Structure of cellulose and its effect on optical properties
Loading...
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Kemian tekniikan korkeakoulu |
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.
Author
Date
2024-06-11
Department
Major/Subject
Biomass Refining
Mcode
CHEM3021
Degree programme
Master's Programme in Chemical, Biochemical and Materials Engineering
Language
en
Pages
99
Series
Abstract
This thesis aims to prove that materials with cavities in the range of 200 to 300 nm have high opacity and appear white. This range has been deemed as an optimal diameter for scattering centres also by literature sources. The aim of the experimental part of the thesis was to produce white materials with a porous inner structure with cavities in the chosen range. Regenerated cellulose films were produced with air drying and freeze drying. This resulted in highly transparent films and highly opaque films. Porous microcrystalline cellulose (MCC) particles were generated by mixing sodium hydroxide with MCC, which resulted in promising porous structures for further testing. β-1,3-glucan particles were tested due to their interesting lamellar structure. Unfortunately, this lamellar structure was shown to collapse more easily during freeze drying in comparison to the MCC structure. Therefore, air cavities inside the particles were compromised, lowering the effective scattering of the particles. The particles (untreated MCC, porous MCC, and β-1,3-glucan) and the freeze-dried regenerated cellulose films were characterized with different methods. Results from Fourier-transform infrared (FTIR) spectroscopy showed differences in amounts of cellulose I and cellulose II polymorph structures. The ratio of cellulose II to cellulose I was estimated to be greater in porous MCC and regenerated cellulose films than in untreated MCC. X-ray diffraction was used to analyse the crystallinity of the samples. All samples except untreated MCC had high crystallinity values between 87 to 92%. The cellulose films, MCC particles and β-1,3-glucan particles were treated with transparent lacquer in order to test the materials’ behaviour in paint systems. UV-Vis spectroscopy was used to observe the transmittance values of the cellulose films treated with lacquer and the particle-lacquer mixtures. The transmittance values were constant between 350 to 800 nm wavelengths. The best opacity (98%) was calculated for freeze-dried cellulose films which had a transmittance value close to that of titanium dioxide-lacquer mixture. Titanium dioxide was used as a comparison due to its common usage as an opacifying pigment by the paint industry. The results were linked with the films’ porous inner structure that had a high number of air-filled pores with a diameter of 200 to 300 nm. Additionally, the dense outer structure of the films was thought to protect the inner structure from the lacquer penetration which could lower the refractive index difference. These findings support the hypothesis that the inner structures of materials are crucial for effective light scattering. Based on results and literature, scattering centres in the range of 200 to 300 nm, which in this thesis were air-filled pores, increase opacity. Contrary to what the hypothesis leads to believe, the distance between the scattering centres can differ from the 200 to 300 nm range. The next step would be to define the optimal filling fraction for the scattering centres in the material. In addition, further optimization of the particle structure needs to be done to produce particles that can form a barrier between themselves and the lacquer to keep the inner porous structure separate from the lacquer and maintain the refractive index difference.Tämän diplomityön tavoitteena on osoittaa, että materiaalin sisällä olevat rajapinnat, joissa valo taittuu, mahdollistavat tehokkaan valon sironnan ja korkean opasiteetin tehden materiaalista valkoisen, kun rajapintojen välinen etäisyys on 200—300 nm. Kokeellisessa osuudessa hypoteesin tutkimiseen käytettiin erilaisia matalan taitekertoimen biopohjaisia materiaaleja.Tutkimuksella halutaan luoda pohjaa pigmenteissä yleisesti käytetyn titaanidioksidin korvaamiseksi biopohjaisilla materiaaleilla. Tutkittavaksi valittiin materiaaleja, joissa havaittiin läpimitaltaan 200—300 nm kokoisia huokosia rakenteita. Kokeet aloitettiin regeneroitujen selluloosakalvojen luomisella. Kalvojen kuivausmenetelmä vaikutti merkittävästi niiden rakenteeseen. Normaalissa ilmankosteudessa ja huoneenlämmössä kuivatut kalvot olivat läpinäkyviä, kun taas pakastinkuivatut kalvot olivat valkoisia ja läpikuultamattomia. Mikrokiteisistä selluloosapartikkeleista (MCC) saatiin huokoisia natriumhydroksidikäsittelyllä ja niiden huokoisuus näytti lupaavalta. β-1,3-glukaanipartikkeleita tutkittiin niiden lamellirakenteen takia, koska sen ajateltiin olevan avainasemassa tehokkaan valon sironnassa. Lamellirakenteen todettiin olevan altis romahtamiselle pakastekuivauksen aikana, minkä arvioitiin laskevan partikkelin valon sironnan tehokkuutta. Kuivatut partikkelit (käsittelemätön MCC, huokoinen MCC, β-1,3-glukaani) sekä regeneroidut selluloosakalvot karakterisoitiin eri metodeilla. Fourier-infrapunaspektroskopialla havaittiin eroja selluloosan I- ja II-polymorfimuotojen määrissä. Selluloosa II:n osuuden määriteltiin olevan suurempi huokoisessa MCC:ssä ja valkoisissa regeneroiduissa selluloosakalvoissa kuin käsittelemättömissä MCC-partikkeleissa. Röntgendiffraktiolla analysoitiin näytteiden kiteisyys korkeaksi (87—92 %) lukuun ottamatta käsittelemätöntä MCC:tä. Selluloosakalvoista, MCC-partikkeleista sekä β-1,3-glukaanipartikkeleista luotiin läpikuultavaan lakkaan yhdistämällä systeemejä, joiden avulla tutkittiin, miten materiaalit käyttäytyisivät maaliseoksessa. UV-Vis-spektrometrin avulla havainnoitiin lakalla käsiteltyjen kalvojen ja partikkeli-lakka-systeemien transmittansseja, jotka olivat tasaisia 350—800 nm aallonpituuksille. Paras opasiteetti (98 %) saavutettiin pakastekuivatulla valkoisella selluloosakalvolla, jonka transmittanssi oli lähellä titaanidioksidi-lakka-systeemin transmittanssia. Titaanidioksidi toimi vertailukohtana, koska sitä käytetään yleisesti opasiteetin kasvattamiseen maaleissa. Tulosten arvioitiin johtuvan kalvon huokoisesta sisäisestä rakenteesta, jossa läpimitaltaan 200–300 nm kokoisia ilmahuokosia oli havaittavissa runsaasti. Lisäksi kalvojen tiiviimmän ulkoisen rakenteen ajatellaan suojaavan sisäistä rakennetta lakalta, mikä mahdollistaa tarvittavan taitekerroineron. Saadut tulokset tukevat hypoteesia materiaalien sisäisen rakenteen merkitysestä rakenteen valon sironnassa. Tulosten ja kirjallisuuden perusteella 200—300 nm:n halkaisija sirontakeskuksille, jotka tässä diplomityössä olivat ilmahuokosia, lisää materiaalin opasiteettia. Sirontakeskuksien välinen etäisyys voi kuitenkin poiketa 200—300 nm:stä toisin kuin hypoteesi antaa ymmärtää. Seuraavaksi olisi tärkeää määrittää ideaali täyttöfraktio sirontakeskuksille materiaalissa. Tämän lisäksi partikkelien ulkopinnan huokoisen rakenteen suojausta lakalta pitäisi kehittää partikkelien kemiallisella modifikaatiolla.Description
Supervisor
Lipponen, JuhaThesis advisor
Fazeli, MahyarKeywords
TiO2, MCC, regenerated cellulose film, opacity
