Foaming of cellulose derivatives and hemicellulose-containing materials
Doktorsavhandling, 2018

Fossil-based polymeric foams are important materials due to their good mechanical properties relative their low density, the low price and the possibility for large-scale production. They are widely used in cushioning, absorbing and insulation applications. There are however a few disadvantages with these foamed products. The raw-material originates from a non-renewable resource. In the foaming process some possible less environmentally friendly additives/blowing agents are used. Also, the relatively low price of these foamed articles makes them ideal for single-use packaging and, unfortunately, they often end up in nature where the slow degradation will ensure that they stay for a long time, causing problems for marine living and other species.

One possible way to solve at least some of the issues relating to fossil-based foamed products would be to use a renewable, non-fossil, raw material. There are several polymers of a non-fossil origin which could serve a primary material for foams and in this thesis two different types of cellulose derivatives (hydroxypropyl methylcellulose (HPMC) and ethyl hydroxyethyl cellulose (EHEC)) as well as a number of different hemicelluloses (xylan, arabinoxylan (AX), β-glucan concentrate and galactoglucomannan (GGM)) were studied as possible and interesting candidates. The foaming ability of some different grades of the two cellulose derivatives, xylan, AX and GGM, was initially evaluated using a hot-mould process with water as the only blowing agent and plasticiser. A simulated foaming process was assessed using dynamical mechanical thermal analysis (DMTA) for HPMC and the rheological properties of the polymer-water mixtures were determined. Three grades of the HPMC derivatives were evaluated in a small-scale batch extrusion experiment using a capillary viscometer. Also, the β-glucan concentrate (mixed with water) was foamed in the capillary viscometer and its shear and extensional viscosities were evaluated. The results pointed towards the existence of a possible processing window for foaming and extrusion experiments were therefore performed with the HPMC and the β-glucan polymers. For HPMC, water was the only added plasticiser and blowing agent and for the β-glucan concentrate also sodium bicarbonate and citric acid were used along with the water. The final foams from both foaming techniques were characterised with regard to their apparent density and foam structure.

In conclusion, cellulose derivatives and hemicelluloses could be suitable candidates for production of lightweight, foamed material originating from non-fossil, renewable resources.

β-glucan

arabinoxylan

scale-up production

hydroxypropyl methylcellulose (HPMC)

ethyl hydroxyethyl cellulose (EHEC)

hot-mould foaming

extensional viscosity

extrusion

hemicellulose

rheological characterisation

Foaming

xylan

cellulose derivatives

VDL (Virtual development laboratory), Chalmers Tvärgata 4C
Opponent: Prof. Sigbritt Karlsson, President KTH, Sweden.

Författare

Kristina Karlsson

Chalmers, Industri- och materialvetenskap, Konstruktionsmaterial

Sättet på vilket vi förbrukar och konsumerar produkter och resurser i stora delar av världen idag är ohållbart. I Sverige, till exempel, är våra konsumtionsbaserade växthusgasutsläpp 11 ton koldioxidekvivalenter per person och år och många av varorna vi använder produceras i andra länder, med sämre krav gällande utsläpp och föroreningar. För att möta uppsatta klimatmål och lyckas begränsa den globala uppvärmningen behöver vi komma ner mot 1-2 ton växthusgasutsläpp per person och år inom en snar framtid (Naturvårdsverket).

Ett material som de flesta av oss är helt beroende av i vår vardag är plast. Försök att föreställa dig hur en dag i ditt liv skulle se ut utan plast. Skulle din säng, soffa eller favoritfåtölj vara lika mjuk? Hur skulle du borsta dina tänder eller diska? Vad skulle du använda för kläder och skor?

Plast är ett material som bara blivit tillgängligt för allmänheten och börjat massproduceras under det förra århundrandet. Det har påverkat och revolutionerat flera olika industrier. Plast har möjliggjort att vi kan förpacka mat på ett helt nytt sätt, vilket ökat hållbarheten hos många produkter avsevärt. Detta har bidragit till minskat matsvinn. Metallkomponenter har i allt större utsträckning blivit ersatta av olika typer av plast (eller kompositer) i bil- och flygindustrin vilket bidragit till stora viktminskningar och därmed bränslebesparingar.

Allt som rör plast, dess produktion och avfall, är tyvärr inte positivt. Plast har traditionellt producerats av råolja, vilket är en fossil, icke-förnyelsebar råvara. Trots de negativa effekterna som kommer av ta upp oljan ut marken, så är de förmodligen största konsekvenserna av vårt plastanvändande kopplade till vad som händer med plasten efter att den fyllt sin funktion och slängs bort. Globalt så förbränns idag ca 12 % av den kasserade plasten, en process där en del energi kan tas till vara. Ungefär 9 % av plasten som slängs återvinns, medan resterande 79 % blir till avfall på sopberg, i naturen och i havet (Geyer, et al., 2017). Det finns till och med beräkningar som pekar på att om nedskräpningen fortsätter i samma takt som idag kommer haven vara fyllda av mer plast än fisk (till vikt) runt år 2050 (Ellen MacArthur Foundation).

Det är uppenbart att vi behöver plast i vårt samhälle, men sättet vi producerar, konsumerar och sluthanterar plast måste förbättras. Ett sätt, som skulle lösa åtminstone delar av problematiken kring plast, skulle vara att använda sig av förnyelsebara råmaterial för att producera så kallade bioplaster. Trots att plast kan produceras från flera förnyelsebara källor, så som sockerrör eller stärkelse, är endast knappt 1 % av all plast som produceras idag bioplast. Detta är bakgrunden till denna avhandling vilken behandlar möjligheten att framställa skummad plast från ett antal växtbaserade källor. Cellulosa, hemicellulosa och lignin är tre av de vanligaste komponenterna i landbaserade träd och växter. Skumningsförmågan hos två olika cellulosaderivat samt fyra hemicellulosor har undersökts med hjälp av en bakningsprocess eller med extrudering; den senare är en vanlig industriell teknik för framställning av plastprodukter. Flera av materialen visade tydliga indikationer på att kunna lämpa sig för framtida framställning av biobaserad skumplast.

Drivkrafter

Hållbar utveckling

Ämneskategorier

Materialteknik

Textil-, gummi- och polymermaterial

Kompositmaterial och -teknik

Fundament

Grundläggande vetenskaper

Styrkeområden

Materialvetenskap

ISBN

978-91-7597-822-2

Doktorsavhandlingar vid Chalmers tekniska högskola. Ny serie: 4503

Utgivare

Chalmers tekniska högskola

VDL (Virtual development laboratory), Chalmers Tvärgata 4C

Opponent: Prof. Sigbritt Karlsson, President KTH, Sweden.

Mer information

Senast uppdaterat

2018-11-29