Swelling and dissolution mechanisms of cellulose fibres

Mécanismes de gonflement et de dissolution des fibres de cellulose

Nicolas Le Moigne (1)

1 CEMEF - Centre de Mise en Forme des Matériaux

The focus of this work was to study the swelling and dissolution of cellulose fibres by varying the quality of the solvent (N-methylmorpholine-N-oxide with various amount of water, NaOH 8% - water), the dissolution conditions, as the tension, and the fibres sources (cotton, wood pulps, regenerated fibres and cellulose derivatives). The swelling and dissolution mechanisms were investigated by high resolution microscopic observations. A selective separation of insoluble and soluble fractions was performed by a centrifugation method. Molar mass distribution, crystallinity, sugar composition, allomorphy and amount of material of each fraction were analysed. From all these investigations, we were able to better describe the swelling and dissolution mechanisms of cellulose fibres and to identify the main parameters involved in the dissolution. Our results show that structural and molecular characteristics of cellulose fibres as well as process parameters must be better controlled to improve the dissolution, (i) process parameters are linked to the solvent convection and the possibility of movements of cellulose fibres in the solvent bath. (ii) Structural parameters are linked with the removal of the external walls, the destructuration of the layer structure and the selective removal of the hemicelluloses. (iii) Molecular parameters are dealing with thermodynamic, as the chain length, the crystallinity, but also the enhancement of the conformational mobility of the chains.

Le but de ces travaux était d'étudier les mécanismes de gonflement et de dissolution des fibres de cellulose en faisant varier la qualité du solvant (N-methylmorpholine-N-oxide avec différentes quantités d'eau et solutions aqueuses de NaOH à 8%), les conditions de dissolution, comme la tension, et l'origine des fibres (coton, bois, fibres régénérées ou dérivées). Les mécanismes de gonflement et de dissolution ont été étudiés par des observations microscopiques à haute résolution. Une séparation sélective des fractions solubles et insolubles a été réalisée par centrifugation. La distribution de masse molaire, la cristallinité, la composition en sucre, l'allomorphie et la quantité de chaque fraction ont été analysées. A partir de ces résultats, nous avons pu mieux décrire les mécanismes de gonflement et de dissolution des fibres de cellulose et ainsi identifier les principaux paramètres gouvernant la dissolution. Nos résultats montrent que les caractéristiques structurales et moléculaires des fibres de cellulose ainsi que les paramètres de procédés doivent être mieux contrôlés afin d'améliorer la dissolution. (i) Les paramètres de procédés concernent la convection du solvant et la possibilité de mouvements des fibres dans le solvant, (ii) les paramètres structuraux concernent la suppression des parois externes, la déstructuration des parois internes et la suppression sélectives des hémicelluloses, (iii) les paramètres moléculaires concernent la thermodynamique, comme la longueur des chaînes, la cristallinité mais aussi l'amélioration de la mobilité conformationelle des chaînes.

Mots clés: swelling; solvent; walls; cotton; wood; regenerated fibres

Mots clés: cellulose; gonflement; dissolution; solvant; structure; parois; enzymes; coton; bois; fibres régénérées; N-methylmorpholine-N-oxide; NaOH

Domaines: Mécanique [physics.med-ph]

Nicolas Le Moigne. Swelling and dissolution mechanisms of cellulose fibres. Mechanics [physics.med-ph]. École Nationale Supérieure des Mines de Paris, 2008. English. ⟨NNT : 2008ENMP1581⟩. ⟨tel-00353429⟩