Improving the stability of cold alkali cellulose dope using stabilizing additives

Abstract

The global shift towards sustainability and high demand for textiles causes the need for sustainable fibres. Regenerated cellulose fibres have potential, but the current lyocell and viscose processes utilize harmful chemicals and have high energy and water consumption. Using NaOH/H2O solvent is sustainable, but the dope’s stability is poor due to gelation. It is hypothesized that cellulose dope gelation could be compared to starch retrogradation, which is related to the recrystallization of the polymer structure. Cross-linking of carboxylic and ketone groups could also cause gelation. Therefore, the disruption of the cellulose chain structure is needed. ZnO enhances stability but has harmful environmental impacts and hampers NaSO4 recycling in spinning process. This study tested environmental-friendly additives (maize starch, pectin, and carboxymethyl cellulose (CMC)), which could disrupt the cellulose structure.

The literature review covers the cellulose structure, factors affecting cellulose solubility, stability and gelation of dope, and the different additives tested. The experimental part included dissolution of the pulp with additives and the observation of stability over various periods of times. Stability was measured at room temperature and 4 °C using two different rheological measurement methods: 1) change in hysteresis graph of the complex viscosity over time and, 2) Brookfield viscosity over time. Turbidity measurements over time were also done. Dope quality was tested by light microscopy and measuring filterability.

It was concluded that the used additives did not improve the stability compared to the reference dope with ZnO. Based on the rheological tests, both starch and pectin worsened the stability. CMC had slight indications of improving the stability, which could be due to its hydrophilicity, thus disrupting the hydrophobic interactions. However, further testing is required with different CMC grades. Another observation was that the higher the ZnO concentration, the better the dope stability.

Maailman siirtymä kestävämpään tulevaisuuteen ja tekstiilien kasvava käyttö, vaatii kestävien kuitujen kehitystä. Regeneroidut selluloosakuidut ovat mahdollisia ratkaisuja, mutta käytössä olevat lyocell- ja viskoosiprosessit kuluttavat suurta määrää energiaa ja vettä sekä käyttävät haitallisia ja myrkyllisiä kemikaaleja. NaOH/H2O liuotin on kestävämpi, mutta tästä saatu kehruuliuos geeliytyy ja on siksi epästabiili. Työn hypoteesina on, että kehruuliukosen geeliytyminen toimii samalla tavalla kuin tärkkelyksen retrogradaatio, joka liittyy polymeerirakenteen uudelleenkiteytymiseen. Karboksyyli- ja ketoniryhmistä muodostuvat ristisidokset voivat myös vaikuttaa geeliytymiseen. Sellu-loosarakenteeseen vaikuttaminen on siksi yksi tapa yrittää estää geeliytymistä. ZnO on tehokas lisäaine, joka parantaa stabiilisuutta, mutta se on ympäristölle haitallinen ja vaikeuttaa kuitujen regeneroinnissa muodostuvan NaSO4:n kierrättämistä. Tässä työssä kokeillaan kolmea eri ympäristöystävällisiä lisäaineita (maissitärkkelys, pektiini, ja karboksimetyyliselluloosa (CMC)), jotka voisivat vaikuttaa selluloosan rakenteeseen.

Kirjallisuuskatsauksessa käydään läpi selluloosan rakennetta, selluloosan liukoisuuteen, stabiilisuuteen ja geeliytymiseen vaikuttavat tekijät, sekä käytettävät eri lisäaineet. Kokeellisessa osuudessa liuotetaan sellua lisäaineilla ja tarkastellaan niiden stabiilisuutta ajan funktiona. Kehruuliuoksen stabiilisuutta mitattiin huoneenlämmössä sekä kylmässä (4 °C) käyttäen kahta eri reologista menetelmää: 1) kompleksisen viskositeetin hystereesikäyrän muutos ajan funktiona ja, 2) Brookfield viskositeetin seuranta ajan funktiona. Sameusmittauksia tehtiin myös ajan funktiona. Kehruuliuoksen laatua tarkistettiin valomikroskopian ja suotautuvuuskokeiden avulla.

Tulosten perusteella, käytetyt lisäaineet eivät parantaneet kehruuliuoksen stabiilisuutta verrattuna ZnO:a sisältävään referenssi kehruuliuokseen. Tärkkelys ja pektiini huononsivat stabiilisuutta. CMC:llä oli pieni viittaus stabiilisuuden parantamiseen, joka voi johtua sen hydrofiilisestä ominaisuudesta. Tulevaisuudessa voi tehdä lisäkokeita käyttämällä eri laatuisia ja määriä CMC:tä. Havaittiin myös, että ZnO:n konsentraation kasvaessa, kehruuliuoksen stabiilisuus paranee.