The Solubility of Cellulose II in Alkaline Solutions

Abstract

Textile fibres made from cellulose is a plausible candidate for replacing cotton in the future. In order to create textile fibres from cellulose the cellulose must first be dissolved and proceeded by regeneration through spinning. In this study mainly the solubility of regenerated cellulose has been investigated. Micro crystalline cellulose (MCC) was regenerated by dissolving it in NaOH (2 M) and regenerating it by neutralizing the solution with HCl (2 M). The solution was purified by centrifuging it and replacing the supernatant with fresh MilliQ-H2O. The regenerated cellulose has been analysed with wide angle X-ray scattering (WAXS) to determine the type of cellulose. The amount of Na+ in the regenerated cellulose was measured with inductively coupled plasma optical emission spectrometry (ICP-OES). The solubility limit of regenerated cellulose has been tested and compared to MCC in NaOH (2 M) and TBAH (40%) and confirmed with light microscopy.

In this project it has been established that dissolving MCC in NaOH (2 M) and regenerating it by neutralizing it with HCl (2 M) is a potent method for generation of cellulose II. The ICP-OES shows that centrifuging a sample and replacing the supernatant with fresh MilliQ-H2O is an efficient method of removing Na+. It has also been determined with light microscopy that cellulose II has a lower solubility limit than cellulose I.

Popular Abstract (Swedish)

Bomull är en huvudkomponent i majoriteten av kläder som tillverkas och har därför blivit ett standardmaterial i dagens samhälle. Bomull odlas på flera platser runtom i världen, men bomullsväxten kräver ett speciellt klimat, stora jordytor samt en enorm mängd vatten för att trivas. De här kraven har gjort att produktionen av bomull inte kunnat hålla jämna steg med den ständigt ökande efterfrågan på textilier och därmed mer eller mindre stannat av. Forskare har därför börjat leta efter något som kan ersätta bomull och på så vis minska belastning som bomullsproduktionen har på vår planet. Cellulosa är en lovande kandidat som i framtiden skulle kunna ersätta bomull. Cellulosa är en lång kedja av flera hundra sockermolekyler, en s. k. polymer, och det kan utvinnas väldigt mycket cellulosa från trämassa och andra växtmaterial, det går dessutom att tillverka textilfibrer från cellulosa. Problemet är att för att tillverka textilfibrer av cellulosa så måste cellulosan först lösas upp i ett lämpligt lösningsmedel och sedan spinna trådar av den medan den regenereras (fälls ut igen). Dock har cellulosan visat sig vara mycket svårare att lösa upp än vad forskarna förväntade sig, och den exakta upplösningsmekanismen är inte känd. Forskare har dock kommit fram till att det går att lösa upp cellulosa i natriumhydroxid (NaOH). Egenskaperna hos regenererad cellulosa är dock inte väl dokumenterade, så det här examensarbetets syfte är att undersöka och jämföra lösligheten hos regenererad cellulosa och vanlig cellulosa.

NaOH användes för att lösa upp vanlig cellulosa och för att regenerera den användes saltsyra (HCl), lösningen renades sedan genom att centrifugera den och ersätta supernatanten (vätskan) med avjoniserat vatten.. För att avgöra vilken typ av cellulosa den regenererade cellulosan består av har vidvinkelspridning med röntgenstrålar använts, strålarna passerar genom provet och beroende på hur de har påverkats av provet ger de information om vad som finns i provet. ICP-OES (inductively coupled plasma optical emission spectrometry) användes för att avgöra om den regenererade cellulosan var kontaminerad av natrium, och ljusmikroskopi användes för att undersöka löslighetsgränsen.

Resultaten från spridningsundersökningen antydde att när cellulosan regenereras så byter all cellulosa i lösningen form från cellulosa I till cellulosa II, skillnaden mellan formerna är att i cellulosa I är kedjorna parallella (↑↑) medan i cellulosa II är kedjorna antiparallella (↑↓). ICP-OES visade en minimal närvaro av natrium i förhållande till cellulosa och ljusmikroskopin gav det förväntade resultatet att cellulosa II har en lägre löslighetsgräns än cellulosa I, resultatet var förväntat eftersom cellulosa II har dokumenterats som mer termodynamiskt stabilt än cellulosa I.

Sammanfattningsvis så visar resultaten att lösa upp cellulosa I i NaOH och sedan regenerera med HCl är en effektiv metod för konvertering av cellulosa I till cellulosa II, att centrifugera regenererad cellulosa och ersätta supernatanten med avjoniserat vatten är en bra metod för att rena lösningen från natrium och att regenererad cellulosa är svårare att lösa upp än vanlig cellulosa.

• author: Johansson, Eric
• supervisor: Ulf Olsson; Pegah Nosrati
• organization: Department of Chemistry
• course: KEMK07 20161
• year: 2016
• type: M2 - Bachelor Degree
• subject: Chemistry
• keywords: WAXS, TBAH, NaOH, Solubility, Cellulose II, Light microscopy, physical chemistry, fysikalisk kemi
• language: English
• id: 8884739
• date added to LUP: 2016-08-30 11:15:42
• date last changed: 2016-08-30 11:15:42