Kağız istehsalı üçün sellüloza nanoliflərinin susuzlaşdırılmasının sürətləndirilməsi

Ultrasəs emalının süd turşusu (LA) ilə modifikasiya ilə birləşdirilməsi kağız istehsalı üçün sellüloza nanoliflərinin (CNFs) susuzlaşdırılması prosesini sürətləndirən ekoloji cəhətdən əlverişli yanaşmadır. Sellüloza nanolifləri yüksək su saxlama qabiliyyəti ilə tanınır və bu, nanokağız hazırlanmasında və nanosellülozanın digər tətbiqlərində mühüm mərhələ olan suyun süzülməsi prosesində əhəmiyyətli gecikmələrə səbəb olur. Bu üsul ultrasəs emalı zamanı sellülozanın hidroksil qruplarının süd turşusu ilə esterləşməsi vasitəsilə suyun süzülmə müddətini 75% azaldaraq 45 dəqiqədən 10 dəqiqəyə endirir. Bu modifikasiya həmçinin suspenziyanın özlülüyünü azaldır və sənaye miqyasına keçid üçün yararlı olduğunu göstərir, sellüloza nanolifləri əsasında hazırlanan məhsulların istehsal səmərəliliyini və sürətini artırmaq üçün praktik həll təqdim edir.

Ultrasəs emalı zamanı süd turşusu ilə modifikasiya edilmiş sellüloza nanoliflərinin sürətli susuzlaşdırılması
(Tədqiqat və şəkil: ©Sethi və b., 2018)

Süd turşusu ilə ultrasəs modifikasiyası vasitəsilə sellüloza nanoliflərinin susuzlaşdırılma səmərəliliyinin artırılması

Sellüloza nanolifləri (CNFs) kağız istehsalında möhkəmliyin artırılması və reologiyanın dəyişdirilməsi kimi çoxsaylı üstünlükləri ilə tanınır. Lakin əhəmiyyətli çatışmazlıqlardan biri sellüloza nanolifi suspenziyalarından suyun süzülməsi üçün həddindən artıq uzun müddətin tələb olunmasıdır; bu, nanokağızların hazırlanmasında mühüm mərhələdir. Bu çətinlik yalnız nanokağız istehsalına təsir etmir, həm də nanosellülozanın sənaye üsulu ilə digər hazır məhsullara çevrilməsinə mane olur. Suyun süzülmə müddətinin uzun olması əsasən sellüloza nanoliflərinin yüksək su saxlama qabiliyyəti ilə bağlıdır və bu, sellüloza nanoliflərindən alınan məhsulların kommersiyalaşdırılmasını məhdudlaşdırır.
Aşağıda Sethi və həmkarlarının (2018) elmi tədqiqatının nəticələrini təqdim edirik. Onlar sellüloza nanoliflərinin süd turşusu ilə ultrasəs dəstəkli modifikasiyasını işləyib hazırlayıblar; bu modifikasiya CNFs-in 75% daha sürətli susuzlaşdırılmasına və materialın funksional xüsusiyyətlərinin yaxşılaşmasına gətirib çıxarır.

Sellüloza nanoliflərinin süd turşusu ilə ultrasəs modifikasiyası

Bu problemi həll etmək üçün sellüloza nanoliflərinin səthini modifikasiya etmək məqsədilə ultrasəs enerjisi və süd turşusundan (LA) istifadə edən ekoloji cəhətdən əlverişli, su əsaslı yanaşma işlənib hazırlanmışdır. Bu üsul susuzlaşdırma prosesini əhəmiyyətli dərəcədə sürətləndirərək suyun süzülmə müddətini 75%-ə qədər azaldır.
Modifikasiya prosesi sellüloza nanolifi suspenziyalarının 0,35 wt.% konsentrasiyasına qədər durulaşdırılmasını və sellüloza nanoliflərinin quru maddə miqdarına nisbətən müxtəlif miqdarlarda süd turşusunun əlavə edilməsini nəzərdə tutur (suspenziyadakı sellüloza nanoliflərinin quru maddə miqdarının 0,5 misli, 1 misli, 5 misli və 10 misli). Nanoliflər, su və süd turşusu yüksək sürətli qarışdırıcı ilə 1500 rpm sürətində 5 dəqiqə qarışdırılır, sonra isə titan ucluqla (diametri 22 mm) təchiz olunmuş Hielscher UP400S sonikatoru ilə ultrasəs emalına məruz qoyulur. Ultrasəs emalı müxtəlif enerji səviyyələrində aparılır; ötürülən maksimum enerji 600 J/ml təşkil edir ki, bu da 10 dəqiqəlik ultrasəs emalına uyğundur.

Suyun süzülmə müddətinə təsir

Ultrasəs və süd turşusu ilə modifikasiya sellüloza nanolifi suspenziyalarında suyun süzülmə müddətinə güclü təsir göstərir. Müqayisə üçün götürülmüş suspenziyanın susuzlaşdırılması təxminən 45 dəqiqə çəkir. Süd turşusu ilə ultrasəs dəstəkli modifikasiyadan sonra bu müddət 10 dəqiqəyə enir ki, bu da 75% yaxşılaşma deməkdir. Hətta zəif intensivlikli ultrasəs emalı (5 J/ml) zamanı suyun süzülmə müddəti yarıya enərək 23 dəqiqə təşkil edir. Ultrasəs enerjisi artdıqca suyun süzülmə müddəti azalır və nəticədə təxminən 10 dəqiqə səviyyəsində sabitləşir.
Bu yaxşılaşma sellülozanın hidrofil hidroksil qruplarının süd turşusunun hidrofob hissələri ilə əvəz olunması ilə izah edilir. Yüksək su saxlama qabiliyyəti əsasən hidroksil qrupları ilə bağlıdır. Süd turşusu öz karboksil qrupu vasitəsilə ultrasəs emalı zamanı sellülozanın hidroksil qrupları ilə esterləşmə reaksiyasında iştirak edə bilər. Ultrasəs emalı maye mühitdə çox kiçik vakuum boşluqları yaradır; bu boşluqlar çökərək esterləşmə də daxil olmaqla kimyəvi reaksiyaları başlatmaq üçün kifayət edən ekstremal şərait (5000 K temperatur və 1000 atm təzyiq) əmələ gətirir.

Nanokağız hazırlanması üçün ultrasəs enerjisi ilə suyun süzülmə müddəti (dəqiqə ilə) arasındakı əlaqə (CNF(1)LA nümunəsinə uyğun olaraq).
100 J/ml ultrasəs enerjisi 100 saniyəlik ultrasəs emalına uyğundur və s.
(Tədqiqat və şəkil: ©Sethi və b., 2018)

Sellüloza nanolifi suspenziyalarının özlülüyünün azaldılması

Ultrasəs enerjisi həmçinin sellüloza nanolifi suspenziyalarının özlülüyünün azalmasına kömək edir. Özlülük ultrasəs enerjisi ilə tərs mütənasibdir; ən aşağı özlülük 600 J/ml səviyyəsində müşahidə olunur, ardınca 300 J/ml və 60 J/ml gəlir. Özlülüyün bu cür azalması susuzlaşdırma səmərəliliyinin artırılmasına əlavə töhfə verir.

Sellüloza nanoliflərinin ultrasəs modifikasiyasının sənaye üçün əhəmiyyəti

Ultrasəs və süd turşusu ilə modifikasiya üsulu yalnız effektiv deyil, həm də sənaye tətbiqlərinə uyğundur. Böyük həcmli emalı həyata keçirə bilən ən müasir Hielscher sonikatorları bu işi səmərəli şəkildə yerinə yetirə bilir və beləliklə, bu üsulu irimiqyaslı əməliyyatlar üçün yararlı edir.
Bundan əlavə, bu yanaşma kağız vərəqlərinə 10 wt.%-ə qədər sellüloza nanolifi daxil etməyə imkan verir; modifikasiya edilməmiş sellüloza nanolifləri üçün tələb olunan 23 dəqiqə ilə müqayisədə susuzlaşdırma cəmi 2 dəqiqəyə tamamlanır. Bu əhəmiyyətli yaxşılaşma sellüloza nanoliflərinin kommersiyalaşdırılmasındakı əsas maneələrdən birini aradan qaldıraraq onların kağız istehsalında istifadəsində inqilabi dəyişiklik yarada bilər.

Sellüloza nanolifləri və kağız istehsalı üçün sonikatorlar

Aşağıdakı cədvəl zond tipli sonikatorlarımızın təxmini emal gücü barədə məlumat verir:

Layihələndirmə, istehsal və məsləhət xidmətləri – Almaniyada yaradılan keyfiyyət

Hielscher ultrasəs cihazları ən yüksək keyfiyyət və layihələndirmə standartları ilə tanınır. Davamlılıq və asan istismar ultrasəs cihazlarımızın sənaye müəssisələrinə rahat inteqrasiyasına imkan verir. Hielscher ultrasəs cihazları sərt şəraitdə və yüksək tələblər qoyan mühitlərdə asanlıqla işləyir.

Hielscher Ultrasonics ISO sertifikatlı şirkətdir və ən müasir texnologiya ilə istifadə rahatlığını birləşdirən yüksək məhsuldarlıqlı ultrasəs cihazlarına xüsusi diqqət yetirir. Əlbəttə, Hielscher ultrasəs cihazları CE tələblərinə uyğundur və UL, CSA və RoHs tələblərinə cavab verir.