University of Oulu

Paper-based composites via the partial dissolution route with NaOH/urea

Saved in:
Author: Hildebrandt, Nils Christoph1,2,3
Organizations: 1University of Oulu Graduate School
2University of Oulu, Faculty of Technology
3Duale Hochschule Baden-Württemberg Karlsruhe
Format: ebook
Version: published version
Persistent link: http://urn.fi/urn:isbn:9789526221243
Language: English
Published: Oulu : University of Oulu, 2018
Publish Date: 2018-12-04
Thesis type: Doctoral Dissertation
Defence Note: Academic dissertation to be presented with the assent of the Doctoral Training Committee of Technology and Natural Sciences of the University of Oulu for public defence in the Arina auditorium (TA105), Linnanmaa, on 14 December 2018, at 12 noon
Tutor: Professor Mirja Illikainen
Professor Jukka-Pekka Valkama
Doctor Petteri Piltonen
Reviewer: Associate Professor Julien Bras
Associate Professor Mark Staiger
Opponent: Docent Elias Retulainen
Description:

Abstract

Replacing the plastics in packaging applications with bio based and biodegradable cellulosic materials, especially all cellulose composites, would be a sustainable alternative. The main problem would be the non ecological and non economic nature of the processing required by all cellulose composites due to the use of toxic and expensive chemicals such as cellulose solvents. In addition, the raw materials typically studied for all cellulose composites have been highly specialized cellulosic pulps.

This thesis therefore explores the possibility of using NaOH/urea as a cellulose solvent together with commercially available chemical pulps from the paper and board industry for the production of sustainable all cellulose composites materials. Furthermore, the effect of calendering and fibre orientation was investigated. The methods used for characterizing the materials were tensile strength measurements, X Ray diffraction, imaging and the short compression strength test. In connection with the X Ray diffraction measurements a method for evaluating the crystallinity of cellulose was modified from the literature and partly automated.

The results show that NaOH/urea is a suitable solvent for producing all cellulose composites within a significant shorter time than reported in the literature. In addition, the tensile strength of the paper used for this purpose could be increased up to ten times and it is shown that the dissolution of cellulose fibres was indeed only partial. The efficiency of the treatment is nevertheless greatly dependent on the pulps used and their hemicellulose and lignin content. Further post-processing in the form of calendering is not recommended because it weakens the composites.

see all

Tiivistelmä

Fossiilisien muovien korvaaminen biopohjaisilla ja -hajoavilla materiaaleilla pakkausteollisuuden sovelluksissa on ympäristön kannalta kestävä vaihtoehto, varsinkin kun materiaalina käytetään itselujittuva selluloosakomposiitti (eng. all-cellulose composite). Tämän materiaalin teollinen valmistus ei kuitenkaan ole vielä ollut taloudellisesti kannattavaa eikä ympäristöystävällistä, koska selluloosan liuotukseen tarvitaan kalliita ja ympäristölle haitallisia kemikaaleja. Lisäksi raaka-aineena on aiemmin käytetty kalliita erikoisselluloosakuituja.

Edellä mainituista syistä tässä väitöskirjatyössä tutkitaan itselujittuvien selluloosakomposiittien valmistusta käyttäen raaka-aineina kaupallisesti saatavilla olevia selluloosakuituja ja niiden liuottimena NaOH/urean vesiliuosta. Tämän liuottimen etuja ovat vähäinen myrkyllisyys, edullisuus ja riittävien määrien saatavuus teolliseen tuotantoon. Lisäksi työssä tutkitaan kalanteroinnin ja kuituorientaation vaikutusta komposiitin ominaisuuksiin. Käytettyjä analyysimenetelmiä ovat röntgendiffraktio, elektronimikroskoopilla kuvantaminen ja erityyppiset mekaaniset testit. Röntgendiffraktiomittausten tulosten arvioinnissa käytetään aiemmin raportoidusta menetelmästä kehitettyä osin automatisoitua selluloosan kiteisyyden määrittämisen menetelmää.

Tulosten perusteella voidaan sanoa, että NaOH/urea on sopiva liuotin itselujittuvien selluloosakomposiittien valmistukseen ja sillä prosessia voidaan nopeuttaa huomattavasti muihin raportoituihin menetelmiin verrattuna. Raaka-aineena käytetyn paperin vetolujuus parani liuotinkäsittelyllä jopa kymmenkertaiseksi. Liuotinkäsittelyn tehokkuus riippui paljon käytettyjen selluloosakuitujen tyypistä ja niiden hemiselluloosa- ja ligniinipitoisuuksista.

see all

Series: Acta Universitatis Ouluensis. C, Technica
ISSN: 0355-3213
ISSN-E: 1796-2226
ISSN-L: 0355-3213
ISBN: 978-952-62-2124-3
ISBN Print: 978-952-62-2123-6
Issue: 687
Subjects: