Tämän työn tarkoituksena oli tutkia radikaalipolymerointia emulsiopolymeroinnilla sekä miten nanokiteisen selluloosan lisääminen vaikuttaa polymeerin rakenteeseen sekä partikkelikokoon. Työn kirjallisuusosuudessa perehdyttiin emulsiopolymerointiin, sen eri vaiheisiin sekä tarvittaviin kemikaaleihin.
Työ jakautui kahteen koevaiheeseen. Ensimmäisessä osiossa tutkittiin, miten muodostuvan polymeerin rakenne ja partikkelikoko muuttuivat nanokiteisen selluloosan konsentraatiota lisäämällä emulsiossa. Toisessa vaiheessa vertailtiin eri initiaattoreilla tehtyjen polymeerilevyjen läpinäkyvyyttä ja kuinka emulsiopolymeerituotteen pH vaikuttaa levyjen optisiin ominaisuuksiin.
Työn ensimmäisessä vaiheessa valmistettiin emulsiopolymeroinnilla viisi näytettä joista ensimmäinen toimi vertailueränä ilman nanokiteistä selluloosaa ja neljään seuraavaan näytteeseen lisättiin selluloosaa eri konsentraatiossa. Valmistetuille polymeereille tehtiin laserdiffraktioon perustuva partikkelikokoanalyysi sekä näytteitä tutkittiin optisella mikroskoopilla. Näytteiden happamuuden tarkastamiseksi tehtiin pH-mittaus pH-paperin avulla.
Työn toisessa vaiheessa valmistettiin vielä kuudes näyte ilman nanoselluloosaa, jossa käytettiin erilaista initiaattoria kuin viidessä aikaisemmassa näytteessä. Lisäksi näistä referenssinäytteistä valmistettiin kuusi polymeerilevyä, joista kaksi sisälsi vain nanoselluloosatonta polymeeriä sekä lopuista neljästä levystä valmistettiin komposiittipolymeerilevyjä nanokiteisen selluloosaliuoksen kanssa.
Tuloksista havaittiin, että pienillä nanokiteisen selluloosan pitoisuuksilla partikkelikoko kasvaa hitaasti. Mitä suuremmaksi nanokiteisen selluloosan konsentraatio polymeerissä kasvoi, sitä laajemmaksi partikkelikokojakauma kasvoi eli emulsiopolymerointituotteesta tuli epävakaa, joka havaittiin leveänä partikkelikokojakaumana. Lisäksi havaittiin, että polymeerirakenteet olivat hyvin heikkoja pienillä pitoisuuksilla ja alkoivat hajota mittauslaitteessa. Lopussa ehdotetaan sopivinta PMMA-emulsiota nanokomposiittien valmistusta varten.
Nanokiteisen selluloosan vaikutuksen lisäksi polymeerin partikkelikokoon tässä työssä havaittiin, että initiaattorilla on merkittävä vaikutus komposiittilevyn optiseen ominaisuuteen, sillä ammoniumpersulfaatti-initiaattori muodostaa hapanta radikaalia ja näin tekee myös polymeeriliuoksesta happaman. Polymeeriliuokseen lisätty nanokiteinen selluloosa alkoi hajota emulsioon muodostuneen hapon vaikutuksesta, jonka vuoksi muodostetusta komposiittilevystä tuli hyvin tumma ja huonosti läpinäkyvä. Vetyperoksidin käytöllä initiaattorina saatiin komposiittilevyistä paljon kirkkaampia, sillä vetyperoksidin radikaaleista ei syntynyt hapanta tuotetta. / The main purpose of this thesis was to research free-radical polymerization in emulsion polymerization and how adding of cellulose nanocrystals affects the structure and size of polymer particles in emulsion. In theoretical part, emulsion polymerization was examined as well as the phases of it and also a brief introduction about raw materials for completion of emulsion polymerization is included.
The research was done in two stages. In the first stage it was examined how structure and size of formed polymer particles changed when concentration of cellulose nanocrystals was increased. In the second stage polymer sheets were made from different initiators and their transparency was compared and it was studied how the pH of the product affected the optical quality of sheets.
In the first stage of the work, five emulsion samples were prepared with emulsion polymerization; the first sample acted as reference batch without cellulose nanocrystals. In the other four samples different concentrations of cellulose nanocrystals were added. Formed polymer particles were studied with laser diffraction based particle size analysis, optical microscope and acidity of the samples was tested with pH-measurement by pH-paper.
In the second stage of the work, sixth sample was prepared without cellulose nanocrystals but with different initiator compared to the first five samples. Also, from the samples without cellulose nanocrystals, six polymer sheets were prepared. Two of the sheets contained only polymer without added cellulose nanocrystals and other four sheets were composite polymer sheets prepared with cellulose nanocrystals.
From the results it can be observed that at low concentrations of cellulose nanocrystals particle size grows in limited relation. When cellulose nanocrystal concentration got higher in polymer, the particle size distribution got wider which meant that the formed emulsion polymerization product became unstable. It was also observed that the polymer structures were very weak at low concentrations and started to decompose in the particle size analyser which was observed as wider particle size distribution. Finally, we propose a suitable formulation of PMMA emulsion for making nanocomposites.
Apart from the effect of cellulose nanocrystals on the particle size of the polymer, another finding form this study is that the initiator has a significant effect on the optical quality of formed composite sheet because ammonium persulfate-iniator forms acid radical and turns the polymer emulsion acidic. The added cellulose nanocrystals reacted with acid and started to decompose (acidic degradation), which is why formed composite sheets were very dark and hardly transparent. Use of hydrogen peroxide as an initiator made the composite sheets much brighter because hydrogen peroxide radicals did not form acid product as did the ammonium persulfate-initiator.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:oulo.fi/oai:oulu.fi:nbnfioulu-201702281294 |
| Date | 01 March 2017 |
| Creators | Tervo, V. (Ville) |
| Publisher | University of Oulu |
| Source Sets | University of Oulu |
| Language | Finnish |
| Detected Language | Finnish |
| Type | info:eu-repo/semantics/bachelorThesis, info:eu-repo/semantics/publishedVersion |
| Format | application/pdf |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess, © Ville Tervo, 2017 |
Page generated in 0.0154 seconds