Beschleunigte Entwässerung von Cellulose-Nanofasern für die Papierherstellung

Die Beschallung in Kombination mit einer Modifikation durch Milchsäure (LA) ist ein umweltfreundlicher Ansatz zur Beschleunigung der Entwässerung von Cellulose-Nanofasern (CNFs) für die Papierherstellung. Cellulose-Nanofasern sind für ihr hohes Wasserrückhaltevermögen bekannt, das zu erheblichen Verzögerungen beim Entwässerungsprozess führt, einem entscheidenden Schritt bei der Herstellung von Nanopapier und anderen Nanocellulose-Anwendungen. Das Verfahren reduziert die Entwässerungszeit durch die Veresterung der Hydroxylgruppen der Cellulose mit Milchsäure unter Beschallung um 75%, von 45 Minuten auf 10 Minuten. Diese Modifikation senkt auch die Viskosität der Suspension und erweist sich als industriell skalierbar. Sie bietet damit eine praktische Lösung zur Steigerung der Effizienz und Produktionsrate von Produkten auf Basis von Cellulose-Nanofasern.

Schnelle Entwässerung von mit Milchsäure modifizierten Cellulose-Nanofasern unter Beschallung
(Studie und Abbildung: ©Sethi et al., 2018)

Verbesserte Entwässerungseffizienz von Cellulose-Nanofasern durch ultraschallgestützte Milchsäuremodifikation

Cellulose-Nanofasern (CNFs) werden wegen ihrer zahlreichen Vorteile bei der Papierherstellung geschätzt, etwa der Steigerung der Festigkeit und der Modifikation der Rheologie. Ein erheblicher Nachteil ist jedoch der unverhältnismäßig hohe Zeitaufwand für die Entwässerung von Cellulose-Nanofasersuspensionen, die einen entscheidenden Schritt bei der Herstellung von Nanopapieren darstellt. Diese Herausforderung beeinträchtigt nicht nur die Nanopapierherstellung, sondern erschwert auch die industrielle Verarbeitung von Nanocellulose zu anderen Endprodukten. Die lange Entwässerungszeit ist vor allem auf das hohe Wasserrückhaltevermögen von Cellulose-Nanofasern zurückzuführen, das einen Engpass bei der Kommerzialisierung von Produkten auf Basis von Cellulose-Nanofasern darstellt.
Im Folgenden stellen wir Ihnen die Ergebnisse einer wissenschaftlichen Studie von Sethi und Kollegen (2018) vor. Sie entwickelten eine ultraschallgestützte Milchsäuremodifikation von Cellulose-Nanofasern, die zu einer um 75% schnelleren Entwässerung von CNFs und verbesserten Materialfunktionalitäten führt.

Ultraschallgestützte Modifikation von Cellulose-Nanofasern mit Milchsäure

Zur Lösung dieses Problems wurde ein umweltfreundlicher, wasserbasierter Ansatz entwickelt, bei dem Beschallungsenergie und Milchsäure (LA) zur Modifikation der Oberfläche von Cellulose-Nanofasern eingesetzt werden. Dieses Verfahren beschleunigt den Entwässerungsprozess erheblich und reduziert die Entwässerungszeit um bis zu 75%.
Der Modifikationsprozess umfasst die Verdünnung von Cellulose-Nanofasersuspensionen auf eine Konzentration von 0,35 wt.% und die Zugabe von Milchsäure in unterschiedlichen Mengen bezogen auf die Trockenmasse der Cellulose-Nanofasern (das 0,5-Fache, 1-Fache, 5-Fache und 10-Fache der Trockenmasse der Cellulose-Nanofasern in der Suspension). Die Nanofasern, das Wasser und die Milchsäure werden mit einem schnelllaufenden Rührer bei 1500 rpm für 5 Minuten gemischt und anschließend mit einem Ultraschallgerät UP400S von Hielscher beschallt, das mit einer Titanspitze (22 mm Durchmesser) ausgestattet ist. Die Beschallung erfolgt bei verschiedenen Energiestufen mit einem maximalen Energieeintrag von 600 J/ml, entsprechend einer Beschallungsdauer von 10 Minuten.

Auswirkungen auf die Entwässerungszeit

Die ultraschallgestützte Milchsäuremodifikation hat einen erheblichen Einfluss auf die Entwässerungszeit von Cellulose-Nanofasersuspensionen. Die Referenzsuspension benötigt etwa 45 Minuten zur Entwässerung. Nach der ultraschallgestützten Milchsäuremodifikation verkürzt sich diese Zeit auf 10 Minuten, was einer Verbesserung um 75% entspricht. Selbst bei milder Beschallung (5 J/ml) halbiert sich die Entwässerungszeit auf 23 Minuten. Mit zunehmender Beschallungsenergie nimmt die Entwässerungszeit ab und erreicht schließlich ein Plateau bei etwa 10 Minuten.
Diese Verbesserung wird auf den Ersatz hydrophiler Hydroxylgruppen der Cellulose durch hydrophobe Molekülanteile der Milchsäure zurückgeführt. Die Hydroxylgruppen sind hauptsächlich für das hohe Wasserrückhaltevermögen verantwortlich. Milchsäure kann mit ihrer Carboxylgruppe unter Beschallung an einer Veresterungsreaktion mit den Hydroxylgruppen der Cellulose teilnehmen. Die Beschallung erzeugt winzige Vakuumhohlräume im flüssigen Medium, die kollabieren und dabei extreme Bedingungen erzeugen (eine Temperatur von 5000 K und einen Druck von 1000 atm), die ausreichen, um chemische Reaktionen einschließlich der Veresterung auszulösen.

Beschallungsenergie im Verhältnis zur Entwässerungszeit (in Minuten) bei der Herstellung von Nanopapier (bezogen auf die Probe CNF(1)LA).
Eine Beschallungsenergie von 100 J/ml entspricht einer Beschallungsdauer von 100 Sekunden usw.
(Studie und Abbildung: ©Sethi et al., 2018)

Viskositätsreduktion von Cellulose-Nanofasersuspensionen

Die Beschallungsenergie trägt auch zu einer Verringerung der Viskosität der Cellulose-Nanofasersuspensionen bei. Die Viskosität ist umgekehrt proportional zur Beschallungsenergie, wobei die niedrigste Viskosität bei 600 J/ml beobachtet wird, gefolgt von 300 J/ml und 60 J/ml. Diese Viskositätsreduktion trägt zusätzlich zur Verbesserung der Entwässerungseffizienz bei.

Industrielle Bedeutung der ultraschallgestützten Modifikation von Cellulose-Nanofasern

Das Verfahren zur ultraschallgestützten Milchsäuremodifikation ist nicht nur wirksam, sondern auch für industrielle Anwendungen geeignet. Moderne Ultraschallgeräte von Hielscher, die große Volumina verarbeiten können, erfüllen diese Aufgabe effizient und machen das Verfahren für den großtechnischen Einsatz geeignet.
Darüber hinaus ermöglicht dieser Ansatz die Einbringung von bis zu 10 wt.% Cellulose-Nanofasern in Papierbögen, wobei die Entwässerung in nur 2 Minuten abgeschlossen ist, verglichen mit 23 Minuten bei unmodifizierten Cellulose-Nanofasern. Diese erhebliche Verbesserung kann den Einsatz von Cellulose-Nanofasern in der Papierherstellung revolutionieren und eine der größten Hürden bei ihrer Kommerzialisierung überwinden.

Ultraschallgeräte für Cellulose-Nanofasern und die Papierherstellung

Die folgende Tabelle gibt Ihnen einen Anhaltspunkt für die ungefähre Verarbeitungskapazität unserer Ultraschallgeräte mit Sonotrode:

Entwicklung, Fertigung und Beratung – Qualität Made in Germany

Ultraschallgeräte von Hielscher sind für ihre höchsten Qualitäts- und Konstruktionsstandards bekannt. Robustheit und einfache Bedienung ermöglichen die reibungslose Integration unserer Ultraschallgeräte in industrielle Anlagen. Ultraschallgeräte von Hielscher bewältigen raue Bedingungen und anspruchsvolle Umgebungen mühelos.

Hielscher Ultrasonics ist ein ISO-zertifiziertes Unternehmen und legt besonderen Wert auf leistungsstarke Ultraschallgeräte mit modernster Technologie und hoher Benutzerfreundlichkeit. Selbstverständlich sind Ultraschallgeräte von Hielscher CE-konform und erfüllen die Anforderungen von UL, CSA und RoHs.