Mikrofibriller i cellulose gir nye anvendelser

Transkript

1 Mikrofibriller i cellulose gir nye anvendelser TREFF Tre For Framtiden, Gardermoen 21.og 22. okt Kristin Syverud

2 Innhold Mikrofibriller hva er det? Produksjon av fibriller Hvor står forskningen? Trondheimsmiljøets forskning på fibriller Vil vi finne fibriller i framtidens produkter?

3 Hva er mikrofibriller? Mikrofibriller (MFC): Byggesteiner i fiberveggen Lange, tynne, kompakte tråder Diameter Hårstrå: nm Pollenkorn: nm Bakterie: 2000 nm Virus: 20 nm Fibrill: 5 nm Antall fiber i et tre 700 milliarder Antall fibriller i en fiber 1 milliard

4 Hva er mikrofibriller? Produksjon av MFC Råmaterialet, cellulosefiber Modellfilmer Chinga-Carrasco, G. and Syverud, K.: Computer-assisted quantification of the multi-scale structure of films made of nano-sized cellulose fibrils, submitted for publication (2008).

5 Hva er mikrofibriller?

6 Produksjon av mikrofibriller Homogenisator Første publikasjon om MFC er fra 1983 (Turback et al.) Utfordringer: Energiforbruk Størrelsesfordeling Keramisk mølle Supermasscolloider (

7 Hvor står forskningen? Så langt: Overordnede mål har vært i fokus: Produksjon av MFC i labskala Karakterisering Påvisning av mulige applikasjoner Bedre papiregenskaper Barriere Nanokompositter Filmer Emulsjoner Membraner (eks. høyttalere)

8 Trondheimsmiljøets forskning på fibriller Trondheimsmiljøet: PFI NTNU SINTEF Kompetanse innen: Fiber Fibriller Cellulose Lignin Papir Emballasje Kjemisk modifisering Mikroskopi Emulsjoner Akustikk

9 MFC i papir - styrke og overflate - Papir uten MFC MFC bidrar til økt inter fiber-fiber binding MFC gjør overflaten tettere og glattere Syverud, K. and Stenius, P. (2008): Strength and permeability of MFC films, Cellulose, in press

10 MFC i papir - overflate - SEM overflatebilder Prøve uten MFC Prøve med MFC på overflaten Eriksen, Ø., Gregersen, Ø. W. and Syverud, K. (2008): The effect of MFC on handsheet surface and printing properties, 2008 Progress in Paper Physics Seminar, Espoo, Finland,

11 MFC i papir - overflate - SEM tverrsnittsbilder Prøve uten MFC Prøve med MFC på overflaten Eriksen, Ø., Gregersen, Ø. W. and Syverud, K. (2008): The effect of MFC on handsheet surface and printing properties, 2008 Progress in Paper Physics Seminar, Espoo, Finland,

12 120 MFC i papir - styrke - MFC er produsert med maling i keramisk mølle Partikkelstørrelsen reduseres med økende energitilførsel Slitstyrken øker med minkende partikkelstørrelse G-10 G-Claflin 1 G-Claflin 2 G Average particle size [µm] Energy consumption [kwh/t] Gjennomsnittlig partikkelstørrelse som funksjon av energiforbruk for MFC produsert med keramisk mølle Tensile index [knm/kg] Specific energy consumption [kwh/t] Reference G-10 G-Claflin1 G-Claflin2 G-15 Slitindeks som funksjon av spesifikt energiforbruk for MFC produsert med keramisk mølle Eriksen Ø., Syverud, K. and Gregersen, Ø. W. (2008): The use of microfibrillated cellulose produced from kraft pulp as strength enhancer in TMP paper, Nordic Pulp & Paper Research Journal 23 (3),

13 MFC filmer Mikrofibriller har evnen til å danne filmer. Syverud, K. and Stenius, P. (2008): Strength and permeability of MFC films, Cellulose, in press

14 MFC filmer Styrkeegenskaper Film Flatevekt Tykkelse Tetthet Slitindeks Slitstyke (g/m 2 ) (µm) (g/cm 3 ) Nm/g MPa 1 15 ± 1 11 ± 1 1,40 ± 0,3 135 ± ± ± 1 36 ± 1 0,60 ± 0, ± 8 70 ± 2 Slitstyrkeverdier til sammenligning: Cellofan: 125 MPa Støpjern: 170 MPa Chinga-Carrasco, G. and Syverud, K.: Computer-assisted quantification of the multi-scale structure of films made of nano-sized cellulose fibrils, submitted for publication (2008).

15 MFC filmer Barriereegenskaper Luft permeabilitet (nm/pa s) MFC flatevekt (g/m 2 ) Luftgjennomtrengelighet som funksjon av filmtykkelse. Syverud, K. and Stenius, P. (2008): Strength and permeability of MFC films, Cellulose, in press

16 MFC filmer Barriereegenskaper Sample Grammage (g/m 2 ) Thickness (µm) Air permeability (nm/pa s) Oxygen permeability (ml/m 2 day) MFC film A 17 ± 1 21 ± 1 13 ± MFC film B 29 ± 1 30 ± 1 11 ± Polyester, oriented * Polyester, oriented, PVdC coated * EVOH * Polyethylene, LD * Polyethylene, HD * *Litteratur verdier Veldig gode barriere egenskaper er oppnådd Anbefalt grense for oksygenpermeabilitet i modified atmosphere packaging er (ml/m 2 dag) Syverud, K. and Stenius, P. (2008): Strength and permeability of MFC films, Cellulose, in press

17 Overflatemodifisering av MFC Hydroksylgruppene i cellulose er et mulig utgangspunkt for modifisering Fysikalske egenskaper kan endres Funksjonelle grupper kan introduseres Man ønsker å beholde fibrillstrukturen, kun modifisering av overflaten Cellulosemolekylet

18 Overflatemodifisering av MFC endring i fysikalske egenskaper Introduksjon av ladning Ionebytte-egenskaper Hydrofobisering Økt kompatibilitet med: Organiske løsninger Syntetiske polymere Hydrofobisering (eksempel): F.eks. Stabilisering av emulsjoner F.eks. Armering I kompositter MFC overflate silylert med klordimetyl isopropylsilan (CDMIPS) CH 3 CH 3 OH + Cl Si i-c 3 H 7 O Si i-c 3 H 7 + HCl CH 3 CH 3 MFC surface CDMIPS silylated MFC surface

19 Emulsjoner stabilisert med MFC MFC kan stabilisere olje-i-vann emulsjoner. Eksempel: Maling Hydrofob MFC kan stabilisere vann-i-olje emulsjoner. Eksempel: Vann i diesel Vann-i-olje emulsjon stabilisert med hydrofob MFC Andresen, M., Stenius, P. Water-in-oil emulsions stabilized by hydrophobized microfibrillated cellulose, J. Dispersion Sci. Technol., 28(5), 2007.

20 MeO Overflatemodifisering av MFC introduksjon av funksjonelle grupper Si Cl - + OMe OMe C 18 H 37 N Eksempel: Introduksjon av en antimikrobiell gruppe (Oktadesyldimetyl-(3-trimethoksysilylpropyl)-ammonium klorid) (ODDMAC) Antibakterielle overflater kan lages fra MFC modifisert med ODDMAC Potensielle anvendelser: Forpakninger Medisinske anvendelser Separasjonsfiltre Andresen, M., Møretrø, T., Stenstad, P., Syverud, K., Stenius, P. Nonleaching antimicrobial films prepared from surface modified microfibrillated cellulose, Biomacromolecules 8 (7), , 2007

21 Foreslått mekanisme for drap av bakterie (figure taken from European Patent WO )

22 Vil vi finne MFC i framtidens produkter? JA! Energiforbruket ved produksjon er redusert betydelig ved forbehandling MFC eller lignende produkter har begynt å komme på markedet Forskningen på området øker hele tiden. Aktuelle tema nå: Oppskalering Identifisering av flere applikasjoner Implementering i de første produkter

23 Takk Finansiering: Forskningsrådet Södra Cell Borregaard Akzo Nobel Domsjö Fabriker Jotun Peterson Norske Skog SEAS