Novel wet strength agents for paper based on oxidized hydroxypropyl cellulose

Driven by regulatory pressure to replace petro-based single-use plastics with sustainable alternatives, cellulose-based materials have gained increasing attention. Paper products are promising substitutes due to their abundance, recyclability, and biodegradability; however, sufficient mechanical strength under wet conditions remains essential. Conventional wet strength agents such as PAAE are petro-based and form problematic AOX byproducts, motivating the development of sustainable alternatives. This work presents a novel bio-based wet strength system derived from oxidized hydroxypropyl cellulose (keto-HPC). Keto-HPC was synthesized via TEMPO-mediated oxidation, enabling precise control of the degree of oxidation (DOx) while avoiding polymer degradation. Although polymer degradation increased at high DOx, keto-HPC remained high-molecular and suitable for wet strength applications. Increasing DOx significantly enhanced wet strength performance, requiring careful optimization of DOx and molecular weight. Wet strength development was achieved through crosslinking of keto-HPC with polymeric amines such as polyethyleneimine (PEI), chitosan, and aminated Kraft lignin via imine and amide bond formation. Optimized keto-HPC/PEI systems reached relative wet strengths of up to 30% at low polymer dosages, comparable to established commercial agents. Microscopic studies revealed that high-molecular keto-HPC reinforces fiber bonding by penetrating fiber walls and forming polymer accumulations at fiber intersections. Beyond surface application, a proof of concept for wet-end application via consecutive PEI and keto-HPC treatment was demonstrated. Furthermore, keto-HPC enabled humidity-responsive paper–polymer composites with controlled hygroexpansion and reversible bending. Overall, this work establishes keto-HPC as a scalable, sustainable wet strength agent with potential for recyclable and adaptive paper-based materials.

Aufgrund des regulatorischen Drucks, Einwegkunststoffe auf Erdölbasis durch nachhaltige Alternativen zu ersetzen, gewinnen Materialien auf Zellulosebasis zunehmend an Bedeutung. Papierprodukte sind aufgrund ihrer Verfügbarkeit, Recyclingfähigkeit und biologischen Abbaubarkeit vielversprechende Ersatzstoffe; jedoch ist eine ausreichende mechanische Festigkeit unter feuchten Bedingungen nach wie vor unerlässlich. Herkömmliche Nassfestigkeitsmittel wie PAAE basieren auf Erdöl und bilden problematische AOX-Nebenprodukte, was die Entwicklung nachhaltiger Alternativen vorantreibt. Diese Arbeit stellt ein neuartiges biobasiertes Nassfestigkeitssystem vor, das aus oxidierter Hydroxypropylcellulose (Keto-HPC) gewonnen wird. Keto-HPC wurde durch TEMPO-vermittelte Oxidation synthetisiert, wodurch eine präzise Steuerung des Oxidationsgrades (DOx) unter Vermeidung von Polymerabbau ermöglicht wurde. Obwohl der Polymerabbau bei hohem DOx zunahm, blieb Keto-HPC hochmolekular und für Nassfestigkeitsanwendungen geeignet. Eine Erhöhung des DOx verbesserte die Nassfestigkeit erheblich, erforderte jedoch eine sorgfältige Optimierung des DOx und des Molekulargewichts. Die Entwicklung der Nassfestigkeit wurde durch Vernetzung von Keto-HPC mit polymeren Aminen wie Polyethylenimin (PEI), Chitosan und aminiertem Kraft-Lignin über die Bildung von Imin- und Amidbindungen erreicht. Optimierte Keto-HPC/PEI-Systeme erreichten bei niedrigen Polymerdosierungen relative Nassfestigkeiten von bis zu 30%; vergleichbar mit etablierten kommerziellen Mitteln. Mikroskopische Untersuchungen zeigten, dass hochmolekulares Keto-HPC die Faserverbindung verstärkt, indem es in die Faserwände eindringt und Polymeransammlungen bildet.