Continuous filaments of negatively charged cellulose nanofibrils and polyelectrolytes by interfacial complexation

Abstract

Cellulose nanofibrils (CNF), an important group of nanocelluloses, are promising building blocks for functional materials owing to their high mechanical strength and stiffness among other attractive properties. TEMPO-oxidation, i.e. 2,2,6,6-tetramethylpiperidine-1-oxyl oxidation, is an interesting technique for producing anionic CNF with low energy consumption. One of the most pursued goals in the field of CNF research is to produce fibers with high strength and stiffness. Such a material would have a wide range of applications, for example in textiles and fiber-reinforced composites.

Interfacial polyelectrolyte complexation is a method for producing continuous fibers by self-assembly from two oppositely charged polyelectrolyte solutions.

In this work we used interfacial complexation to prepare strong fibers from TEMPO-oxidized CNF and three different cationic moieties: a cationic surfactant and two different cationic polyelectrolytes. The fibers could be stretched prior to drying which increased their final ultimate tensile strength and stiffness in the dried state. The fibers were comparable in strength to other CNF-based fibers presented in the literature. This is the first time, to the authors knowledge, that CNF-based fibers were prepared by interfacial complexation. This work demonstrates a novel method for producing strong CNF-based fibers and further development of this method could open pathways to CNF-based fiber applications.

Selluloosan nanokuidut ovat viime aikoina herättäneet suurta mielenkiintoa niin kansainvälisessä kuin suomalaisessakin tutkijayhteisössä. Selluloosan nanokuitujen lujuus ja jäykkyys yhdistettynä keveyteen ja bioyhteensopivuuteen tekee niistä lupaavan lähtöaineen tulevaisuuden materiaaleille. Viimeaikaiset edistysaskeleet selluloosan nanokuitujen valmistuksessa, kuten TEMPO-oksidointi, eli 2,2,6,6-tetrametyylipiperidiini-1-oksyyli oksidointi, vähentää nanoselluloosan tuotannossa vaadittavaa energiaa. Yksi suurimmista tavoitteista nanoselluloosan tutkimuksessa on valmistaa vahvoja ja jäykkiä kuituja, joita voitaisiin soveltaa esimerkiksi tekstiileissä ja kuituvahvisteisissa komposiittimateriaaleissa.

Tässä diplomityössä tutkittiin TEMPO-oksidoiduista selluloosananokuiduista tehtyjen kuitujen valmistusta rajapintakompleksoinnilla. Selluloosananokuituja kompleksoitiin kolmen eri kationisen aineen kanssa, joista yksi oli surfaktantti ja kaksi polyelektrolyyttejä.

Valmistettuja kuituja voitiin venyttää märkänä mikä paransi niiden lujuutta ja jäykkyyttä kuivattuina. Valmistetut kuidut olivat lujuudeltaan ja jäykkyydeltään vertailukelpoisia muualla kirjallisuudessa esitettyihin nanoselluloosapohjaisiin kuituihin. Tämä oli kirjoittajan tiedon mukaan ensimmäinen kerta, kun nanoselluloosapohjaisia kuituja valmistettiin rajapintakompleksoinnilla.

Tämä diplomityö esittelee uuden valmistusmenetelmän nanoselluloosapohjaisille kuiduille. Tämän diplomityön tuloksia voidaan hyödyntää nanoselluloosapohjaisten kuitujen jatkotutkimuksessa sekä nanoselluloosan sovelluksien kehittämisessä.