Ускорено обезводняване на целулозни нановлакна за производство на хартия

Ултразвуковата обработка в комбинация с модификация с млечна киселина (LA) е екологичен подход за ускоряване на процеса на обезводняване на целулозни нановлакна (CNFs) за производство на хартия. Целулозните нановлакна са известни с високата си способност да задържат вода, което причинява значителни забавяния в процеса на отводняване – критична стъпка при получаването на нанохартия и при други приложения на наноцелулозата. Методът намалява времето за отводняване със 75%, от 45 минути на 10 минути, чрез естерификация на хидроксилните групи на целулозата с млечна киселина при ултразвукова обработка. Тази модификация също така понижава вискозитета на суспензията и се доказва като мащабируема до промишлени обеми, предлагайки практично решение за повишаване на ефективността и производителността при производството на продукти на основата на целулозни нановлакна.

Бързо обезводняване на целулозни нановлакна, модифицирани с млечна киселина, при ултразвукова обработка
(Изследване и изображение: ©Sethi et al., 2018)

Повишена ефективност на обезводняването на целулозни нановлакна чрез ултразвукова модификация с млечна киселина

Целулозните нановлакна (CNFs) са високо ценени заради многобройните си предимства при производството на хартия, като повишаване на якостта и модифициране на реологичните свойства. Един съществен недостатък обаче е прекомерно дългото време, необходимо за отводняване на суспензиите от целулозни нановлакна – критична стъпка при получаването на нанохартии. Това предизвикателство не само влияе върху производството на нанохартия, но и затруднява промишлената преработка на наноцелулоза в други крайни продукти. Продължителното време за отводняване се дължи предимно на високата способност на целулозните нановлакна да задържат вода, която представлява пречка пред комерсиализацията на продукти, получени от целулозни нановлакна.
По-долу представяме резултатите от научно изследване на Sethi и колеги (2018), които разработват модификация на целулозни нановлакна с млечна киселина, подпомагана от ултразвук. Тя води до 75% по-бързо обезводняване на CNFs и подобрени функционални свойства на материала.

Ултразвукова модификация на целулозни нановлакна с млечна киселина

За решаването на този проблем е разработен екологичен подход на водна основа, който използва енергия от ултразвукова обработка и млечна киселина (LA) за модифициране на повърхността на целулозните нановлакна. Този метод значително ускорява процеса на обезводняване, като намалява времето за отводняване с до 75%.
Процесът на модификация включва разреждане на суспензиите от целулозни нановлакна до концентрация 0,35 wt.% и добавяне на млечна киселина в различни количества спрямо сухото съдържание на целулозни нановлакна (0,5 пъти, 1 път, 5 пъти и 10 пъти сухото съдържание на целулозни нановлакна в суспензията). Нановлакната, водата и млечната киселина се смесват с високоскоростна бъркалка при 1500 rpm в продължение на 5 минути и след това се обработват с ултразвуков апарат Hielscher UP400S, оборудван с титанов накрайник (с диаметър 22 mm). Ултразвуковата обработка се извършва при различни енергийни нива, с максимална предадена енергия от 600 J/ml, съответстваща на 10 минути ултразвукова обработка.

Влияние върху времето за отводняване

Ултразвуковата модификация с млечна киселина оказва силно влияние върху времето за отводняване на суспензиите от целулозни нановлакна. Обезводняването на референтната суспензия отнема приблизително 45 минути. След модификация с млечна киселина, подпомагана от ултразвукова обработка, това време се намалява до 10 минути, което представлява подобрение със 75%. Дори при слаба ултразвукова обработка (5 J/ml) времето за отводняване се намалява наполовина до 23 минути. Времето за отводняване намалява с увеличаване на енергията на ултразвуковата обработка, като в крайна сметка достига плато при около 10 минути.
Това подобрение се обяснява със заместването на хидрофилните хидроксилни групи на целулозата с хидрофобни части на млечната киселина. Хидроксилните групи са основната причина за високото задържане на вода. Млечната киселина със своята карбоксилна група може да участва в реакция на естерификация с хидроксилните групи на целулозата при ултразвукова обработка. Ултразвуковата обработка създава миниатюрни вакуумни кухини в течната среда, които колабират и създават екстремни условия (температура 5000 K и налягане 1000 atm), достатъчни за предизвикване на химични реакции, включително естерификация.

Енергия на ултразвуковата обработка спрямо времето за отводняване (в минути) при получаване на нанохартия (съответстващо на пробата CNF(1)LA).
Енергия на ултразвуковата обработка от 100 J/ml съответства на 100 секунди ултразвукова обработка и т.н.
(Изследване и изображение: ©Sethi et al., 2018)

Намаляване на вискозитета на суспензиите от целулозни нановлакна

Енергията на ултразвуковата обработка допринася и за намаляване на вискозитета на суспензиите от целулозни нановлакна. Вискозитетът е обратно пропорционален на енергията на ултразвуковата обработка, като най-ниският вискозитет се наблюдава при 600 J/ml, следван от 300 J/ml и 60 J/ml. Това намаляване на вискозитета допълнително спомага за повишаване на ефективността на обезводняването.

Промишлено значение на ултразвуковата модификация на целулозни нановлакна

Методът за ултразвукова модификация с млечна киселина е не само ефективен, но и съвместим с промишлени приложения. Ултразвуковите апарати Hielscher с най-съвременна технология, способни да обработват големи обеми, могат ефективно да изпълнят тази задача, което прави метода подходящ за мащабни операции.
Освен това този подход позволява включването на до 10 wt.% целулозни нановлакна в хартиени листове, като обезводняването приключва само за 2 минути в сравнение с 23 минути при немодифицирани целулозни нановлакна. Това значително подобрение може да революционизира употребата на целулозни нановлакна в производството на хартия, преодолявайки една от основните пречки пред тяхната комерсиализация.

Ултразвукови апарати за целулозни нановлакна и производство на хартия

Таблицата по-долу дава представа за приблизителния капацитет за обработка на нашите ултразвукови апарати със сонда:

Проектиране, производство и консултации – качество, произведено в Германия

Ултразвуковите апарати Hielscher са добре известни със своите най-високи стандарти за качество и проектиране. Устойчивостта и лесната работа позволяват безпроблемното интегриране на нашите ултразвукови апарати в промишлени съоръжения. Ултразвуковите апарати Hielscher лесно се справят с тежки условия и взискателни работни среди.

Hielscher Ultrasonics е компания, сертифицирана по ISO, и поставя специален акцент върху високопроизводителните ултразвукови апарати с най-съвременна технология и удобство за потребителя. Разбира се, ултразвуковите апарати Hielscher отговарят на изискванията за CE и на изискванията на UL, CSA и RoHs.