Licentiatseminarium i kemiteknik med Malin Nejström

Huvudhandledare

Professor Magnus Norgren, Mittuniversitetet

Biträdande handledare

Professor Håkan Edlund, Mittuniversitetet

Forskare Ida Svanedal, Mittuniversitetet

Opponent

Biträdande Professor Lars Evenäs, Chalmers

Avhandlingens titel

Structural Impacts on Some Physical Properties of Cellulose-Based Films

Abstract

Cellulosa är ett naturligt material som kan användas både som det är och
som en byggsten för nya, helt andra typer av material. Det här arbetet
fokuserar på regenererad cellulosa (RC), också kallad cellulosa II, och
cellulosa acetat butyrat (CAB), där cellulosan agerar som ryggrad där
hydroxylgrupperna delvis är substituerade med estergrupper. Både
regenererad cellulosa och cellulosa acetat butyrat är formade som tunna
filmer, efter upplösning, och analyserade med avseende på strukturella och
morfologiska fenomen samt materialegenskaper.
Det här arbetet strävar efter att förstå strukturen i cellulosafilmer, de
fundamentala principerna kring materialet och hur de påverkar
materialegenskaperna. Arbetet granskar effekten av regenereringsvätskans
polaritet på kristalliniteten och andra materialegenskaper (Artikel I). Arbetet
undersöker också hur variationen i grad av butyratsubstitution och variation
av molekylvikt för kommersiellt tillgängliga cellulosa acetat butyrat påverkar
den strukturella ordningen i lösningsmedelsgjutna filmer, till den grad att en
märkbar skillnad i materialegenskaper kan observeras (Artikel II). Det är gjort
genom analyser av filmerna med fastfas kärnmagnetisk resonans (ss-NMR),
röntgendiffraktion (XRD) och temperaturmodifierad differentiell
scanningskalorimetri (TOPEM DSC) på RC- och CAB-filmer. Cellulosamassa
löstes upp med kall vattenbaserad alkalisk urealösning och regenererades
med antingen etanol, normal propanol, metylacetat eller etylformat för att
forma RC-filmer. Olika varianter av kommersiellt tillgängliga CAB löstes upp
i aceton och lösningsmedelsgjöts för att forma CAB-filmer. En intressant
term ”Filmformbarhet” användes i arbetet för att avgöra de praktiska
filmegenskaperna (mestadels hur lätthanterlig filmen var) med subjektiva
observationer.
Både regenererade cellulosafilmer och cellulosaesterfilmer var
transparenta, med lite variation. CAB-filmerna var skörare än RC-filmerna,
även om de var nästan tre gånger tjockare. RC-filmerna kunde böjas och till
och med vikas skarpt, medan CAB-filmerna bara var något böjbara innan de
sprack, med stor variation beroende på vilken CAB som användes.
Kristalliniteten hos RC-filmerna varierade med regenereringsvätskan och
en ökande kristallinitet följde serien: EtOH<n-PrOH<MeAc<EtFm. Genom att
styra kristalliniteten hos RC-filmerna kunde även några materialegenskaper
varieras i sin tur, och med det kunde fördelarna med materialet förutses och
utnyttjas till fullo. För CAB-filmerna kunde både kristalliniteten och
macrostrukturordningen öka med ökad molekylvikt och ökat antal
hydroxylgrupper längs polymerens ryggrad, och ordningen i filmerna kunde
därmed skräddarsys efter önskemål, även om det gav mindre effekt än vad
det gjorde för RC-filmerna.
Genom att använda cellulosa-baserade polymerer som material i
filmtillverkning kunde hanterbarheten av materialen bli undersökt, något
som är väldigt viktigt ur ett processtekniskt perspektiv. Den här
avhandlingen försöker eliminera kunskapshålet kring materialegenskapers
påverkan av strukturella delar, som ett arbete som tillsammans med andra
bygger kunskap som kan utveckla nya innovativa produkter och idéer
ytterligare.