Fremstilling af nanostruktureret cellulose med ultralyd

Nanocellulose, et bemærkelsesværdigt højtydende additiv, har fået en fremtrædende rolle på grund af sine alsidige anvendelser som reologimodifikator, forstærkningsmiddel og nøglekomponent i forskellige avancerede materialer. Disse nanostrukturerede fibriller, som stammer fra enhver celluloseholdig kilde, kan isoleres effektivt ved hjælp af ultralydshomogenisering og formaling med høj effekt. Denne proces, kendt som sonikering, forbedrer fibrilleringen betydeligt, hvilket giver et højere udbytte af nanocellulose og finere, tyndere fibre. Ultralydsteknologi overgår konventionelle fremstillingsmetoder takket være sin evne til at generere ekstremt høje forskydningskræfter gennem kavitation, hvilket gør den til et enestående værktøj til fremstilling af nanocellulose.

Fremstilling af nanocellulose med ultralyd

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 restprodukter.
Til frigørelse af plantefibrene fra udgangsmaterialet er ultralydsbaseret formaling og homogenisering en effektiv og pålidelig metode, der gør det muligt at behandle meget store volumener. Papirmassen føres ind i en inline-sonoreaktor, hvor de høje forskydningskræfter fra ultralyd nedbryder biomassens cellestruktur, så det fibrillære materiale bliver tilgængeligt.

Figur 1 nedenfor viser et TEM-billede af “aldrig tørret bomuld” (NDC), som er blevet behandlet med enzymatisk hydrolyse og sonikeret med en sonikator af sondetypen UP400S fra Hielscher i 20 minutter.
[Bittencourt et al. 2008]

Figur 2 nedenfor viser et SEM-billede af en viskosefilm, som er blevet behandlet med enzymatisk hydrolyse efterfulgt af sonikering med sonikatoren fra Hielscher, model UP400S.
[Bittencourt et al. 2008]

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

Dispergering af nanocellulose med ultralyd

Nanocellulosedispersioner udviser en ekstraordinær reologisk adfærd på grund af deres høje viskositet ved lave nanocellulosekoncentrationer. Dette gør nanocellulose til et meget interessant additiv som reologimodifikator, stabilisator og geleringsmiddel til forskellige anvendelser, f.eks. i belægnings-, papir- eller fødevareindustrien. For at udvise sine unikke egenskaber skal nanocellulose være
Ultralydsdispergering er den ideelle metode til at opnå fin nanocellulose dispergeret i individuelle enheder. Da nanocellulose er stærkt forskydningsfortyndende, er ultralyd med høj effekt den foretrukne teknologi til formulering af nanocellulosesuspensioner, da indkoblingen af ultralyd med høj effekt i væsker skaber ekstreme forskydningskræfter.
Klik her for at læse mere om ultralydskavitation i væsker!
Efter syntesen af nanokrystallinsk cellulose dispergeres nanocellulosen ofte med ultralyd i et flydende medium, f.eks. et upolært eller polært opløsningsmiddel såsom dimethylformamid (DMF), for at formulere et slutprodukt (f.eks. nanokompositter, reologimodifikatorer osv.). Da CNF anvendes som additiver i mange forskellige formuleringer, er pålidelig dispergering afgørende. Sonikering giver stabile og ensartet dispergerede fibriller.

Selvorganisering af cellulosenanokrystaller med ultralyd

Sonikering spiller en vigtig rolle i at muliggøre syntese og behandling af cellulosenanokrystaller (CNC) ved at bryde aggregater dannet under hydrolyse op, dispergere bundter og producere mere ensartede suspensioner med reproducerbare partikelinteraktioner. Selvom CNC typisk fremstilles ved syrehydrolyse, indeholder det resulterende materiale ofte områder med sammenklumpninger, der kan hindre pålidelig selvorganisering og føre til variationer i reologi og optiske egenskaber fra batch til batch. Tilførsel af kontrolleret ultralydsenergi efter syntesen forbedrer dispersionskvaliteten og hjælper med at standardisere CNC-morfologien, hvilket er afgørende for ensartet kolesterisk orden, forudsigelig geleringsadfærd og skalerbar fremstilling af CNC-baserede funktionelle materialer. Læs mere om ultralydsfremmet selvorganisering af CNC!

Forbedret afvanding af cellulosenanofibre med ultralyd

Ultralydsforstærket afvanding af cellulosenanofibre er en avanceret teknik, der forbedrer effektiviteten af vandfjernelsen betydeligt – hvilket gør cellulosenanofibre til et yderst attraktivt additiv til fremstilling af nanopapir. Nanocellulosefibre kræver typisk tidskrævende afvanding på grund af deres høje vandbindingskapacitet. Ved at anvende ultralydsbølger accelereres denne proces gennem dannelsen af intense kavitationskræfter, som bryder vandmatricen op og letter en hurtigere og mere ensartet uddrivning af vand. Dette reducerer ikke kun tørretiden, men forbedrer også de resulterende cellulosenanofibres strukturelle integritet og mekaniske egenskaber, hvilket gør det til en yderst effektiv metode til fremstilling af nanopapir af høj kvalitet og andre nanomaterialer.
Læs mere om afvanding af nanopapir med ultralyd!

Industriel fremstilling af nanocellulose ved hjælp af ultralyd med høj effekt

Hielscher Ultrasonics tilbyder et omfattende udvalg af kraftige og pålidelige ultralydsløsninger, fra små ultralydsapparater til laboratorieskala til store industrielle systemer, som er ideelle til kommerciel behandling af nanocellulose. Den vigtigste fordel ved Hielschers industrielle sonikatorer af sondetypen ligger i deres evne til at levere optimale ultralydsbetingelser gennem deres gennemstrømningssonoreaktorer, som findes i forskellige størrelser og geometrier. Disse reaktorer sikrer, at ultralydsenergien tilføres cellulosematerialet konsekvent og ensartet, hvilket fører til overlegne behandlingsresultater.

Hielschers bordsonikatorer, såsom UIP1000hdT, UIP2000hdT og UIP4000hdT, kan producere flere kilogram nanocellulose dagligt, hvilket gør dem egnede til produktionsbehov i mellemstor skala. Til kommerciel produktion i stor skala kan de fuldt industrielle enheder såsom UIP10000 og UIP16000hdT håndtere store massestrømme og dermed muliggøre effektiv fremstilling af store mængder nanocellulose.

En af de mest betydelige fordele ved Hielschers ultralydssystemer er deres lineære skalerbarhed. Både bordmodeller og industrielle ultralydsapparater kan installeres i klynger og dermed give en praktisk taget ubegrænset behandlingskapacitet, hvilket gør dem til et ideelt valg til processer, der kræver høj gennemløbskapacitet og pålidelig ydeevne ved fremstilling af nanocellulose.