Chemical modification of starch and hemicellulose for vinyl acetate emulsion polymerization in adhesive applications

Abstract

Kiinnostus fossiilipohjaisten materiaalien korvaamiseen biopohjaisilla vaihtoehdoilla on kasvussa uusiutuvien luonnonvarojen tarpeen vuoksi. Polysakkaridit, kuten tärkkelys ja hemiselluloosa, ovat lupaavia vaihtoehtoja niiden uusiutuvuuden, hyvän saatavuuden ja biohajoavuuden ansiosta. Liimasovelluksissa materiaalien yhteensopivuus ja suorituskyky ovat keskeisiä tekijöitä riittävän sidoslujuuden ja kestävyyden saavuttamiseksi. Tärkkelyksen ja hemiselluloosan suora käyttö polyvinyyliasetaatin (PVAc) kanssa on kuitenkin rajoittunutta niiden heikon yhteensopivuuden, korkean hydrofiilisyyden sekä riittämättömien mekaanisten ja vedenkestävien ominaisuuksien vuoksi. Tämän kandidaatintyön tavoitteena oli selvittää, miten tärkkelyksen ja hemiselluloosan kemiallisilla muokkausmenetelmillä voidaan parantaa niiden yhteensopivuutta vinyyliasetaatin kanssa emulsiopolymeroinnissa sekä miten nämä muokkaukset vaikuttavat PVAc-pohjaisten liimojen fysikaalisiin ominaisuuksiin.

Kirjallisuuden perusteella useat kemialliset muokkausmenetelmät voivat parantaa yhteensopivuutta ja lopputuotteen ominaisuuksia. Esteröinti ja asetylointi vähentävät hydrofiilisyyttä ja parantavat vedenkestävyyttä tuomalla rakenteeseen hydrofobisia ryhmiä, kun taas eetteröinti parantaa kemiallista stabiilisuutta. Hapetus tuo rakenteeseen reaktiivisia funktionaalisia ryhmiä, mikä mahdollistaa jatkoreaktiot, kuten ristisilloituksen. Ristisilloitus parantaa yleensä mekaanista lujuutta ja vedenkestävyyttä, kun taas oksapolymeroinnin on raportoitu parantavan yhteensopivuutta, dispersiostabiilisuutta ja liimaominaisuuksia. Lisäksi kopolymerointi monomeerien, kuten butyyliakrylaatin, kanssa parantaa joustavuutta, lämpöominaisuuksia ja adheesiolujuutta.

Kirjallisuuden perusteella kemiallisesti muokatut polysakkaridit voivat parantaa PVAc-pohjaisten liimojen suorituskykyä ja mahdollistaa suuremman biopohjaisen osuuden. Muokkausasteen ja koostumuksen optimointi on kuitenkin keskeistä optimaalisten liimaominaisuuksien saavuttamiseksi. Jatkotutkimusta tarvitaan erityisesti hemiselluloosan käytöstä PVAcjärjestelmissä sekä biopohjaisten liimojen skaalautuvuudesta teollisiin sovelluksiin kestävien ja kaupallisesti kilpailukykyisten vaihtoehtojen kehittämiseksi fossiilipohjaisille liimoille.

Interest in replacing fossil-based components with bio-based alternatives has increased due to the need to find renewable resourses. Natural polysaccharides, such as starch and hemicellulose, are promising candidates due to their renewability, availability, and biodegradability. In adhesives, material compatibility and performance are critical factors for achieving sufficient bonding strength and durability. However, direct use of starch and hemicellulose in poly(vinyl acetate) (PVAc) adhesives is limited by poor compatibility, high hydrophilicity, and insufficient mechanical and water-resistant properties. The aim of this thesis was to study how chemical modification of starch and hemicellulose can improve their compatibility with vinyl acetate in emulsion polymerization, and how these modifications influence the physical properties of PVAc-based adhesives.

The literature shows that several chemical modification strategies can improve the compatibility and the properties of the final product. Esterification and acetylation reduce hydrophilicity and improve water resistance by introducing hydrophobic groups, while etherification enhances chemical stability. Oxidation introduces reactive functional groups, enabling further reactions such as crosslinking. Crosslinking generally improves mechanical strength and water resistance, whereas graft polymerization has been reported to enhance compatibility, dispersion stability, and adhesive performance. In addition, copolymerization with monomers such as butyl acrylate was shown to improve flexibility, thermal properties, and adhesion strength.

Overall, the literature suggests that chemically modified polysaccharides can improve the performance of PVAc-based adhesives and enable a higher bio-based content. However, optimization of modification degree and formulation is critical to achieve optimal adhesive properties. Further research is needed, particularly on hemicellulose with PVAc and the scalability of bio-based adhesives for industrial applications to achieve sustainable and commercially viable alternatives.