Ubrzano odvodnjavanje celuloznih nanovlakna za proizvodnju papira

Sonikacija u kombinaciji s modifikacijom mliječne kiseline (LA) je ekološki pristup za ubrzavanje procesa odvodnje celuloznih nanovlakna (CNF) za proizvodnju papira. Celulozna nanovlakna poznata su po velikom zadržavanju vode, što uzrokuje značajna kašnjenja u procesu drenaže, što je kritičan korak u pripremi nanopapira i drugim primjenama nanoceluloze. Metoda smanjuje vrijeme dreniranja za 75%, sa 45 minuta na 10 minuta, kroz esterifikaciju hidroksilnih grupa celuloze mliječnom kiselinom pod sonikacijom. Ova modifikacija takođe smanjuje viskozitet suspenzije i pokazuje se kao industrijski skalabilna, nudeći praktično rešenje za poboljšanje efikasnosti i stope proizvodnje proizvoda na bazi celuloznih nanovlakna.

Brzo odvodnjavanje celuloznih nanovlakna modifikovanih mliječnom kiselinom pod ultrazvukom
(Studija i slika: ©Sethi et al., 2018.)

Poboljšana efikasnost odvodnjavanja celuloznih nanovlakna putem ultrazvučne modifikacije mliječne kiseline

Celulozna nanovlakna (CNF) slavna su zbog svojih brojnih prednosti u proizvodnji papira, kao što su povećanje čvrstoće i modificiranje reologije. Međutim, jedan značajan nedostatak je neumjereno vrijeme potrebno za odvod vode iz suspenzije celuloznih nanovlakna, što je kritičan korak u pripremi nano papira. Ovaj izazov ne samo da utječe na proizvodnju nanopapira, već i ometa industrijsku preradu nanoceluloze u druge gotove proizvode. Produženo vrijeme drenaže prvenstveno je posljedica visokog zadržavanja vode od strane celuloznih nanovlakna, što je usko grlo u komercijalizaciji proizvoda dobivenih od celuloznih nanovlakna.
U nastavku vam predstavljamo rezultate znanstvene studije Sethia i kolega (2018.), koji su razvili ultrazvučnu modifikaciju mliječne kiseline celuloznih nanovlakna, što dovodi do 75% bržeg odvodnjavanja CNF-a i poboljšane funkcionalnosti materijala.

Ultrazvučna modifikacija celuloznih nanovlakna mliječnom kiselinom

Kako bi se riješio ovaj problem, razvijen je ekološki prihvatljiv pristup baziran na vodi koji uključuje energiju ultrazvuka i mliječnu kiselinu (LA) kako bi se modificirala površina celuloznih nanovlakna. Ova metoda značajno ubrzava proces odvodnjenja, smanjujući vrijeme drenaže do 75%.
Proces modifikacije uključuje razrjeđivanje suspenzije celuloznih nanovlakna do koncentracije od 0,35 tež.% i dodavanje mliječne kiseline u različitim količinama u odnosu na sadržaj suhog nanovlakna celuloze (0,5 puta, 1 put, 5 puta i 10 puta od suvog sadržaja nanovlakna celuloze u suspenzija). Nanovlakna, voda i mliječna kiselina se miješaju pomoću mješalice velike brzine na 1500 o/min u trajanju od 5 minuta, a zatim se obrađuju ultrazvukom Hielscher UP400S sonikatorom opremljenim vrhom od titanijuma (22 mm u prečniku). Sonikacija se provodi na različitim nivoima energije, s maksimalnom prenesenom energijom od 600 J/ml, što odgovara 10 minuta ultrazvuka.

Utjecaj na vrijeme pražnjenja

Modifikacija ultrazvučne mliječne kiseline ima dubok utjecaj na vrijeme dreniranja suspenzija celuloznih nanovlakna. Referentnoj suspenziji potrebno je otprilike 45 minuta za odvodnjavanje. Nakon modifikacije mliječne kiseline uz pomoć ultrazvuka, ovo vrijeme se smanjuje na 10 minuta, što predstavlja poboljšanje od 75%. Čak i uz blagu sonikaciju (5 J/ml), vrijeme dreniranja je prepolovljeno na 23 minute. Vrijeme dreniranja se smanjuje s povećanjem energije ultrazvuka, na kraju dostižući plato za oko 10 minuta.
Ovo poboljšanje se pripisuje zamjeni hidrofilnih hidroksilnih grupa celuloze hidrofobnim dijelovima mliječne kiseline. Hidroksilne grupe su prvenstveno odgovorne za visoko zadržavanje vode. Mliječna kiselina, sa svojom karboksilnom grupom, može sudjelovati u reakciji esterifikacije sa hidroksilnim grupama celuloze pod ultrazvučnom obradom. Sonikacija stvara male vakuumske šupljine u tečnom mediju, koje se kolabiraju i stvaraju ekstremne uslove (temperatura 5000 K i pritisak od 1000 atm), dovoljne da izazovu hemijske reakcije, uključujući esterifikaciju.

Energija ultrazvuka u odnosu na vrijeme dreniranja (u minutama) za pripremu nanopapira (odgovara CNF(1)LA uzorku).
100 J/ml energije sonikacije odgovara 100 sekundi ultrazvuka, itd.
(Studija i slika: ©Sethi et al., 2018.)

Smanjenje viskoziteta suspenzija celuloznih nanovlakna

Energija ultrazvuka također doprinosi smanjenju viskoziteta suspenzija celuloznih nanovlakna. Viskozitet je obrnuto proporcionalan energiji sonikacije, pri čemu je najniži viskozitet uočen na 600 J/ml, a zatim 300 J/ml i 60 J/ml. Ovo smanjenje viskoznosti dodatno pomaže u poboljšanju efikasnosti odvodnje.

Industrijska relevantnost ultrazvučne modifikacije celuloznih nanovlakna

Metoda ultrazvučne modifikacije mliječne kiseline nije samo efikasna već je i kompatibilna s industrijskim primjenama. Hielscher-ovi najmoderniji sonikatori koji su sposobni za obradu velikih količina mogu efikasno završiti zadatak, čineći ovu metodu pogodnom za operacije velikih razmjera.
Dodatno, ovaj pristup omogućava ugradnju do 10 tež.% celuloznih nanovlakna u listove papira, pri čemu je odvodnjavanje završeno za samo 2 minute, u poređenju sa 23 minute za nemodificirana celulozna nanovlakna. Ovo značajno poboljšanje može revolucionirati upotrebu celuloznih nanovlakna u proizvodnji papira, prevazilazeći jednu od glavnih prepreka u njihovoj komercijalizaciji.

Sonikatori za celulozna nanovlakna i proizvodnju papira

Tabela u nastavku daje vam indikaciju približnog kapaciteta obrade naših sonikatora tipa sonde:

Dizajn, proizvodnja i konsalting – Kvaliteta Made in Germany

Hielscher ultrasonicatori su poznati po najvišoj kvaliteti i standardima dizajna. Robusnost i jednostavan rad omogućavaju nesmetanu integraciju naših ultrazvučnih aparata u industrijske objekte. Hielscher ultrasonikatori lako se nose sa teškim uslovima i zahtevnim okruženjima.

Hielscher Ultrasonics je ISO sertifikovana kompanija i stavlja poseban naglasak na ultrazvučne aparate visokih performansi koji se odlikuju najsavremenijom tehnologijom i lakoćom korišćenja. Naravno, Hielscher ultrasonikatori su usklađeni sa CE i ispunjavaju zahtjeve UL, CSA i RoH.