Ubrzano odvodnjavanje celuloznih nanovlakana u proizvodnji papira

Ultrazvučna obrada (sonikacija) u kombinaciji s modifikacijom mliječnom kiselinom (LA) ekološki je prihvatljiv pristup ubrzavanju procesa odvodnjavanja celuloznih nanovlakana (CNF) u proizvodnji papira. Celulozna nanovlakna poznata su po visokoj zadržanosti vode, što uzrokuje znatna kašnjenja u procesu dreniranja, ključnom koraku u pripremi nanopapira i drugim primjenama nanoceluloze. Metoda skraćuje vrijeme dreniranja za 75%, s 45 minuta na 10 minuta, esterifikacijom hidroksilnih grupa celuloze mliječnom kiselinom tokom ultrazvučne obrade. Ova modifikacija također snižava viskoznost suspenzije i pokazuje se industrijski skalabilnom, nudeći praktično rješenje za povećanje efikasnosti i brzine proizvodnje proizvoda na bazi celuloznih nanovlakana.

Brzo odvodnjavanje celuloznih nanovlakana modificiranih mliječnom kiselinom tokom ultrazvučne obrade
(Studija i slika: ©Sethi et al., 2018)

Poboljšana efikasnost odvodnjavanja celuloznih nanovlakana ultrazvučnom modifikacijom mliječnom kiselinom

Celulozna nanovlakna (CNF) cijene se zbog brojnih prednosti u proizvodnji papira, kao što su povećanje čvrstoće i modificiranje reologije. Međutim, jedan značajan nedostatak jest pretjerano dugo vrijeme potrebno za odvođenje vode iz suspenzija celuloznih nanovlakana, što je ključni korak u pripremi nanopapira. Ovaj izazov ne utječe samo na proizvodnju nanopapira, nego i otežava industrijsku preradu nanoceluloze u druge gotove proizvode. Produženo vrijeme dreniranja prvenstveno je posljedica visoke zadržanosti vode u celuloznim nanovlaknima, što predstavlja usko grlo u komercijalizaciji proizvoda dobivenih od celuloznih nanovlakana.
U nastavku vam predstavljamo rezultate naučne studije Sethija i kolega (2018), koji su razvili ultrazvučno potpomognutu modifikaciju celuloznih nanovlakana mliječnom kiselinom, koja dovodi do 75% bržeg odvodnjavanja CNF-a i poboljšanih funkcionalnosti materijala.

Ultrazvučna modifikacija celuloznih nanovlakana mliječnom kiselinom

Kako bi se riješio ovaj problem, razvijen je ekološki prihvatljiv pristup na bazi vode, koji uključuje energiju ultrazvučne obrade i mliječnu kiselinu (LA), za modificiranje površine celuloznih nanovlakana. Ova metoda znatno ubrzava proces odvodnjavanja i skraćuje vrijeme dreniranja do 75%.
Proces modifikacije uključuje razrjeđivanje suspenzija celuloznih nanovlakana na koncentraciju od 0,35 wt.% i dodavanje mliječne kiseline u različitim količinama u odnosu na suhu tvar celuloznih nanovlakana (0,5 puta, 1 put, 5 puta i 10 puta u odnosu na suhu tvar celuloznih nanovlakana u suspenziji). Nanovlakna, voda i mliječna kiselina miješaju se brzohodnom miješalicom pri 1500 rpm tokom 5 minuta, a zatim se podvrgavaju ultrazvučnoj obradi sonikatorom Hielscher UP400S opremljenim titanskim vrhom (promjera 22 mm). Ultrazvučna obrada provodi se pri različitim nivoima energije, s maksimalnom unesenom energijom od 600 J/ml, što odgovara 10 minuta ultrazvučne obrade.

Utjecaj na vrijeme dreniranja

Ultrazvučno-kiselinska modifikacija mliječnom kiselinom ima izražen utjecaj na vrijeme dreniranja suspenzija celuloznih nanovlakana. Referentnoj suspenziji je za odvodnjavanje potrebno približno 45 minuta. Nakon modifikacije mliječnom kiselinom potpomognute ultrazvučnom obradom to se vrijeme skraćuje na 10 minuta, što predstavlja poboljšanje od 75%. Čak i uz blagu ultrazvučnu obradu (5 J/ml) vrijeme dreniranja prepolovljeno je na 23 minute. Vrijeme dreniranja opada s povećanjem energije ultrazvučne obrade i na kraju dostiže plato na oko 10 minuta.
Ovo poboljšanje pripisuje se zamjeni hidrofilnih hidroksilnih grupa celuloze hidrofobnim dijelovima mliječne kiseline. Hidroksilne grupe prvenstveno su odgovorne za visoku zadržanost vode. Mliječna kiselina, sa svojom karboksilnom grupom, može sudjelovati u reakciji esterifikacije s hidroksilnim grupama celuloze tokom ultrazvučne obrade. Ultrazvučna obrada stvara sićušne vakuumske šupljine u tečnom mediju, koje kolabiraju i proizvode ekstremne uvjete (temperatura od 5000 K i tlak od 1000 atm), dovoljne da izazovu kemijske reakcije, uključujući esterifikaciju.

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

Smanjenje viskoznosti suspenzija celuloznih nanovlakana

Energija ultrazvučne obrade također doprinosi smanjenju viskoznosti suspenzija celuloznih nanovlakana. Viskoznost je obrnuto proporcionalna energiji ultrazvučne obrade, pri čemu je najniža viskoznost uočena pri 600 J/ml, zatim pri 300 J/ml i 60 J/ml. Ovo smanjenje viskoznosti dodatno pomaže u poboljšanju efikasnosti odvodnjavanja.

Industrijski značaj ultrazvučne modifikacije celuloznih nanovlakana

Metoda ultrazvučne modifikacije mliječnom kiselinom nije samo efikasna, nego je i kompatibilna s industrijskim primjenama. Hielscher najsavremeniji sonikatori, sposobni za obradu velikih volumena, mogu efikasno obaviti zadatak, zbog čega je ova metoda pogodna za velike pogone.
Osim toga, ovaj pristup omogućava ugradnju do 10 wt.% celuloznih nanovlakana u papirne listove, pri čemu je odvodnjavanje završeno za samo 2 minute, u poređenju s 23 minute za nemodificirana celulozna nanovlakna. Ovo značajno poboljšanje može revolucionirati upotrebu celuloznih nanovlakana u proizvodnji papira, nadvladavajući jednu od glavnih prepreka njihovoj komercijalizaciji.

Sonikatori za celulozna nanovlakna i proizvodnju papira

Tablica u nastavku daje orijentacijski prikaz približnog kapaciteta obrade naših sonikatora sondnog tipa:

Dizajn, proizvodnja i savjetovanje – kvalitet proizveden u Njemačkoj

Hielscher ultrazvučni uređaji poznati su po najvišem kvalitetu i standardima dizajna. Robusnost i jednostavno rukovanje omogućavaju nesmetanu integraciju naših ultrazvučnih uređaja u industrijska postrojenja. Hielscher ultrazvučni uređaji lako se nose s teškim uvjetima i zahtjevnim okruženjima.

Hielscher Ultrasonics je ISO certificirana kompanija i posebnu pažnju posvećuje visokoučinkovitim ultrazvučnim uređajima koji odlikuju najsavremenijom tehnologijom i jednostavnošću korištenja. Naravno, Hielscher ultrazvučni uređaji su u skladu sa CE oznakom i ispunjavaju zahtjeve UL, CSA i RoHs.