Liuotinpohjainen selluloosananokiteiden valmistus

Selluloosa on uusiutuva, biohajoava ja lähes ehtymätön raaka-aine, jonka käyttö varhaisista ajoista lähtien on lisääntynyt ja laajentunut yhdeksi tärkeimmistä teollisuuspolymeereistä sen uusien ominaisuuksien löytämisen ansiosta. Sitä saadaan luonnollisista, uusiutuvista lähteistä, kuten puista ja kasveista ja sen käyttökohteet vaihtelevat muun muassa energialähteestä rakennusmateriaaleihin, tekstiileihin, paperiin ja biomuoveihin. Selluloosan rakenneosat, kuten selluloosananokiteet, ovat tällä hetkellä tärkeä tutkimuskohde ja niiden monipuolisilla ominaisuuksilla ja käyttömahdollisuuksilla pyritään tulevaisuudessa muun muassa korvaamaan fossiilihiileen pohjautuvia, uusiutumattomia materiaaleja. Tämä vaatii uusien menetelmien kehittämistä selluloosan eri osien eristämiseksi ja käsittelemiseksi. Selluloosananokiteistä ainutlaatuisen materiaalin tekevät niiden ominaisuudet, kuten keveys, lujuus, suuri pinta-ala suhteessa tilavuuteen ja ympäristöhyödyt. Niitä valmistetaan hydrolysoimalla selluloosakuitujen amorfinen osa liuottimella, jolloin jäljelle jää selluloosananokiteitä. Valmistusmenetelmien tutkimus on vielä varhaisessa vaiheessa, mutta tähän mennessä kehitetyt menetelmät pohjautuvat suurelta osin happohydrolyysiin ja hydrolyysiin ionisilla nesteillä. Nämä menetelmät ovat kuitenkin ympäristölle haitallisia kemikaalien myrkyllisyyden ja huonon biohajoavuuden takia. Vaihtoehto näille liuottimille ovat syväeutektiset liuottimet (deep eutectic solvent, DES). Selluloosan hydrolyysi DES-liuottimilla on todettu aiheuttavan vähemmän ympäristöhaittoja ionisiin nesteisiin ja happohydrolyysiin verrattuna, sillä ne ovat yleensä myrkyttömämpiä, biohajoavia ja helpommin saatavissa. DES- liuotin valmistetaan kahdesta tai useammasta kiinteästä tai nestemäisestä komponentista, jotka tiettyinä seoksina laskevat komponenttien sulamispisteitä yksittäisiin komponentteihin verrattuna. Työn kokeellisessa osassa tutkittiin erilaisista DES-komponenteista valmistettuja liuottimia, niiden avulla hydrolysoituja selluloosakuituja sekä reaktioajan ja -lämpötilan vaikutusta selluloosananokiteiden saantoon, muotoihin ja happoryhmien määrään tuotteessa. Työssä todettiin liuottimien komponenteilla, reaktioajoilla ja -lämpötiloilla olevan vaikutusta nanokiteiden muodostumiseen. DES-liuottimilla saadut näytteiden saantoprosentit vaihtelivat 67 %:sta 81 %:iin ja näytteiden TEM-kuvien perusteella koliinikloridin ja oksaalihappodihydraatin DES- liuos hydrolysoi liukosellua parhaiten. Reaktioajan lisäys kasvatti kyseisillä komponenteilla reaktion saantoprosenttia, kun taas koliinikloridin ja p-tolueenisulfonihapon monohydraatin reaktiossa se laski saantoprosenttia. Tästä voitiin päätellä reaktioajan ja -lämpötilan muutosten vaikuttavan eri tavoin eri komponenteilla. Näytteiden TEM-kuvissa on nähtävissä nanokiteitä, mikä osoitti DES-komponenttien toimivuuden. Happoryhmien määrittämisestä saatujen tulosten perusteella reaktioajan kasvu lisäsi karboksyylihappojen määrää näytteessä. Tulosten perusteella DES-liuottimien käyttö on mahdollista selluloosananokiteiden valmistuksessa ja verrattuna aikaisemmin käytettyihin liuottimiin, ne ovat halvempia, yksinkertaisempia valmistaa ja aiheuttavat vähemmän ympäristöhaittoja. Jotta selluloosananokiteiden teollinen tuotanto olisi kannattavaa, on kustannuksiltaan, valmistusmenetelmiltään ja ympäristövaikutuksiltaan optimaalisen liuottimen löytäminen amorfisen osan liuottamiseksi ensisijaisen tärkeää. Tällöin selluloosananokiteiden valmistus olisi tehokasta, mikä mahdollistaisi niiden käytön erilaisissa materiaaleissa, ja jopa uusiutumattomien raaka-aineiden korvaamisen