إنتاج بالموجات فوق الصوتية من السليلوز نانو الهيكلية
اكتسب Nanocellulose ، وهو مادة مضافة رائعة عالية الأداء ، مكانة بارزة لتطبيقاته المتنوعة كمعدل ريولوجي ، وعامل تقوية ، ومكون رئيسي في مختلف المواد المتقدمة. يمكن عزل هذه الألياف ذات البنية النانوية ، المشتقة من أي مصدر يحتوي على السليلوز ، بكفاءة من خلال التجانس والطحن بالموجات فوق الصوتية عالية الطاقة. هذه العملية ، المعروفة باسم صوتنة ، تعزز بشكل كبير الرجفان ، مما يؤدي إلى زيادة غلة النانو سليلوز وإنتاج ألياف أدق وأرق. تتفوق تقنية الموجات فوق الصوتية على طرق التصنيع التقليدية ، وذلك بفضل قدرتها على توليد قوى قص عالية التجويف ، مما يجعلها أداة استثنائية لإنتاج النانوسليلوز.
تصنيع نانوسليلوز بالموجات فوق الصوتية
الموجات فوق الصوتية عالية الطاقة يساهم في استخراج وعزل السليلوز الدقيقة والنانوية من مصادر مختلفة من المواد السليلوزية مثل الخشب والألياف lignocellulosic (ألياف اللب) ، والسليلوز التي تحتوي على بقايا.
لتحرير الألياف النباتية من المادة المصدر ، بالموجات فوق الصوتية طحن و التجانس هي طريقة قوية وموثوقة ، تسمح بمعالجة كميات كبيرة جدا. يتم تغذية اللب في مفاعل سونومفاعل مضمن ، حيث تكسر قوى القص العالي بالموجات فوق الصوتية بنية الخلية للكتلة الحيوية بحيث تصبح المادة الليفية متاحة.
يتم تشتيت الطين نانوسليلوز بشكل موثوق باستخدام الموجات فوق الصوتية. تظهر الصورة جهاز الصوتنة عالي الأداء UIP2000hdT في إعداد دفعي.
[بيتنكورت وآخرون 2008]
صورة TEM ل “القطن غير المجفف أبدا” (NDC) المقدمة إلى التحلل الأنزيمي وصوتنة مع Hielscher صوتي UP400S لمدة 20 دقيقة. [بيتنكورت وآخرون 2008]
يوضح الشكل 2 أدناه صورة SEM لفيلم فسكوزي ، مقدم إلى التحلل المائي الأنزيمي ، متبوعا بصوتنة مع نموذج صوتي Hielscher UP400S.
[بيتنكورت وآخرون 2008]
صورة SEM لفيلم فسكوزي ، تم تقديمه إلى التحلل المائي الأنزيمي ، متبوعا بصوتنة مع UP400S [Bittencourt et al. 2008]
يمكن أيضا دمج معالجة النانوسليلوز بالموجات فوق الصوتية بنجاح مع معالجة الألياف المؤكسدة TEMPO. في عملية TEMPO ، يتم إنتاج ألياف السليلوز النانوية بواسطة نظام أكسدة باستخدام 2،2،6،6-رباعي ميثيل بيبيريدينيل-1-أوكسيل (TEMPO) كمحفز ، وبروميد الصوديوم (NaBr) وهيبوكلوريت الصوديوم (NaOCl). أثبتت الأبحاث أن كفاءة الأكسدة تتحسن بشكل كبير عندما تتم الأكسدة تحت التشعيع بالموجات فوق الصوتية.
التشتت بالموجات فوق الصوتية من نانوسليلوز
تظهر مشتتات النانوسليلوز سلوكا ريولوجيا غير عادي بسبب لزوجته العالية عند تركيزات نانوسليلوز منخفضة. هذا يجعل النانوسليلوز مادة مضافة مثيرة للاهتمام للغاية كمعدل ريولوجي ومثبت و gellant لمختلف التطبيقات ، على سبيل المثال في الطلاء أو الورق أو صناعة الأغذية. للتعبير عن خصائصه الفريدة ، يجب أن يكون النانوسليلوز
التشتت بالموجات فوق الصوتية هو الطريقة المثالية للحصول على نانوسليلوز أحادي الحجم وأحادي التشتت. نظرا لأن النانو سليلوز شديد الترقق ، فإن الموجات فوق الصوتية للطاقة هي التقنية المفضلة لصياغة معلقات نانوسليلوزية لأن اقتران الموجات فوق الصوتية عالية الطاقة بالسوائل يخلق قوى قص شديدة.
انقر هنا لمعرفة المزيد عن التجويف بالموجات فوق الصوتية في السوائل!
بعد تخليق السليلوز البلوري النانوي ، غالبا ما يتم تشتيت النانوسليلوز بالموجات فوق الصوتية في وسط سائل ، على سبيل المثال مذيب غير قطبي أو قطبي مثل ثنائي ميثيل فورماميد (DMF) ، لصياغة منتج نهائي (مثل المركبات النانوية ، المعدل الريولوجي ، إلخ.) نظرا لاستخدام CNFs كمواد مضافة في تركيبات متعددة ، فإن التشتت الموثوق به أمر بالغ الأهمية. الموجات فوق الصوتية تنتج ألياف مستقرة ومشتتة بشكل موحد.
تحسين نزح المياه بالموجات فوق الصوتية من ألياف السليلوز النانوية
نزح المياه المعزز بالموجات فوق الصوتية من ألياف السليلوز النانوية هو تقنية متطورة تعمل على تحسين كفاءة إزالة المياه بشكل كبير – جعل ألياف السليلوز النانوية مادة مضافة جذابة للغاية لإنتاج الورق النانوي. تتطلب ألياف النانو سليلوز عادة نزح المياه الذي يستغرق وقتا طويلا نظرا لقدرتها العالية على الاحتفاظ بالماء. من خلال تطبيق الموجات فوق الصوتية ، يتم تسريع هذه العملية من خلال توليد قوى تجويف شديدة ، والتي تعطل مصفوفة المياه وتسهل طرد المياه بشكل أسرع وأكثر اتساقا. هذا لا يقلل من وقت التجفيف فحسب ، بل يعزز أيضا السلامة الهيكلية والخصائص الميكانيكية لألياف السليلوز النانوية الناتجة ، مما يجعلها طريقة فعالة للغاية في إنتاج الأوراق النانوية عالية الجودة والمواد النانوية الأخرى.
معرفة المزيد عن نزح المياه بالموجات فوق الصوتية من nanopaper!
إنتاج نانوسليلوز صناعي باستخدام الموجات فوق الصوتية للطاقة
Hielscher الفوق صوتيات يقدم مجموعة شاملة من حلول الموجات فوق الصوتية قوية وموثوق بها، من الموجات فوق الصوتية على نطاق مختبر صغير إلى النظم الصناعية على نطاق واسع، مثالية للمعالجة التجارية من نانوسليلوز. الميزة الرئيسية للصوتيات من نوع المسبار الصناعي Hielscher تكمن في قدرتها على تقديم ظروف الموجات فوق الصوتية المثلى من خلال مفاعلات سونوري التدفق ، والتي تأتي في مختلف الأحجام والهندسة. تضمن هذه المفاعلات تطبيق طاقة الموجات فوق الصوتية بشكل متسق وموحد على مادة السليلوز ، مما يؤدي إلى نتائج معالجة فائقة.
صوتيات Hielscher مقاعد البدلاء ، مثل UIP1000hdT و UIP2000hdT و UIP4000hdT ، قادرة على إنتاج عدة كيلوغرامات من النانو سليلوز يوميا ، مما يجعلها مناسبة لاحتياجات الإنتاج متوسطة الحجم. بالنسبة للإنتاج التجاري على نطاق واسع ، يمكن للوحدات الصناعية الكاملة مثل UIP10000 و UIP16000hdT التعامل مع تيارات الكتلة الواسعة ، مما يتيح الإنتاج الفعال لكميات كبيرة من النانوسليلوز.
واحدة من أهم مزايا أنظمة الموجات فوق الصوتية Hielscher هي قابلية التوسع الخطية. يمكن تثبيت كل من أجهزة الموجات فوق الصوتية على الطاولة والصناعية في مجموعات ، مما يوفر قدرة معالجة غير محدودة تقريبا ، مما يجعلها خيارا مثاليا للعمليات التي تتطلب إنتاجية عالية وأداء موثوقا به في إنتاج النانوسليلوز.
المعالجة بالموجات فوق الصوتية: Hielscher يرشدك من الجدوى والتحسين إلى الإنتاج التجاري!
- درجة عالية من الرجفان
- ارتفاع إنتاج النانوسليلوز
- ألياف رقيقة
- ألياف مفككة
المعالجة بالموجات فوق الصوتية
مختبر Hielscher بالموجات فوق الصوتية UP400S (400 واط، 24 كيلو هرتز)
يمنحك الجدول أدناه مؤشرا على قدرة المعالجة التقريبية لأجهزة الموجات فوق الصوتية لدينا:
| حجم الدفعة | معدل التدفق | الأجهزة الموصى بها |
|---|---|---|
| 0.5 إلى 1.5 مل | ن.أ. | VialTweeter |
| 1 إلى 500 مل | 10 إلى 200 مل / دقيقة | UP100H |
| 10 إلى 2000 مل | 20 إلى 400 مل / دقيقة | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 إلى 20 لتر | 0.2 إلى 4 لتر / دقيقة | UIP2000hdT |
| 10 إلى 100 لتر | 2 إلى 10 لتر / دقيقة | UIP4000hdT |
| 15 إلى 150 لتر | 3 إلى 15 لتر / دقيقة | UIP6000hdT |
| ن.أ. | 10 إلى 100 لتر / دقيقة | UIP16000 |
| ن.أ. | أكبر | مجموعة من UIP16000 |
ما هو نانوسليلوز؟
يتضمن النانو سليلوز أنواعا مختلفة من ألياف السليلوز النانوية (CNF) ، والتي يمكن تمييزها في السليلوز الليفي الدقيق (MFC) ، والسليلوز النانوي (NCC) ، والسليلوز النانوي البكتيري. هذا الأخير يشير إلى السليلوز ذو البنية النانوية التي تنتجها البكتيريا.
يظهر Nanocellulose خصائص بارزة مثل قوة وصلابة غير عادية ، وتبلور عالي ، ومتغير الانسيابية ، بالإضافة إلى تركيز عال من مجموعة الهيدروكسيل على سطحه. العديد من خصائص الأداء العالي للنانوسليلوز ناتجة عن ارتفاع نسبة السطح / الكتلة.
تستخدم النانوسليلوز على نطاق واسع في الطب والمستحضرات الصيدلانية والإلكترونيات والأغشية والمواد المسامية والورق والمواد الغذائية بسبب توافرها وتوافقها الحيوي وقابليتها للتحلل البيولوجي واستدامتها. نظرا لخصائصه عالية الأداء ، يعد nanocellulose مادة مثيرة للاهتمام لتعزيز البلاستيك ، وتحسين الخواص الميكانيكية على سبيل المثال الراتنجات بالحرارة ، والمصفوفات القائمة على النشا ، وبروتين الصويا ، والمطاط اللاتكس ، أو بولي (اللاكتيد). بالنسبة للتطبيقات المركبة ، يستخدم النانوسليلوز للطلاء والأفلام والدهانات والرغاوي والتعبئة والتغليف. علاوة على ذلك ، يعد النانوسليلوز مكونا واعدا لصنع الهلاميات الهوائية والرغاوي ، إما في تركيبات متجانسة أو في مركبات.
الاختصارات:
السليلوز النانوي (NCC)
ألياف السليلوز النانوية (CNF)
السليلوز الليفي الدقيق (MFC)
شعيرات نانوسليلوز (NCW)
بلورات السليلوز النانوية (CNC)
الأدب / المراجع
- E. Abraham, B. Deep, L.A. Pothan, M. Jacob, S. Thomas, U. Cvelbar, R. Anandjiwala (2011): Extraction of nanocellulose fibrils from lignocellulosic fibres: A novel approach. Carbohydrate Polymers 86, 2011. 1468–1475.
- E. Bittencourt, M. de Camargo (2011): Preliminary Studies on the Production of Nanofibrils of Cellulose from Never Dried Cotton, using Eco-friendly Enzymatic Hydrolysis and High-energy Sonication. 3rd Int’l. Workshop: Advances in Cleaner Production. Sao Paulo, Brazil, May 18th – 20th 2011.
- L. S. Blachechen, J. P. de Mesquita, E. L. de Paula, F. V. Pereira, D. F. S. Petri (2013): Interplay of colloidal stability of cellulose nanocrystals and their dispersibility in cellulose acetate butyrate matrix. Cellulose 2013.
- A. Dufresne (2012): Nanocellulose: From Nature to High Performance Tailored Materials. Walter de Gruyter, 2012.
- M. A. Hubbe; O. J. Rojas; L. A. Lucia, M. Sain (2008): Cellulosic Nanocomposites: A Review. BioResources 3/3, 2008. 929-980.
- S. P. Mishra, A.-S. Manent, B. Chabot, C. Daneault (2012): Production of Nanocellulose from Native Cellulose – Various Options using Ultrasound. BioResources 7/1, 2012. 422-436.
- Matjaž Kunaver, Alojz Anžlovar, Ema Žagar (2016): The fast and effective isolation of nanocellulose from selected cellulosic feedstocks. Carbohydrate Polymers, Volume 148, 2016. 251-258.
- http://en.wikipedia.org/wiki/Nanocellulose