Dissolution of cellulose in aqueous hydroxide base solvents

Doctoral thesis, 2022

Sverige består till 70 % av skog och det finns lång erfarenhet av att göra material så som papper, kartong eller textil av cellulosa från trä. Cellulosan är förnybar och det pågår idag mycket forskning för att utveckla nya spännande cellulosabaserade material. För att göra dessa behöver man bearbeta cellulosan först, och ett sätt kan vara genom upplösning. Det är däremot inte helt trivialt att lösa upp cellulosa; det löser sig inte i vatten eller andra vanliga lösningsmedel, och trots att det finns ett antal specialiserade lösningsmedel så förstår man inte fullt ut hur de interagerar med cellulosan, vilket begränsar deras användning.

Ett sådant lösningsmedel är natriumhydroxid i vatten (NaOH(aq)), som i ett snävt koncentrationsfönster och vid temperaturer under 5 °C kan lösa upp vissa typer av cellulosa. De producerade cellulosalösningarna är dock inte särskilt stabila, men NaOH(aq) anses fortfarande vara ett intressant lösningsmedel då det är billigt, ej giftigt, samt att NaOH som kemikalie är brett använt i industrin. Därför handlar den här avhandlingen om att fördjupa förståelsen för hur detta, samt liknande lösningsmedel fungerar. Syftet är att i framtiden kunna använda den kunskapen i utveckling av nya, förbättrade koncept för upplösning av cellulosa.

I detta arbete så har flera olika lösningsmedel använts, bestående av vattenlösningar av olika hydroxidbaser. Deras egenskaper och interaktion med cellulosa har undersökts med moderna och avancerade metoder.  Detta inkluderade bland annat reologiska metoder samt spektroskopi med både ljus- och röntgenspridning. Resultaten visade att valet av bas påverkade flera faktorer, så som hur mycket cellulosa som kan lösas upp, vid vilken temperatur detta sker och stabiliteten av lösningarna. Det påvisades att medan NaOH(aq) är ett väldigt svagt och undermåligt lösningsmedel, så ger en bas med mer hydrofob karaktär ökad upplösningskapacitet. Det upptäcktes även att vid blandning av NaOH med en mer hydrofob bas så kunde det uppstå en synergieffekt, där stabiliteten av cellulosalösningen ökade bortom stabiliteten av cellulosa upplöst i vattenlösning av endast en bas. Genom dessa resultat så har denna avhandling bidragit med en ny pusselbit till den existerande kunskapen om upplösning av cellulosa i vattenbaserade lösningsmedel, men det finns ännu många obesvarade frågor om mekanismerna och interaktionerna i dessa system att utforska.