Studien behandlar möjligheten att konstruera en kemiskupplösbar eller nedbrytbarsytråd. Tanken är att sytråden ska underlätta separation av olika material, genom ett mer tidseffektiv sprättningssystem. Valt namn i denna studie för denna funktion är kemisksprättning. Genom litteraturstudier har kunskaper om; processer som våtspinning, stapelgarnsspinning, konstruktionskriterier för sytrådar, egenskaper för kitosanfibrer, katalysering med enzym och upplösning genom protolys hämtats. Praktiska labbförsök för torr- våtspinning av kitosan utförs. De spunna fibrerna karakteriserades genom dragprovning och termogravimetrisk analys. Upplösning av den spunna fibern utförs i en låg koncentrerad ättiksyralösning. Resultaten från de praktiska försöken visar att de spunna kitosanfibrerna inte uppfyllde de krav på mekaniska egenskaperna som ställs på sytrådar. Däremot kunde en snabb upplösning av fiberna i ättiksyra noteras. Enligt den studerade litteraturen går det att uppnå de mekaniska egenskaper som krävs för att spinna sytråd från kitosan. Däremot är det inte möjligt att erhålla lika hög brottstyrka som en universalsytråd. / Program: Textilingenjörsutbildningen

Carbon fibers (CF) are a material with a composition of over 90% carbon, which has high mechanical properties and low density. This unique combination of properties makes it requirable in applications such as vehicles, aerospace, wind power, and space industries. Commercially made CF are made using the fossil raw material polyacrylonitrile (PAN). In order to make a more sustainable precursor fiber (PF), this project has focused on other raw materials; cellulose and lignin. The PFs were produced with a cellulose and lignin mixture (70:30 wt%). In order to make a more green production of PF, cold alkali system was used as the solution in conjunction with wet spinning with an acid:salt coagulation bath. The acid:salt baths used was the P system with phosphoric acid and ammonium dihydrogen phosphate (ADHP), and the S system with sulphuric acid and sodium sulphate with varying concentrations of both acid and salt. The objectives for this thesis was to evaluate the effect of the acid:salt coagulation bath composition, as well as the spin finish. This was done using tensile tests where Young’s modulus, strain to failure, and tensile strength (TS) were determined. The spin finish was evaluated using thermogravimetric analysis (TGA). The results showed that the P system had a significantly higher Youngs modulus and tensile strength compared to the S system, whilst the S system had a higher strain to failure. For the different concentrations of the S system, the tensile tests showed no significant difference between the concentrations. The fibers contained more phosphorus when ADHP was added to the spin finish, making them more flame retardant.

Användningen av cellulosa och lignin för prekursorfibrer (PF) för kolfibrer (CF) är ett mycket intressant forskningsområde på grund av den stora miljöpåverkan som dagens PF-fossilbaserade råvara PAN har. Denna avhandling fokuserar på att utveckla PF med ett kallt NaOH-upplösningssystem med cellulosakoncentrationer från 4,5 till 5,5 viktprocent med varierande massaviskositet och tillsats av lignin från 0-40 viktprocent jämfört med cellulosa. Koagulationssystemet som användes var ett fosforbaserat system med fosforsyra och ammoniumdivätefosfat (ADP) och tvätttiden ändrades för att undersöka påverkan på det slutliga oorganiska innehållet i PF. Effekten av tillsatt lignin och användning av en högre massaviskositet med en förändrad cellulosakoncentration undersöktes. Det som noterades av resultatet av dragegenskaperna och spinnbarheten hos dopen visar en viss trend som är att hög massaviskositet på 330 ml/g och hög ligninhalt på 40 viktprocent (i jämförelse med cellulosamängden i dopen) tycks uppvisa dålig spinnbarhet och svagare dragegenskaper. Användning av längre tvätttider under centrifugeringsprocessen resulterade i en lägre ask- och fosforhalt i PF. / The use of cellulose and lignin for precursor fibers (PFs) for carbon fibers (CFs) is a highly researched topic because of the large environmental impact that today’s PF raw material PAN which is fossil based. This thesis focuses of developing PFs with a cold NaOH dissolution system with cellulose concentrations ranging from 4.5 to 5.5 wt% with varying pulp viscosity and the addition of lignin ranging from 0-40 wt% in comparison to the cellulose. The coagulation system used was a phosphorus-based system with phosphoric acid and ammonium dihydrogen phosphate (ADP) and the washing time was altered to investigate the impact on the final inorganic content in the PF. The impact of the addition of lignin and using a higher pulp viscosity with an altered cellulose concentration is researched. What was noticed from the result of the tensile properties and the spinnability of the dope shows a certain trend which is that high pulp viscosity of 330 ml/g and a high lignin content of 40 wt% (in comparison to the cellulose amount in the dope) seems to present poor spinnability and weaker tensile properties. Using longer washing times during the spinning process resulted in a lower ash and phosphorus content in the PF.

It is in the nature of the human species to find solutions of complex technical problems and always strive for improvements. The development of new materials is not an exception. One of the many man-made materials is carbon fibre (CF). Its excellent mechanical properties and low density have made it attractive as the reinforcing agent in lightweight composites. However, the high price of CF originating from expensive production is currently limiting CF from wider utilisation, e.g. in the automotive sector.   The dominating raw material used in CF production is petroleum-based polyacrylonitrile (PAN). The usage of fossil-based precursors and the high price of CF explain the strong driving force of finding cheaper and renewable alternatives. Lignin and cellulose are renewable macromolecules available in high quantities. The high carbon content of lignin is an excellent property, while its structural heterogeneity yields in CF with poor mechanical properties. In contrast, cellulose has a beneficial molecular orientation, while its low carbon content gives a low processing yield and thus elevates processing costs.   This work shows that several challenges associated with CF processing of each macromolecule can be mastered by co-processing. Dry-jet wet spun precursor fibres (PFs) made of blends of softwood kraft lignin and kraft pulps were converted into CF. The corresponding CFs demonstrated significant improvement in processing yield with negligible loss in mechanical properties relative to cellulose-derived CFs. Unfractionated softwood kraft lignin and paper grade kraft pulp performed as good as more expensive retentate lignins and dissolving grade kraft pulp, which is beneficial from an economic point of view.   The stabilisation stage is considered the most time-consuming step in CF manufacturing. Here it was shown that the PFs could be oxidatively stabilised in less than 2 h or instantly carbonised without any fibre fusion, suggesting a time-efficient processing route. It was demonstrated that PF impregnation with ammonium dihydrogen phosphate significantly improves the yield but at the expense of mechanical properties.   A reduction in fibre diameter was beneficial for the mechanical properties of the CFs made from unfractionated softwood kraft lignin and paper grade kraft pulp. Short oxidative stabilisation (&lt;2 h) of thin PFs ultimately provided CFs with tensile modulus and strength of 76 GPa and 1070 MPa, respectively. Considering the high yield (39 wt%), short stabilisation time and promising mechanical properties, the concept of preparing CF from lignin:cellulose blends is a very promising route. / Det ligger i människans natur att hitta lösningar på komplexa tekniska problem, samt att alltid sträva efter förbättringar. Utvecklingen av nya material är inget undantag. Ett av flera material utvecklade av människan är kolfiber. Dess utmärkta mekaniska egenskaper samt låga densitet har gjort det attraktivt som förstärkningsmaterial i lättviktskompositer. Det höga priset på kolfiber, vilket härstammar ur en kostsam framställningsprocess, har förhindrat en mer utbredd användning i exempelvis bilindustrin.   Det dominerande råmaterialet för kolfiberframställning är petroleumbaserad polyacrylonitril (PAN). Användandet av fossila råvaror och det höga priset på kolfiber förklarar den starka drivkraften att hitta billigare och förnyelsebara alternativ. Lignin och cellulosa är förnyelsebara makromolekyler som finns tillgängliga i stora kvantiteter. Det höga kolinnehållet i lignin gör det mycket attraktivt som råvara för kolfiberframställning, men dess heterogena struktur ger en kolfiber med otillräckliga mekaniska egenskaper. Däremot har cellulosa en molekylär orientering som är önskvärd vid framställning av kolfiber, men dess låga kolinehåll ger ett lågt processutbyte som i sin tur bidrar till höga produktionskostnader.             Det här arbetet visar att många av de problem som uppstår med kolfiber från respektive råvara kan kringgås genom att utgå från blandningar av desamma. Prekursorfibrer från blandningar av kraftlignin och kraftmassa från barrved tillverkade med luftgapsspinning konverterades till kolfiber. Utbytet för kolfibrerna som framställdes var mycket högre än vid framställning från endast cellulosa. Ofraktionerat barrvedslignin och kraftmassa av papperskvalitet presterade lika bra som de dyrare retentatligninen och dissolvingmassan, vilket är fördelaktigt ur ett ekonomiskt perspektiv.   Stabilisering är det mest tidskrävande processteget i kolfibertillverkning. I det här arbetet visades det att prekursorfibrerna kunde stabiliseras på kortare än två timmar, eller direktkarboniseras utan någon sammansmältning av fibrerna. Detta indikerar att en tidseffektiv produktion kan vara möjligt. Impregnering av prekursorfibrerna med ammoniumdivätefosfat ökade utbytet avsevärt, men med lägre mekaniska egenskaper som bieffekt.           Kolfibrernas mekaniska egenskaper ökade vid en diameterreduktion. En kort oxidativ stabilisering under två timmar i kombination med tunna prekursorfibrer gav kolfiber med en elasticitetsmodul på 76 GPa och dragstyrka på 1070 MPa. Att göra kolfiber från blandningar av lignin och cellulosa är ett lovande koncept om det höga utbytet (39%), den korta stabiliseringstiden samt de lovande mekaniska egenskaperna tas i beaktande. / <p>QC 20190226</p>