Novel alpha-1,3-glucan fibrid based additives for paper and board
No Thumbnail Available
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Kemian tekniikan korkeakoulu |
Master's thesis
Authors
Date
2023-10-09
Department
Major/Subject
Biosystems and Biomaterials Engineering
Mcode
CHEM3028
Degree programme
Master’s Programme in Life Science Technologies
Language
en
Pages
61 + 1
Series
Abstract
As the demand for paperboard is rising due to both rise in e-commerce and ecologic motivations, there is a need to develop more effective and greener dry strength additives. Better dry strength additives enable the use of less material, making the product lighter, while achieving both economic and ecological benefits. Recently, an enzymatic method of producing alpha-1,3-glucan, a polysaccharide traditionally found in fungal cell walls, was developed. This makes alpha-1,3-glucan, historically under-utilized polysaccharide, an interesting base for chemicals. It has many of the same strengths as cellulose (beta-1,4-glucan) such as renewability, biodegradability, insolubility in water, high hydrogen bonding potential, stiffness, etc., while being soluble in sodium hydroxide, unlike cellulose, which requires harsher (or more expensive) chemicals to be used for dissolution. Furthermore, alpha-1,3-glucan can be dissolved and subsequently precipitated while under high shear force to produce a MFC like product termed fibrids. In this study, the fibrids were precipitated in the presence of glyoxalated polyacrylamide, to produce an efficient dry strength additive. The product prepared with highest cationicity GPAM was found to provide the highest strength handsheets. Also, the medium cationicity products performed better than the reference points with same chemicals dosed separately or pre-mixed points throughout the study. The furnish with the fibrid/GPAM product had also the lowest water retention values, another desirable quality for the product, considering machine speeds and drying costs. Overall, the method introduced in this thesis worked to produce effective dry strength additives. However, the phenomenon behind the better performance is not as straight forward as expected. The retention of GPAM on the fibrid was not significantly better with the product in comparison to just mixing the GPAM and fibrid. However, the particle size distributions showed that the composites have larger particles, perhaps indicating crosslinking in the fibrid caused by the GPAM. The larger composite flocs could then assist the sheet consolidation process more effectively due to the size, while the high specific surface area of the fibrid remains to enable efficient bonding. The emergence of enzymatically engineered alpha-1,3-glucan, available for wider use, seems to be promising as a material, and should be studied further.Kartongin kysynnän kasvaessa, pääasiassa verkkokaupan lisääntymisen ja ekologisten syiden takia, paperiteollisuudelle on syntynyt tarve valmistaa yhä tehokkaampia ja vihreämpiä lujuuskemikaaleja. Tehokkaammat lujuuskemikaalit mahdollistavat materiaalin vähentämisen tuotteissa. Tällöin tuotteita voidaan keventää, ja saavutetaan sekä ekonomiset että ekologiset hyödyt. Hiljattain, alfa-1,3-glukaanille, normaalisti sienien soluseinissä esiintyvälle polysakkaridille, on kehitetty uusi valmistustapa, jossa sakkaroosi polymerisoidaan entsymaattisesti alfa-1,3-glukaaniksi. Uusi valmistustapa mahdollistaa alfa-1,3-glukaanin laajemman käytön, sillä aiemmin sitä ei ole voitu käyttää hankalan saatavuuden takia. Sillä on monia samoja vahvuuksia selluloosan, beta-1,4-glukaanin kanssa, kuten uusiutuvuus, biohajoavuus, veteen liukenemattomuus, mahdollisuus isoon määrään vetysidoksia, yms. Lisäksi, toisin kuin selluloosa, jonka liuottaminen vaatii lipeän kanssa rikkisulfidia, alfa-1,3-glukaani liukenee lipeäliuokseen. Glukaanin hyvä liukoisuus mahdollistaa erilaisten tuotteiden (vertaa regeneroitu selluloosa) valmistuksen turvallisemmalla kemialla. Yksi mahdollisista tuotteista on fibrilloitu MFC:n kaltainen materiaali, joka on nimetty alfaglukaani fibridiksi. Sitä voi valmistaa saostamalla liuotettu alfa-1,3-glukaani pH:ta laskemalla kovien leikkausvoimien vaikuttaessa. Tässä työssä fibridiä saostetaan glyoxyloidun polyakryyliamidin (GPAM) läsnä ollessa. Tavoitteena valmistaa tehokas paperin kuivalujuuskemikaali. Työssä parhaat kuivalujuustulokset saatiin komposiitilla, jossa käytettiin korkeamman kationisuuden GPAM:ia. Se sitoi testipisteistä myös vähiten vettä vedenpidätyskykytestissä (WRV). Matala WRV on haluttu tulos, koska liian korkea vedenpidätyskyky nostaa paperin kuivauskustannuksia merkittävästi. Läpi työn, fibridi/GPAM-komposiitit pärjäsivät paremmin sekä lujuus- että vedenpidätystesteissä, kuin kemikaalit erikseen annosteltuina tai ennen sulppuun lisäystä esisekoitettuina. Työssä esitelty valmistustapa, jossa GPAM lisätään fibridin saostusvaiheessa, siis toimii kuivalujuuskemikaalin valmistuksessa. Ilmiö valmistustavan toimivuuden taustalla ei kuitenkaan ole vielä aivan selvä. Hypoteesina oli, että GPAM:in retentio olisi tehokkaampi, kun se lisätään fibridiin saostusvaiheessa. Titraustulokset kuitenkin paljastavat, ettei GPAM:in retentio fibridillä ole merkittävästi parempi työn menetelmällä kuin tavallisesti sekoitettuna. Erona komposiittina valmistetulla fibridillä oli kuitenkin isompi partikkelikoko. Tämä voisi johtua GPAM:in aiheuttamasta fibridin silloittumisesta, joka isompien verkostojen takia voisi retentoitua kuitujen sidoskohtiin tehokkaammin. Lisäksi GPAM:in fibridiin tuoma kationisuus toimii todennäköisesti osasyynä parempiin lujuustuloksiin. Kaiken kaikkiaan, työssä valmistettu fibridi/GPAM-komposiitti toimi kuivalujuuskemikaalina. Vaikka osa ilmiöstä jäi selittämättä, työn tulokset antavat pohjaa teknologian jatkokehittämiseen. Lupaavat tulokset oikeuttavat materiaalin jatkotutkimuksen. Lisäksi saostusteknologiaa kannattaa tutkia muihinkin suuntauksiin, eikä keskittyä pelkästään kuivalujuuskemikaaleihin.Description
Supervisor
Paltakari, JouniThesis advisor
Konn, JonasKeywords
dry strength, paper, paperboard, alpha-1,3-glucan, fibrid, biopolymer