Methods for improving tensile properties of sustainable cellulose fibers
Airaksinen, Leo (2021)
Diplomityö
Airaksinen, Leo
2021
School of Engineering Science, Kemiantekniikka
Kaikki oikeudet pidätetään.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2021091346048
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2021091346048
Tiivistelmä
Cellulose is natural organic polymer that can be separated from wood with pulping processes like the kraft pulping. It is used as a raw material e.g., in paper industry, pharmaceuticals and in textile manufacturing.
This thesis focuses mainly on the usage of cellulose in the textile fibers, especially in the regenerated fibers, like the viscose and lyocell. Regenerated fiber refers to fibers that are made by first dissolving cellulose with solvents like sodium hydroxide/ carbon disulphide followed by the regeneration of the cellulose to solid state for example in the spinning process, in which the dissolved cellulose is extruded through small holes into a bath containing anti-solvent solution that causes solidification of the fibers. The tensile properties of the regenerated fibers can be altered by stretching the polymer during the spinning or by different additives.
The most common method to produce regenerated textile fibers is known as the viscose process. This method utilizes carbon disulphide that is toxic for the environment and humans, in the dissolution stage of the process. There is also high chemical demand in the viscose process. For these reasons, the demand for novel methods to produce more sustainable textile fibers has risen in the recent years. Few examples of these novel methods in-development include the Ioncell-F and cold-alkali based processes.
Tensile properties like tenacity and elongation at break are important in determining the quality of textile fibers. In this thesis, different parameters that affect the tensile properties of regenerated cellulose fibers were investigated using information found from the literature and tested in the experimental part of the thesis. A multivariable trial method known as the Taguchi design was utilized in simultaneously examining multiple process parameters. Fiber chemical properties that affect the tensile properties, like crystallinity index, crystallite size and orientation were measured using infrared spectroscopy and x-ray scattering methods.
In the experimental section, fiber tenacity of 20.6 cN/tex and elongation at break of 14.1 % were achieved, when weak acid was used in the regeneration of the fibers. This allowed the fibers to regenerate slowly, so the stretching ratio could be increased, which lead to good fiber tenacities. With the help of specialized post-treatment method, the tenacity of the filaments reached higher levels (27.2 cN/tex) than the commercialized viscose fibers, even close to level that of Modal fibers. The Taguchi multivariable trials revealed that the biggest factors affecting the fiber tenacity are the stretching ratio and the regeneration bath temperature. Increasing the stretching ratio, increases the orientation which leads to improved tenacity. This was also noted from the x-ray scattering data, from which a correlation between fiber tenacity and crystallinity index times the orientation squared was confirmed. Selluloosa on luonnollinen orgaaninen polymeeri, jota pystytään erottamaan puusta keittämällä esimerkiksi kraft- eli sulfaattiprosessilla. Sitä käytetään yleisesti raaka-aineena muun muassa paperiteollisuudessa, lääketeollisuudessa ja tekstiilien valmistuksessa. Tässä työssä keskitytään pääasiassa sellun käyttöön tekstiilikuiduissa, etenkin regeneroituihin kuitutyyppeihin, joihin voidaan lukea mukaan mm. viskoosi- ja lyocell-kuidut. Regeneroiduilla kuiduilla tarkoitetaan kuituja, jotka on valmistettu muuttamalla selluloosa ensin liukoiseen muotoon esimerkiksi natriumhydroksidin ja rikkihiilen avulla, jonka jälkeen selluloosa regeneroidaan kiinteään muotoon esimerkiksi kehräysprosessilla, jossa liukoisessa muodossa oleva selluloosa pumpataan pienten reikien läpi vastaliuottimeen, jossa regeneroituminen takaisin kiinteään muotoon tapahtuu. Regeneroitujen kuitujen mekaanisia ominaisuuksia pystytään muokkaamaan venyttämällä polymeeriä kehräyksen yhteydessä, tai erilaisia lisäaineita käyttämällä.
Viskoosiprosessissa, joka on yleisin menetelmä valmistaa regeneroituja tekstiilikuituja, käytetty rikkihiili on ihmisille ja ympäristölle myrkyllinen aine. Lisäksi kyseinen prosessi vaatii suuria kemikaalimääriä. Kiinnostus uusien ekologisempien kehräysprosessien ja liuotinsysteemien kehittämiseen onkin herännyt viime vuosina. Esimerkkejä tällaisista uusista prosesseista ovat selluloosan liuotus natriumhydroksidi/ureaseoksella ja ionisiin liuottimiin perustuva Ioncell-F -ilmarakokehräys.
Mekaaniset ominaisuudet kuten vetolujuus ja venymä ovat tärkeitä parametrejä, jotka määrittävät pääosin tekstiilikuitujen laadun. Tässä diplomityössä selvitettiin kirjallisuuden avulla regeneroitujen selluloosakuitujen lujuusominaisuuksiin etenkin kehräysprosessissa, vaikuttavia tekijöitä ja testattiin näitä laboratoriotason koejärjestelyillä. Prosessin parametrien tutkimiseen käytettiin hyväksi Taguchi-monimuuttujakoejärjestelyä, jolla pystytään tutkimaan useampaa parametriä samanaikaisesti. Kehrättyjen kuitujen tärkeitä lujuuteen vaikuttavia kemiallisia ominaisuuksia kuten kiteisyysastetta, kidekokoa ja orientaatiota tutkittiin käyttäen hyväksi infrapunaspektroskopiaa ja röntgensirontamenetelmää.
Kokeellisessa osuudessa saavutettiin kuitulujuus 20.6 cN/tex ja 14.1 % venymä, kun kuitujen regeneroimiseen käytettiin heikkoa happoa, joka mahdollisti riittävän hitaan regeneraation, jotta kuidun venytyssuhdetta pystyttiin kasvattamaan. Erikoistetulla kuidun jälkikäsittely menetelmällä saatiin sellukuidun lujuus korkeammalle tasolle kuin kaupallisilla viskoosikuiduilla (27.2 cN/tex), lähelle Modaalikuitujen lujuutta. Taguchi monimuuttuja kokeet paljastivat, että suurimmat lujuuteen vaikuttavat parametrit ovat kuidun venytyssuhde, sekä regenerointi altaan lämpötila. Venytyssuhteen kasvattaminen parantaa kuidun orientaatiota, joka taas parantaa lujuutta. Tämä havaittiin myös röntgensironta datan avulla, jonka perusteella pystyttiin todentamaan riippuvuus lujuuden ja kiteisyysindeksin sekä orientaation neliön välillä.
This thesis focuses mainly on the usage of cellulose in the textile fibers, especially in the regenerated fibers, like the viscose and lyocell. Regenerated fiber refers to fibers that are made by first dissolving cellulose with solvents like sodium hydroxide/ carbon disulphide followed by the regeneration of the cellulose to solid state for example in the spinning process, in which the dissolved cellulose is extruded through small holes into a bath containing anti-solvent solution that causes solidification of the fibers. The tensile properties of the regenerated fibers can be altered by stretching the polymer during the spinning or by different additives.
The most common method to produce regenerated textile fibers is known as the viscose process. This method utilizes carbon disulphide that is toxic for the environment and humans, in the dissolution stage of the process. There is also high chemical demand in the viscose process. For these reasons, the demand for novel methods to produce more sustainable textile fibers has risen in the recent years. Few examples of these novel methods in-development include the Ioncell-F and cold-alkali based processes.
Tensile properties like tenacity and elongation at break are important in determining the quality of textile fibers. In this thesis, different parameters that affect the tensile properties of regenerated cellulose fibers were investigated using information found from the literature and tested in the experimental part of the thesis. A multivariable trial method known as the Taguchi design was utilized in simultaneously examining multiple process parameters. Fiber chemical properties that affect the tensile properties, like crystallinity index, crystallite size and orientation were measured using infrared spectroscopy and x-ray scattering methods.
In the experimental section, fiber tenacity of 20.6 cN/tex and elongation at break of 14.1 % were achieved, when weak acid was used in the regeneration of the fibers. This allowed the fibers to regenerate slowly, so the stretching ratio could be increased, which lead to good fiber tenacities. With the help of specialized post-treatment method, the tenacity of the filaments reached higher levels (27.2 cN/tex) than the commercialized viscose fibers, even close to level that of Modal fibers. The Taguchi multivariable trials revealed that the biggest factors affecting the fiber tenacity are the stretching ratio and the regeneration bath temperature. Increasing the stretching ratio, increases the orientation which leads to improved tenacity. This was also noted from the x-ray scattering data, from which a correlation between fiber tenacity and crystallinity index times the orientation squared was confirmed.
Viskoosiprosessissa, joka on yleisin menetelmä valmistaa regeneroituja tekstiilikuituja, käytetty rikkihiili on ihmisille ja ympäristölle myrkyllinen aine. Lisäksi kyseinen prosessi vaatii suuria kemikaalimääriä. Kiinnostus uusien ekologisempien kehräysprosessien ja liuotinsysteemien kehittämiseen onkin herännyt viime vuosina. Esimerkkejä tällaisista uusista prosesseista ovat selluloosan liuotus natriumhydroksidi/ureaseoksella ja ionisiin liuottimiin perustuva Ioncell-F -ilmarakokehräys.
Mekaaniset ominaisuudet kuten vetolujuus ja venymä ovat tärkeitä parametrejä, jotka määrittävät pääosin tekstiilikuitujen laadun. Tässä diplomityössä selvitettiin kirjallisuuden avulla regeneroitujen selluloosakuitujen lujuusominaisuuksiin etenkin kehräysprosessissa, vaikuttavia tekijöitä ja testattiin näitä laboratoriotason koejärjestelyillä. Prosessin parametrien tutkimiseen käytettiin hyväksi Taguchi-monimuuttujakoejärjestelyä, jolla pystytään tutkimaan useampaa parametriä samanaikaisesti. Kehrättyjen kuitujen tärkeitä lujuuteen vaikuttavia kemiallisia ominaisuuksia kuten kiteisyysastetta, kidekokoa ja orientaatiota tutkittiin käyttäen hyväksi infrapunaspektroskopiaa ja röntgensirontamenetelmää.
Kokeellisessa osuudessa saavutettiin kuitulujuus 20.6 cN/tex ja 14.1 % venymä, kun kuitujen regeneroimiseen käytettiin heikkoa happoa, joka mahdollisti riittävän hitaan regeneraation, jotta kuidun venytyssuhdetta pystyttiin kasvattamaan. Erikoistetulla kuidun jälkikäsittely menetelmällä saatiin sellukuidun lujuus korkeammalle tasolle kuin kaupallisilla viskoosikuiduilla (27.2 cN/tex), lähelle Modaalikuitujen lujuutta. Taguchi monimuuttuja kokeet paljastivat, että suurimmat lujuuteen vaikuttavat parametrit ovat kuidun venytyssuhde, sekä regenerointi altaan lämpötila. Venytyssuhteen kasvattaminen parantaa kuidun orientaatiota, joka taas parantaa lujuutta. Tämä havaittiin myös röntgensironta datan avulla, jonka perusteella pystyttiin todentamaan riippuvuus lujuuden ja kiteisyysindeksin sekä orientaation neliön välillä.