Production of nanocrystalline cellulose with oxidation

No Thumbnail Available

Files

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

Kemiantekniikan korkeakoulu | Bachelor's thesis
Electronic archive copy is available locally at the Harald Herlin Learning Centre. The staff of Aalto University has access to the electronic bachelor's theses by logging into Aaltodoc with their personal Aalto user ID. Read more about the availability of the bachelor's theses.
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

2024-05-05

Department

Major/Subject

Biotuotteet

Mcode

CHEM3048

Degree programme

Kemiantekniikan kandidaattiohjelma

Language

en

Pages

43

Series

Abstract

There is a constantly growing demand for renewable materials that can replace fossil-based materials in high performance applications. Based on the literature, nano-crystalline cellulose (CNC), which has mechanical properties comparable to typical reinforcement materials and a surface that enables chemical modification, can be an alternative component in applications such as packaging and construction materials. This thesis concludes information from literature about the oxidation methods used in the production of carboxylated CNC. This thesis focuses especially on ammonium persulfate (APS) oxidation. The aim is to evaluate the potential of APS oxidation in industrial CNC production and compare it to commercially used methods and TEMPO oxidation. APS-oxidation produces nano-sized particles with slightly lower crystallinity compared to CNC produced with sulfuric acid hydrolysis which is the commonly used method. APS-oxidized CNCs have surface charge densities which enable stability in dispersion. However, the properties do not show notable advantage compared to TEMPO-oxidized CNC. APS-oxidation is a “one-step” patented process. In contrast to TEMPO oxidation, which requires lignin-free raw material, APS-oxidation has the possibility to use raw materials with low lignin content and it do not require the use of hydrolysis pre-treatment on the raw material. APS oxidation is also applicable to oxidize microcrystalline cellulose. However, the reaction time is long, the chemical consumption is high, and the yield is relatively low. Therefore, this method requires further optimization before industrial scaling.

Nykypäivänä on jatkuva tarve kehittää uusia materiaaleja, joilla voidaan korvata uusiutumattomia raaka-aineita korkean arvon käyttökohteissa. Nanokiteisellä selluloosalla (CNC) on yleisesti käytettyihin vahvikemateriaaleihin verrattavissa olevat mekaaniset ominaisuudet ja kemiallisesti muokattava pinta. CNC voisi tutkimusten mukaan toimia raaka-aineena korkean arvon käyttökohteissa kuten pakkaus- ja rakennusmateriaalien vahvikkeena. Tässä työssä tarkastellaan karboksyloidun CNC:n valmistusta hapetusmenetelmillä. Työ keskittyy erityisesti ammoniumpersulfaatti (APS) -hapetusmenetelmään. Työn tavoitteena on arvioida kirjallisuuden perusteella APS-hapetusmenetelmän soveltuvuutta CNC:n teolliseen tuotantoon ja verrata kyseistä menetelmää jo muihin teollisesti käytössä oleviin menetelmiin sekä TEMPO-hapetusmenetelmään. Tarkastelun perusteella voidaan todeta, että APS-hapetus tuottaa nano-kokoluokan partikkeleita, joilla on yleisesti hieman matalampi kiteisyysaste verrattuna rikkihappohydrolyysillä tuotettuihin partikkeleihin. APS-hapetettujen partikkeleiden pintavaraustiheys on riittävän suuri stabiilisuuden saavuttamiseen dispersiossa. Partikkeleiden ominaisuudet eivät kuitenkaan osoita merkittäviä etuja verrattuna TEMPO-hapetettuihin partikkeleihin. APS-hapetus on yhden prosessivaiheen patentoitu menetelmä. Sen etu verrattuna TEMPO-hapetukseen, joka vaatii ligniinittömän raaka-aineen, on mahdollisuus käyttää matalan ligniinipitoisuuden omaavaa raaka-ainetta ja se ei vaadi raaka-aineen esikäsittelyä rikkihappohydrolyysillä. APS-hapetusmenetelmä soveltuu myös mikrokiteisen selluloosan hapettamiseen. Menetelmän kemikaalikulutus on kuitenkin vielä suuri, reaktioaika pitkä ja saanto suhteellisen matala, joten teollinen skaalaus vaatii tulevaisuudessa prosessiolosuhteiden optimointia sekä menetelmän testausta suuremman mittakaavan tuotantolaitoksissa.

Description

Supervisor

Kontturi, Eero

Thesis advisor

Dahl, Olli

Keywords

ammonium persulfate oxidation, nanocrystalline cellulose, microcrystalline cellulose, TEMPO oxidation

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202406254918

Collections

[kand] Kemian tekniikan korkeakoulu / CHEM