Urychlené odvodňování celulózových nanovláken pro výrobu papíru

Sonikace v kombinaci s modifikací kyseliny mléčné (LA) je ekologický přístup k urychlení procesu odvodňování celulózových nanovláken (CNF) pro výrobu papíru. Celulózová nanovlákna jsou známá svou vysokou retencí vody, což způsobuje významné zpoždění v procesu odvodnění, což je kritický krok při přípravě nanopapíru a dalších aplikacích nanocelulózy. Metoda zkracuje dobu vypouštění o 75%, ze 45 minut na 10 minut, a to esterifikací hydroxylových skupin celulózy kyselinou mléčnou pod sonikací. Tato modifikace také snižuje viskozitu suspenze a ukazuje se, že je průmyslově škálovatelná, což nabízí praktické řešení pro zvýšení efektivity a rychlosti výroby produktů na bázi celulózových nanovláken.

Rychlé odvodnění nanovláken celulózy modifikovaných kyselinou mléčnou pod ultrazvukem
(Studie a obrázek: ©Sethi et al., 2018)

Zvýšená účinnost odvodňování celulózových nanovláken pomocí ultrazvukové modifikace kyseliny mléčné

Celulózová nanovlákna (CNF) jsou oslavována pro své četné výhody při výrobě papíru, jako je zvýšení pevnosti a modifikace reologie. Jednou z významných nevýhod je však neúměrně dlouhá doba potřebná k odčerpání vody z celulózových nanovlákenných suspenzí, což je kritický krok při přípravě nanopapírů. Tato výzva má dopad nejen na výrobu nanopapíru, ale také brání průmyslovému zpracování nanocelulózy na další hotové výrobky. Prodloužená doba odtoku je způsobena především vysokým zadržováním vody celulózovými nanovlákny, což je úzkým hrdlem při komercializaci produktů odvozených z celulózových nanovláken.
Níže vám představujeme výsledky vědecké studie Sethiho a kolegů (2018), kteří vyvinuli ultrazvukem asistovanou modifikaci nanovláken celulózy kyselinou mléčnou, která vede k o 75 % rychlejšímu odvodnění CNF a zlepšení funkčnosti materiálu.

Ultrazvuková modifikace celulózových nanovláken kyselinou mléčnou

K vyřešení tohoto problému byl vyvinut ekologický přístup na vodní bázi zahrnující sonikační energii a kyselinu mléčnou (LA) k úpravě povrchu celulózových nanovláken. Tato metoda výrazně urychluje proces odvodňování a zkracuje dobu odvodnění až o 75 %.
Proces modifikace spočívá v naředění celulózových nanovlákenných suspenzí na koncentraci 0,35 hm. % a přidání kyseliny mléčné v různých množstvích vzhledem k obsahu sušiny celulózy v nanovláken (0,5násobek, 1násobek, 5násobek a 10násobek obsahu sušiny celulózy v nanovláken v suspenzi). Nanovlákna, voda a kyselina mléčná se smíchají pomocí vysokorychlostního míchadla při 1500 ot./min po dobu 5 minut a poté se sonikují sonikátorem Hielscher UP400S vybaveným titanovou špičkou (průměr 22 mm). Sonikace se provádí na různých energetických úrovních, s maximální předávanou energií 600 J / ml, což odpovídá 10 minutám sonikace.

Dopad na dobu vypouštění

Modifikace ultrazvukem a kyselinou mléčnou má zásadní vliv na dobu odvádění suspenzí celulózových nanovláken. Odvodnění referenční suspenze trvá přibližně 45 minut. Po úpravě kyseliny mléčné za pomoci ultrazvuku se tato doba zkrátí na 10 minut, což představuje 75% zlepšení. I při mírné sonikaci (5 J / ml) se doba vypouštění zkrátí na polovinu na 23 minut. Doba vypouštění klesá se zvyšující se energií ultrazvuku, případně dosáhne plató kolem 10 minut.
Toto zlepšení je přičítáno nahrazení hydrofilních hydroxylových skupin celulózy hydrofobními částmi kyseliny mléčné. Hydroxylové skupiny jsou primárně zodpovědné za vysoké zadržování vody. Kyselina mléčná se svou karboxylovou skupinou se může účastnit esterifikační reakce s hydroxylovými skupinami celulózy za sonikace. Sonikace vytváří v kapalném médiu nepatrné vakuové dutiny, které se zhroutí a vytvoří extrémní podmínky (teplota 5000 K a tlak 1000 atm), dostatečné k vyvolání chemických reakcí, včetně esterifikace.

Sonikační energie vs doba vypouštění (v minutách) pro přípravu nanopapíru (odpovídající vzorku CNF (1) LA).
100 J / ml energie sonikace odpovídá 100 sekundám sonikace atd.
(Studie a obrázek: ©Sethi et al., 2018)

Snížení viskozity celulózových nanovlákenných suspenzí

Sonikační energie také přispívá ke snížení viskozity suspenzí celulózových nanovláken. Viskozita je nepřímo úměrná energii sonikace, přičemž nejnižší viskozita je 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. Hielscher nejmodernější sonikátory schopné zvládnout velkoobjemové zpracování mohou efektivně dokončit úkol, takže tato metoda je vhodná pro operace ve velkém měřítku.
Tento přístup navíc umožňuje zapracování až 10 % hmot. % celulózového nanovlákna do papírových archů, přičemž odvodnění je dokončeno za pouhé 2 minuty ve srovnání s 23 minutami u nemodifikovaných celulózových nanovláken. Toto významné zlepšení může způsobit revoluci v používání celulózových nanovláken při výrobě papíru a překonat jednu z hlavních překážek jejich komercializace.

Sonikátory pro celulózu, nanovlákna a výrobu papíru

Níže uvedená tabulka vám poskytuje přibližnou kapacitu zpracování našich sonikátorů typu sondy:

Projekce, výroba a poradenství – Kvalita Made in Germany

Hielscher ultrasonicators jsou dobře známí pro své nejvyšší standardy kvality a designu. Robustnost a snadná obsluha umožňují hladkou integraci našich ultrazvukových zařízení do průmyslových zařízení. Drsné podmínky a náročná prostředí jsou snadno zvládnutelné Hielscher ultrasonikators.

Hielscher Ultrasonics je společnost certifikovaná ISO a klade zvláštní důraz na vysoce výkonné ultrasonicators s nejmodernější technologií a uživatelskou přívětivostí. Samozřejmě, Hielscher ultrasonicators jsou v souladu s CE a splňují požadavky UL, CSA a RoHs.