Ultrazvuková výroba nanostrukturované celulózy

Nanocelulóza, pozoruhodná vysoce výkonná přísada, se prosadila pro své všestranné aplikace jako modifikátor reologie, zpevňující činidlo a klíčová složka v různých pokročilých materiálech. Tyto nanostrukturované fibrily, odvozené z jakéhokoli zdroje obsahujícího celulózu, lze účinně izolovat pomocí vysoce výkonné ultrazvukové homogenizace a mletí. Tento proces, známý jako sonikace, významně zvyšuje fibrilaci, což vede k vyššímu výtěžku nanocelulózy a produkci jemnějších a tenčích vláken. Ultrazvuková technologie překonává konvenční výrobní metody díky své schopnosti generovat extrémně kavitační vysoké smykové síly, což z něj činí výjimečný nástroj pro výrobu nanocelulózy.

Ultrazvuková výroba nanocelulózy

Vysoce výkonný ultrazvuk přispívá k extrakci a izolaci mikro- a nanocelulózy z různých zdrojů celulózových materiálů, jako je dřevo, lignocelulózová vlákna (vlákna buničiny) a zbytky obsahující celulózu.
Aby se uvolnila rostlinná vlákna ze zdrojového materiálu, používá se ultrazvuk Mletí a homogenizace je výkonná a spolehlivá metoda, která umožňuje zpracovávat velmi velké objemy. Buničina se přivádí do inline sonoreactoru, kde ultrazvukové síly s vysokým smykem narušují buněčnou strukturu biomasy, takže je k dispozici fibrilní hmota.

Obrázek 1 níže ukazuje TEM snímek “Nikdy nesušená bavlna” (NDC) podrobeny enzymatické hydrolýze a sonikovány Hielscher sonda typu sonikátor UP400S po dobu 20 minut.
[Bittencourt et al. 2008]

Obrázek 2 níže ukazuje SEM obraz filmu viskózy, který byl podroben enzymatické hydrolýze, následované sonikací s Hielscher sonikátor model UP400S.
[Bittencourt et al. 2008]

Ultrazvukové zpracování nanocelulózy lze také úspěšně kombinovat s úpravou vláken oxidovaným TEMPO. V procesu TEMPO se celulózová nanovlákna vyrábějí oxidačním systémem s použitím 2,2,6,6-tetramethylpiperidinyl-1-oxylu (TEMPO) jako katalyzátoru a bromidu sodného (NaBr) a chlornanu sodného (NaOCl). Výzkum prokázal, že oxidační účinnost se výrazně zlepšuje, když se oxidace provádí pod ultrazvukovým ozařováním.

Ultrazvuková disperze nanocelulózy

Disperze nanocelulózy vykazují mimořádné reologické chování díky své vysoké viskozitě při nízkých koncentracích nanocelulózy. Díky tomu je nanocelulóza velmi zajímavou přísadou jako reologický modifikátor, stabilizátor a gelant pro různé aplikace, např. v nátěrovém, papírenském nebo potravinářském průmyslu. Aby nanocelulóza vyjádřila své jedinečné vlastnosti, musí být
Ultrazvuková dispergace je ideální metodou pro získání jemné jednodispergované nanocelulózy. Vzhledem k tomu, že nanocelulóza je vysoce smykově ztenčená, je výkonový ultrazvuk preferovanou technologií pro formulaci nanocelulózových suspenzí, protože spojení vysoce výkonného ultrazvuku do kapalin vytváří extrémní smykové síly.
Klikněte zde a dozvíte se více o ultrazvukové kavitaci v kapalinách!
Po syntéze nanokrystalické celulózy je nanocelulóza často ultrazvukem dispergována do kapalného média, např. nepolárního nebo polárního rozpouštědla, jako je dimethylformamid (DMF), aby se vytvořil konečný produkt (např. nanokompozity, reologický modifikátor atd.) Vzhledem k tomu, že CNF se používají jako přísady v různých formulacích, je rozhodující spolehlivá disperze. Ultrazvuku produkuje stabilní a rovnoměrně dispergované fibrily.

Ultrazvukem vylepšené odvodňování celulózových nanovláken

Ultrazvukem vylepšené odvodňování celulózových nanovláken je špičková technika, která výrazně zlepšuje účinnost odstraňování vody – Díky tomu jsou celulózová nanovlákna vysoce atraktivní přísadou pro výrobu nanopapíru. Nanocelulózová vlákna obvykle vyžadují časově náročné odvodnění kvůli své vysoké schopnosti zadržovat vodu. Použitím ultrazvukových vln se tento proces urychluje generováním intenzivních kavitačních sil, které narušují vodní matrici a usnadňují rychlejší a rovnoměrnější vypuzování vody. Tím se nejen zkracuje doba schnutí, ale také se zvyšuje strukturální integrita a mechanické vlastnosti výsledných celulózových nanovláken, což z něj činí vysoce efektivní metodu při výrobě vysoce kvalitních nanopapírů a dalších nanomateriálů.
Zjistěte více o ultrazvukovém odvodňování nanopapíru!

Průmyslová výroba nanocelulózy pomocí výkonového ultrazvuku

Hielscher Ultrasonics nabízí komplexní řadu výkonných a spolehlivých ultrazvukových řešení, od malých laboratorních ultrasonicators až po velké průmyslové systémy, ideální pro komerční zpracování nanocelulózy. Klíčová výhoda Hielscher průmyslových sondových sonikátorů spočívá v jejich schopnosti poskytovat optimální ultrazvukové podmínky prostřednictvím svých průtokových sonoreaktorů, které se dodávají v různých velikostech a geometriích. Tyto reaktory zajišťují, že ultrazvuková energie je aplikována konzistentně a rovnoměrně na celulózový materiál, což vede k vynikajícím výsledkům zpracování.

Hielscher stolní sonikátory, jako jsou UIP1000hdT, UIP2000hdT a UIP4000hdT, jsou schopny produkovat několik kilogramů nanocelulózy denně, což je činí vhodnými pro potřeby střední výroby. Pro komerční výrobu ve velkém měřítku zvládnou kompletní průmyslové jednotky, jako jsou UIP10000 a UIP16000hdT, rozsáhlé hromadné toky, což umožňuje efektivní výrobu velkých objemů nanocelulózy.

Jednou z nejvýznamnějších výhod ultrazvukových systémů Hielscher je jejich lineární škálovatelnost. Stolní i průmyslové ultrasonicators mohou být instalovány v clusterech, což poskytuje prakticky neomezenou zpracovatelskou kapacitu, což z nich činí ideální volbu pro operace vyžadující vysokou propustnost a spolehlivý výkon při výrobě nanocelulózy.