Turning the cold NaOH(aq) into a powerful processing system for cellulose by utilizing its abundance of CO2 - a step towards sustainable textile processes
Research Project , 2017 – 2019

Vår konsumtion av textil ökar i takt med att befolkningen på jorden växer. Ett samhälle som präglas av hållbar utveckling kan varken producera mer bomull eller oljebaserade fibrer för att möte denna ökning, utan bör istället söka utnyttja skogen som en stor förnyelsebar resurs samt utveckla effektiva återvinningsprocesser för textila fibrer. Omvandling av vedcellulosa till textila fibrer är dock en utmaning då den kräver att den nativa cellulosans struktur – med dess komplexa morfologi och övermolekylära organisation – löses upp till individuella cellulosamolekyler som sedan omformas till långa flexibla textila fibrer.

Idag finns det ett fåtal industriella processer som möjliggör denna omformning. Tyvärr är de varken särskilt miljövänliga eller kostnadseffektiva och erbjuder endast ett begränsat utbud av fiberegenskaper. För en bredare användning av vedbaserad textil krävs det nya processlösningar som ska bygga på nya hållbara upplösningskoncept för cellulosa och erbjuda en bredare palett fiberegenskaper.

Speciellt tilltalande är användning av det billiga och miljövänliga vattenbaserade kallalkali-systemet (kall vattenlösning av natriumhydroxyd) som trots sin enkelhet och sin långa historia inom cellulosakemin fortfarande innebär många kunskapsluckor och processutmaningar. Under årens lopp har flera sätt att förbättra cellulosans löslighet i kallalkali-systemet undersökts. Bland de äldsta är kemisk omvandling av cellulosans nativa struktur till lösliga derivat som under omformning av upplösta cellulosakedjor till textila fibrer återgår till polymerens ursprungliga struktur. Den utnyttjas i viskostillverkning men är baserad på giftiga reagens svåra att hantera på ett hållbart sätt.

Kan det giftiga derivatiseringsreagenset ersättas med något så harmlöst och rikligt förekommande i en kallalkalilösning som koldioxid från luft? Koldioxid från luft löses, nämligen, upp i betydliga mängder i en kall alkalisk vattenlösning tack vare hög löslighet vid låga temperaturer och hög alkalinitet. Kan denna rikedom på koldioxid utnyttjas för att göra kallalkali till ett bättre upplösningssystem för cellulosa? I det här forskningsprogrammet föreslår vi användning av en speciell grupp molekyler, så kallade organiska superbaser, med förmågan att bygga in koldioxid i cellulosa och omvandla den till lösliga cellulosakarbonater. Denna omvandling är reversibel och innebär att en återaggregering av de upplösta cellulosakedjorna kan åstadkommas genom att tvinga reaktionen år andra hållet genom att exempelvis strypa tillgång till koldioxid. Detta innebär att omformning av upplösta cellulosakedjor till nya materialstrukturer kan genomföras utan tillsats av externa lösningsmedel eller reagens (vilket vanligtvis är fallet). Detta innebär också en utmärkt möjlighet att styra återaggregeringssteget och därigenom påverka materialegenskaperna hos det ”återaggregerade materialet” (oftast i form av spunna textila fibrer). En ytterligare möjlighet att påverka dessa egenskaper är att ta vara på förmågan hos cellulosakarbonater att själv-tvärbinda och därigenom inverka på materialets styrka och porositet.

Våra preliminära resultat tyder på att dessa molekyler har en avgörande inverkan på upplösning av cellulosa i kallalkalisystemet genom att möjliggöra just en eftertraktad derivatisering av cellulosans struktur med den redan tillgängliga koldioxiden från luft. Den upplösta koldioxid-derivatiserade cellulosan kan lätt återgå till sin ursprungliga struktur och återaggregera i en ny form om tillgången på koldioxid tas bort eller själv-tvärbinda och skapa starka gelstrukturer vid fortsatt kontakt med koldioxid. Dess kemiska egenskaper kan ha en avgörande roll vid omformningen av de upplösta kedjorna och kan därmed även vara nyckeln bakom de nybildade materialens egenskaper. I det här programmet kommer vi att utforska och vidareutveckla denna fascinerande hypotes. Vi hoppas att Formas ska stödja oss i detta arbete mot nya hållbara koncept för upplösning och omformning av cellulosa.

Participants

Merima Hasani (contact)

Senior forskare vid Chalmers, Chemistry and Chemical Engineering, Chemical Technology, Forest Products and Chemical Engineering

Funding

Formas

Funding Chalmers participation during 2017–2019 with 2,862,000.00 SEK

Related Areas of Advance and Infrastructure

Sustainable development

Driving Forces

More information

Latest update

2018-06-28