Ускорено обезводняване на целулозни нановлакна за производство на хартия

Уникирането в комбинация с модификация на млечна киселина (LA) е екологичен подход за ускоряване на процеса на обезводняване на целулозни нановлакна (CNF) за производството на хартия. Целулозните нановлакна са известни с високото си задържане на вода, което причинява значителни забавяния в процеса на отводняване, критична стъпка в подготовката на нанохартия и други наноцелулозни приложения. Методът намалява времето за източване със 75%, от 45 минути на 10 минути, чрез естерификация на целулозните хидроксилни групи чрез млечна киселина при ултразвук. Тази модификация също така намалява вискозитета на суспензията и се оказва индустриално мащабируема, предлагайки практично решение за повишаване на ефективността и скоростта на производство на продукти на основата на целулозни нановлакна.

Бързо обезводняване на целулозни нановлакна с модифицирана млечна киселина при ултразвук
(Проучване и изображение: ©Sethi et al., 2018)

Подобрена ефективност на обезводняване на целулозни нановлакна чрез ултразвукова модификация на млечна киселина

Целулозните нановлакна (CNF) са известни с многобройните си предимства в производството на хартия, като повишаване на здравината и модифициране на реологията. Въпреки това, един съществен недостатък е прекомерното време, необходимо за източване на вода от суспензии от целулозни нановлакна, критична стъпка при подготовката на нанохартиите. Това предизвикателство не само засяга производството на нанохартия, но също така възпрепятства промишлената преработка на наноцелулоза в други крайни продукти. Удълженото време за отводняване се дължи главно на високото задържане на вода от целулозни нановлакна, което е тясно място в комерсиализацията на продукти, получени от целулозни нановлакна.
По-долу ви представяме резултатите от научно проучване на Сети и колеги (2018), които разработиха ултразвуково подпомагана млечнокисела модификация на целулозни нановлакна, което води до 75% по-бързо обезводняване на CNF и подобрени функционалности на материала.

Ултразвукова модификация на целулозни нановлакна с млечна киселина

За да се справи с този проблем, е разработен екологичен подход, базиран на водата, включващ ултразвукова енергия и млечна киселина (LA) за модифициране на повърхността на целулозните нановлакна. Този метод значително ускорява процеса на обезводняване, намалявайки времето за отводняване с до 75%.
Процесът на модификация включва разреждане на целулозните нанофибри суспензии до концентрация 0,35 тегловни % и добавяне на млечна киселина в различни количества спрямо сухото съдържание на целулозни нановлакна (0,5 пъти, 1 път, 5 пъти и 10 пъти от сухото съдържание на целулозни нановлакна в суспензията). Нановлакната, водата и млечната киселина се смесват с помощта на високоскоростна бъркалка при 1500 оборота в минута за 5 минути и след това се озвучават със звуков уред Hielscher UP400S, оборудван с титаниев накрайник (диаметър 22 мм). Ултразвукът се провежда на различни енергийни нива, с максимална предадена енергия от 600 J/ml, съответстваща на 10 минути ултразвук.

Въздействие върху времето за източване

Ултразвуково-млечно-киселинната модификация оказва дълбоко влияние върху времето за източване на суспензиите от целулозни нановлакна. Еталонната суспензия отнема приблизително 45 минути за обезводняване. След модификация на млечна киселина с помощта на ултразвук, това време се намалява до 10 минути, което представлява 75% подобрение. Дори при лека ултразвук (5 J/ml), времето за източване се намалява наполовина до 23 минути. Времето за източване намалява с увеличаване на ултразвуковата енергия, като в крайна сметка достига плато за около 10 минути.
Това подобрение се дължи на замяната на хидрофилните хидроксилни групи целулоза с хидрофобни части от млечна киселина. Хидроксилните групи са основно отговорни за високото задържане на вода. Млечната киселина, със своята карбоксилна група, може да участва в реакция на естерификация с хидроксилните групи на целулозата при ултразвук. Сонирането създава миниатюрни вакуумни кухини в течната среда, които се срутват, за да произведат екстремни условия (температура 5000 K и налягане 1000 атм), достатъчни за предизвикване на химични реакции, включително естерификация.

Енергия на сониране спрямо времето за източване (в минути) за приготвяне на нанохартия (съответстваща на CNF(1)LA проба).
100 J/ml ултразвукова енергия съответства на 100 секунди ултразвук и т.н.
(Проучване и изображение: ©Sethi et al., 2018)

Намаляване на вискозитета на суспензиите от целулозни нановлакна

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

Индустриално значение на ултразвуковата целулозна модификация на нановлакна

Методът за модификация на ултразвукова млечна киселина е не само ефективен, но и съвместим с промишлени приложения. Най-съвременните ултразвукови уреди на Hielscher, способни да обработват големи обеми, могат ефективно да изпълнят задачата, което прави този метод подходящ за мащабни операции.
Освен това този подход позволява включването на до 10 тегловни % целулозни нановлакна в хартиени листове, като обезводняването се извършва само за 2 минути, в сравнение с 23 минути за немодифицирани целулозни нановлакна. Това значително подобрение може да революционизира използването на целулозни нановлакна в производството на хартия, преодолявайки едно от основните препятствия в тяхната комерсиализация.

Соникатори за производство на целулозни нановлакна и хартия

Таблицата по-долу ви дава представа за приблизителния капацитет на обработка на нашите сондови ултразвукови апарати:

Проектиране, производство и консултиране – Качество, произведено в Германия

Ултразвуковите апарати Hielscher са добре известни със своите най-високи стандарти за качество и дизайн. Здравината и лесната работа позволяват безпроблемното интегриране на нашите ултразвукови апарати в промишлени съоръжения. Тежките условия и взискателните условия се справят лесно с ултразвуковите апарати на Hielscher.

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