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7.2. Étalonnage de la solution d'acide sulfurique pour l'alcalinité. 9. 7.3. Étalonnage de la solution d'hydroxyde de sodium pour l'acidité.
ECOLE DES MINES
DE PARIS
Ecole Doctorale 364 : Sciences Fondamentales et AppliquéesN° attribué par la bibliothèque
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pour obtenir le grade deDocteur de l"Ecole des Mines de Paris
Spécialité "Science et génie des matériaux» présentée et soutenue publiquement parMlle Magali EGAL
le 8 Décembre 2006 STRUCTURE AND PROPERTIES OF CELLULOSE / NAOH
AQUEOUS SOLUTIONS, GELS
AND REGENERATED OBJECTS
Directeur de thèse : Tatiana Budtova et Patrick NavardJury :
M. Jacques Desbrières Rapporteur
M. Volker Ribitsch Rapporteur
M. Jonathan Marshall Examinateur
M. Michel Pierre Examinateur
Mme Tatiana Budtova Examinateur
M. Patrick Navard Examinateur
Table of contents
- 1 -TTAABBLLEE OOFF CCOONNTTEENNTTSS
RESUME DU TRAVAIL DE THESE
INTRODUCTION
Résumé du Chapitre I
Etat de l'art : La cellulose et sa dissolution dans des solutions aqueuses d'hydroxyde de sodium ......
CHAPTER 1.
STATE OF THE ART: CELLULOSE AND ITS DISSOLUTION IN ALKALINE HYDROXIDE AQUEOUS SOLUTIONS ............
I.1- Cellulose: structure, morphology and treatmentI.1.1- Generalities
I.1.2- Chemical structure of cellulose
I.1.3- Crystalline structures of cellulose
I.1.3.1. Cellulose I or native cellulose ...............................................................
I.1.3.2. Cellulose II .......................................................................................
I.1.3.3. Cellulose III .......................................................................................
I.1.3.4. Cellulose IV ......................................................................................
I.1.4- Supra-molecular structure of cellulose
I.1.4.1. Micro-fibrils .......................................................................................
I.1.4.2. Wood and cotton cellulose fibres ...........................................................
I.1.5- Extraction of cellulose and activation
I.1.5.1. Manufacture of cellulosic pulp ...............................................................
I.1.5.2. Activation of cellulose .........................................................................
I.2- Cellulose dissolution in alkaline hydroxide aqueous solutionsI.2.1- Xanthation in viscose process
I.2.2- Action of alkaline hydroxide solutions on cellulose fibres I.2.2.1. Introduction on mercerisation process and cellulose dissolution ...................I.2.2.2. Formation of alkali-celluloses ...............................................................
I.2.2.3. Hydration of alkali ions ........................................................................
I.2.2.4. Mechanism of mercerisation .................................................................
I.2.3- Influence of additives on cellulose dissolutionI.2.3.1. Influence of zinc oxide (ZnO) ................................................................
I.2.3.2. Influence of urea and thiourea ...............................................................
I.2.3.3. Other additives ..................................................................................
I.3- Conclusions
REFERENCES .....................................................................................................................
Résumé du chapitre II
Matériaux et méthodes expérimentales ..................................................................................
CHAPTER II
MATERIALS AND METHODS ......................................................................................................
II.1- Materials
II.1.1- Cellulose samples
II.1.1.1. Avicel cellulose .................................................................................
II.1.1.2. Borregaard cellulose ..........................................................................
II.1.1.3. Other cellulose samples .....................................................................
II.1.2- Solvents and additives
II.1.2.1. Alkali hydroxides ...............................................................................
II.1.2.2. Additives .........................................................................................
II.1.2.3. Surfactants ......................................................................................
II.1.3- Other components used in sponge manufacture ............................................... 5 17 2123
25 25 26 27 27 28 29 29 29 29 30 32 32 33
35 36 37 37 40 41 43 45 45 46 49
5051
57
59
61 61 61 61 62 62 62 62 62 62
Table of contents
- 2 -II.1.3.1. Reinforcing fibres ..............................................................................
II.1.3.2. Adhesion promoters ...........................................................................
II.1.3.3. Na
2SO4,10H2O crystals ......................................................................
II.1.3.4. Carrageenan ....................................................................................
II.2- Solutions preparation
II.2.1- Drying of steam exploded cellulose
II.2.2- Dissolution procedure
II.2.3- Storage
II.2.4- Filtration
II.3- Methods
II.3.1- Differential Scanning Calorimetry (DSC
II.3.1.1. Main principles .................................................................................
II.3.1.2. Temperature measurement .................................................................
II.3.1.3. Melting temperature measurement ........................................................II.3.1.4. Melting enthalpy measurement ............................................................
II.3.1.5. Calibration and experimental conditions .................................................
II.3.1.6. Software for peak deconvolution: "PeakFit 4.12" ......................................II.3.2- X-ray diffraction
II.3.3- Rheology
II.3.3.1. Semi-dilute cellulose solution ...............................................................
II.3.3.2. Dilute cellulose solution ......................................................................
II.3.4- Microscopy
II.3.4.1. Optical Microscopy (OM) .....................................................................
II.3.4.2. Scanning Electron Microscopy (SEM) ....................................................II.3.5- Mechanical property: tensile tests
II.3.5.1. Tensile tests on films of regenerated cellulose .........................................
II.3.5.2. Tensile tests on regenerated cellulose + reinforcing fibres ......................... II.3.5.3. Tensile tests on sponges (regenerated cellulose + fibres + porophores) .......II.3.6- Other methods
II.3.6.1. Density measurement ........................................................................
II.3.6.2. Water absorption ..............................................................................
II.3.6.3. Shrinkage ........................................................................................
REFERENCES .....................................................................................................................
Résumé du chapitre III
Structure des solutions aqueuses de NaOH et de cellulose/NaOH avec et sans additifs. Limite dedissolution de la cellulose ...................................................................................................
CHAPTER III
S TRUCTURE OF AQUEOUS NAOH AND CELLULOSE-NAOH SOLUTIONS WITH AND WITHOUT ADDITIVES. LIMIT OFCELLULOSE DISSOLUTION
III.1- Bibliography: phase diagram of aqueous sodium hydroxide solutionIII.1.1- Phase diagrams
III.1.1.1. Binary phase diagram ........................................................................
III.1.1.2. Ternary phase diagram .....................................................................
III.1.1.3. Methods for building phase diagrams. The limits of the DSC analysis .......... III.1.2- State of the art on the structure of NaOH aqueous solutionsIII.1.2.1. Pure sodium hydroxide .....................................................................
III.1.2.2. Sodium hydroxide hydrates ................................................................
III.2- Structure of cellulose solvents: NaOH/water, NaOH/urea/water and NaOH/ZnO/waterIII.2.1- NaOH/water binary system
III.2.1.1. DSC melting thermograms of NaOH/water solutions ................................ III.2.1.2. Peak at lower temperature: melting of the eutectic mixture ........................III.2.1.3. Peak at higher temperature ................................................................
III.2.1.4. Proportions between NaOH and water .................................................. III.2.1.5. Conclusions on the phase diagram and structure of NaOH/water solutions ...III.2.2- NaOH/urea/water ternary system
III.2.2.1. Urea/water binary phase diagram ........................................................
III.2.2.2. NaOH/urea/water ternary phase diagram ..............................................III.2.3- NaOH/ZnO/water ternary system
III.2.3.1. Viscosity of dilute NaOH/ZnO/water solutions ......................................... 62 63 63 63
64 64 65 67 67
69 69 69 71 72 74 74 75 76 77 77 78 79 79 80 81 81 83 84 85 85 85 85
8687
91
93 93 93 94 95 97 97 98
101 101 101 102 105 105 107 108 108 113 118 119
Table of contents
- 3 -III.2.3.2. NMR study ......................................................................................
III.2.3.3. DSC results ....................................................................................
III.2.3.4. Conclusions on the NaOH/ZnO/water system ......................................... III.2.4- Conclusions on the structure of cellulose solvents: NaOH/water, NaOH/ZnO/waterand NaOH/urea/water ....................................................................................
III.3- Structure of cellulose solutions in NaOH/water, NaOH/ZnO/water andNaOH/urea/water ......................................................................................................
III.3.1. Cellulose/NaOH/water ternary solutions
III.3.1.1. DSC results on Avicel/NaOH/water ...................................................... III.3.1.2. Peak at low temperature. Limit of cellulose dissolution .............................III.3.1.3. Peak at high temperature ...................................................................
III.3.1.4. Influence of cellulose origin on the structure of cellulose/NaOH/watersolutions .........................................................................................
III.3.1.3. Conclusions .....................................................................................
III.3.2. Cellulose/NaOH/urea/water solutions
III.3.2.1- DSC results on Avicel/NaOH/6%urea/water ...........................................III.3.2.2. Peak of NaOH eutectic ......................................................................
III.3.2.3. Peak of urea eutectic ........................................................................
III.3.2.4. Peak of free ice melting .....................................................................
III.3.2.5. Conclusions ....................................................................................
III.3.3. Cellulose/NaOH/ZnO/water solution
III.3.4. Conclusions on the structure of cellulose solutions in NaOH/water with and withoutadditives .....................................................................................................
III.4- Influence of freezing on the thermal properties of the cellulose/NaOH mixturesIII.5- Conclusions
REFERENCES .....................................................................................................................
Résumé du chapitre IV
Ecoulement et gélification des solutions aqueuses de cellulose/NaOH : Influence des additifs ...........
CHAPTER IV
FLOW AND GELATION OF AQUEOUS CELLULOSE/NAOH SOLUTIONS: INFLUENCE OF ADDITIVES ......................
IV.1. Influence of ZnO and urea on the flow behaviour of cellulose/7.6NaOH aqueous solutions IV.1.1. Influence of the presence of ZnO or urea in the solvent on the flow of cellulose/7.6NaOH aqueous solutions ............................................................IV.1.2. Conclusions
IV.2- Gelation and dissolution of cellulose in the presence of ZnO IV.2.1. Influence of the preparation conditions on gelation of cellulose/7.6NaOH/watersolutions in the presence of ZnO ..................................................................
IV.2.2. Influence of ZnO concentration on gelation and cellulose dissolution IV.2.3. Dissolution of cellulose in a solvent with a constant molar ratio ZnO:NaOH=1:10 IV.2.4. Influence of the presence of ZnO on gelation kinetics IV.2.5. Influence of ZnO on cellulose intrinsic viscosity IV.2.6. Discussion on the influence of ZnO on gelation of steam exploded cellulose in7.6NaOH aqueous solutions ........................................................................
IV.2.7. Conclusions
IV.3. Gelation and dissolution of cellulose in the presence of urea; comparison betweenurea and ZnO ............................................................................................................
IV.3.1. Influence of the preparation conditions on cellulose dissolution and gelation in the presence of urea and of urea concentration .................................................... IV.3.2. Influence of cellulose DP and origin on the dissolution and gelation in the presenceof urea and ZnO ........................................................................................
IV.3.3. Discussion on the influence of urea on gelation and dissolution of steam exploded cellulose in 7.6NaOH aqueous solutions and comparison with the role of ZnO .......IV.3.4. Conclusions
IV.4. Influence of freezing on rheological properties of cellulose/NaOH aqueous solutions IV.5- Tests on gelation and dissolution of cellulose in other alkali solvents: KOH and NaOH 120121
125
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181
Table of contents
- 4 -with other additives ...................................................................................................
IV.5.1. Testing cellulose dissolution in potassium hydroxideIV.5.2. Addition of surfactants
IV.5.3. Other additives: salts and oxides
IV.5.3. Conclusions
IV.6. Conclusions
REFERENCES .....................................................................................................................
Résumé du chapitre V
Propriétés mécaniques d'objets régénérés préparés à partir de solutions aqueuses de cellulose/NaOH
CHAPTER V.
M ECHANICAL PROPERTIES OF REGENERATED OBJECTS PREPARED FROM CELLULOSE-NAOH AQUEOUSSOLUTIONS
V.1. Summary on sponge preparation: viscose and NaOH processesV.1.1. Viscose process
V.1.2. NaOH process
V.2. Properties of sponges prepared with the NaOH process V.2.1. Wet samples made from regenerated 5cellulose/7.6NaOH aqueous solutions, without reinforcing fibres and porophores ..........................................................V.2.1.1. Tensile stress results .........................................................................
V.2.1.2. Influence of regeneration bath parameters .............................................quotesdbs_dbs12.pdfusesText_18[PDF] la solution trouvée
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