Stability and properties of cellulose-sodium hydroxide solution systems

Abstract

Since cellulose is a linear macromolecule it can be used as a material for regenerated cellulose fiber products e.g. in textile fibers or film manufacturing. Cellulose is not thermoformable, thus the manufacturing of these regenerated fibers is mainly possible through dissolution processes preceding the regeneration process. However, the dissolution of cellulose in common solvents is hindered due to inter- and intra-molecular hydrogen bonds in the cellulose chains, and relatively high crystallinity. Interestingly at subzero temperatures relatively dilute sodium hydroxide solutions can be used to dissolve cellulose to a certain extent.

The objective of this work was to investigate the possible factors that govern the solubility of cellulose in aqueous NaOH and the solution stability. Cellulose-NaOH solutions have the tendency to form a gel over time and at elevated temperature, which creates challenges for further processing. The main target of this work was to achieve high solubility of cellulose in aqueous NaOH without excessively compromising the solution stability.

In the literature survey an overview of the cellulose dissolution is given and possible factors contributing to the solubility and solution properties of cellulose in aqueous NaOH are reviewed. Furthermore, the concept of solution rheology is discussed. In the experimental part the focus was on the characterization of the used materials and properties of the prepared solutions mainly concentrating on cellulose solubility and solution stability.

Selluloosa on lineaarinen makromolekyyli, minkä vuoksi se soveltuu regeneroitujen selluloosakuitutuotteiden valmistamiseen. Mahdollisia käyttökohteita regeneroiduille kuiduille ovat esimerkiksi tekstiilikuidut ja erilaiset kalvorakenteet. Koska selluloosa ei ole lämpömuovautuva, selluloosa täytyy liuottaa ennen regenerointia. Tavallisimpien liuottimien käyttö on kuitenkin ongelmallista, sillä selluloosan vahvat molekyylien sisäiset ja väliset vetysidokset sekä suhteellisen korkea kiteisyys estävät liukenemisen. Aiempien tutkimuksien perusteella on kuitenkin osoitettu, että laimeaa natriumhydroksidia voidaan käyttää selluloosan liuottamiseen alhaisissa lämpötiloissa. Työn tarkoituksena oli määrittää mahdolliset muuttujat, jotka vaikuttavat oleellisesti selluloosan liukenemiseen ja liuosten stabiliteettiin. Selluloosa-NaOH -liuoksilla on taipumus geeliytyä ajan myötä sekä korkeissa lämpötiloissa, mikä aiheuttaa ongelmia prosessoinnin seuraavissa vaiheissa. Tavoitteena oli saavuttaa mahdollisimman korkea selluloosan liukoisuus NaOH-liuoksiin vaarantamatta liuoksen stabiliteettia. Työn kirjallisuusosassa käsitellään selluloosan liuotuksessa olennaiset parametrit ja niiden vaikutukset valmistettujen selluloosa-NaOH liuoksien ominaisuuksiin. Lisäksi keskitytään liuosten reologiaan. Kokeellisen osan tarkoituksena oli määrittää ja arvioida mahdolliset muuttujat, jotka vaikuttavat selluloosaan liukenemiseen ja valmistettujen liuosten ominaisuuksiin. Näistä tärkeimpinä olivat liukoisuus ja liuosten stabiliteetti.