Accelereret afvanding af cellulosenanofibre til papirproduktion

Sonikering i kombination med mælkesyre (LA) modifikation er en miljøvenlig tilgang til at fremskynde afvandingsprocessen af cellulose nanofibre (CNF'er) til papirproduktion. Cellulose nanofibre er kendt for deres høje vandretention, hvilket forårsager betydelige forsinkelser i dræningsprocessen, et kritisk trin i nanopapirforberedelse og andre nanocelluloseapplikationer. Metoden reducerer dræningstiden med 75%, fra 45 minutter til 10 minutter gennem esterificering af cellulosehydroxylgrupper med mælkesyre under sonikering. Denne modifikation sænker også suspensionsviskositeten og viser sig at være industrielt skalerbar, hvilket tilbyder en praktisk løsning til at forbedre effektiviteten og produktionshastigheden af cellulose nanofiberbaserede produkter.

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

Forbedret afvandingseffektivitet af cellulose nanofibre via ultralydsmælkesyremodifikation

Cellulose nanofibre (CNF'er) fejres for deres mange fordele i papirproduktion, såsom at øge styrken og modificere reologien. En væsentlig ulempe er dog den uforholdsmæssige mængde tid, der kræves for at dræne vand fra cellulose nanofibersuspensioner, et kritisk skridt i fremstillingen af nanopapirer. Denne udfordring påvirker ikke kun nanopapirproduktionen, men hindrer også den industrielle forarbejdning af nanocellulose til andre færdige produkter. Den forlængede dræningstid skyldes primært den høje vandretention af cellulosenanofibre, som er en flaskehals i kommercialiseringen af cellulose nanofiber-afledte produkter.
Nedenfor præsenterer vi dig resultaterne af en videnskabelig undersøgelse af Sethi og kolleger (2018), som udviklede en ultralydassisteret mælkesyremodifikation af cellulosenanofibre, hvilket fører til en 75% hurtigere afvanding af CNF'er og forbedrede materialefunktioner.

Ultralydsmodifikation af cellulose nanofibre med mælkesyre

For at løse dette problem er der udviklet en miljøvenlig, vandbaseret tilgang, der involverer sonikeringsenergi og mælkesyre (LA) til at ændre overfladen af cellulose nanofibre. Denne metode fremskynder afvandingsprocessen betydeligt og reducerer dræningstiden med op til 75%.
Modifikationsprocessen involverer fortynding af cellulose nanofibersuspensioner til en koncentration på 0,35 vægt% og tilsætning af mælkesyre i forskellige mængder i forhold til cellulose nanofiber tørindhold (0,5 gange, 1 gang, 5 gange og 10 gange af cellulose nanofiber tørt indhold i suspension). Nanofibrene, vandet og mælkesyren blandes ved hjælp af en højhastighedsomrører ved 1500 rpm i 5 minutter og sonikeres derefter med en Hielscher UP400S sonicator udstyret med en titaniumspids (22 mm i diameter). Sonikeringen udføres på forskellige energiniveauer med en maksimal overført energi på 600 J / ml, svarende til 10 minutters sonikering.

Indvirkning på dræningstiden

Den ultralyds-mælkesyremodifikation har en dybtgående indvirkning på dræningstiden for cellulose nanofibersuspensioner. Referencesuspensionen tager ca. 45 minutter til afvanding. Efter sonikeringsassisteret mælkesyremodifikation reduceres denne tid til 10 minutter, hvilket repræsenterer en forbedring på 75%. Selv med mild sonikering (5 J / ml) halveres dræningstiden til 23 minutter. Dræningstiden falder med stigende sonikeringsenergi og når til sidst et plateau på omkring 10 minutter.
Denne forbedring tilskrives udskiftningen af hydrofile hydroxylgrupper af cellulose med hydrofobe dele af mælkesyre. Hydroxylgrupperne er primært ansvarlige for høj vandophobning. Mælkesyre med sin carboxylgruppe kan deltage i en esterificeringsreaktion med hydroxylgrupperne af cellulose under sonikering. Sonikering skaber små vakuumhulrum i det flydende medium, som kollapser for at producere ekstreme forhold (5000 K temperatur og 1000 atm tryk), der er tilstrækkelige til at inducere kemiske reaktioner, herunder esterificering.

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

Viskositetsreduktion af cellulose nanofibersuspensioner

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

Industriel relevans af ultralydscellulose nanofibermodifikation

Den ultralyds-mælkesyremodifikationsmetode er ikke kun effektiv, men også kompatibel med industrielle applikationer. Hielscher state-of-the-art sonikere, der er i stand til at håndtere behandling af store mængder, kan effektivt fuldføre opgaven, hvilket gør denne metode velegnet til operationer i stor skala.
Derudover giver denne tilgang mulighed for inkorporering af op til 10 vægtprocent cellulose nanofiber i papirark, hvor afvanding er afsluttet på kun 2 minutter sammenlignet med 23 minutter for umodificerede cellulosenanofibre. Denne betydelige forbedring kan revolutionere brugen af cellulosenanofibre i papirfremstilling og overvinde en af de største forhindringer i deres kommercialisering.

Sonikere til cellulose nanofibre og papirproduktion

Nedenstående tabel giver dig en indikation af den omtrentlige behandlingskapacitet for vores sonde-type sonde-sonikere:

Design, produktion og rådgivning – Kvalitet fremstillet i Tyskland

Hielscher ultralydapparater er kendt for deres højeste kvalitet og designstandarder. Robusthed og nem betjening muliggør en jævn integration af vores ultralydapparater i industrielle faciliteter. Hårde forhold og krævende miljøer håndteres let af Hielscher ultralydsapparater.

Hielscher Ultrasonics er et ISO-certificeret firma og lægger særlig vægt på højtydende ultralydapparater med avanceret teknologi og brugervenlighed. Selvfølgelig er Hielscher ultralydapparater CE-kompatible og opfylder kravene i UL, CSA og RoHs.