de relleno tiene un efecto marcado sobre el comportamiento mecánico de los componentes fabricados mediante impresión 3D, que también está vinculado con el tiempo necesario para completar la impresión. Una de las aplicaciones interesantes de la fabricación aditiva con PLA, es la fabricación de dispositivos médicos con la capacidad de ser reabsorbidos por el cuerpo humano de forma progresiva. En este sentido se propone el diseño y validación de una prótesis de fijación ósea para fémur. / [CA] El principal objectiu de la present tesi doctoral se centra en l'obtenció de polièsters alifàtics amb propietats millorades per al seu ús en processos industrials aplicant tècniques de fabricació específiques de polímers com són el procés d'injecció o la fabricació additiva. Per a aconseguir aquest objectiu es proposen diferents estratègies com la incorporació d'additius plastificants d'origen natural, la incorporació de càrregues naturals, l'obtenció de mescles amb altres polímers, així com la incorporació d'additius orientats al sector mèdic. En una primera fase, s'han estudiat els polièsters alifàtics de la família dels polihidroxialcanoats - PHA. Les modificacions realitzades als polihidroxialcanoats van des de la incorporació de residus de corfa d'ametla per a l'obtenció de compòsits, el desenvolupament de mescles binàries amb poli(¿-caprolactona) per a la millora de les propietats dúctils i l'anàlisi de l'efecte de diferents plastificants derivats de terpenoids, concretament èsters de geraniol. En aquesta primera fase es proposa l'ús del moldeig mitjançant injecció per a la determinació precisa de les propietats que aconsegueixen les formulacions després de les modificacions realitzades. Posteriorment es proposa l'ús d'aquests polihidroxialcanoats per al seu ús en el sector mèdic donat que tenen propietats biocompatibles i bioabsorbibles. En un primer moment s'opta per analitzar l'efecte dels paràmetres a emprar en fabricació additiva en els utilitzant PHA, donat que es tracta de polímers amb una finestra de processament bastant estreta, i amb una alta sensibilitat pel grau de cristal·linitat que aconsegueixen en funció de les condicions de refredament. La incorporació d'additius osteoconductors com la hidroxiapatita té un especial interés per a la millora del procés de regeneració òssia; és per això que es considera com a additiu per a PHA per al sector mèdic. En un primer treball, es proposa l'ús del procés de moldeig per injecció per a determinar les propietats que s'aconsegueixen amb la incorporació de les nanopartícules d'hidroxipatita. Posteriorment, aqueixes mateixes formulacions s'utilitzen en impressió 3D per oferir una aplicació més directa al sector mèdic mitjançant l'obtenció d'scaffolds que poden ser emprats en processos de regeneració òssia. Finalment, aquesta tesi aborda l'ús de l'àcid poliláctic - PLA emprant les tècniques de conformat mitjançant injecció i fabricació additiva. El PLA és un polièster alifàtic amb propietats i cost interessants, però presenta una elevada fragilitat; és per això que l'ús de plastificants naturals derivats d'èsters de l'àcid itacònic té una especial rellevància per al desenvolupament de formulacions amb alta ductilitat. Addicionalment, el PLA és un material amb alt interés en fabricació additiva. L'ús de diferents patrons i la quantitat de farciment té un efecte marcat sobre el comportament mecànic dels components fabricats mitjançant impressió 3D, que també està vinculat amb el temps necessari per a completar la impressió. Una de les aplicacions interessants de la fabricació additiva amb PLA, és la fabricació de dispositius mèdics amb la capacitat de ser reabsorbits pel cos humà de manera progressiva. En aquest sentit es proposa el disseny i validació d'una pròtesi de fixació òssia per a fèmur. / [EN] The main objective of this thesis is to obtain aliphatic polyesters with improved properties for their application in industrial processes by applying conventional polymer processing techniques such as injection moulding and additive manufacturing. In order to reach the aforementioned objective several strategies are proposed such as the incorporation of natural origin plasticizing additives, the incorporation of natural fillers, the development of polymer blends and the incorporation of additives for the medical sector. The first stage of this research consists in the study of aliphatic polyesters from polyhydroxyalkanoates - PHA. The modifications made to those polymers have been the introduction of almond shell wastes to produce composites, the development of binary blends with poly(¿-caprolactone) to improve ductile properties and the addition of different plasticizers derived from terpenoids, more specifically geraniol esters. In this first stage, injection-moulding is proposed to obtain all the properties and features of the formulations after the aforementioned modifications. Afterwards, the use of these polyhydroxyalkanoates in the medical sector due to they are biocompatible and resorbable, is proposed. First, the effect of the parameters to be used in additive manufacturing of PHA is analysed. These polymers possess a very narrow processing window and a great sensitiveness to the degree of crystallinity depending on the cooling conditions. The incorporation of osteoconductive additives such as hydroxyapatite is of great interest for the improvement of the bone regeneration process, so it is considered as an additive of PHA for medical applications. It is for this reason that in the first work, injection moulding is used for determining the effect of nanohydroxyapatite have on the polymer matrix. Then, the developed formulations are used in 3D printing to assess the feasibility of this technology for the medical sector by obtaining scaffolds structures that can be used in bone regeneration processes. Finally, poly(lactic acid) - PLA is processed by injection-moulding and additive manufacturing to assess the feasibility of these techniques. PLA is a cost-effective aliphatic polyester with balanced properties; nevertheless, it shows high intrinsic brittleness. Therefore, the use of natural plasticizers derived from esters of itaconic acid are of especial interest for the development of formulations with improved toughness. Additionally, PLA is a material with a great interest in additive manufacturing. The use of different patterns and infills used in 3D printing play a key role on mechanical behavior of the 3D-printed components, which is also related to the overall 3D-printing time. One of the interesting applications of additive manufacturing with PLA, is the production of medical devices with the ability to be progressively reabsorbed by the human body. In this sense, the design and validation of a femur fixing prosthesis is proposed. / I would like to thank the Ministry of Universities for their financial support through the FPU grant FPU19/01759 regarding my PhD studies. I am very grateful to Universitat Politècnica de València for their financial support through the FPI PhD grant PAID–2019– SP20190011. I thank the Ministry of Science and Innovation for their financial support to the research group in the projects RTI2018–097249–B–C21, MAT2017–84909–C2–2–R and PID2020–116496RB–C22. I acknowledge Generalitat Valenciana for their grants AICO/2021/025 and CIGE/2021/094 as a support to the research group. / Ivorra Martínez, J. (2023). Procesado y caracterización de formulaciones industriales de poliésteres alifáticos mediante tecnologías de inyección y fabricación aditiva [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/192667 / Compendio

Cette thèse porte sur la synthèse de polyuréthanes thermoplastiques plus durables à partir de dérivés des huiles végétales. La première voie étudiée est basée sur la réaction, largement utilisée, entre un diol et un diisocyanate. Aussi, pour s’affranchir de l’utilisation des diisocyanates toxiques, une approche via la polyaddition entre un bis carbonate cyclique et une diamine a également été étudiée. Pour ce faire des précurseurs bi-fonctionnels : diols, bis carbonates cycliques à 5 et 6 chainons et diamines ont été préparés à partir de dérivés de l’huile de tournesol (oléate de méthyle) et de l’huile de ricin (undécénoate de méthyle et acide sébacique). Les propriétés thermo-mécaniques des polyuréthanes et poly(hydroxyuréthane)s thermoplastiques obtenus ont pu être ajustées par le choix adapté de la structure chimique des précurseurs (gras) utilisés. Les travaux réalisés démontrent un effet de la taille du cycle du carbonate sur la réactivité. En effet, les (bis) carbonates cycliques à 6 chainons se sont avérés plus réactifs que leurs homologues à 5 chainons. De plus, la synthèse de diamines via un intermédiaire dinitrile semble très prometteuse pour le « design » d’une plateforme de diamines issues d’acides gras et de poly(hydroxyuréthane)s entièrement bio-sourcés. / This thesis aims to synthesize more sustainable thermoplastic polyurethanes from vegetable oil derivatives. The first route that has been investigated is based on the well-known reaction between a diol and a diisocyanate. Then to avoid the use of diisocyanates, the route via the polyaddition of a bis cyclic carbonate and a diamine have been studied as well. For this purpose, bifunctional precursors such as diols, bis 5- and 6-membered cyclic carbonates and diamines have been prepared from sunflower oil derivative (methyl oleate) and castor oil derivatives (methyl undecenoate and sebacic acid) The thermo-mechanical properties of the PUs have been modulated by designing and selecting the chemical structure of the (fatty acid-based) monomers. The performed model reaction kinetics revealed the higher reactivity of the 6-membered cyclic carbonates compare to the 5-membered ones. Finally, the developed route to fatty acid-based diamines via dinitriles synthesis in mild conditions was really efficient and this route is really promising to develop a fatty acid based-diamines platform and fully bio-based poly(hydroxyurethane)s.

L'objectif de la thèse est d'étudier la transformation de la fraction cellulosique de la biomasse en acide lévulinique. Cet acide est une molécule plateforme permettant un accès à de multiples produits, tels que des solvants, des monomères ou encore des molécules à plus forte valeur ajoutée.Nous proposons d'étudier la transformation de la cellulose en acide lévulinique catalysée par des solutions aqueuses concentrées en acides de Brønsted. La forte acidité de ces milieux et leur capacité à rompre les liaisons hydrogène de la cellulose rendent possible des réactions à température modérée (80°C), ce qui laisse espérer la production sélective d'acide lévulinique.L'état de l'art concernant la production d'acide lévulinique à partir de glucose ou de cellulose est d’abord présenté, ainsi qu’une étude bibliographique sur les techniques permettant la mesure d’acidité de milieux concentrés.La caractérisation de l’acidité des milieux semblant être un point clé pour contrôler la réaction, la seconde partie concernera les mesures d’acidité des milieux concentrés utilisés. La méthodologie expérimentale pour identifier et quantifier les produits de réaction de la cellulose ainsi que les paramètres critiques qui la régissent sont ensuite détaillés.Enfin l’étude s’achèvera par deux chapitres traitant de la transformation du glucose ou la cellulose en acide lévulinique dans des milieux comportant une forte acidité de Brønsted combinée, ou non, avec des sels métalliques. La transformation du glucose conduit à des sélectivités en acide lévulinique de 50 mol% dans l’acide sulfurique 65 % et supérieures à 70 mol% dans l'acide sulfurique 48 % en présence de chlorure d'aluminium hydraté. La transformation de la cellulose conduit à des sélectivités en acide lévulinique d'environ 43 mol% dans les milieux acides de Brønsted concentrés et 60 mol% lorsque des sels métalliques sont ajoutés. De telles sélectivités en acide lévulinique n'ont jamais été décrites dans les milieux concentrés. / The thesis presented in this document aims at converting lignocellulosic biomass into levulinic acid. This target is a valuable building block which can lead to various products.This platform intermediate can be obtained by acid-catalyzed conversion of cellulose contained in raw biomass. However, the state of the art concerning this acid-catalyzed reaction revealed that the current conditions (diluted acids in harsh temperature conditions) result in numerous by-products formation. The selectivity issue often deals with process control, in particular with reaction time optimization.Our approach lies in using concentrated Brønsted acids as alternative media to catalyze cellulose conversion. Indeed, the high acidity level allow the interaction with hydrogen bonds in cellulose fibrils and favor cellulose decristallization. This property should promote the transformation of cellulose into levulinic acid at lower temperature thus limiting the formation of by-products. Therefore, acidity measurements in such media have been developed and performed. An extensive study on glucose and Avicel cellulose conversion in concentrated aqueous solutions of sulfuric acid was performed at 80°C. Levulinic acid yields, up to 50 mol%, were determined by HPLC analysis and a special attention was dedicated to the identification and quantification of soluble or insoluble by-products, allowing the characterization of new species never described in aqueous solutions. Referring to the acidity levels previously determined, a comparison between acidity and catalytic results will be setted.Finally, the effect of metallic chloride addition on the transformation of glucose and cellulose in sulphuric acid solutions has been investigated, revealing improvements yielding up to 70 mol% levulinic acid. This range of selectivity is unprecedented at such a low temperature.

Cirkulär ekonomi bygger på principerna om att designa bort avfall, där avfall ses som en råvaruresurs. För att övergå till ett fossilfritt samhälle kommer material från förnyelsebara råvaror att behövas. Biobaserade material har oftast inte samma tekniska egenskaper och estetiska uttryck som befintliga material, biobaserade DIY-material utvecklade från okonventionell råvaruresurs kan väcka starka positiva och negativa reaktioner hos användarna. Studien har undersökt hur man i en Material driven designprocess genom form och kultur kan skapa acceptans för ett biobaserat DIY material från en okonventionell råvaruresurs. Studiens huvudsyfte har varit att bidra med ny kunskap för att underlätta för designers i en Material Driven Designprocess, att identifiera användningsområden och produktform som kan stärka materialacceptans hos användare. Fördjupningsområden i studien är teorier för Hållbar utveckling, Cirkulär ekonomi, Bioekonomi, Material Driven Design for Sustainability och Culture Sensitive Design. Huvudmetoden i studien har varit Material Driven design, vilket innefattas av ett flertal designmetoder. Studien visar på att den kulturella koppling mellan användarna och råvarans ursprung har i denna studie haft en signifikant betydelse för material acceptansen genom att skapa mening för användaren och att materialet primärt behöver applicerat i en produkt på ett sådant sätt att användaren känner tillit till dess prestanda. Resultatet presenteras i form av ett förslag på en användare studie och en produktprototyp. / A circular economy is based on the principles of designing away waste, where waste is seen as a raw material resource. To move to a fossil-free society, materials from renewable raw materials will be needed. Bio-based materials usually do not have the same technical characteristics and aesthetic expressions as existing materials, bio-based DIY materials developed from unconventional raw material resources can provoke strong positive and negative reactions among users. This study has investigated how a Material-driven design process through form and culture can create acceptance for a bio-based DIY material from an unconventional raw material resource. The study's main purpose has been to contribute with new knowledge to make it easier for designers in a Material Driven Design process to identify uses and product forms that can strengthen material acceptance among users. In-depth areas in the study are theories for Sustainable Development, Circular Economy, Bioeconomy, Material Driven Design for Sustainability and Culture Sensitive Design. The main method of the study has been Material Driven Design, which is covered by several design methods. The study shows that the cultural link between the users and the origin of the raw material has had a significant impact on material acceptance by creating meaning for the user and that the material primarily needs to be applied in a product in such a way that the user has confidence in its performance. The results are presented in the form of a proposal for a user study and a product concept.

Cellulosananofibriller (CNFs) hör till naturens mest fundamentala byggstenar och förser naturliga material, såsom den yttre cellväggen i trä, med en otrolig styrka och styvhet. Genom att imitera träets arkitektur öppnas möjligheter upp för tillverkning av nya, biobaserade och lättviktiga strukturella material med mekaniska egenskaper som överskrider de för glasfiber, metaller och legeringar. Den ingenjörsmässiga utmaningen ligger i att framgångsrikt lyckas överföra de önskade mekaniska egenskaperna hos CNFs till filament som kan användas i material för dagligt bruk. Vid flödesfokuserad spinning av extraherade CNFs påverkar många parametrar den slutgiltiga funktionaliteten och kvaliteten hos de resulterande filamenten. För att optimera dessa processparametrar är mätning av de spunna filamentens dimensioner ett viktigt moment. Av särskilt intresse är filamentbredden, eftersom den är avgörande för de mekaniska egenskaperna. Karakterisering av filamentbredden är i dagsläget en mycket tidskrävande process där varje filament mäts manuellt i optiskt mikroskop. Det huvudsakliga målet med detta projekt är att effektivisera den nuvarande mätprocessen med avseende på både hastighet och noggrannhet med hjälp av laserspridning. I denna rapport visar vi på minst en halvering av nuvarande mättid vid användandet av en 3D-printad laseruppställning istället för ett optiskt mikroskop vid mätning av filamentbredd. Våra resultat indikerar att mätsäkerheten generellt är högre för lasermetoden jämfört med mikroskopin. Genomsnittliga standardavvikelser för mätvärden på tunnaste bredden från mikroskopi samt de två olika kurvanpassningsmetoderna vid lasermätning rapporteras vara 1.62, 0.85 (Curve fit) respektive 1.59 (Minima matching). Standardavvikelserna för tunnaste bredd korrelerar dock inte direkt mot metodernas noggrannhet eftersom de spunna filamenten uppvisar en stor variation i bredd längs med längden. En närmare jämförelse mellan mätvärden för matchade punkter på ideala och defekta filament demonstrerar att icke-uniforma och defekta filament påverkar mätnoggrannheten för laserspridningen negativt. Sammantaget stödjer våra resultat det faktum att ett tunnare filament resulterar i bättre upplösning och mindre mätfel vid mätning med laserspridning. Våra resultat visar på den stora potentialen för laserspridning som en mer effektiv mätmetod vid karakterisering av cellulosafilamentbredd. / Cellulose nanofibrils (CNFs) are one of nature’s most fundamental building blocks, providing incredible strength and stiffness to natural materials, such as the outer cell wall layer in wood. By mimicking the architecture of wood, possibilities opens up for the fabrication of new, biobased, light-weight structural materials with mechanical properties exceeding that of glassfibers, metals and alloys. However, the engineering challenge lies in successfully managing to translate the desirable mechanical properties of the CNFs into filaments that can be used in everyday life materials. Throughout the process of spinning the extracted CNFs into filaments, many factors and parameters affect the ultimate functionality and performance of the resulting filaments. Measuring the dimensions of the spun filaments is a crucial step in further optimizing process parameters. The width of the filament especially, impacts its mechanical performance. The characterization of the cellulose filament width is currently very time-consuming as each filament is manually measured using optical microscopy. The primary goal of this project is to make the current characterization process more effective, with respect to both accuracy and speed of measurement, by using laser scattering. In this report, we demonstrate a reduction by more than a half in measurement time using a 3D-printed laser scattering setup instead of an optical microscope when measuring filament width. Our results indicate that the certainty in measurement is generally higher for lase rscattering compared to optical microscopy. The mean standard deviations (SD) for the smallest widths estimated with optical microscopy and the two curve fitting methods used for the laser measurements are reported to be 1.62, 0.85 (Curve fit) and 1.59 (Minima matching) respectively. However, standard deviations for the thinnest width does not correlate directly to the accuracy of the methods since the spun filaments show a large variation in width along the length. A closer comparison between measurement values for matched points at ideal and non-uniform filaments demonstrate that the accuracy of the laser measurements are dependent on the uniformity of the filaments, with non-uniform filaments negatively impacting the accuracy. Our overall results supports the fact that a thinner filament gives a better resolution and smaller error when measuring with laser. Our results provide evidence for the great potential of laser scattering as a more efficient method for cellulose filament width determination.