Mikro- & Nanocellulosa

Question 1

Olika cellulosaprodukter

Answer 1

Cellulosa/massa
Pulver
Mikrokrystallin cellulosa
Nanofibrillär cellulosa
Regenererad cellulosa
Derivat

Question 2

Cellulosa molekylens utseende?

Answer 2

• Kovalenta bindningar mellan glukos i ringform utgör cellulosakedjan

Question 3

Hur är glykosidbindningarna placerade?

Answer 3

Varannan upp och varannan ner

Question 4

Vad är det för bindning som utgör att cellulosakedjor binds samman mellan de s.k. flaken?

Answer 4

Vätebindningar

Bidrar till stor del kristallin

Question 5

Vad är en elementarfibrill?

Answer 5

Den minsta fibrillen

Question 6

Vad finns det för två modeller för supermolekylär struktur?

Answer 6

“Klassiska” modellen:
- lite mer rörig, inte hela cellulosakedjor på rad utan de sitter ihop lite mer ostrukturerat

Modifierad modell:
- raka cellulosakedjor med oordnade delar.

Question 7

Vad skiljer de olika lagren åt i fibern?

Answer 7

S1, S2 och S3 har fibrillerna olika arrangerade

Olika vinklar

Question 8

Vilka egenskaper kollas det på vid analys av cellulosa?

Answer 8

Renhet
Molekylär vikt (visar längd på cellulosakedjor)
Kristallinitet (kan vara viktigt)
Kemisk tillgänglighet och reaktivitet (hur kan man få den att reagera?)

Question 9

Vad kan mätas för att få en uppfattning om renhet?

Answer 9

• Alkalisk löslighet eller resistans.
  S10, S18 (löslighet)
  R10, R18 (resistans)
  (Alfa cellulosa innehåll)
• Kolhydratkomposition
• Extraktivämnen (standard metod)
• Lignin innehåll
• Ask innehåll

Question 10

Vad kan mätas för att få en uppfattning om molekylär vikt?

Answer 10

Viskositet:

• Upplösning av cellulosa i CED
• Enkel metod
• Ger medelvärde

GPC/SEC kromatografi:

• kräver kromatografiredskap
• upplösning av cellulosa i passande lösningsmedel
• Ger molekylär viktfördelning

Question 11

Vad kan mätas för att få en uppfattning om kristallinitet?

Answer 11

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

Question 12

Vad kan mätas för att få en uppfattning om kemisk tillgänglighet?

Answer 12

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)

Question 13

Vad finns det för nano/mikro partiklar?

Answer 13

MCC - mikrokrystallin cellulosa
NCC (CNC) - nanokrxystallin cellulosa (cellulosa nanokristaller)
MFC - mikrofibrillär cellulosa
NFC (CNF) - nanofibrillär cellulosa (cellulosa nanofibriller)

Question 14

MCC - mikrokrystallin cellulosa

Answer 14

• Delvis polymeriserad cellulosa
• Fragmenterade fibrer
• Används för farmaceutisk tabletter, livsmedelstillsats och smink.
• Tllverkas genom utspädd syrahydrolys
• vitt pulver

Question 15

NCC (CNC) - nanokrxystallin cellulosa (cellulosa nanokristaller)

Answer 15

• 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

Question 16

Sur hydrolys

Answer 16

• Fibriller, kristallina och amorfa delar
• Sker vid preparering av MCC
• För att studera cellulosas Struktur och tillgänglighet
• Amorfa delarna försvinner, H+

Question 17

Vad är LODP?

Answer 17

Utjämning av polymerisationsgraden motsvarande till kristallitlängd

Question 18

Förberedning av MCC?

Answer 18

Mekanisk behandling
Hydrolys
Tvätt
Torkning (oftast spraytorkning)

Question 19

Vad menas med Collodiala (kollodiala) egenskaper

Answer 19

Partiklarna är så små att de sedimenterar inte

Question 20

Steg i tillverkning av MCC och CNC:

Answer 20

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)

Question 21

Vad är den viktigaste användningen av MCC?

Answer 21

I farmaceutiska tabletter

Question 22

Egenskaper som gör MCC bra i farmaceutiska tabletter

Answer 22

Hjälpämne
Stark tablett, kompakt (går ej sönder när man tex poppar ut dem ut förpackningen)
Hålla ihop i maskinen
Snabb upplösning 
Bra pulverflödbarhet

Question 23

MCC karaktärisering

Answer 23

• Partikelstorlek
• Kompaktens styrka
• Ytarea
• DP (degree of polymerization, hur mycket man har brytit ner)

Question 24

MFC - mikrofibrillär cellulosa

Answer 24

• 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!)

Question 25

NFC (CNF) - nanofibrillär cellulosa (cellulosa nanofibriller):

Answer 25

• 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

Question 26

Homogenisera/Mikrofluidisering

Answer 26

• 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

Question 27

Vad finns det för andra metoder för MFC/NFC?

Answer 27

Malning 
Fräsning
Kryo krossning (fryser ner och krossar)
Elektrospinning
Förbehandling:
- Enzymatisk behandling
- Ytmodifiering (ex. TEMPO)

Question 28

Utmaningar med NFC/MFC:

Answer 28

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.

Question 29

NFC / MFC som styrka förstärkare för papper och kartong:

Answer 29

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)

Question 30

Vad tillför NFC i pappersbestrykning?

Answer 30

Ökar hållfasthetsegenskaperna

Ökar ytans jämnhet

Ökar styrkeegenskaper (ytskiktet)

Minskar luftgenomsläppligheten

Ger högre viskositet till beläggningsfärgen vid hög koncentrationer (problem)

Question 31

Karaktärisering av NFC

Answer 31

Sedimentation

Partikelstorlekar

Reologi av suspensioner

Ytladdning (som påverkar reologin)

Detta utvecklas fortfarande

Question 32

Framtida appliceringar av NFC:

Answer 32

Kompositmaterial

Organisk elektronik (bilda tunna filmer)

Reologimodifierare

Absorberande material (hålla mycket vatten)

Question 33

Varför binder NFC (CNF) bra till vatten?

Answer 33

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

Question 34

Varför NFC får ökad densitet?

Answer 34

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

Question 35

Applicering av NFC på papper?

Answer 35

• konventionell beläggningsteknik: stångbeläggning, rullbeläggning eller size press
• spraybeläggning
• skumbeläggning

Question 36

För och nackdelar med spraybeläggning

Answer 36

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

Question 37

Skumbeläggning

Answer 37

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.