Mikro- & Nanocellulosa Flashcards
Olika cellulosaprodukter
Cellulosa/massa Pulver Mikrokrystallin cellulosa Nanofibrillär cellulosa Regenererad cellulosa Derivat
Cellulosa molekylens utseende?
- Kovalenta bindningar mellan glukos i ringform utgör cellulosakedjan
Hur är glykosidbindningarna placerade?
Varannan upp och varannan ner
Vad är det för bindning som utgör att cellulosakedjor binds samman mellan de s.k. flaken?
Vätebindningar
Bidrar till stor del kristallin
Vad är en elementarfibrill?
Den minsta fibrillen
Vad finns det för två modeller för supermolekylär struktur?
“Klassiska” modellen:
- lite mer rörig, inte hela cellulosakedjor på rad utan de sitter ihop lite mer ostrukturerat
Modifierad modell:
- raka cellulosakedjor med oordnade delar.
Vad skiljer de olika lagren åt i fibern?
S1, S2 och S3 har fibrillerna olika arrangerade
Olika vinklar
Vilka egenskaper kollas det på vid analys av cellulosa?
Renhet
Molekylär vikt (visar längd på cellulosakedjor)
Kristallinitet (kan vara viktigt)
Kemisk tillgänglighet och reaktivitet (hur kan man få den att reagera?)
Vad kan mätas för att få en uppfattning om renhet?
- Alkalisk löslighet eller resistans.
S10, S18 (löslighet)
R10, R18 (resistans)
(Alfa cellulosa innehåll) - Kolhydratkomposition
- Extraktivämnen (standard metod)
- Lignin innehåll
- Ask innehåll
Vad kan mätas för att få en uppfattning om molekylär vikt?
Viskositet:
- Upplösning av cellulosa i CED
- Enkel metod
- Ger medelvärde
GPC/SEC kromatografi:
- kräver kromatografiredskap
- upplösning av cellulosa i passande lösningsmedel
- Ger molekylär viktfördelning
Vad kan mätas för att få en uppfattning om kristallinitet?
NMR:
- mäter omgivningen, men hemi påverkar också
- används ofta
- spetsig struktur => mäta toppar och dalar
Kemisk tillgänglighet:
- Hur man kommer åt
FTIR/Raman:
- svårtolkat
- behöver också motanalys för att visa vad resultatet behövdes
X-ray:
- får en del diffusa saker
Vad kan mätas för att få en uppfattning om kemisk tillgänglighet?
Reaktion på ytan av de kristallina delarna
- ex. D2O byte
- att kunna skilja på ytorna
Reaktion på de oordnade delarna
- Utspädd syrahydrolys
Reaktivitet i specifika reaktioner
- Fock´s test (viskos)
Vad finns det för nano/mikro partiklar?
MCC - mikrokrystallin cellulosa
NCC (CNC) - nanokrxystallin cellulosa (cellulosa nanokristaller)
MFC - mikrofibrillär cellulosa
NFC (CNF) - nanofibrillär cellulosa (cellulosa nanofibriller)
MCC - mikrokrystallin cellulosa
- Delvis polymeriserad cellulosa
- Fragmenterade fibrer
- Används för farmaceutisk tabletter, livsmedelstillsats och smink.
- Tllverkas genom utspädd syrahydrolys
- vitt pulver
NCC (CNC) - nanokrxystallin cellulosa (cellulosa nanokristaller)
- stavliknande eller morrhåriga partiklar kvar efter syrahydrolys av cellulosa i kombination med mild mekanisk behandling, gör på ungefär samma sätt som MCC.
- benämndes också nanokristallin cellulosa, cellulosa morrhår, cellulosa nanowhiskers
- högt aspect ratio (3-5 nm bred, 50-500 nm i längd)
- Smalare och mindre
- Ganska korta
Sur hydrolys
- Fibriller, kristallina och amorfa delar
- Sker vid preparering av MCC
- För att studera cellulosas Struktur och tillgänglighet
- Amorfa delarna försvinner, H+
Vad är LODP?
Utjämning av polymerisationsgraden motsvarande till kristallitlängd
Förberedning av MCC?
Mekanisk behandling
Hydrolys
Tvätt
Torkning (oftast spraytorkning)
Vad menas med Collodiala (kollodiala) egenskaper
Partiklarna är så små att de sedimenterar inte
Steg i tillverkning av MCC och CNC:
1) Lignocellulosamaterial, bomull
2) Massatillverkning och blekning och/eller andra förprocess-steg
3) ren cellulosa
4) hydrolys, neutralisering och tvättning
5) filtrering
6a) torkning, malning
6b) slitning, koncentration
7a) Puder MCC
7b) Kollodialt MCC (CNC)
Vad är den viktigaste användningen av MCC?
I farmaceutiska tabletter
Egenskaper som gör MCC bra i farmaceutiska tabletter
Hjälpämne Stark tablett, kompakt (går ej sönder när man tex poppar ut dem ut förpackningen) Hålla ihop i maskinen Snabb upplösning Bra pulverflödbarhet
MCC karaktärisering
- Partikelstorlek
- Kompaktens styrka
- Ytarea
- DP (degree of polymerization, hur mycket man har brytit ner)
MFC - mikrofibrillär cellulosa
- flera elementära fibriller
- mekanisk raffinering av högrenade massor.
- högt aspect ratio (10-100 nm bred, 0,5-10 µm i längd)
- innehåller både amorfa och kristallina regioner, nystar upp istället för att ta bort amorfa delar
- Dissolvingmassa (rent!)
NFC (CNF) - nanofibrillär cellulosa (cellulosa nanofibriller):
- finare cellulosafibriller (ända ner till elementära fibriller)
- högt aspects ratio (4-20 nm bred, 500-2000 nm lång)
- innehåller både amorfa och kristallina regioner
- kräver särskild separationsteknik
- kortare pga kraftigare behandling
Homogenisera/Mikrofluidisering
- Emulsion - blandning mellan två vätskor som vanligtvis inte blandas lätt
- Flöde → spalter (en vidare i början och en smalare i slutet) → stora skjuvkrafter
- 2% cellulosa i vatten, vissa har gjort 10%, för hög viskositet och gav stopp om för hög halt
Vad finns det för andra metoder för MFC/NFC?
Malning Fräsning Kryo krossning (fryser ner och krossar) Elektrospinning Förbehandling: - Enzymatisk behandling - Ytmodifiering (ex. TEMPO)
Utmaningar med NFC/MFC:
Stora mängder energi som behövs
Torkning eller transport av vatten, Att torka går nästan inte, förlorar då egenskaperna och de återfås då heller inte vid eventuell blötläggning. => TRANSPORT!
Unik produkt
Det finns utmaningar som det höga vatteninnehåll i NFC-beläggningar och låg fuktighetsmotstånd från NFC-barriärer.
NFC / MFC som styrka förstärkare för papper och kartong:
Små tillsatser => mycket vätebindningar => ger hög ökning av brottgräns (tensile strength)
Potential för minskning av materialanvändningen
Ger högre densitet (vill man ej ha i kartong)
Vad tillför NFC i pappersbestrykning?
Ökar hållfasthetsegenskaperna
Ökar ytans jämnhet
Ökar styrkeegenskaper (ytskiktet)
Minskar luftgenomsläppligheten
Ger högre viskositet till beläggningsfärgen vid hög koncentrationer (problem)
Karaktärisering av NFC
Sedimentation
Partikelstorlekar
Reologi av suspensioner
Ytladdning (som påverkar reologin)
Detta utvecklas fortfarande
Framtida appliceringar av NFC:
Kompositmaterial
Organisk elektronik (bilda tunna filmer)
Reologimodifierare
Absorberande material (hålla mycket vatten)
Varför binder NFC (CNF) bra till vatten?
Har väldigt hög specifik ytarea, ytor täckta av hydroxylgrupper och i fallet med oxiderad CNF, även karboxyl och karbonyl grupper. Dessa funktioner gör CNF bindande väsentligt mängden vatten till ytan och bildar geler vid låg nivå koncentrationer och följaktligen viskositeten ökat när CNF läggs till en suspension
Varför NFC får ökad densitet?
Det verkar finnas två möjliga mekanismer som bidrar till att öka densiteten när CNF blandas i ark. Som finmaterial, fria CNF-partiklar minskar vattenradien menisker som bildas under avvattning av arket, alltså öka tryckskillnaden mellan vattnet fas och omgivningar som hjälper till att konsolidera ett ark genom att pressa fibrer i nära kontakt.För det andra kan CNF fästas på fiberytorna som en lager och hjälpa till att stärka och öka kontakten och därmed öka antalet vätebindningar. Det är troligt att detta kommer att hjälpa till med permanent etablering bindningar där fibrer
Applicering av NFC på papper?
- konventionell beläggningsteknik: stångbeläggning, rullbeläggning eller size press
- spraybeläggning
- skumbeläggning
För och nackdelar med spraybeläggning
En fördel med att använda spraybeläggning är att ett mycket tunt beläggningsskikt kan fördelas enhetligt.
En stor nackdel är dock att den relativt låga viskositeten hos beläggningsformuleringen är behövs, dvs. lågt fast innehåll, vilket begränsar mängden CNF som kan appliceras med spraybeläggning på modern höghastighetspappersmaskiner.
Lägga till mer vatten till pappersbana ökar också risken för sprickor och ökar energibehovet i efterföljande torkning drift
Skumbeläggning
En jämnare fördelning av CNF på låg nivå beläggningsvikter kan vara möjliga eftersom en tjockare beläggning kan spridas över pappersytan.
Beredd skum från en blandning av 2,9% CNF och ett anjoniskt ytaktivt medel som kraftigt blandades in en skumgenerator tillsammans med tryckluft. Detta metoden resulterade i relativt stabila skum innehållande 80- 95% luft.Beläggningsvikter mellan <1 g / m2 för ett singellager beläggning och 2,6 g / m2 för en dubbelskiktsbeläggningtillämpades. Vid dessa låga ytor väger hela ytan täckning erhölls inte desto mindre flera papper ytegenskaperna ändrades såsom lägre kontakt vinkel, ökad ytjämnhet och minskad luft permeabilitet.
