Advanced

On the Gelation of Microcrystalline Cellulose in Alkaline Solutions

Nosrati Hefzabad, Pegah LU (2016) KEMP37 20161
Department of Chemistry
Abstract
The underlying mechanism of gel formation in solutions containing microcrystalline cellulose dissolved in cold alkali with and without addition of urea was investigated using rheological methods, spectrophotometry, scattering techniques and nuclear magnetic resonance spectroscopy. From the obtained results it is found that gelation occurs due to a microscopic precipitation of cellulose II, which induces a nucleation process that if given enough time and energy eventually will percolate the entire sample matrix. Addition of urea prior to cellulose dissolution seems to hinder or slow down cellulose II precipitation, thus decreasing the rate of aggregation and leaving the solutions liquid-like for longer, even at elevated temperatures.
Popular Abstract (Swedish)
Få molekyler arbetar så i det tysta som cellulosa. Denna jättemolekyl, även kallad polymer, består av fastkedjade glukosmolekyler och är hela naturens byggsten. Till synes är cellulosa den perfekta molekylen - utvinningsbar i enorma massor från exempelvis skogsindustri och med allehanda användningsområden inom exempelvis läkemedels-, textil- och även på senare tid inom biobränsleindustri.

För att kunna dra nytta av denna mångsidiga polymer måste den först lösas upp i ett passande lösningsmedel, vilket har visat sig vara svårt eftersom cellulosa inte alltid följer den traditionella kemiska logiken. Forskarna har svårt att hitta det perfekta lösningsmedlet, och frågan är om ett sådant någonsin kommer att upptäckas. Ett sedan länge... (More)
Få molekyler arbetar så i det tysta som cellulosa. Denna jättemolekyl, även kallad polymer, består av fastkedjade glukosmolekyler och är hela naturens byggsten. Till synes är cellulosa den perfekta molekylen - utvinningsbar i enorma massor från exempelvis skogsindustri och med allehanda användningsområden inom exempelvis läkemedels-, textil- och även på senare tid inom biobränsleindustri.

För att kunna dra nytta av denna mångsidiga polymer måste den först lösas upp i ett passande lösningsmedel, vilket har visat sig vara svårt eftersom cellulosa inte alltid följer den traditionella kemiska logiken. Forskarna har svårt att hitta det perfekta lösningsmedlet, och frågan är om ett sådant någonsin kommer att upptäckas. Ett sedan länge beprövat sätt för cellulosaupplösning är dock med hjälp av den så kallade kalla alkalimetoden, vilket innebär att vattenlösningar av natriumhydroxid (NaOH) används som lösningsmedel. Trots sin ålder – metoden är snart ett århundrande gammal – finns det många frågor och konstigheter kring denna upplösningsvariant som forskarna inte kan hitta klara svar på. Ett exempel på detta är att blandningarna måste ställas i frysen för att upplösning ska ske; det sker alltså ingen upplösning i rumstemperatur. Ett annat exempel som väcker förundran är att en till synes klar, lättflytande lösning av cellulosa i NaOH(aq) tids nog kommer att omvandlas till en tjock, trög gel. Denna gelbildning sker mer eller mindre fort beroende på mängden cellulosa i provet och också på omgivningens temperatur; högre temperaturer gynnar gelningen.

Att en lösning går från flytande till gelform går inte alltid att förklara på ett trivialt sätt och så är det även i detta fall. Även om fenomenet varit känt länge finns det än idag inget säkert svar på frågan. Det har dock funnits att tillsatser av vissa ämnen till lösningsmedlet fördröjer gelprocessen, men även här kämpar forskarna med att hitta rimliga förklaringar till hur detta kan ske.

Med detta examensarbete ämnar jag att djupgående studera orsakerna till varför cellulosalösningar skapade med den välkända kalla alkalimetoden bildar geler. Jag undersöker dels det ursprungliga systemet innehållande enbart natriumhydroxid, vatten och cellulosa, men analyserar även lösningar med tillsats av urea för att försöka reda ut vilken roll denna tillsats har i processen. I min jakt på det gyllene svaret har jag främst använt fyra olika analysmetoder: Reologi (läran om lösningars flödesegenskaper), spektrofotometri (läran om vad som sker när synligt ljus passerar en lösning) låg- och vidvinkelspridning (beskriver med hjälp av röntgenljus hur en lösnings sammansättning på molekylär nivå ser ut) samt slutligen kärnmagnetisk resonans (NMR), som med hjälp av magnetfält förklarar hur partiklarna i en lösning rör sig i provet.

Experimenten visar att vid högre cellulosaconcentrationer och temperaturer sker en utfällning av cellulosa typ II, vilket är en cellulosaform som har annorlunda molekylär struktur än den som naturen syntetiserar (cellulosa typ I). Detta leder till en kristallstrukturförändring i en liten del av det molekylära nätverket i provet vilket i sin tur inducerar samma förändring i resten av lösningen och gelbildningen är ett faktum. Att gelerna bildas fortare vid högre temperaturer är en konsekvens av att kemiska reaktioner sker fortare om temperaturen höjs. Tillsats av urea verkar hämma utfällningen av cellulosa typ II, och fördröjer på så sätt gelprocessen. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
Nosrati Hefzabad, Pegah LU
supervisor
organization
course
KEMP37 20161
year
type
H2 - Master's Degree (Two Years)
subject
keywords
crystallization, aggregation, Polymers, cellulose, cold alkali, urea, physical chemistry, fysikalisk kemi
language
English
id
8881682
date added to LUP
2016-07-01 13:45:52
date last changed
2016-07-01 13:45:52
@misc{8881682,
  abstract     = {The underlying mechanism of gel formation in solutions containing microcrystalline cellulose dissolved in cold alkali with and without addition of urea was investigated using rheological methods, spectrophotometry, scattering techniques and nuclear magnetic resonance spectroscopy. From the obtained results it is found that gelation occurs due to a microscopic precipitation of cellulose II, which induces a nucleation process that if given enough time and energy eventually will percolate the entire sample matrix. Addition of urea prior to cellulose dissolution seems to hinder or slow down cellulose II precipitation, thus decreasing the rate of aggregation and leaving the solutions liquid-like for longer, even at elevated temperatures.},
  author       = {Nosrati Hefzabad, Pegah},
  keyword      = {crystallization,aggregation,Polymers,cellulose,cold alkali,urea,physical chemistry,fysikalisk kemi},
  language     = {eng},
  note         = {Student Paper},
  title        = {On the Gelation of Microcrystalline Cellulose in Alkaline Solutions},
  year         = {2016},
}