Nanocellulose grafted with glycidyl methacrylate as additive for mortar : enhancement of mortar hydrophobic behaviour

This M.Sc. thesis work is focused on the study of the behaviour of mortar with the addition of modified and functionalized nanocelluloses. The research for "green products" as additives to the mortar has increased due to the construction industry strong environmental impact mainly due to the high Carbon Footprint. An improvement in the behaviour of the mortar, including an increase in tensile strength or an increase in hydrophobicity, can be obtained by adding vegetable fibres, too. The hydrophilic behaviour of the mortar is a disadvantage because the possible penetration of water and other compounds can lead to corrosion of the steel reinforcement and create structural damage. In this work, the goal was to improve the hydrophobicity of the mortar by adding different types of nanocellulose. The nanocelluloses were obtained from cotton (cotton wool and cotton waste) through two different chemical treatments: TEMPO-mediated oxidation and acid hydrolysis. Therefore, the nanocelluloses obtained have different functional groups, which show a different hydrophobicity behaviour. Furthermore, to improve the hydrophobic behaviour of the nanocelluloses, a functionalization with glycidyl methacrylate was performed through a Fenton-type reaction. This type of functionalization had already been used to increase the hydrophobicity of cellulose. Various concentrations of nanocellulose in the mortar were also tested. The hydrophilic and hydrophobic behaviour was studied through water capillary absorption and contact angle tests. Moreover, considering that the addition of titanium dioxide to cementitious materials is a well-established approach to use its photocatalytic reactions capable of degrading nitrogen oxides (NOx) and volatile organic compounds (VOCs), the nanocellulose influence on the activity of titanium dioxide in the mortar was evaluated through photocatalytic tests.

Questo lavoro di tesi magistrale è focalizzato sullo studio del comportamento della malta contenente nanocellulosa modificata e funzionalizzata mediante reazioni chimiche. L’impegno nella ricerca di “prodotti verdi” come additivi alla malta è incrementato a causa del forte impatto ambientale che l'industria delle costruzioni costituisce, dovuto soprattutto all’elevata Carbon Footprint (impronta di carbonio). Inoltre, un miglioramento delle caratteristiche della malta tra cui un aumento della resistenza a trazione o un aumento della idrofobicità può essere ottenuto attraverso l’aggiunta di fibre vegetali. Il comportamento idrofilo della malta è un punto sfavorevole perché la possibile penetrazione di acqua e di altri composti può portare alla corrosione dell’armatura in acciaio e quindi creare danni strutturali. In questo lavoro l’obbiettivo è stato il miglioramento dell’idrofobicità della malta attraverso l’aggiunta di differenti tipi di nanocellulose. Le nanocellulose sono ottenute dal cotone (cotone idrofilo e scarti di cotone) attraverso due diversi trattamenti chimici: ossidazione mediante TEMPO e idrolisi acida. Quindi le nanocellulose ottenute hanno gruppi funzionali diversi, che mostrano un comportamento all’idrofobicità diverso. Inoltre, per migliorare il comportamento di idrofobicità delle nanocellulose viene eseguita una funzionalizzazione attraverso la reazione di Fenton con glicidil metacrilato. Questo tipo di funzionalizzazione era già stato utilizzato per aumentare l’idrofobicità della cellulosa. È stato inoltre studiato varie concentrazioni di nanocellulosa nella malta. Il comportamento idrofilo e idrofobico è stato studiato attraverso prove di assorbimento capillare e angolo di contatto. Inoltre, considerato che l’aggiunta di biossido di titanio a materiali cementizi è una pratica sviluppata per sfruttare le sue reazioni fotocatalitiche in grado di degradare ossidi di azoto (NOx) e composti organici volatili (VOCs), è stato esaminato l’influsso che può avere la nanocellulosa sull’attività del biossido di titanio nella malta, attraverso prove fotocatalitiche.