Influence of the solute's molecular weight distribution on the spinnability of cellulose-ionic liquid solutions
No Thumbnail Available
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Authors
Date
2011
Department
Major/Subject
Polymeeriteknologia
Mcode
Kem-100
Degree programme
Language
en
Pages
[7] + 53
Series
Abstract
The main experimental objective of this thesis was to investigate the effect of cellulose's weight distribution on the dry-jet wet spinnability and shear rheological properties of cellulose-l-ethyl-3-methylimidazolium acetate (EMIMOAc) solution. Secondary object was to determine a relation between the spinnability and measured rheological properties of the spinnable solution. The objective of the literature part was to review the field of spinning of polymer solutions and melts in order to acquire knowledge about the theoretical perspective of the experimental objective. This review contains general information and qualitative theories (presented theories offer qualitative value) about the spinning process which could be elaborated on in order to improve future investigations in this field (e.g. which questions need to be answered). Different authors who have pursued investigations and theories in the field of spinning have different views about this topic. Because of the lack of empirical results of cellulosy-EMIMOAc solution spinning and universal theories about spinnability, quantitative expressions were not utilized in order to derive a connection between different steps of the experimental part. Derived relations were built on the order of magnitude ofdifferent parameters from MWD-, rheological and spinnability properties of the solutions which is rather qualitative approach to the main problem. For the experimental task four cellulose-EMIMOAc solutions of varying molar mass distribution were prepared for spinning trials keeping weight average molar mass of the cellulose constant. The spinnability of each solutioin was investigated by determining the maximum draw-ratios which still enable stable spinning of the solution without filament break-up. Each solution was characterized by frequency sweep with a rotational rheometer. A relation between the maximum draw-ratio and increased polydispersity index (PDI) was observed after the spinning trials with three different solutions. Although it is difficult to define the optimal spinning conditions for different test solutions, it could be concluded that the spinnability of a cellulose-EMIMOAc solution increases due to increased proportion of high molecular weight cellulose chains.Tärkeimpänä päämääränä tässä työssä oli tutkia selluloosan moolimassajakauman vaikutusta selluloosa-EMIMOAc-liuoksen märkäkehruutyöstettävyyteen sekä leikkausreologisiin ominaisuuksiin. Toisena päämääränä oli tutkia yhteyttä kehrättävyyden ja mitattujen reologisten ominaisuuksien välillä. Märkäkehruumenetelmä on analoginen Lyocell-prosessiin, jossa suuttimen ja vesialtaan välillä käytetään ilmarakoa. Kirjallisuusosassa tarkoituksena oli tehdä katsaus polymeeriliuosten ja polymeerisulien kehruusta, jotta työn kokeelliselle osalle saataisiin teoreettista näkökulmaa. Katsaus sisältää yleistietoa sekä kvalitatiivisia teorioita (esitetyillä kaavoilla lähinnä kvalitatiivista arvoa) kehruu prosessista. Syventymällä esitettyyn tietoon ja teorioihin voidaan tulevaisuuden tutkimuksia saman aiheen ympärillä kehittää (esim. tutkimuskysymyksien asettelua voidaan tarkentaa). Tutkijat, jotka ovat esittäneet teorioitaan kehruunprosessiin liittyen, eivät jaa yhtenäistä näkemystä yksittäisten teorioiden paikkansapitävyydestä. Koska selluloosa-EMIMOAc-liuosten kehruusta ei ole kattavasti empiirisiä tuloksia eikä yleispäteviä teorioita kehruuseen liittyen löytynyt, kvantitatiivisia ilmauksia ei käytetty yhdistämään kokeellisen osan eri osa-alueita toisiinsa. Osa-alueiden välinen yhteys perusteltiin moolimassajakauma-, reologia- sekä kehrättävyysparametrien samaan suuruusjärjestykseen eri testiliuosten välillä. Kolme erilaisen moolimassajakauman, mutta mahdollisimman saman lukukeskimääräisen moolimassan omaavaa selluloosa-EMIMOAc-liuosta valmistettiin koekehruita varten. Kunkin liuoksen kehrättävyyttä tutkittiin määrittämällä maksimi vetosuhde, jolla liuosfilamentteja voitiin vielä kehrätä häiriöttä ilman filamenttien katkeamista. Maksimi vetosuhteen ja kasvavan polydispersiteetti-indeksin välillä havaittiin olevan yhteys toisiinsa kolmen testiliuoksen kehruun perusteella. Vaikka erilaisten liuosten optimityöstöolosuhteiden määrittäminen on haasteellista, voidaan selluloosa-EMIMOAc-liuoksen kehrättävyyden päätellä paranevan korkean moolimassan selluloosaketjujen osuuden lisäyksen seurauksena.Description
Supervisor
Seppälä, JukkaThesis advisor
Hummel, MichaelLipponen, Sami
Keywords
ioniset nesteet, selluloosa, märkäkehräys, rotaatioreologia, venymäreologia, Lyocell-prosessi, ionic liquids, cellulose, dry-jet wet spinnability, rotational and elongational rheometry, Lyocell process