The chemical synthesis and characterization of a cellulose derivative

Abstract

Cellulose carbamation is a chemical modification method which facilitates dissolution in a cold NaOH solvent and subsequent regeneration into products such as films or textile fibers. Typically, the carbamation reaction starts from urea which is decomposed in a high temperature and generates isocyanic acid. It reacts with cellulose hydroxyl groups forming cellulose carbamate. Additional drying and/or washing steps can be involved.

In this thesis, a couple distinctive carbamation methods were studied to assess their applicability and scalability. The first method was a hot press which is typically used in the plywood and textile industries. The second method was a closed reactor which provided an opportunity to prevent the gaseous reactant from escaping the reaction environment.

The hot press carbamation turned out to produce a material with the desired extent of carbamation and other properties. The reaction time was in the scale of minutes, which makes the hot press an attractive method. The closed reactor produced a carbamated product which was also hydrolyzed to a significant extent. The hydrolysis had a high effect on the level of carbamation.

In addition, the carbamated products were characterized by nitrogen content analysis and FTIR-ATR to compare the methods in determining the degree of substitution. FTIR-ATR was not able to accurately analyze the DS on all samples – however, there were significant differences between samples carbamated on different methods.

Selluloosan karbamointi on kemiallisen muokauksen menetelmä, joka mahdollistaa selluloosan liuotuksen kylmään NaOH-liuottimeen, sekä regeneroinnin tuotteiksi, kuten filmeiksi tai tekstiilikuiduiksi. Tyypillisesti karbamointireaktion lähtöaine on urea, joka hajoaa korkeassa lämpötilassa tuottaen isosyaanihappoa. Se reagoi selluloosan hydroksyyliryhmien kanssa tuottaen selluloosakarbamaattia. Prosessissa voi olla myös lisäksi pesu- tai kuivausvaiheita.

Tässä diplomityössä tutkitaan muutamaa erilaista karbamointimetodia, jotta niiden soveltuvuutta ja skaalattavuutta voitaisiin arvioida. Ensimmäinen metodi oli kuumaprässi, jota tyypillisesti käytetään vaneri- ja tekstiiliteollisuudessa. Toinen metodi oli suljettu reaktori, joka esti kaasumaista reaktanttia karkaamasta reaktioympäristöstä.

Kuumaprässikarbamointi tuotti materiaalin, jolla oli haluttu karbamointiaste ja muut ominaisuudet. Reaktioaika oli minuuttien luokkaa, joka tekee kuumaprässistä houkuttelevan metodin. Suljettu reaktori tuotti karbamoidun tuotteen, joka oli hydrolysoitunut merkittävästi. Hydrolyysilla oli suuri vaikutus karbamointiasteeseen.

Lisäksi, karbamoidut tuotteet karakterisoitiin typpipitoisuusanalyysilla ja FTIR-ATR:llä, jotta metodeja voitiin verrata substituutioasteen määrittämisessä. FTIR-ATR ei pystynyt analysoimaan substituutioastetta tarkasti kaikilla näytteillä – kuitenkin, eri metodeilla karbamoitujen näytteiden välillä oli merkittäviä eroja.