aalto1 untyped-item.component.html
Developing cellulose-based opacifiers by chemical methods
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Chemical Engineering |
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
Department
Major/Subject
Mcode
Language
en
Pages
101
Series
Abstract
Opacifiers are added to different materials, such as coatings, paints, cosmetics and plastics to make them opaque. Currently the most common and effective opacifier is titanium dioxide, due to its high refractive index. According to previous research, causing porosity on low refractive index polymers, such as cellulose, will increase the light scattering properties of the polymer.
This thesis studied the development cellulose-based opacifiers that could possibly substitute the harmful TiO2 in the future. Microcrystalline cellulose (MCC) was treated with sodium hydroxide (NaOH) and some samples were additionally treated with probe ultrasonication. The aim was to introduce porosity roughly in the size range of half of the wavelength of visible light (200–350 nm) and with the porosity to increase the light scattering and whiteness of MCC. Parameters such as concentration, time and temperature of the NaOH treatment and ultrasonication time were changed to create 8 different final samples. These final samples were then studied along with untreated MCC and TiO2 as reference with different analysis methods, to figure out the porosity, pore size distribution and optical properties, and how the different treatment conditions had affected them.
NaOH treatment alone and combined with ultrasonication were both able to create porosity in the range of 0–1000 nm, also in the optimal range of 200–350 nm. Most treated cellulose samples had substantially better optical properties compared to untreated MCC. Better results were achieved using a 14 % NaOH solution compared to a 20% solution, and when the NaOH treatment was performed at room temperature rather than in an ice bath. In addition, a correlation between increasing porosity and increasing opacity was found. However, TiO2 was still superior compared to cellulosic opacifiers, but with further optimization of treatment conditions, the performance of cellulose-based opacifiers could still be increased.
Opasiteettia eli läpinäkymättömyyttä lisääviä aineita lisätään erilaisiin materiaaleihin, kuten pinnoitteisiin, maaleihin, kosmetiikkaan ja muoveihin tekemään niistä lä-pinäkymättömiä. Tällä hetkellä yleisin ja tehokkain opasiteettia lisäävä aine on titaanidioksidi (TiO2) sen korkean taittokertoimen ansiosta. Aiempien tutkimusten mu-kaan selluloosan ja muiden matalan taittokertoimen polymeerien heijastusominaisuuksia voidaan parantaa lisäämällä niiden huokoisuutta.
Tässä diplomityössä pyrittiin kehittämään selluloosapohjaisia opasiteettia lisäävien aineita, joilla voitaisiin tulevaisuudessa korvata monin tavoin haitallinen titaanidioksidi. Mikrokiteistä selluloosaa (MCC) käsiteltiin natriumhydroksidilla (NaOH) ja lisäksi joitain näytteitä käsiteltiin ultraääniaalloilla. Tavoitteena oli aiheuttaa selluloosaan huokoisuutta, jossa huokosten koko olisi noin puolet näkyvän valon aallonpituudesta (200–350 nm) ja että huokoisuus lisäisi MCC:n valon heijastavuutta ja valkoisuutta. Eri parametreja, kuten NaOH-konsentraatiota, NaOH-käsittelyn aikaa ja lämpötilaa sekä ultraäänikäsittelyn kestoa, vaihdeltiin ja lopulta valmistettiin 8 lopullista näytettä erilaisilla parametreilla. Näitä näytteitä analysoitiin eri tavoin, jotta saataisiin tietoa niiden huokoisuudesta, huokosten kokojakaumasta ja optisista ominaisuuksista sekä erilaisten käsittelyolosuhteiden vaikutuksesta näihin ominaisuuksiin.
NaOH-käsittely yksin sekä yhdistettynä ultraäänikäsittelyyn tuottivat molemmat MCC:hen halkaisijaltaan 0–1000 nm huokosia, myös huokosia optimaalisella 200–350 nm halkaisijalla. Useimmilla käsitellyillä selluloosanäytteillä oli selvästi paremmat optiset ominaisuudet kuin käsittelemättömällä MCC:llä. Kaikki käsitellyt näytteet olivat myös selvästi huokoisempia kuin käsittelemätön MCC. Käsittely 14 %:lla NaOH:lla tuotti parempia tuloksia, kuin käsittely 20 %:lla NaOH:lla, kuten myös huoneenlämmössä toteutettu NaOH-käsittely verrattuna jäähauteessa suoritettuun. Lisääntyvän huokoisuuden ja lisääntyvän opasiteetin välillä löydettiin korrelaatio. Kuitenkin TiO2 oli yhä ylivoimainen opasiteetin tuottamisessa verrattuna selluloosapohjaisiin opasiteettia lisääviin aineisiin, mutta optimoimalla käsittelyolosuhteita lisää, selluloosapohjaisten opasiteettia lisäävien aineiden optista suorituskykyä voitaisiin vielä parantaa.