Ultralydsproduktion af nanostruktureret cellulose

Nanocellulose, et bemærkelsesværdigt højtydende additiv, har fået en fremtrædende plads for sine alsidige anvendelser som reologimodifikator, forstærkningsmiddel og nøglekomponent i forskellige avancerede materialer. Disse nanostrukturerede fibriller, afledt af enhver celluloseholdig kilde, kan effektivt isoleres gennem ultralydshomogenisering og fræsning med høj effekt. Denne proces, kendt som sonikering, forbedrer fibrillering betydeligt, hvilket resulterer i et højere udbytte af nanocellulose og producerer finere, tyndere fibre. Ultralydsteknologi overgår konventionelle fremstillingsmetoder takket være dens evne til at generere ekstreme kavitationelle høje forskydningskræfter, hvilket gør det til et enestående værktøj til nanocelluloseproduktion.

Ultralydsfremstilling af nanocellulose

Ultralyd med høj effekt bidrager til ekstraktion og isolering af mikro- og nanocellulose fra forskellige kilder til celluloseholdige materialer såsom træ, lignocellulosefibre (papirmassefibre) og celluloseholdige rester.
For at frigøre plantefibrene fra kildematerialet, ultralyd formaling og Homogenisering er en kraftfuld og pålidelig metode, der gør det muligt at behandle meget store mængder. Papirmassen føres ind i en inline sonoreaktor, hvor ultralydskræfter med høj forskydning bryder biomassens cellestruktur, så det fibrilløse stof bliver tilgængeligt.

TEM-billede af “Aldrig tørret bomuld” (NDC) underkastet enzymatisk hydrolyse og sonikeret med Hielscher soniker UP400S i 20 minutter. [Bittencourt et al. 2008]

Figur 2 nedenfor viser et SEM-billede af en film af viskose, der underkastes enzymatisk hydrolyse, efterfulgt af sonikering med Hielscher soniker model UP400S.
[Bittencourt et al. 2008]

SEM-billede af en film af viskose, der underkastes den enzymatiske hydrolyse, efterfulgt af sonikering med UP400S [Bittencourt et al. 2008]

Ultralyd nanocellulosebehandling kan også med succes kombineres med TEMPO-oxideret fiberbehandling. I TEMPO-processen fremstilles cellulosenanofibre ved hjælp af et oxidationssystem, der anvender 2,2,6,6-tetramethylpiperidinyl-1-oxyl (TEMPO) som katalysator og natriumbromid (NaBr) og natriumhypochlorit (NaOCl). Forskning har vist, at oxidationseffektiviteten forbedres betydeligt, når oxidationen udføres under ultralydsbestråling.

Ultralydsdispersion af nanocellulose

Nanocellulosedispersioner viser en ekstraordinær reologisk adfærd på grund af dens høje viskositet ved lave nanocellulosekoncentrationer. Dette gør nanocellulose til et meget interessant tilsætningsstof som reologisk modifikator, stabilisator og gellant til forskellige anvendelser, f.eks. i belægnings-, papir- eller fødevareindustrien. For at udtrykke sine unikke egenskaber skal nanocellulose
Ultralydsdispergering er den ideelle metode til at opnå finstørrelse, enkeltdispergeret nanocellulose. Da nanocellulose er meget forskydningsfortyndende, er power ultralyd den foretrukne teknologi til at formulere nanocellulosesuspensioner, da koblingen af højeffekt-ultralyd i væsker skaber ekstreme forskydningskræfter.
Klik her for at lære mere om ultralydskavitation i væsker!
Efter syntesen af nanokrystallinsk cellulose dispergeres nanocellulosen ofte ultralyd i et flydende medium, f.eks. et upolært eller polært opløsningsmiddel såsom dimethylformamid (DMF), for at formulere et slutprodukt (f.eks. nanokompositter, reologisk modifikator osv.) Da CNF'er bruges som tilsætningsstoffer i mangfoldige formuleringer, er en pålidelig dispergering afgørende. Ultralydbehandling producerer stabile og ensartet dispergerede fibriller.

Ultralydsforbedret afvanding af cellulosenanofibre

Ultralydsforbedret afvanding af cellulosenanofibre er en banebrydende teknik, der forbedrer effektiviteten af vandfjernelse betydeligt – hvilket gør cellulosenanofibre til et meget attraktivt tilsætningsstof til nanopapirproduktion. Nanocellulosefibre kræver typisk tidskrævende afvanding på grund af dets høje vandbindingsevne. Ved at anvende ultralydsbølger accelereres denne proces gennem generering af intense kavitationskræfter, som forstyrrer vandmatrixen og letter hurtigere, mere ensartet vandudstødning. Dette reducerer ikke kun tørretiden, men forbedrer også den strukturelle integritet og mekaniske egenskaber af de resulterende cellulosenanofibre, hvilket gør det til en yderst effektiv metode til fremstilling af nanopapir og andre nanomaterialer af høj kvalitet.
Lær mere om ultralydsafvanding af nanopapir!

Industriel nanocelluloseproduktion ved hjælp af Power Ultrasound

Hielscher Ultrasonics tilbyder et omfattende udvalg af kraftfulde og pålidelige ultralydsløsninger, fra små ultralydsapparater i laboratorieskala til store industrielle systemer, ideelle til kommerciel behandling af nanocellulose. Den vigtigste fordel ved Hielscher industrielle sonde-type sondeapparater ligger i deres evne til at levere optimale ultralydsforhold gennem deres gennemstrømning sonoreaktorer, som kommer i forskellige størrelser og geometrier. Disse reaktorer sikrer, at ultralydsenergien påføres konsekvent og ensartet på cellulosematerialet, hvilket fører til overlegne behandlingsresultater.

Hielscher stationære sonikere, såsom UIP1000hdT, UIP2000hdT og UIP4000hdT, er i stand til at producere flere kilo nanocellulose dagligt, hvilket gør dem velegnede til mellemstore produktionsbehov. Til kommerciel produktion i stor skala kan de komplette industrielle enheder som UIP10000 og UIP16000hdT håndtere omfattende massestrømme, hvilket muliggør effektiv produktion af store mængder nanocellulose.

En af de vigtigste fordele ved Hielscher ultralydssystemer er deres lineære skalerbarhed. Både bord-top og industrielle ultralydapparater kan installeres i klynger, hvilket giver næsten ubegrænset behandlingskapacitet, hvilket gør dem til et ideelt valg til operationer, der kræver høj gennemstrømning og pålidelig ydeevne i produktionen af nanocellulose.

Ultralydsbehandling: Hielscher guider dig fra gennemførlighed og optimering til kommerciel produktion!