Accelereret afvanding af cellulosenanofibre til papirproduktion

Sonikering kombineret med modificering med mælkesyre (LA) er en miljøvenlig tilgang til at accelerere afvandingen af cellulosenanofibre (CNF’er) til papirproduktion. Cellulosenanofibre er kendt for deres høje vandbindingsevne, som medfører betydelige forsinkelser i afvandingsprocessen, et afgørende trin i fremstillingen af nanopapir og andre anvendelser af nanocellulose. Metoden reducerer afvandingstiden med 75%, fra 45 minutter til 10 minutter, gennem esterificering af cellulosens hydroxylgrupper med mælkesyre under sonikering. Denne modificering sænker også suspensionens viskositet og viser sig at kunne skaleres til industriel anvendelse, hvilket giver en praktisk løsning til at øge effektiviteten og produktionshastigheden for produkter baseret på cellulosenanofibre.

Hurtig afvanding af mælkesyremodificerede cellulosenanofibre under sonikering
(Undersøgelse og billede: ©Sethi et al., 2018)

Mere effektiv afvanding af cellulosenanofibre gennem ultralydsassisteret modificering med mælkesyre

Cellulosenanofibre (CNF’er) er anerkendt for deres mange fordele i papirproduktion, såsom at øge styrken og ændre reologien. En væsentlig ulempe er imidlertid den uforholdsmæssigt lange tid, det tager at fjerne vand fra suspensioner af cellulosenanofibre, hvilket er et afgørende trin i fremstillingen af nanopapir. Denne udfordring påvirker ikke kun produktionen af nanopapir, men hæmmer også den industrielle forarbejdning af nanocellulose til andre færdigprodukter. Den lange afvandingstid skyldes primært cellulosenanofibrenes høje vandbindingsevne, som er en flaskehals i kommercialiseringen af produkter fremstillet af cellulosenanofibre.
Nedenfor præsenterer vi resultaterne af en videnskabelig undersøgelse udført af Sethi og kolleger (2018), som udviklede en ultralydsassisteret modificering af cellulosenanofibre med mælkesyre, der fører til 75% hurtigere afvanding af CNF’er og forbedrede materialefunktioner.

Modificering af cellulosenanofibre med mælkesyre ved hjælp af ultralyd

For at løse dette problem er der udviklet en miljøvenlig, vandbaseret tilgang, som anvender sonikeringsenergi og mælkesyre (LA) til at modificere overfladen af cellulosenanofibre. Denne metode accelererer afvandingsprocessen betydeligt og reducerer afvandingstiden med op til 75%.
Modificeringsprocessen omfatter fortynding af suspensioner af cellulosenanofibre til en koncentration på 0,35 wt.% og tilsætning af mælkesyre i forskellige mængder i forhold til cellulosenanofibrenes tørstofindhold (0,5 gange, 1 gang, 5 gange og 10 gange tørstofindholdet af cellulosenanofibre i suspensionen). Nanofibrene, vandet og mælkesyren blandes med en højhastighedsomrører ved 1500 rpm i 5 minutter og sonikeres derefter med en sonikator af typen Hielscher UP400S udstyret med en titanspids (22 mm i diameter). Sonikeringen udføres ved forskellige energiniveauer med en maksimal tilført energi på 600 J/ml, svarende til 10 minutters sonikering.

Indvirkning på afvandingstiden

Modificeringen med ultralyd og mælkesyre har en markant indvirkning på afvandingstiden for suspensioner af cellulosenanofibre. Afvandingen af referencesuspensionen tager cirka 45 minutter. Efter sonikeringsassisteret modificering med mælkesyre reduceres denne tid til 10 minutter, hvilket udgør en forbedring på 75%. Selv ved mild sonikering (5 J/ml) halveres afvandingstiden til 23 minutter. Afvandingstiden falder med stigende sonikeringsenergi og når til sidst et plateau ved omkring 10 minutter.
Denne forbedring tilskrives udskiftningen af cellulosens hydrofile hydroxylgrupper med hydrofobe dele af mælkesyre. Hydroxylgrupperne er primært ansvarlige for den høje vandbindingsevne. Mælkesyre kan med sin carboxylgruppe deltage i en esterificeringsreaktion med cellulosens hydroxylgrupper under sonikering. Sonikering skaber meget små vakuumkaviteter i det flydende medium, som kollapser og frembringer ekstreme forhold (en temperatur på 5000 K og et tryk på 1000 atm), der er tilstrækkelige til at fremkalde kemiske reaktioner, herunder esterificering.

Sonikeringsenergi i forhold til afvandingstid (i minutter) ved fremstilling af nanopapir (svarende til prøven CNF(1)LA).
100 J/ml sonikeringsenergi svarer til 100 sekunders sonikering osv.
(Undersøgelse og billede: ©Sethi et al., 2018)

Reduktion af viskositeten i suspensioner af cellulosenanofibre

Sonikeringsenergi bidrager også til et fald i viskositeten af suspensionerne af cellulosenanofibre. Viskositeten er omvendt proportional med sonikeringsenergien, og den laveste viskositet observeres ved 600 J/ml, efterfulgt af 300 J/ml og 60 J/ml. Denne reduktion i viskositeten bidrager yderligere til at forbedre afvandingseffektiviteten.

Industriel relevans af modificering af cellulosenanofibre med ultralyd

Metoden til modificering med ultralyd og mælkesyre er ikke kun effektiv, men også egnet til industrielle anvendelser. Hielschers avancerede sonikatorer, som kan håndtere behandling af store volumener, kan effektivt udføre opgaven, hvilket gør metoden egnet til drift i stor skala.
Desuden gør denne tilgang det muligt at indarbejde op til 10 wt.% cellulosenanofibre i papirark, hvor afvandingen afsluttes på blot 2 minutter sammenlignet med 23 minutter for umodificerede cellulosenanofibre. Denne betydelige forbedring kan revolutionere anvendelsen af cellulosenanofibre i papirfremstilling og overvinde en af de største hindringer for deres kommercialisering.

Sonikatorer til cellulosenanofibre og papirproduktion

Tabellen nedenfor giver en indikation af den omtrentlige behandlingskapacitet for vores sonikatorer med sonotrode:

Design, fremstilling og rådgivning – kvalitet fremstillet i Tyskland

Ultralydsapparater fra Hielscher er velkendte for deres højeste kvalitets- og designstandarder. Robusthed og nem betjening gør det muligt at integrere vores ultralydsapparater problemfrit i industrielle anlæg. Ultralydsapparater fra Hielscher håndterer nemt barske forhold og krævende miljøer.

Hielscher Ultrasonics er en ISO-certificeret virksomhed og lægger særlig vægt på højtydende ultralydsapparater med avanceret teknologi og brugervenlighed. Ultralydsapparater fra Hielscher er naturligvis CE-kompatible og opfylder kravene fra UL, CSA og RoHs.