Mid Sweden University

Cellulose is a natural material that can be used both in its original form and as a building block for creating new types of materials. This work focused on regenerated cellulose (RC) and cellulose acetate butyrate (CAB) in which the hydroxyls on the cellulose backbone were substituted with ester groups. In this work both RC and CAB were formed as free-standing films via initial dissolution and characterized with respect to their structural and morphological aspects, as well as some other material properties. Cellulose pulp was dissolved in cold aqueous alkali urea solution and regenerated in either alcohols or esters to form RC films. Variations of commercially available CAB were dissolved in acetone and solvent cast to form CAB films.This work strove to understand the structural relations of cellulose-based films, the fundamental principles of these materials and how they affect the material properties. This work examined the effect of the polarity of the regeneration liquid on the crystallinity and on other material properties of dried RC films (Papers I and III). This work also investigated the variation in degree of substitution of butyrate and the variation in molecular weight of commercially available CAB and how those could affect the microstructural order of a solvent cast film to the degree that a measurable change in material properties could be observed (Paper II). This was done via structural analysisusing solid-state nuclear magnetic resonance (ss-NMR), x-ray diffraction (XRD), and temperature-modulated differential scanning calorimetry (TOPEM DSC), on RC and CAB films. The qualitative concept of “film formability” was used in this work to determine the practical film properties (related to the ease of handling a film) based on subjective observations.Both the RC films and the CAB films were transparent, with some variations. The CAB films were more fragile than the RC films, even when theCAB films were almost triple the RC films’ thickness. The RC films could be bent considerably, even sharply folded, whereas the CAB films were only slightly bendable before they snapped.The crystallinity of the RC films varied with the regeneration liquid used,and an increase in crystallinity was observed in the following order: EtOH <n-PrOH < MeAc < EtFm. By controlling the crystallinity of the RC films, some material properties could be tuned accordingly, and in that the advantages of the material can be predicted and used to their fullest. For the CAB films, boththeir crystallinity and microstructural order increased with increasing molecular weight and increasing number of hydroxyl groups along the iibackbone. The microstructural order of the films could be tailored accordingly, although less clearly than for the RC films.By using cellulose-based polymers in a film-making process, the ease withwhich the material can be handled could be investigated and informationvaluable for product development could be obtained. This thesis advances our knowledge of the variations in properties caused by structural elementsin cellulose-based films.

Cellulosa är ett naturligt material som kan användas både som det är och som en byggsten för nya, helt andra typer av material. Det här arbetet fokuserade på regenererad cellulosa (RC), och cellulosa acetat butyrat (CAB), där cellulosan agerar som ryggrad där hydroxylgrupperna delvis är substituerade med estergrupper. Både RC och CAB är i det här arbetet efter upplösning formade som tunna filmer, och analyserade med avseende på strukturella och morfologiska aspekter samt materialegenskaper. Cellulosamassa löstes upp med kall vattenbaserad alkalisk urealösning och regenererades med antingen etanol, normal propanol, metylacetat eller etylformat för att forma RC-filmer. Olika varianter av kommersiellt tillgängliga CAB löstes upp i aceton och gjöts för att forma CAB-filmer. Det här arbetet syftade till att förstå strukturen i cellulosabaserade filmer, de fundamentala principerna kring materialet och hur de påverkar materialegenskaperna. Effekten av regenereringsvätskans polaritet på kristalliniteten och andra materialegenskaper på torkade RC-filmer studerades (Artikel I och III). I arbetet undersöktes också hur variationen i grad av butyratsubstitution och variation av molekylvikt för kommersiellt tillgängliga CAB påverkade den strukturella ordningen i lösningsmedelsgjutna filmer, till den grad att en märkbar skillnad i materialegenskaper kunde observeras (Artikel II). Det är gjort genom analyser av filmerna med fastfas kärnmagnetisk resonans (ss-NMR), röntgendiffraktion (XRD) och temperaturmodifierad differentiell svepkalorimetri (TOPEM DSC) på RC- och CAB-filmer. En kvalitativ term ”Filmformbarhet” användes i arbetet för att avgöra de praktiska filmegenskaperna (som relaterar till hur lätthanterlig filmen var) med subjektiva observationer. Både RC-filmer och CAB-filmer var transparenta, med lite variation. CABfilmerna var skörare än RC-filmerna, även om de förstnämnda var nästan tre gånger tjockare. RC-filmerna kunde böjas och till och med vikas skarpt, medan CAB-filmerna bara var något böjbara innan de sprack, med stor variation beroende på vilken CAB som användes. Kristalliniteten hos RC-filmerna varierade med regenereringsvätskan och en ökande kristallinitet observerades i följande ordning: EtOH<nPrOH<MeAc<EtFm. Genom att styra kristalliniteten hos RC-filmerna kunde även några materialegenskaper varieras, och med det kunde fördelarna med materialet förutses och utnyttjas till fullo. För CAB-filmerna kunde både kristalliniteten och mikrostrukturordningen ökas med ökad molekylvikt och ökat antal hydroxylgrupper längs polymerens ryggrad, och ordningen i filmerna kunde därmed skräddarsys efter önskemål, även om det gav mindre effekt än vad det gjorde för RC-filmerna. Genom att använda cellulosa-baserade polymerer som material i filmtillverkning kunde hanterbarheten av materialen undersökas, och information som är värdefull för produktutveckling kunde hittas. Därför bidrar den här avhandlingen med kunskap kring egenskapsvariationers beroende av strukturella element i cellulosabaserade filmer.