Tiivistelmä. The aim of this thesis was to investigate a novel wet spinning process based on interfacial complexation of functionalized nanocelluloses for the production of core-shell filaments or yarns. The work focused on wet spinning process development, and investigated how winding and drying steps could be integrated in the continuous spinning process, in which interfacial complexation and wet spinning are combined for filament fabrication of oppositely charged cellulose nanofibers (CNF). Additionally, the effect of processing parameters such as drying temperature, spinning speed, needle size, washing and stretching on mechanical properties of the filaments were investigated to optimize the process.
A continuous process was developed by investigating different types of CNF core-shell combinations and by integrating separate unit operations to obtain a continuous filament fabrication. Three different types of filaments consisting of functionalized anionic-cationic or anionic-anionic CNF pairs (S-CNF/CDAC-CNF, TO-CNF/CDAC-CNF, and TO-CNF/TO-CNF) were successfully fabricated. The requirement for feasible continuous process and homogenous filament fabrication were the filament structure consisting of anionic core and cationic shell, proper air removal from CNFs, filament support and reduced friction during the processing, properly directed drying air and Teflon covered winder. In addition, drying temperature, spinning speed and needle size of the process were optimized. The structure of filaments were investigated by microscopy and mechanical properties were analyzed using tensile tests.
Stretching was shown to be an important parameter for better CNF orientation and improved mechanical properties. Additionally, washing stage significantly increased tensile strengths of the filaments. The highest tensile strength was reached with washed S-CNF/CDAC-CNF, which was purely based on CNFs which were obtained through a green synthesis route in the deep eutectic solvent (DES). Overall, the results showed the technical feasibility of continuous process for fabrication of core-shell filaments based on functionalized nanocelluloses. However, further research is still needed to improve the CNF orientation and mechanical properties, and to develop the process by incorporating e.g. washing step.Tiivistelmä. Tämän diplomityön tarkoituksena oli tutkia uutta funktionalisoitujen nanoselluloosien rajapintakompleksointiin perustuvaa märkäkehruuprosessia ydin-kuori filamenttien tai lankojen valmistusta varten. Työ keskittyi märkäkehruuprosessin kehittämiseen ja työssä selvitettiin kuinka kelaus- ja kuivausvaiheet voisi yhdistää jatkuvatoimiseen prosessiin, jossa varaukseltaan vastakkaisista nanoselluloosista (CNF) valmistetaan filamentteja yhdistämällä rajapintakompleksointi ja märkäkehruu. Prosessin optimoimiseksi myös prosessiparametrien kuten kuivauslämpötilan, kehruunopeuden, neulan koon, pesun ja venytyksen vaikutuksia filamenttien mekaanisiin ominaisuuksiin tutkittiin.
Jatkuvatoiminen prosessi kehitettiin kokeilemalla filamenteille erilaisia CNF ydin-kuori -yhdistelmiä ja yksikköoperaatiot liitettiin toisiinsa jatkuvien filamenttien valmistamiseksi. Työssä valmistettiin onnistuneesti kolme koostumukseltaan erilaista filamenttia, jotka koostuivat funktionalisoiduista anioninen-kationinen tai anioninen-anioninen CNF-pareista (S-CNF/CDAC-CNF, TO-CNF/CDAC-CNF, ja TO-CNF/TO-CNF). Filamenttien rakenne, joka muodostui anionisesta ytimestä ja kationisesta kuoresta, ilman poistaminen CNF:stä, filamenttien tukeminen ja kitkan vähentäminen prosessin aikana, kuivausilman oikea suuntaaminen sekä kelaimen Teflon-pinta olivat edellytys jatkuvatoimisen prosessin ja homogeenisten filamenttien valmistamisen kannalta. Lisäksi prosessin kehruunopeus, kuivauslämpötila ja neulan koko optimoitiin. Filamenttien rakennetta tutkittiin mikroskopialla ja lujuusmittausten avulla selvitettiin filamenttien mekaanisia ominaisuuksia.
Venytyksen osoitettiin olevan tärkeä parametri CNF:n paremman orientaation ja mekaanisten ominaisuuksien kannalta. Lisäksi filamenttien peseminen paransi niiden vetolujuuksia. Paras vetolujuus saatiin pestylle S-CNF/CDAC-CNF filamentille, joka valmistettiin käyttämällä vihreitä syväeutektisia liuottimia (DES). Kaiken kaikkiaan tulokset osoittivat ydin-kuori filamenttien jatkuvatoimisen valmistuksen funktionalisoiduista nanoselluloosista olevan teknisesti mahdollista. Lisätutkimuksia kuitenkin tarvitaan CNF:n orientaation ja mekaanisten ominaisuuksien parantamiseksi sekä prosessin kehittämiseksi, esimerkiksi liittämällä pesuvaihe prosessiin
