Zrychlené odvodňování celulózových nanovláken pro výrobu papíru

Sonikace v kombinaci s modifikací kyselinou mléčnou (LA) je ekologický přístup k urychlení procesu odvodňování celulózových nanovláken (CNF) pro výrobu papíru. Celulózová nanovlákna jsou známá svou vysokou retencí vody, která způsobuje výrazná zdržení v procesu odvodnění, jenž je kritickým krokem při přípravě nanopapíru a v dalších aplikacích nanocelulózy. Metoda zkracuje dobu odvodnění o 75 %, ze 45 minut na 10 minut, díky esterifikaci hydroxylových skupin celulózy kyselinou mléčnou za sonikace. Tato modifikace rovněž snižuje viskozitu suspenze a ukazuje se jako průmyslově škálovatelná, čímž nabízí praktické řešení pro zvýšení efektivity a rychlosti výroby produktů na bázi celulózových nanovláken.

Rychlé odvodnění celulózových nanovláken modifikovaných kyselinou mléčnou za sonikace
(Studie a obrázek: ©Sethi et al., 2018)

Zvýšená účinnost odvodňování celulózových nanovláken pomocí ultrazvukové modifikace kyselinou mléčnou

Celulózová nanovlákna (CNF) jsou oceňována pro své četné přínosy při výrobě papíru, jako je zvyšování pevnosti a úprava reologie. Jednou z významných nevýhod je však nepřiměřeně dlouhá doba potřebná k odvodnění suspenzí celulózových nanovláken, což je kritický krok při přípravě nanopapírů. Tento problém ovlivňuje nejen výrobu nanopapíru, ale také brání průmyslovému zpracování nanocelulózy na další hotové výrobky. Prodloužená doba odvodnění je způsobena především vysokou retencí vody celulózovými nanovlákny, což představuje úzké hrdlo komercializace produktů odvozených od celulózových nanovláken.
Níže Vám představujeme výsledky vědecké studie Sethiho a kolegů (2018), kteří vyvinuli ultrazvukem asistovanou modifikaci celulózových nanovláken kyselinou mléčnou, jež vede k o 75 % rychlejšímu odvodnění CNF a ke zlepšeným funkčním vlastnostem materiálu.

Ultrazvuková modifikace celulózových nanovláken kyselinou mléčnou

K řešení tohoto problému byl vyvinut ekologický přístup na vodní bázi, využívající energii sonikace a kyselinu mléčnou (LA), k modifikaci povrchu celulózových nanovláken. Tato metoda výrazně urychluje proces odvodňování a zkracuje dobu odvodnění až o 75 %.
Proces modifikace zahrnuje zředění suspenzí celulózových nanovláken na koncentraci 0,35 hm. % a přidání kyseliny mléčné v různých množstvích vztažených k sušině celulózových nanovláken (0,5násobek, 1násobek, 5násobek a 10násobek sušiny celulózových nanovláken v suspenzi). Nanovlákna, voda a kyselina mléčná se míchají vysokorychlostním míchadlem při 1500 ot./min po dobu 5 minut a poté se sonikují sonikátorem Hielscher UP400S vybaveným titanovým hrotem (průměr 22 mm). Sonikace se provádí při různých úrovních energie, přičemž maximální vnesená energie je 600 J/ml, což odpovídá 10 minutám sonikace.

Vliv na dobu odvodnění

Modifikace ultrazvukem a kyselinou mléčnou má zásadní vliv na dobu odvodnění suspenzí celulózových nanovláken. Referenční suspenze se odvodňuje přibližně 45 minut. Po modifikaci kyselinou mléčnou asistované sonikací se tato doba zkracuje na 10 minut, což představuje zlepšení o 75 %. I při mírné sonikaci (5 J/ml) se doba odvodnění zkrátí na polovinu, na 23 minut. Doba odvodnění klesá s rostoucí energií sonikace a nakonec dosahuje plató na přibližně 10 minutách.
Toto zlepšení se připisuje nahrazení hydrofilních hydroxylových skupin celulózy hydrofobními částmi kyseliny mléčné. Hydroxylové skupiny jsou hlavní příčinou vysoké retence vody. Kyselina mléčná se svou karboxylovou skupinou se může za sonikace účastnit esterifikační reakce s hydroxylovými skupinami celulózy. Sonikace vytváří v kapalném médiu nepatrné vakuové dutiny, které kolabují a vytvářejí extrémní podmínky (teplota 5000 K a tlak 1000 atm), dostatečné k vyvolání chemických reakcí, včetně esterifikace.

Energie sonikace vs. doba odvodnění (v minutách) při přípravě nanopapíru (odpovídá vzorku CNF(1)LA).
100 J/ml energie sonikace odpovídá 100 sekundám sonikace atd.
(Studie a obrázek: ©Sethi et al., 2018)

Snížení viskozity suspenzí celulózových nanovláken

Energie sonikace rovněž přispívá ke snížení viskozity suspenzí celulózových nanovláken. Viskozita je nepřímo úměrná energii sonikace, přičemž nejnižší viskozita byla pozorována při 600 J/ml, následovaná 300 J/ml a 60 J/ml. Toto snížení viskozity dále napomáhá zlepšení účinnosti odvodňování.

Průmyslový význam ultrazvukové modifikace celulózových nanovláken

Metoda modifikace ultrazvukem a kyselinou mléčnou je nejen účinná, ale také kompatibilní s průmyslovými aplikacemi. Špičkové sonikátory Hielscher schopné zpracovávat velké objemy mohou tento úkol efektivně zvládnout, díky čemuž je tato metoda vhodná pro velkoprovozní nasazení.
Tento přístup navíc umožňuje začlenit do papírových listů až 10 hm. % celulózových nanovláken, přičemž odvodnění je dokončeno za pouhé 2 minuty ve srovnání s 23 minutami u nemodifikovaných celulózových nanovláken. Toto významné zlepšení může způsobit revoluci ve využití celulózových nanovláken při výrobě papíru a překonat jednu z hlavních překážek jejich komercializace.

Sonikátory pro celulózová nanovlákna a výrobu papíru

Níže uvedená tabulka Vám poskytne představu o přibližné zpracovatelské kapacitě našich sonikátorů sondového typu:

Design, výroba a poradenství – kvalita Made in Germany

Ultrazvukové přístroje Hielscher jsou známé svou nejvyšší kvalitou a konstrukčními standardy. Robustnost a snadná obsluha umožňují hladkou integraci našich ultrazvukových přístrojů do průmyslových zařízení. Drsné podmínky a náročná prostředí ultrazvukové přístroje Hielscher snadno zvládají.

Hielscher Ultrasonics je společnost s certifikací ISO a klade zvláštní důraz na vysoce výkonné ultrazvukové přístroje se špičkovou technologií a uživatelskou přívětivostí. Ultrazvukové přístroje Hielscher samozřejmě vyhovují požadavkům CE a splňují požadavky UL, CSA a RoHs.