Rheology and flocculation of polymer-modified microfibrillated cellulose suspensions

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Chemical Technology | Doctoral thesis (article-based) | Defence date: 2014-10-17
Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author
Date
2014
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
78 + app. 98
Series
Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 129/2014
Abstract
In this thesis, the rheology and flocculation of microfibrillated cellulose (MFC) suspensionswas modified using different cationic and anionic polymers and surface modification. For this purpose, MFC suspensions were studied simultaneously with a dynamic rotational rheometer and two imaging methods. The flocculation tendency of the suspensions was mainly evaluated using photographing through a transparent rheometer cup, and for some suspensions, optical coherence tomography (OCT), which gives information of the structure and flow of thesuspension inside the gap. Three cationic polymers were studied as flocculants: two small molecular weight, high charge density polymethacrylates and high molecular weight, low charge density cationic polyacrylamide (CPAM). Polymethacrylates changed the gel strength of the MFC suspensions but did not have a significant effect on the flocculation even at a high polymer concentration. Instead, CPAM affected the gel strength and flocculation drastically at low concentrations. CPAM formed bridges between the MFC fibers, thus making the flocs very strong. Carboxymethylcellulose (CMC), xanthan gum and three different anionic polyacrylamides (APAM) were tested as dispersants for the MFC suspensions. They all reduced the gel strength of the suspensions at optimized concentration and prevented shear-induced flocculation. The dispersion mechanism was probably a combination of increased viscosity of the suspending medium and the entrapment of the polymer chains between the approaching MFC fibers. CMC and xanthan gum were more effective at preventing shear-induced flocculation than APAMs. Oxidation of pulp with TEMPO (2,2,6,6-tetramethylpiperidine-1-oxyl radical) before grindingit to MFC gives the fibers negative surface charge and enhances the fibrillation upon grinding. The dimensions of the resulting fibers were smaller than without any pretreatment. Its water suspension was transparent and therefore the flocculation of the fibers could not be directly studied with the imaging methods. The gel strength was close to that of native MFC, although TEMPO-oxidized fibers have a higher surface charge. The combination of rheometry and imaging proved to be a useful tool to study the effect of flocculants and deflocculants on the MFC suspensions. The direct observation of the suspension structure aided the interpretation of the rheological results. The measurement of the gel strength is an easy way to optimize the flocculant or deflocculant concentration for MFC suspensions in processing or different applications.

Tässä työssä tutkittiin mikrofibrilloidun selluloosan (MFC) reologiaa samanaikaisesti flokkautumisen kanssa sekä näiden ominaisuuksien muokkausta polymeereillä tai pintavarauksella. Tutkimiseen käytettiin reometriä sekä kahdenlaista kuvantamismenetelmää. Analyysi perustui pääosin valokuviin, joita otettiin läpinäkyvän näytekupin läpiflokkirakenteesta. Lisäksi joitakin näytteitä tutkittiin optisella koherenssitomografialla (OCT), jonka avulla voidaan tutkia rakennetta syvemmällä suspensiossa. Työssä tutkittiin kolmea kationista polymeeriä: kahta pienimoolimassaista ja korkeavarauksista polymetakrylaattia sekä suurimoolimassaista kationista polyakryyliamidia (CPAM). Polymetakrylaatit nostivat MFC:n geelilujuutta optimoidulla konsentraatiolla mutta eivät merkittävästi vaikuttaneet MFC:n flokkirakenteeseen. CPAM puolestaan flokkuloi MFC:tä voimakkaasti ja aiheutti suurilla polymeeripitoisuuksilla jopa pysyviä flokkeja suspensioon sekä nosti geelilujuutta alhaisilla polymeeripitoisuuksilla. Karboksymetyyliselluloosaa (CMC), ksantaanikumia ja kolmea anionista polyakryyliamidia (APAM) tutkittiin dispergointiaineina MFC:lle. Kaikki anioniset polymeerit laskivat MFC-suspension geelilujuutta optimoidussa konsentraatiossa ja estivät leikkauksesta johtuvaa flokkuloitumista. CMC ja ksantaanikumi olivat tehokkaampia dispergoinnissa kuin APAM:t. Eri APAM:ja tutkittaessa huomattiin, että korkeampi varaus ja moolimassa vähensivät polymeerimäärää, joka tarvittiin optimaaliseen dispergointiin. Dispergointi oli luultavasti seurausta useammasta tekijästä: väliaineen korkeammasta viskositeetista ja toisaalta polymeeriketjuista lähestyvien MFC-kuitujen välissä. Hapettamalla sellukuituja ennen jauhamista TEMPO-radikaalilla (2,2,6,6-tetrametyylipiperidiini-1-oksyyli) mahdollistaa pienempien kuitujen tuottamisen, joilla on lisäksi negatiivinen pintavaraus. TEMPO-hapettamalla esikäsitellyt nanokuidut muodostivat läpinäkyvän suspension, jonka flokkuloitumista ei voitu luotettavasti seurata käytetyillä kuvantamismenetelmillä. TEMPO-hapetettujen nanokuitujen geelilujuus oli samaa luokkaakuin käsittelemättömän MFC:n, mikä oli hieman yllättävää ottaen huomioon niiden suuremman pintavarauksen. Yhdistämällä reometri tämän kaltaisiin kuvantamismenetelmiin voidaan kattavasti tutkia flokkulanttien ja dispergointiaineiden vaikutusta MFC-suspensioiden ominaisuuksiin, sillä kuvantamismenetelmät ohjaavat reologisten tulosten tulkintaa. Tällainen mittaus on myös helppo tapa optimoida polymeerilisäaineiden määrä MFC:n prosessoinnissa tai erilaisissa sovelluksissa.
Description
Supervising professor
Seppälä, Jukka, Prof., Aalto University, Department of Biotechnology and Chemical Technology, Finland
Thesis advisor
Pietikäinen, Pirjo, Dr., Aalto University, Department of Biotechnology and Chemical Technology, Finland
Keywords
microfibrillated cellulose, rheology, image analysis, flocculation, polyelectrolyte, gel strength, mikrofibrilloitu selluloosa, reologia, kuva-analyysi, flokkuloituminen, polyelektrolyytti, geelilujuus
Other note
Parts
  • [Publication 1]: Karppinen, Anni; Saarinen, Tapio; Salmela, Juha; Laukkanen, Antti; Nuopponen, Markus; Seppälä, Jukka “Flocculation of microfibrillated cellulose in shear flow”, Cellulose 19 (2012) 1807–1819.
    DOI: 10.1007/s10570-012-9766-5 View at publisher
  • [Publication 2]: Saarinen, Tapio; Haavisto, Sanna; Sorvari, Anni; Salmela, Juha; Seppälä Jukka ”The effect of wall depletion on the rheology of microfibrillated cellulose water suspensions by optical coherence tomography”, Cellulose (2014) DOI 10.1007/s10570-014-0187-5.
  • [Publication 3]: Karppinen, Anni; Vesterinen, Arja-Helena; Saarinen, Tapio; Pietikäinen, Pirjo; Seppälä, Jukka “Effect of cationic polymethacrylates on the rheology and flocculation of microfibrillated cellulose”, Cellulose 18 (2011) 1381-1390.
    DOI: 10.1007/s10570-011-9597-9 View at publisher
  • [Publication 4]: Sorvari, Anni; Saarinen, Tapio; Haavisto, Sanna; Salmela, Juha; Vuoriluoto, Maija; Seppälä, Jukka “Modifying the flocculation of microfibrillated cellulose suspensions by soluble polysaccharides under conditions unfavorable to adsorption”, Carbohydrate Polymers, 106 (2014) 283-292. DOI:
    DOI: 10.1016/j.carbpol.2014.02.032 View at publisher
  • [Publication 5]: Korhonen, Markus H.J.; Sorvari, Anni; Saarinen, Tapio; Seppälä, Jukka; Laine, Janne; “Deflocculation of cellulosic suspensions with anionic high molecular weight polyelectrolytes”, BioResources, 9(2) (2014) 3550-3570.
  • [Publication 6]: Mohtaschemi, Mikael; Sorvari, Anni; Puisto, Antti; Nuopponen, Markus; Seppälä, Jukka; Alava, Mikko J. “The vane method and kinetic modeling: Shear rheology of nanofibrillated cellulose suspensions”, Cellulose (2014)
    DOI: 10.1007/s10570-014-0409-x. View at publisher
Citation