Rheology and flocculation of polymer-modified microfibrillated cellulose suspensions

 |  Login

Show simple item record

dc.contributor Aalto-yliopisto fi
dc.contributor Aalto University en
dc.contributor.advisor Pietikäinen, Pirjo, Dr., Aalto University, Department of Biotechnology and Chemical Technology, Finland
dc.contributor.author Karppinen, Anni
dc.date.accessioned 2014-09-19T09:00:11Z
dc.date.available 2014-09-19T09:00:11Z
dc.date.issued 2014
dc.identifier.isbn 978-952-60-5835-1 (electronic)
dc.identifier.isbn 978-952-60-5834-4 (printed)
dc.identifier.issn 1799-4942 (electronic)
dc.identifier.issn 1799-4934 (printed)
dc.identifier.issn 1799-4934 (ISSN-L)
dc.identifier.uri https://aaltodoc.aalto.fi/handle/123456789/14028
dc.description.abstract In this thesis, the rheology and flocculation of microfibrillated cellulose (MFC) suspensionswas modified using different cationic and anionic polymers and surface modification. For this purpose, MFC suspensions were studied simultaneously with a dynamic rotational rheometer and two imaging methods. The flocculation tendency of the suspensions was mainly evaluated using photographing through a transparent rheometer cup, and for some suspensions, optical coherence tomography (OCT), which gives information of the structure and flow of thesuspension inside the gap. Three cationic polymers were studied as flocculants: two small molecular weight, high charge density polymethacrylates and high molecular weight, low charge density cationic polyacrylamide (CPAM). Polymethacrylates changed the gel strength of the MFC suspensions but did not have a significant effect on the flocculation even at a high polymer concentration. Instead, CPAM affected the gel strength and flocculation drastically at low concentrations. CPAM formed bridges between the MFC fibers, thus making the flocs very strong. Carboxymethylcellulose (CMC), xanthan gum and three different anionic polyacrylamides (APAM) were tested as dispersants for the MFC suspensions. They all reduced the gel strength of the suspensions at optimized concentration and prevented shear-induced flocculation. The dispersion mechanism was probably a combination of increased viscosity of the suspending medium and the entrapment of the polymer chains between the approaching MFC fibers. CMC and xanthan gum were more effective at preventing shear-induced flocculation than APAMs. Oxidation of pulp with TEMPO (2,2,6,6-tetramethylpiperidine-1-oxyl radical) before grindingit to MFC gives the fibers negative surface charge and enhances the fibrillation upon grinding. The dimensions of the resulting fibers were smaller than without any pretreatment. Its water suspension was transparent and therefore the flocculation of the fibers could not be directly studied with the imaging methods. The gel strength was close to that of native MFC, although TEMPO-oxidized fibers have a higher surface charge. The combination of rheometry and imaging proved to be a useful tool to study the effect of flocculants and deflocculants on the MFC suspensions. The direct observation of the suspension structure aided the interpretation of the rheological results. The measurement of the gel strength is an easy way to optimize the flocculant or deflocculant concentration for MFC suspensions in processing or different applications. en
dc.description.abstract Tässä työssä tutkittiin mikrofibrilloidun selluloosan (MFC) reologiaa samanaikaisesti flokkautumisen kanssa sekä näiden ominaisuuksien muokkausta polymeereillä tai pintavarauksella. Tutkimiseen käytettiin reometriä sekä kahdenlaista kuvantamismenetelmää. Analyysi perustui pääosin valokuviin, joita otettiin läpinäkyvän näytekupin läpiflokkirakenteesta. Lisäksi joitakin näytteitä tutkittiin optisella koherenssitomografialla (OCT), jonka avulla voidaan tutkia rakennetta syvemmällä suspensiossa. Työssä tutkittiin kolmea kationista polymeeriä: kahta pienimoolimassaista ja korkeavarauksista polymetakrylaattia sekä suurimoolimassaista kationista polyakryyliamidia (CPAM). Polymetakrylaatit nostivat MFC:n geelilujuutta optimoidulla konsentraatiolla mutta eivät merkittävästi vaikuttaneet MFC:n flokkirakenteeseen. CPAM puolestaan flokkuloi MFC:tä voimakkaasti ja aiheutti suurilla polymeeripitoisuuksilla jopa pysyviä flokkeja suspensioon sekä nosti geelilujuutta alhaisilla polymeeripitoisuuksilla. Karboksymetyyliselluloosaa (CMC), ksantaanikumia ja kolmea anionista polyakryyliamidia (APAM) tutkittiin dispergointiaineina MFC:lle. Kaikki anioniset polymeerit laskivat MFC-suspension geelilujuutta optimoidussa konsentraatiossa ja estivät leikkauksesta johtuvaa flokkuloitumista. CMC ja ksantaanikumi olivat tehokkaampia dispergoinnissa kuin APAM:t. Eri APAM:ja tutkittaessa huomattiin, että korkeampi varaus ja moolimassa vähensivät polymeerimäärää, joka tarvittiin optimaaliseen dispergointiin. Dispergointi oli luultavasti seurausta useammasta tekijästä: väliaineen korkeammasta viskositeetista ja toisaalta polymeeriketjuista lähestyvien MFC-kuitujen välissä. Hapettamalla sellukuituja ennen jauhamista TEMPO-radikaalilla (2,2,6,6-tetrametyylipiperidiini-1-oksyyli) mahdollistaa pienempien kuitujen tuottamisen, joilla on lisäksi negatiivinen pintavaraus. TEMPO-hapettamalla esikäsitellyt nanokuidut muodostivat läpinäkyvän suspension, jonka flokkuloitumista ei voitu luotettavasti seurata käytetyillä kuvantamismenetelmillä. TEMPO-hapetettujen nanokuitujen geelilujuus oli samaa luokkaakuin käsittelemättömän MFC:n, mikä oli hieman yllättävää ottaen huomioon niiden suuremman pintavarauksen. Yhdistämällä reometri tämän kaltaisiin kuvantamismenetelmiin voidaan kattavasti tutkia flokkulanttien ja dispergointiaineiden vaikutusta MFC-suspensioiden ominaisuuksiin, sillä kuvantamismenetelmät ohjaavat reologisten tulosten tulkintaa. Tällainen mittaus on myös helppo tapa optimoida polymeerilisäaineiden määrä MFC:n prosessoinnissa tai erilaisissa sovelluksissa. fi
dc.format.extent 78 + app. 98
dc.format.mimetype application/pdf en
dc.language.iso en en
dc.publisher Aalto University en
dc.publisher Aalto-yliopisto fi
dc.relation.ispartofseries Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS en
dc.relation.ispartofseries 129/2014
dc.relation.haspart [Publication 1]: Karppinen, Anni; Saarinen, Tapio; Salmela, Juha; Laukkanen, Antti; Nuopponen, Markus; Seppälä, Jukka “Flocculation of microfibrillated cellulose in shear flow”, Cellulose 19 (2012) 1807–1819. DOI: 10.1007/s10570-012-9766-5
dc.relation.haspart [Publication 2]: Saarinen, Tapio; Haavisto, Sanna; Sorvari, Anni; Salmela, Juha; Seppälä Jukka ”The effect of wall depletion on the rheology of microfibrillated cellulose water suspensions by optical coherence tomography”, Cellulose (2014) DOI 10.1007/s10570-014-0187-5.
dc.relation.haspart [Publication 3]: Karppinen, Anni; Vesterinen, Arja-Helena; Saarinen, Tapio; Pietikäinen, Pirjo; Seppälä, Jukka “Effect of cationic polymethacrylates on the rheology and flocculation of microfibrillated cellulose”, Cellulose 18 (2011) 1381-1390. DOI: 10.1007/s10570-011-9597-9
dc.relation.haspart [Publication 4]: Sorvari, Anni; Saarinen, Tapio; Haavisto, Sanna; Salmela, Juha; Vuoriluoto, Maija; Seppälä, Jukka “Modifying the flocculation of microfibrillated cellulose suspensions by soluble polysaccharides under conditions unfavorable to adsorption”, Carbohydrate Polymers, 106 (2014) 283-292. DOI: DOI: 10.1016/j.carbpol.2014.02.032
dc.relation.haspart [Publication 5]: Korhonen, Markus H.J.; Sorvari, Anni; Saarinen, Tapio; Seppälä, Jukka; Laine, Janne; “Deflocculation of cellulosic suspensions with anionic high molecular weight polyelectrolytes”, BioResources, 9(2) (2014) 3550-3570.
dc.relation.haspart [Publication 6]: Mohtaschemi, Mikael; Sorvari, Anni; Puisto, Antti; Nuopponen, Markus; Seppälä, Jukka; Alava, Mikko J. “The vane method and kinetic modeling: Shear rheology of nanofibrillated cellulose suspensions”, Cellulose (2014) DOI: 10.1007/s10570-014-0409-x.
dc.subject.other Chemistry en
dc.subject.other Paper technology en
dc.title Rheology and flocculation of polymer-modified microfibrillated cellulose suspensions en
dc.title Polymeereillä muokattujen nanoselluloosasuspensioiden reologia ja flokkautuminen fi
dc.type G5 Artikkeliväitöskirja fi
dc.contributor.school Kemian tekniikan korkeakoulu fi
dc.contributor.school School of Chemical Technology en
dc.contributor.department Biotekniikan ja kemian tekniikan laitos fi
dc.contributor.department Department of Biotechnology and Chemical Technology en
dc.subject.keyword microfibrillated cellulose en
dc.subject.keyword rheology en
dc.subject.keyword image analysis en
dc.subject.keyword flocculation en
dc.subject.keyword polyelectrolyte en
dc.subject.keyword gel strength en
dc.subject.keyword mikrofibrilloitu selluloosa fi
dc.subject.keyword reologia fi
dc.subject.keyword kuva-analyysi fi
dc.subject.keyword flokkuloituminen fi
dc.subject.keyword polyelektrolyytti fi
dc.subject.keyword geelilujuus fi
dc.identifier.urn URN:ISBN:978-952-60-5835-1
dc.type.dcmitype text en
dc.type.ontasot Doctoral dissertation (article-based) en
dc.type.ontasot Väitöskirja (artikkeli) fi
dc.contributor.supervisor Seppälä, Jukka, Prof., Aalto University, Department of Biotechnology and Chemical Technology, Finland
dc.opn Söderberg, Daniel, Prof., KTH Royal Institute of Technology, Sweden
dc.contributor.lab Polymer Technology en
dc.rev Hubbe, Martin, Prof., North Carolina State University, USA
dc.rev Lindström, Tom, Prof., KTH Royal Institute of Technology, Sweden
dc.date.defence 2014-10-17


Files in this item

This item appears in the following Collection(s)

Show simple item record

Search archive


Advanced Search

article-iconSubmit a publication

Browse

My Account