Rheological considerations in processing nanofibrillated cellulose in gel spinning
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
2017-08-29
Department
Major/Subject
Chemical engineering
Mcode
CHEM3027
Degree programme
Master's Programme in Chemical, Biochemical and Materials Engineering
Language
en
Pages
98+16
Series
Abstract
Spinning dopes based on nanofibrillated cellulose (CNF) and poly(vinyl alcohol) (PVA) were characterized to determine correlations between spinnability and rheological properties. Spinnability is important factor presenting the ability and ease of filament formation and if rheology can be related to it, it will help designing better dopes for enhanced spinnability. The demand for more renewable products is increasing thus this work studies the use of 1:1 CNF to matrix dopes, where matrix stabilizes the filament and improves the tensile properties. Previous works commonly use much smaller CNF concentrations and eventhough the rheology of CNFs is well studied it hasn’t been correlated to the spinnability. The effect of dopes consistency to the rheology were tested by changing the solids content from 2 to 4 wt% and altering the matrix composition. The PVA matrix was used as the baseline for all measurements when the effect of adding guar and glutaraldehyde (GA) were tested. Guar was added to increase the high molecular weight portion, that has previously been found to increase spinnability. GA instead was used to study the ability to crosslink the filaments. The crosslinking was tested having the acid in the coagulation bath or in the dope. Thus the effect of acidic and neutral bath were also studied. As crosslinking occurs after the spinning it cannot be related to the rheological properties. Specific rheological measurements (amplitude and frequency sweep and steady state shear) were used to characterize the dopes; this was correlated with observed spinnability. The spinnability qualifications were the wet properties derived from previous gel spinning experiments and the ease of spinning and the tensile properties of the formed filament. Additionally filaments were visually estimated and tested for possible crosslinking. The best correlation to spinnability of these gel dopes came from the gel strength calculated from the amplitude sweep measurement. The increasing gel strength improved filament stability in the free suface flow. In the air gap filaments started retain the shape attained in capillary with the gel strength of 35 – 45 Pa. Even higher gel strength of 60 – 80 Pa was required for the filament to be enough stable to continue into the bath via an air gap. The storage modulus values instead with the knowledge of the expected entanglement degree allowed the estimation of successful formation of inner structure. This allowed the observation of poor CNF dispersion in the 4 wt% dope containing guar. The linear viscoelasticity region (LVR) instead explained the increased solid like behavior of some of the dope compositions and why they failed to form continuous filament even if they formed filament in the air gap. These parameters were the best for comparing dopes and spinnability. Other parameters gave further insights to the differences between the dopes, but had less effect to the observed spinnability.Diplomityön tavoitteena oli karakterisoida selluloosananokuituihin (CNF) ja polyvinyylialkoholiin (PVA) pohjautuvia kehruuliuoksia sekä tarkastella niiden kehrättävyyden ja reologisten ominaisuuksien riippuvuussuhteita. Kehrättävyys on tärkeä ominaisuus, joka kuvaa kykyä ja helppoutta muodostaa kuituja. Jos kehrättävyys saataisiin yhdistettyä reologiaan, auttaisi se kehruuliuosten suunnittelussa. Kysyntä uusiutuvista raaka-aineista valmistettuja tuotteita kohtaan on kasvussa, joten tämä työ keskittyy 1:1 CNF-matriisi-kehruuliuoksiin. Näissä kuiduissa matriisi stabilisoi sen ja parantaa kuivan kuidun veto-ominaisuuksia. Aikaisemmat tutkimukset ovat pääasiassa hyödyntäneet paljon pienempiä CNF-määriä. Vaikka CNF:n reologiaa on hyvin tutkittu, sitä ei ole tutkittu yhdessä kehrättävyyden kanssa. Kehruuliuosten koostumuksen vaikutusta reologiaan tutkittiin kuiva-ainepitoisuuksilla 2 ja 4 p-% sekä vaihtelemalla matriisin sisältö. Guarin ja glutaraldehydin (GA) lisäysten vaikutusta tutkittiin PVA-matriisin toimiessa referenssinä. Guarin avulla lisättiin korkean molekyylimassan osuutta, minkä on aikaisemmissa kokeissa havaittu nostavan kehrättävyytä. Glutar aldehydiä puolestaan käytettiin kuitujen silloittamiseen. Silloittumista tutkittiin niin, että happo oli joko koaguloitumiskylvyssä tai kehruuliuoksessa, joten samalla tarkasteltiin myös happaman tai neutraalin kylvyn eroja. Koska silloittuminen tapahtuu vasta kehräämisen jälkeen, sitä ei voida yhdistää reologisiin ominaisuuksiin. Tiettyjä reologisia mittauksia (ampliudi- ja taajuuspyyhkäisyä sekä tasapainotilan leikkausnopeutta) käytettiin kehruuliuosten karakterisointiin, mikä puolestaan yhdistettiin havaittuun kehrättävyyteen. Hyvän kehrättävyyden indikaattoreina käytettiin märkäominaisuuksia (johdettu aikaisemmista geelikehräystutkimuksista), kehräyksen helppous ja kuivan kuidun veto-ominaisuudet. Lisäksi kuituja arvioitiin visuaalisesti ja niistä tutkittiin mahdollinen silloittuminen. Parhaimmat korrelaatiot kehrättävyyteen tutkituilla geelikehruuliuoksilla nousivat geelivahvuudesta, joka laskettiin amplitudipyyhkäisystä. Kasvava geelivahvuus paransi kuidun stabiilisuutta vapaassa virtauksessa. Kuitu alkoi säilyttää kapillaarissa saaneensa muodon, kun geelivahvuus saavutti 35–45 Pa arvon. Vielä korkeampi geelivahvuus vaadittiin, jotta kuitu jatkoi ilmaraon jälkeen muodostumista koaguloitumiskylpyyn. Onnistuneen sisäisen rakenteen muodostumisen arvioimiseen tarvittiin varastomoduulin arvot ja oletettu kietoutumistiheys. Tämän avulla pystyttiin huomaamaan, että guaria sisältävässä 4 p-% kehruuliuoksessa CNF ei ollut kunnolla dispergoitunut. Lineaarinen viskoelastinen alue (LVR) puolestaan selitti havaittua hauraampaa käytöstä, mikä esiintyi muutamilla tutkituista kehruuliuos koostumuksista. Tämä muun muassa selitti, miksi ilmavälissä yhtenäisen kuidun muodostanut kehruuliuos epäonnistui jatkuvan kuidun muodostamisessa kylpyyn. Edellä mainitut parametrit olivat parhaita vertaamaan kehruuliuoksia ja niiden kehrättävyyttä. Muut parametrit lisäsivät tietoa kehruuliuoste eroista, mutta niillä ei ollut selkeitä vaikutuksia kehrättävyyteen.Description
Supervisor
Seppälä, JukkaThesis advisor
Spoljaric, StevenKeywords
gel spinning, CNF, filament, rheology, fiber, PVA
