Abstract

Nanocellulose is a renewable, biodegradable, and easily available material that is considered as an attractive resource for many different value-added applications in the emerging bio-based economy. Its outstanding properties, such as strength, lightness, transparency, and good thermal insulation, have inspired research and product development around nanocellulose. The potential of nanocellulose to replace synthetic chemicals made from non-renewable sources, for example, is considered to be very promising. Chemical functionalization, that is, the modification of the cellulosic surface properties, is seen to be beneficial in applications such as those in which higher hydrophobicity is needed.

In this thesis, the ability of cellulose nanoparticles to stabilize oil droplets in oil-in-water emulsions was studied. The aim of the study was to explore the possibility of developing a new type of “green” oil spill chemical from cellulose. Therefore, the cellulose was chemically modified in an aquatic environment with a sequential periodate oxidation and chlorite oxidation followed by reductive amination reaction, which increased the hydrophobicity of the produced nanocellulose. In addition, the use of deep-eutectic solvents in the preparation of modified (succinylated and carboxylated) and non-modified cellulose nanoparticles was studied. Chemical (kraft) pulp, dissolving pulp, and semi-chemical fine fibers were used as raw materials in this research.

The results demonstrated that chemically modified cellulose nanoparticles work well as stabilizers for oil-water emulsions resulting in small, stable oil droplets and impeding creaming, which is a typical phenomenon for particle stabilized emulsions. The modification of cellulose nanoparticles improved their ability to partition at the oil-water interface, which enabled efficient and irreversible adsorption. It was found that because of their small size, the cellulose nanocrystals can be compressed more tightly onto the surface of the oil droplet, while longer and more flexible cellulose nanofibrils formed a web structure between the oil droplets. All cellulose nanoparticle-stabilized emulsions were stable against droplet coalescence, and even at low temperatures, they retained their droplet size and stability. Salinity, on the other hand, improved stability when CNCs from chemical pulp were used, but it negatively affected stability when nanocrystals from semichemical pulp were used.

Tiivistelmä

Uusiutuva, biohajoava ja helposti saatavilla oleva nanoselluloosa on merkittävä tulevaisuuden raaka-aine useissa erilaisissa käyttökohteissa. Sen ylivertaiset ominaisuudet, kuten lujuus, keveys, läpinäkyvyys ja lämmöneristävyys ovat olleet innoittamassa nanoselluloosan tutkimusta ja tuotekehitystä. Nanoselluloosan mahdollisuuksia ja käyttöä eri sovelluksissa korvaamaan esimerkiksi uusiutumattomista luonnonvaroista valmistettuja kemikaaleja, pidetään erittäin lupaavina. Kemiallisesta funktionalisoinnista eli selluloosan pintaominaisuuksien muokkauksesta nähdään olevan hyötyä, kun tavoitellaan nanoselluloosan toiminnallisuutta esimerkiksi hydrofobista luonnetta vaativissa sovelluksissa pinta-aktiivisen aineen tavoin.

Tässä työssä tutkittiin erityisesti nanoselluloosapartikkeleiden kykyä stabiloida öljypisaroita dieselöljy-vesiemulsioissa. Tutkimuksen päämääränä oli selvittää mahdollisuutta kehittää uudentyyppistä, ”vihreää” öljyntorjuntakemikaalia selluloosasta. Tämän vuoksi selluloosaa muokattiin kemiallisesti vesiympäristössä yhdistetyllä hapetus- ja aminointikäsittelyllä, mikä lisäsi valmistetun nanoselluloosan hydrofobisuutta. Toisena käsittelyvaihtoehtona tutkittiin syväeutektisten liuottimien käyttöä sekä muokattujen (sukkinyloidut ja karboksyloidut) että muokkaamattomien nanoselluloosapartikkeleiden  valmistuksessa. Raaka-aineina työssä käytettiin kemiallista sellumassaa, liukosellua sekä puolikemiallista hienokuitua.

Työn tuloksena voidaan todeta, että nanoselluloosasta valmistetut kemiallisesti muokatut (funktionalisoidut) nanopartikkelit toimivat hyvin öljy-vesiemulsiossa estäen emulsion öljypisaroiden yhteensulautumista. Nanopartikkelit stabiloivat emulsiossa olevan öljyn hyvin pieniksi pisaroiksi hidastaen kermottumista eli emulsion yleistä faasierottumista. Nanoselluloosan funktionalisointi paransi sen kykyä hakeutua öljy-vesi rajapintaan, mahdollistaen tehokkaan ja palautumattoman adsorption. Havaittiin, että pienen kokonsa vuoksi selluloosananokiteet pystyivät pakkautumaan tiiviimmin öljyn pinnalle, kun taas selluloosananokuidut, jotka ovat pidempiä, muodostivat verkkomaisen rakenteen myös öljypisaroiden väliin. Suolan lisäys vaikutti emulsion stabiilisuuteen vaihtelevasti eri näytteiden välillä, kun taas kylmät olosuhteet poikkeuksetta paransivat stabiilisuutta.