Development and exploration of nanocelluloses from Laminaria hyperborea (Lh)

Abstract

Formålet med denne oppgaven var å raffinere cellulose og fremstille nanocelluloser fra taren Laminaria hyperborea. Metodene som ble valgt i studien er raffinering med natrium hydroksid for fremstilling av ren cellulose, etterfulgt av tre forbehandlingsmetoder for nanocelluloser; mekanisk forbehandling med Masuko formaling og to kjemiske forbehandlinger av TEMPO-mediert oksidasjon, der to ulike ladninger ble benyttet. Deretter ble forbehandlet materiale homogenisert til tre kvaliteter av cellulose nanofibriller (CNF). Fremstilte nanocelluloser ble videre analysert i henhold til struktur og egenskaper.

Celluloserikt materiale ble raffinert hos et eksternt pilotanlegg med 5% natrium hydroksid, dette resulterte i et askeinnhold på 8.0% (ved 525 °C) og 3.8% (ved 900 °C), celluloseinnholdet ble analysert til 98.3% og egenviskositet til 1272 mL/g. Massen ble videre renset en gang til. Dette resulterte i et askeinnhold på 1.5% (ved 525 °C) og 1.0% (ved 900 °C), celluloseinnholdet ble analysert til 87.0% og egenviskositet til 1345 mL/g. Det er hensiktsmessig med en to-trinns raffinering for å få en renere cellulose. Utbyttet fra biomasse til renset cellulose ble beregnet til 6%, som er mindre enn det litteraturen foreslår.

Masuko formaling resulterte til en viss grad i reduksjon av fiberstørrelse, dette ble analysert med en fiber analyser. Mikroskopibilder indikerte samme resultat. TEMPO-mediert oksidasjon resulterte i et innhold av karboksylsyregrupper på 1074 µmol/g for 3.3 mmol NaClO/g cellulose og 494 µmol/g for 1.92 mmol NaClO/g cellulose. Dette gir videre en DO til karboksylsyregrupper på 8.1% for CNF-TO 495 og 18.0% for CNF-TO 1075, samt en DO til aldehydgrupper på henholdsvis 5.1% og 1.1%. Homogeniserte CNF’er basert på de tre NC-forbehandlingsmetodene ble analysert i forhold til viskositet. De kjemisk forbehandlede materialene hadde høyere viskositet enn det mekanisk forbehandlede materialet. Dette indikerer høyere fibrilleringsgrad for CNF-TO 1075, etterfulgt av CNF-TO 495 og deretter CNF-Mech. Denne antagelsen støttes av SEM bilder og transmittansmålinger, der CNF-TO 1075 viser et mer homogent materiale med mindre fibriller. DP var høyest for det mekanisk forbehandlede materialet, som indikerer at kjemisk forbehandlet materiale spaltes internt i polymerstrukturen.

The main goal of this project was to refine native cellulose and prepare nanocelluloses (NC) from the kelp biomass species Laminaria hyperborea (Lh). The methods selected for the study was sodium hydroxide cooking to produce pure native cellulose, followed by three nanocellulose pre-treatment methods; mechanical pre-treatment by Masuko grinding and chemical pre-treatment by TEMPO-mediated oxidization with two different loads of oxidizing agent. Finally, the pre-treated material was homogenized to three cellulose nanofibril (CNF) qualities. Further, the prepared nanocelluloses characteristics and properties was established.

Native cellulose refined at an external pilot plant with 5% sodium hydroxide solution resulted in an ash content of 8.0% for combustion at 525 °C and 3.8% for combustion at 900 °C, cellulose content of 98.3% and intrinsic viscosity of 1272 mL/g. A second step purification resulted in an ash content of 1.5% for combustion at 525 °C and 1.0% for combustion at 900 °C, cellulose content of 87.0% and intrinsic viscosity of 1345 mL/g. A second refining of the cellulosic material is beneficial to obtain a purer material. The yield from kelp biomass to second refined native cellulose was calculated to 6%, indicating less than literature suggestion.

Masuko grinding resulted to some extend in fiber size reduction, the material was analysed by a fiber analyser and the result was supported by micrographs. TEMPO-mediated oxidation resulted in a carboxylic acid group content of 1074 µmol/g for 3.3 mmol NaClO/g cellulose and 494 µmol/g for 1.92 mmol NaClO/g cellulose. This results in a DO to carboxylic acid groups of 8.1% for the CNF-TO 495 and 18.0% for the CNF-TO 1075, and a DO to aldehyde groups of 5.1% and 1.1% respectively. Homogenized CNF qualities based on the three nanocellulose pre-treatment methods was analysed with regards to viscosity. Higher viscosities were obtained for chemical pre-treated material than the mechanical pre-treated material. The results indicate a higher fibrillation degree for the CNF-TO 1075, followed closely by CNF-TO 495 and finally CNF-Mech. The assumption is supported by SEM images and transmittance measurements, where CNF-TO 1075 indicate a homogenous dispersion with small fibrils. The degree of polymerization (DP) was highest for the mechanical pre-treated material, which indicates that chemical treatment causes cleavage internally in the polymer structure.