Ултразвуково производство на наноструктурирана целулоза

Наноцелулозата, забележителна добавка с високи експлоатационни характеристики, придоби значимост благодарение на многостранните си приложения като реологичен модификатор, армиращ агент и ключов компонент в различни съвременни материали. Тези наноструктурирани фибрили, получени от всеки източник, съдържащ целулоза, могат да бъдат ефективно изолирани чрез ултразвукова хомогенизация и смилане с висока мощност. Този процес, известен като ултразвукова обработка, значително подобрява фибрилацията, като води до по-висок добив на наноцелулоза и получаване на по-фини, по-тънки влакна. Ултразвуковата технология превъзхожда конвенционалните производствени методи благодарение на способността си да генерира изключително високи кавитационни сили на срязване, което я прави изключително средство за производство на наноцелулоза.

Ултразвуково производство на наноцелулоза

Ултразвукът с висока мощност допринася за извличането и изолирането на микроцелулоза и наноцелулоза от различни източници на целулозни материали, като дървесина, лигноцелулозни влакна (влакна от целулозна пулпа) и остатъци, съдържащи целулоза.
За освобождаване на растителните влакна от изходния материал ултразвуковото смилане и хомогенизиране представляват мощен и надежден метод, който позволява обработката на много големи обеми. Пулпата се подава в ултразвуков реактор, включен в технологичната линия, където високите ултразвукови сили на срязване разрушават клетъчната структура на биомасата, така че фибрилният материал става достъпен.

Фигура 1 по-долу показва изображение, получено чрез трансмисионна електронна микроскопия (TEM), на „никога несушен памук“ (NDC), подложен на ензимна хидролиза и ултразвукова обработка с ултразвуков апарат със сонда Hielscher UP400S в продължение на 20 минути.
[Bittencourt et al. 2008]

Фигура 2 по-долу показва изображение, получено чрез сканираща електронна микроскопия (SEM), на вискозен филм, подложен на ензимна хидролиза, последвана от ултразвукова обработка с ултразвуковия апарат Hielscher, модел UP400S.
[Bittencourt et al. 2008]

Ултразвуковата обработка на наноцелулоза може също да се комбинира успешно с обработката на окислени с TEMPO влакна. При процеса TEMPO целулозните нановлакна се произвеждат чрез окислителна система, използваща 2,2,6,6-tetramethylpiperidinyl-1-oxyl (TEMPO) като катализатор, както и натриев бромид (NaBr) и натриев хипохлорит (NaOCl). Изследванията са доказали, че ефективността на окисляването се подобрява значително, когато окисляването се провежда под въздействието на ултразвук.

Ултразвуково диспергиране на наноцелулоза

Дисперсиите на наноцелулоза проявяват необичайно реологично поведение поради високия си вискозитет при ниски концентрации на наноцелулоза. Това прави наноцелулозата много интересна добавка като реологичен модификатор, стабилизатор и желиращ агент за различни приложения, например в производството на покрития, хартиената или хранителната промишленост. За да прояви уникалните си свойства, наноцелулозата трябва да бъде
Ултразвуковото диспергиране е идеалният метод за получаване на фина наноцелулоза с поотделно диспергирани частици. Тъй като вискозитетът на наноцелулозата силно намалява при срязване, ултразвукът с висока мощност е предпочитаната технология за формулиране на наноцелулозни суспензии, тъй като предаването на ултразвукова енергия с висока мощност в течности създава изключително високи сили на срязване.
Щракнете тук, за да научите повече за ултразвуковата кавитация в течности!
След синтеза на нанокристална целулоза наноцелулозата често се диспергира ултразвуково в течна среда, например неполярен или полярен разтворител като диметилформамид (DMF), за формулиране на краен продукт (например нанокомпозити, реологичен модификатор и др.). Тъй като целулозните нановлакна (CNF) се използват като добавки в множество формулировки, надеждното диспергиране е от решаващо значение. Ултразвуковата обработка създава стабилни и равномерно диспергирани фибрили.

Ултразвуково самоподреждане на целулозни нанокристали

Ултразвуковата обработка играе важна подпомагаща роля в синтеза и обработката на целулозни нанокристали (CNC), като разрушава агрегатите, получени при хидролиза, диспергира сноповете и създава по-равномерни суспензии с възпроизводими взаимодействия между частиците. Въпреки че CNC обикновено се получават чрез киселинна хидролиза, полученият материал често съдържа струпани области, които могат да възпрепятстват надеждното самоподреждане и да доведат до различия в реологията и оптичните свойства между партидите. Прилагането на контролирана ултразвукова енергия след синтеза подобрява качеството на диспергирането и помага за стандартизиране на морфологията на CNC, което е от решаващо значение за устойчиво холестерично подреждане, предвидимо поведение при желиране и мащабируемо производство на функционални материали на основата на CNC. Научете повече за подпомаганото с ултразвук самоподреждане на CNC!

Подобрено чрез ултразвук обезводняване на целулозни нановлакна

Подпомаганото с ултразвук обезводняване на целулозни нановлакна е авангардна техника, която значително подобрява ефективността на отстраняване на водата – правейки целулозните нановлакна изключително привлекателна добавка за производството на нанохартия. Наноцелулозните влакна обикновено изискват продължително обезводняване поради високата си способност за задържане на вода. Чрез прилагане на ултразвукови вълни този процес се ускорява посредством генерирането на интензивни кавитационни сили, които нарушават водната матрица и улесняват по-бързото и по-равномерно отделяне на водата. Това не само намалява времето за сушене, но и подобрява структурната цялост и механичните свойства на получените целулозни нановлакна, което го прави високоефективен метод при производството на висококачествена нанохартия и други наноматериали.
Научете повече за ултразвуковото обезводняване на нанохартия!

Промишлено производство на наноцелулоза с ултразвук с висока мощност

Hielscher Ultrasonics предлага всеобхватна гама от мощни и надеждни ултразвукови решения, от малки лабораторни ултразвукови апарати до мащабни промишлени системи, идеални за обработката на наноцелулоза за търговски цели. Основното предимство на промишлените ултразвукови апарати със сонда на Hielscher е способността им да осигуряват оптимални ултразвукови условия чрез своите проточни ултразвукови реактори, които се предлагат с различни размери и геометрии. Тези реактори гарантират, че ултразвуковата енергия се прилага последователно и равномерно към целулозния материал, което води до превъзходни резултати от обработката.

Настолните ултразвукови апарати на Hielscher, като UIP1000hdT, UIP2000hdT и UIP4000hdT, могат да произвеждат няколко килограма наноцелулоза дневно, което ги прави подходящи за нуждите на производството в среден мащаб. За мащабно производство за търговски цели изцяло промишлените устройства като UIP10000 и UIP16000hdT могат да обработват големи масови потоци, позволявайки ефективното производство на големи обеми наноцелулоза.

Едно от най-значимите предимства на ултразвуковите системи на Hielscher е тяхната линейна мащабируемост. Както настолните, така и промишлените ултразвукови апарати могат да бъдат инсталирани в групи, осигурявайки практически неограничен капацитет за обработка, което ги прави идеален избор за дейности, изискващи висока производителност и надеждна работа при производството на наноцелулоза.