Selluloosafibrillien tuotantoprosessin optimointi – väliaineen koostumuksen vaikutus tuotannon energiatehokkuuteen ja lopputuotteen laatuun

Cellulosic nanomaterials are a new family of renewable biomaterials that have the potential to widely expand the application range of cellulose fibres. For this reason, they have been under extensive research over the last decade. The purpose of this Master’s thesis was to provide an outlook on the process optimization of mechanical processing of cellulose nanofibrils, focusing on the composition of the process medium. More precisely, the effects of the process medium on the energy efficiency and product quality of cellulose fibril production were studied. The effect of the process medium was studied by comparing the fibrillation of never-dried birch kraft pulp dispersed in reverse osmosis water, tap water and a 5 % dose of a green additive. Three additives were tested: glycerol, a Prosoft debonder solution and a choline chloride – glycerol (1:2) deep eutectic solvent (DES). Prior to processing, the pulp was ion-exchanged to the sodium counter-ion form with optimal swelling and fibrillation conditions. A Masuko friction grinder was used for the fibrillation. To assess the quality of the fibrillated materials, their properties were analysed with a combination of characterization methods chosen from literature. The results of the characterization methods were presented as a function of specific net energy consumption to illustrate the relation between energy efficiency and product quality for each sample. The results from the characterization methods consistently demonstrated that reverse osmosis water provided the best fibrillation results, especially at lower energy levels. The effect of glycerol was negligible, while the divalent cations in tap water disrupted the swelling of fibres and their subsequent fibrillation. The deep eutectic solvent behaved similarly as tap water, implying it does not retain its complex form in aqueous solutions but reverts to a halide salt and glycerol, the former of which disrupts the fibrillation similarly as the ions in tap water. The fibres dispersed in the debonder solution showed the weakest results overall, and their behaviour suggests the fibrils form flocks around the cationic polymers of the debonder solution, heavily disrupting their fibrillation and the formation of an interfibrillar network. Finally, the quality parameters of the fibrils peak between net energy levels 2 and 3 kWh/kg for all mediums except the debonder solution. This indicates that prolonged grinding reduces the aspect ratio of the fibrils, resulting in weakening of the fibril network.Selluloosananomateriaalit ovat joukko uusiutuvia biomateriaaleja, jotka voivat merkittävästi lisätä selluloosakuitujen sovellusmahdollisuuksia. Tästä syystä ne ovat olleet laajalti tutkittuja viimeisen vuosikymmenen ajan. Tämä diplomityö pyrkii tarjoamaan tuoreen näkökulman selluloosafibrillien mekaanisen tuotantoprosessin systemaattiseen optimointiin. Työssä tutkittiin prosessiväliaineen koostumuksen vaikutusta fibrillien tuotannon energiankulutukseen ja syntyvän lopputuotteen laatuun. Prosessiväliaineen vaikutusta tutkittiin vertaamalla Kraft-putkisellun (koivu) fibrillaatiota joko käänteisosmoosiveteen, hanaveteen, tai 5 % vahvuiseen vihreään lisäaineeseen dispergoituna. Työssä testattiin kolmea eri lisäainetta: glyserolia, Prosoft–debonderia, sekä koliinikloridi-glyseroli (1:2) syväeutektista liuotinta (DES). Ennen mekaanista prosessointia Masuko -jauhimella kuitu pestiin natrium-vastaionimuotoon, mikä parantaa sen turpoamis- ja fibrilloitumisominaisuuksia. Fibrilloidun materiaalin laadun arviointiin käytettiin kirjallisuudesta valikoituja karakterisointimenetelmiä. Menetelmien tulokset esitettiin spesifisen nettoenergiankulutuksen funktiona prosessin energiatehokkuuden ja näytteiden laadun välisen suhteen havainnollistamiseksi. Karakterisointimenetelmien tulokset osoittivat johdonmukaisesti, että käänteisosmoosivesi mahdollisti kuitujen tehokkaimman fibrillaation etenkin alhaisemmilla jauhatusenergiatasoilla. Glyserolin lisäyksen vaikutus jäi mitättömäksi, mutta hanaveden divalenttien kationeiden todettiin häiritsevän kuitujen turpoamista ja sitä kautta niiden fibrilloitumista. Syväeutektisen liuottimen vaikutus oli samankaltainen kuin hanavedellä, antaen ymmärtää että sen kompleksirakenne hajoaa vesiliuoksessa takaisin halidisuolaksi ja glyseroliksi, joista ensin mainittu häiritsee kuitujen fibrillaatiota samoin kuin hanaveden kationit. Prosoft-debonderiliuokseen dispergoidut kuidut saivat heikoimmat tulokset kaikissa karakterisointimenetelmissä. Niiden käyttäytymisestä pääteltiin kuitujen muodostavan flokkeja kationisen debonderipolymeerin ympärille, mikä heikentää kuitujen fibrillaatiota, sekä fibrilliverkkorakenteen muodostumista. Debonderinäytettä lukuun ottamatta kaikkien näytteiden laatuparametrit saavuttivat huippunsa noin 2-3 kWh/kg:n energiatason kohdalla. Tämä viittaa siihen, että pidempään jatkuva jauhatus pienentää kuitujen muotosuhdetta, joka puolestaan heikentää fibrillien muodostaman verkkorakenteen vahvuutta