Oxidation of cellulose to favour its dissolution in alkaline aqueous solution before regeneration into textile yarn

• Main Author: Orpiszak, Martin
• Format: Others
• Language: English
• Published: KTH, Kemiteknik 2021
• Subjects: Cellulose; periodate oxidation; dissolution; regeneration; textile yarn; cellulosa; natriumperjodat oxidation; upplösning; regenerering; textilgarn; Polymer Chemistry; Polymerkemi
• Online Access: http://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-296556

Detta examensarbete är en del av CelluFil-projektet och syftar till att optimera förhållandena för upplösning av cellulosa i vattenlösning av natriumhydroxid följd av regenering i form av ett garn. Tidigare arbeten har visa tatt cellulosa kan lösas i vattenlösning vid -10°C, men sådana förhållanden är inte tillämpliga i industriell skala. Målet med detta projekt är att arbeta vid rumstemperatur.  För detta kommer karboxylgrupper att införas i cellulosakedjorna för att öka cellulosans lighet i ett alkaliskt vattenbaserat medium. Därefter kommer cellulosan att fällas ut igen i en sur lösning. Natriumperjodat gör det möjligt att oxidera alkoholgrupperna i cellulosakedjan på C2- och C3- positionerna genom att öppna glukosenheterna för att skapa två karbonylfunktioner (aldehyde) som sedan lätt kan oxideras till karboxylgrupper med överoxidering med natriumklorit.  Den första delen av rapporten är tillägnad litteraturöversikten om ämnet med focus på natriumperjodat oxidation. Därefter föreslås ett allmänt protokoll från natriumperjodat oxidation till regenering av cellulosa till garn i en svavelsyralösning. Flera förhållanden för natriumperjodat oxidationen testas vid olika temperaturer, med eller utan metallsalter och med olika oxidationsdoser.  Upplösningsutbytet är direkt kopplat till karboxylinnehållet infört i cellulosakedjorna. Periodatoxidationen leder också till minskningen av polymerisationsgraden men cellulosas DPv förblir tillräckligt hög med det riktade COOH-innehållet och för textilapplikationer. Den möjliga produktionen av hydroxylradikaler under natriumperjodat oxidationen har undersökts med EPR/Spin-trapping. Endast försök gjorda med UV-strålning visade OH°. Således förklaras fortfarande inte depolymerisationen av cellulosa under perjodat oxidation framställd under mörka förhållanden. Eftersom, konsumtion av natriumperjodat är låg under oxidationen är dess återvinning en nyckelfråga för en industriell applikation. Det har visat sig att oxidationsfiltraten kan återanvändas flera gånger före total konsumtion av periodat. Kvaliteten på celluloser oxiderade med återvunna filtrat, särskilt deras upplösningsförmåga, bör kontrolleras.  === This master thesis is part of the Cellufil Project and aims to optimize the conditions for dissolving cellulose in aqueous sodium hydroxide solution followed by regeneration it in the form of a yarn. Previous works have shown that cellulose could be dissolved in soda at -10°C, but such conditions are not applicable at industrial scale. The objective of the present project is to work at room temperature.  For that, carboxyl groups will be introduced in the cellulose chains in order to increase cellulose solubility in an alkaline aqueous medium, after this it is reprecipitated it in acidic solutions. Periodate makes it possible to oxidize the alcohol groups of cellulose on C2 and C3 positions by opening the glucose units to create two carbonyls functions (aldehyde) which can then be easily oxidized into carboxylic groups with overoxidation using sodium chlorite. A first part of the report is dedicated to the literature review on the subject, focusing on periodate oxidation. Then, a general protocol is proposed from the periodate oxidation to the regeneration of cellulose into yarn in sulfuric acid solutions. Several conditions for the periodate oxidation are tested, at different temperatures, with or without metal salts and with different oxidant dosages.  The dissolution yield is directly linked to the carboxyl content introduced in the cellulose chains. The periodate oxidation also leads to the decrease of the cellulose degree of polymerization but cellulose DPv still remains sufficiently high in the case of the targeted COOH contents and for textile applications. The possible production of hydroxyl radicals during the periodate oxidation has been investigated by EPR/Spin-trapping. Only trials made with UV radiations showed OH°. Thus, cellulose depolymerization during periodate oxidation made in dark conditions is still not explained. Because the periodate consumption is low during the oxidation, its recycling is a key issue for an industrial application. It has been shown that the oxidation filtrates could be reused several times before total oxidant consumption. The quality of celluloses oxidized with recycled filtrates, especially their dissolving ability, should be checked.