Ultrazvučna proizvodnja nanostrukturirane celuloze

Nanoceluloza, izuzetan visokoučinkovit aditiv, stekla je na značaju zbog svoje svestrane primjene kao modifikator reologije, sredstvo za ojačavanje i ključna komponenta u raznim naprednim materijalima. Ove nanostrukturirane fibrile, dobivene iz bilo kojeg izvora koji sadrži celulozu, mogu se učinkovito izolirati visokosnažnom ultrazvučnom homogenizacijom i mljevenjem. Ovaj proces, poznat kao ultrazvučna obrada (sonikacija), značajno pojačava fibrilaciju, što rezultira većim prinosom nanoceluloze i proizvodnjom finijih, tanjih vlakana. Ultrazvučna tehnologija nadmašuje konvencionalne proizvodne metode zahvaljujući svojoj sposobnosti da generira ekstremne kavitacijske visoke smične sile, što je čini izuzetnim alatom za proizvodnju nanoceluloze.

Ultrazvučna proizvodnja nanoceluloze

Ultrazvuk velike snage doprinosi ekstrakciji i izolaciji mikro- i nanoceluloze iz raznih izvora celuloznih materijala, kao što su drvo, lignocelulozna vlakna (vlakna pulpe) i ostaci koji sadrže celulozu.
Za oslobađanje biljnih vlakana iz izvornog materijala, ultrazvučno mljevenje i homogenizacija snažna su i pouzdana metoda koja omogućava obradu vrlo velikih volumena. Pulpa se dovodi u protočni sonoreaktor, gdje ultrazvučne visoke smične sile razaraju staničnu strukturu biomase tako da fibrilarna tvar postaje dostupna.

Slika 1 u nastavku prikazuje TEM snimak „Never Dried Cotton“ (NDC) pamuka podvrgnutog enzimskoj hidrolizi i ultrazvučno obrađenog pomoću Hielscher sonikatora sa sondom UP400S tokom 20 minuta.
[Bittencourt et al. 2008]

Slika 2 u nastavku prikazuje SEM snimak filma viskoze, podvrgnutog enzimskoj hidrolizi, nakon čega je slijedila ultrazvučna obrada pomoću Hielscher sonikatora modela UP400S.
[Bittencourt et al. 2008]

Ultrazvučna obrada nanoceluloze može se također uspješno kombinirati s obradom vlakana oksidiranih TEMPO postupkom. U TEMPO-procesu nanovlakna celuloze proizvode se oksidacijskim sistemom koji kao katalizator koristi 2,2,6,6-tetrametilpiperidinil-1-oksil (TEMPO), te natrijum-bromid (NaBr) i natrijum-hipoklorit (NaOCl). Istraživanja su dokazala da se učinkovitost oksidacije značajno poboljšava kada se oksidacija provodi pod ultrazvučnim zračenjem.

Ultrazvučna disperzija nanoceluloze

Disperzije nanoceluloze pokazuju izvanredno reološko ponašanje zbog visokog viskoziteta pri niskim koncentracijama nanoceluloze. Zbog toga je nanoceluloza vrlo zanimljiv aditiv kao reološki modifikator, stabilizator i sredstvo za geliranje u raznim primjenama, npr. u industriji premaza, papira ili hrane. Da bi ispoljila svoja jedinstvena svojstva, nanoceluloza mora biti
Ultrazvučno dispergiranje idealna je metoda za dobivanje nanoceluloze fine veličine, pojedinačno dispergirane. Budući da je nanoceluloza izrazito smično razrjeđujuća, ultrazvuk velike snage preferirana je tehnologija za formuliranje nanoceluloznih suspenzija jer unošenje ultrazvuka velike snage u tekućine stvara ekstremne smične sile.
Kliknite ovdje da biste saznali više o ultrazvučnoj kavitaciji u tekućinama!
Nakon sinteze nanokristalne celuloze, nanoceluloza se često ultrazvučno dispergira u tekući medij, npr. nepolarno ili polarno otapalo kao što je dimetilformamid (DMF), kako bi se formulirao konačni proizvod (npr. nanokompoziti, reološki modifikator itd.). Budući da se CNF koriste kao aditivi u brojnim formulacijama, pouzdano dispergiranje je presudno. Ultrazvučna obrada proizvodi stabilne i ravnomjerno dispergirane fibrile.

Ultrazvučno samosastavljanje celuloznih nanokristala

Ultrazvučna obrada ima važnu ulogu omogućavanja u sintezi i preradi celuloznih nanokristala (CNC) razbijanjem agregata nastalih hidrolizom, dispergiranjem snopova i proizvodnjom ujednačenijih suspenzija s ponovljivim interakcijama čestica. Iako se CNC obično dobivaju kiselinskom hidrolizom, nastali materijal često sadrži grupisane domene koje mogu otežati pouzdano samosastavljanje i dovesti do varijabilnosti reologije i optičkih svojstava od šarže do šarže. Primjena kontrolirane ultrazvučne energije nakon sinteze poboljšava kvalitet disperzije i pomaže standardizirati morfologiju CNC-a, što je ključno za dosljedno holesterično uređenje, predvidivo ponašanje pri geliranju i skalabilnu proizvodnju funkcionalnih materijala na bazi CNC-a. Saznajte više o ultrazvučno potpomognutom samosastavljanju CNC-a!

Ultrazvučno poboljšano uklanjanje vode iz celuloznih nanovlakana

Ultrazvučno pojačano uklanjanje vode iz celuloznih nanovlakana vrhunska je tehnika koja značajno poboljšava učinkovitost uklanjanja vode – čineći celulozna nanovlakna vrlo privlačnim aditivom za proizvodnju nanopapira. Nanocelulozna vlakna obično zahtijevaju dugotrajno uklanjanje vode zbog svog velikog kapaciteta zadržavanja vode. Primjenom ultrazvučnih talasa ovaj proces se ubrzava generiranjem intenzivnih kavitacijskih sila, koje razaraju matricu vode i omogućavaju brže, ravnomjernije istiskivanje vode. Time se ne samo skraćuje vrijeme sušenja nego se i poboljšavaju strukturni integritet i mehanička svojstva nastalih celuloznih nanovlakana, što ovu metodu čini vrlo učinkovitom u proizvodnji visokokvalitetnih nanopapira i drugih nanomaterijala.
Saznajte više o ultrazvučnom uklanjanju vode iz nanopapira!

Industrijska proizvodnja nanoceluloze primjenom snažnog ultrazvuka

Hielscher Ultrasonics nudi sveobuhvatan asortiman snažnih i pouzdanih ultrazvučnih rješenja, od malih laboratorijskih ultrazvučnih uređaja do velikih industrijskih sistema, idealnih za komercijalnu obradu nanoceluloze. Ključna prednost Hielscher industrijskih sonikatora sa sondom je u njihovoj sposobnosti da osiguraju optimalne ultrazvučne uvjete putem protočnih sonoreaktora, koji dolaze u raznim veličinama i geometrijama. Ovi reaktori osiguravaju da se ultrazvučna energija primjenjuje dosljedno i ravnomjerno na celulozni materijal, što vodi vrhunskim rezultatima obrade.

Hielscher stolni sonikatori, kao što su UIP1000hdT, UIP2000hdT i UIP4000hdT, sposobni su dnevno proizvesti nekoliko kilograma nanoceluloze, zbog čega su prikladni za potrebe proizvodnje srednjeg obima. Za komercijalnu proizvodnju velikog obima, potpune industrijske jedinice poput UIP10000 i UIP16000hdT mogu obraditi opsežne masene tokove, omogućavajući učinkovitu proizvodnju velikih količina nanoceluloze.

Jedna od najznačajnijih prednosti Hielscher ultrazvučnih sistema je njihova linearna skalabilnost. I stolni i industrijski ultrazvučni uređaji mogu se instalirati u klastere, čime se osigurava praktično neograničen kapacitet obrade, što ih čini idealnim izborom za pogone koji zahtijevaju visok protok i pouzdan učinak u proizvodnji nanoceluloze.