Ultrazvuková výroba nanostrukturované celulózy

Nanocelulóza, pozoruhodné vysoce výkonné aditivum, získala na významu díky svému všestrannému využití jako modifikátor reologie, výztužné činidlo a klíčová složka různých pokročilých materiálů. Tyto nanostrukturované fibrily, získávané z jakéhokoli zdroje obsahujícího celulózu, lze efektivně izolovat pomocí vysoce výkonné ultrazvukové homogenizace a mletí. Tento proces, známý jako sonikace, výrazně zlepšuje fibrilaci, což vede k vyššímu výtěžku nanocelulózy a k jemnějším, tenčím vláknům. Ultrazvuková technologie předčí konvenční výrobní metody díky své schopnosti generovat extrémní kavitační vysoké smykové síly, což z ní 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.
K uvolnění rostlinných vláken ze zdrojového materiálu jsou ultrazvukové mletí a homogenizace výkonnou a spolehlivou metodou, která umožňuje zpracovávat velmi velké objemy. Buničina je přiváděna do průtokového (inline) sonoreaktoru, kde ultrazvukové vysoké smykové síly narušují buněčnou strukturu biomasy, takže se fibrilární hmota stává dostupnou.

Obrázek 1 níže ukazuje TEM snímek „nikdy nesušené bavlny“ (Never Dried Cotton, NDC) podrobené enzymatické hydrolýze a sonikované sondovým sonikátorem Hielscher UP400S po dobu 20 minut.
[Bittencourt et al. 2008]

Obrázek 2 níže ukazuje SEM snímek viskózového filmu podrobeného enzymatické hydrolýze a následně sonikaci sonikátorem Hielscher, model UP400S.
[Bittencourt et al. 2008]

Ultrazvukové zpracování nanocelulózy lze rovněž úspěšně kombinovat s úpravou vláken oxidací TEMPO. V procesu TEMPO se celulózová nanovlákna vyrábějí oxidačním systémem využívajícím 2,2,6,6-tetramethylpiperidinyl-1-oxyl (TEMPO) jako katalyzátor a bromid sodný (NaBr) a chlornan sodný (NaOCl). Výzkum prokázal, že účinnost oxidace se výrazně zlepší, pokud se oxidace provádí za ultrazvukového ozařování.

Ultrazvukové dispergování nanocelulózy

Disperze nanocelulózy vykazují mimořádné reologické chování díky své vysoké viskozitě při nízkých koncentracích nanocelulózy. Díky tomu je nanocelulóza velmi zajímavým aditivem jako modifikátor reologie, stabilizátor a gelující činidlo pro různé aplikace, např. v průmyslu nátěrových hmot, papíru nebo potravin. Aby se projevily její jedinečné vlastnosti, musí být nanocelulóza
Ultrazvukové dispergování je ideální metodou k získání jemné, jednotlivě dispergované nanocelulózy. Protože nanocelulóza vykazuje výrazné smykové ztenčování, je výkonový ultrazvuk preferovanou technologií pro formulaci nanocelulózových suspenzí, neboť přenos vysoce výkonného ultrazvuku do kapalin vytváří extrémní smykové síly.
Kliknutím sem se dozvíte více o ultrazvukové kavitaci v kapalinách!
Po syntéze nanokrystalické celulózy se nanocelulóza často ultrazvukem disperguje do kapalného média, např. nepolárního nebo polárního rozpouštědla, jako je dimethylformamid (DMF), za účelem formulace konečného produktu (např. nanokompozitů, modifikátorů reologie atd.). Jelikož se CNF používají jako aditiva v mnoha formulacích, je spolehlivé dispergování zásadní. Sonikace vytváří stabilní a rovnoměrně dispergované fibrily.

Ultrazvuková samoorganizace celulózových nanokrystalů

Sonikace hraje důležitou umožňující roli při syntéze a zpracování celulózových nanokrystalů (CNC) tím, že rozbíjí agregáty vzniklé hydrolýzou, disperguje svazky a vytváří rovnoměrnější suspenze s reprodukovatelnými interakcemi částic. Přestože se CNC obvykle získávají kyselou hydrolýzou, výsledný materiál často obsahuje shlukované domény, které mohou bránit spolehlivé samoorganizaci a vést k variabilitě reologických a optických vlastností mezi jednotlivými šaržemi. Aplikace řízené ultrazvukové energie po syntéze zlepšuje kvalitu disperze a pomáhá standardizovat morfologii CNC, což je zásadní pro konzistentní cholesterické uspořádání, předvídatelné gelační chování a škálovatelnou výrobu funkčních materiálů na bázi CNC. Zjistěte více o ultrazvukem podporované samoorganizaci CNC!

Ultrazvukem zlepšené odvodňování celulózových nanovláken

Ultrazvukem zesílené odvodňování celulózových nanovláken je špičková technika, která výrazně zvyšuje účinnost odstraňování vody – a činí tak z celulózových nanovláken vysoce atraktivní aditivum pro výrobu nanopapíru. Nanocelulózová vlákna obvykle vyžadují časově náročné odvodňování kvůli své vysoké schopnosti zadržovat vodu. Působením ultrazvukových vln se tento proces urychluje díky vzniku intenzivních kavitačních sil, které narušují vodní matrici a usnadňují rychlejší a rovnoměrnější vypuzování vody. To nejen zkracuje dobu sušení, ale také zlepšuje strukturní integritu a mechanické vlastnosti výsledných celulózových nanovláken, což z tohoto postupu činí vysoce účinnou 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 ultrazvukových přístrojů až po rozsáhlé průmyslové systémy – ideálních pro komerční zpracování nanocelulózy. Klíčová výhoda průmyslových sondových sonikátorů Hielscher spočívá v jejich schopnosti zajistit optimální ultrazvukové podmínky prostřednictvím průtokových sonoreaktorů, které jsou k dispozici v různých velikostech a geometriích. Tyto reaktory zajišťují, že ultrazvuková energie působí na celulózový materiál konzistentně a rovnoměrně, což vede k vynikajícím výsledkům zpracování.

Stolní sonikátory Hielscher, jako jsou UIP1000hdT, UIP2000hdT a UIP4000hdT, dokážou vyrobit několik kilogramů nanocelulózy denně, a jsou proto vhodné pro potřeby středně velké výroby. Pro rozsáhlou komerční výrobu mohou plně průmyslové jednotky, jako jsou UIP10000 a UIP16000hdT, zpracovávat rozsáhlé hmotnostní toky, což umožňuje efektivní výrobu velkých objemů nanocelulózy.

Jednou z nejvýznamnějších výhod ultrazvukových systémů Hielscher je jejich lineární škálovatelnost. Stolní i průmyslové ultrazvukové přístroje lze instalovat v klastrech, což poskytuje prakticky neomezenou zpracovatelskou kapacitu, a jsou tak ideální volbou pro provozy vyžadující vysokou propustnost a spolehlivý výkon při výrobě nanocelulózy.