Beschleunigte Entwässerung von Cellulose-Nanofasern für die Papierherstellung

Die Beschallung in Kombination mit der Modifizierung durch Milchsäure (LA) ist ein umweltfreundlicher Ansatz zur Beschleunigung des Entwässerungsprozesses von Cellulose-Nanofasern (CNF) für die Papierherstellung. Cellulose-Nanofasern sind für ihre hohe Wasserbindung bekannt, was zu erheblichen Verzögerungen im Entwässerungsprozess führt, einem kritischen Schritt bei der Herstellung von Nanopapier und anderen Anwendungen von Nanocellulose. Die Methode verkürzt die Entwässerungszeit um 75 %, von 45 Minuten auf 10 Minuten, durch die Veresterung der Hydroxylgruppen der Cellulose durch Milchsäure unter Beschallung. Diese Modifikation senkt auch die Viskosität der Suspension und erweist sich als industriell skalierbar. Sie bietet eine praktische Lösung zur Verbesserung der Effizienz und der Produktionsrate von Produkten auf der Basis von Cellulosenanofasern.

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

Verbesserte Entwässerungseffizienz von Cellulose-Nanofasern durch Ultraschall-Milchsäuremodifikation

Cellulose-Nanofasern (CNF) werden für ihre zahlreichen Vorteile bei der Papierherstellung gerühmt, wie z. B. die Erhöhung der Festigkeit und die Veränderung der Rheologie. Ein erheblicher Nachteil ist jedoch der unverhältnismäßig hohe Zeitaufwand für das Entwässern von Zellulose-Nanofaser-Suspensionen, ein kritischer Schritt bei der Herstellung von Nanopapieren. Dies hat nicht nur Auswirkungen auf die Herstellung von Nanopapier, sondern behindert auch die industrielle Verarbeitung von Nanocellulose zu anderen Fertigprodukten. Die verlängerte Entwässerungszeit ist in erster Linie auf die hohe Wasserbindung von Zellulose-Nanofasern zurückzuführen, die einen Engpass bei der Vermarktung von aus Zellulose-Nanofasern hergestellten Produkten darstellt.
Im Folgenden stellen wir Ihnen die Ergebnisse einer wissenschaftlichen Studie von Sethi und Kollegen (2018) vor, die eine ultraschallunterstützte Milchsäuremodifikation von Cellulose-Nanofasern entwickelt haben, die zu einer 75 % schnelleren Entwässerung von CNFs und verbesserten Materialfunktionalitäten führt.

Ultraschallmodifizierung von Cellulosenanofasern mit Milchsäure

Um dieses Problem zu lösen, wurde ein umweltfreundlicher, wasserbasierter Ansatz entwickelt, bei dem die Oberfläche von Zellulose-Nanofasern durch Beschallung und Milchsäure (LA) modifiziert wird. Diese Methode beschleunigt den Entwässerungsprozess erheblich und verkürzt die Entwässerungszeit um bis zu 75 %.
Bei dem Modifizierungsverfahren werden Cellulose-Nanofaser-Suspensionen auf eine Konzentration von 0,35 Gew.-% verdünnt und Milchsäure in verschiedenen Mengen im Verhältnis zum Trockengehalt der Cellulose-Nanofasern zugesetzt (0,5-fach, 1-fach, 5-fach und 10-fach des Trockengehalts der Cellulose-Nanofasern in Suspension). Die Nanofasern, das Wasser und die Milchsäure werden mit einem Hochgeschwindigkeitsrührer bei 1500 Umdrehungen pro Minute 5 Minuten lang gemischt und dann mit einem Hielscher UP400S-Sonicator mit einer Titanspitze (22 mm Durchmesser) beschallt. Die Beschallung erfolgt mit verschiedenen Energiestufen, wobei die maximale Energie 600 J/ml beträgt, was einer Beschallungsdauer von 10 Minuten entspricht.

Auswirkungen auf die Entleerungszeit

Die Ultraschall-Milchsäure-Modifikation hat einen großen Einfluss auf die Entwässerungszeit von Cellulose-Nanofaser-Suspensionen. Die Referenzsuspension benötigt etwa 45 Minuten für die Entwässerung. Nach der ultraschallunterstützten Milchsäuremodifikation verkürzt sich diese Zeit auf 10 Minuten, was einer Verbesserung von 75 % entspricht. Selbst bei milder Beschallung (5 J/ml) halbiert sich die Entwässerungszeit auf 23 Minuten. Die Entwässerungszeit nimmt mit steigender Beschallungsenergie ab und erreicht schließlich ein Plateau bei etwa 10 Minuten.
Diese Verbesserung wird auf den Ersatz der hydrophilen Hydroxylgruppen der Cellulose durch hydrophobe Anteile der Milchsäure zurückgeführt. Die Hydroxylgruppen sind in erster Linie für die hohe Wasserbindung verantwortlich. Milchsäure kann mit ihrer Carboxylgruppe an einer Veresterungsreaktion mit den Hydroxylgruppen der Cellulose unter Sonikation teilnehmen. Bei der Beschallung entstehen in dem flüssigen Medium winzige Vakuumhohlräume, die kollabieren und so extreme Bedingungen (5000 K Temperatur und 1000 atm Druck) schaffen, die ausreichen, um chemische Reaktionen, einschließlich der Veresterung, auszulösen.

Beschallungsenergie im Vergleich zur Abtropfzeit (in Minuten) für die Herstellung von Nanopapier (entsprechend der CNF(1)LA-Probe).
Eine Beschallungsenergie von 100 J/ml entspricht einer Beschallungsdauer von 100 Sekunden, usw.
(Studie und Bild: ©Sethi et al., 2018)

Verringerung der Viskosität von Cellulose-Nanofaser-Suspensionen

Die Beschallungsenergie trägt auch zu einer Verringerung der Viskosität der Cellulose-Nanofaser-Suspensionen 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 Verringerung der Viskosität trägt weiter zur Verbesserung der Entwässerungseffizienz bei.

Industrielle Relevanz der Modifizierung von Zellulose-Nanofasern mit Ultraschall

Das Ultraschall-Milchsäure-Verfahren ist nicht nur effektiv, sondern auch industrietauglich. Mit den modernen Hielscher-Sonicatoren, die für die Verarbeitung großer Mengen geeignet sind, kann die Aufgabe effizient erledigt werden, so dass sich diese Methode für Großbetriebe eignet.
Darüber hinaus ermöglicht dieser Ansatz die Einarbeitung von bis zu 10 Gew.-% Cellulose-Nanofasern in Papierbögen, wobei die Entwässerung in nur 2 Minuten abgeschlossen ist, verglichen mit 23 Minuten bei unmodifizierten Cellulose-Nanofasern. Diese signifikante Verbesserung kann die Verwendung von Zellulose-Nanofasern bei der Papierherstellung revolutionieren und eine der größten Hürden für ihre Kommerzialisierung überwinden.

Sonicators für Cellulose-Nanofasern und Papierherstellung

Die folgende Tabelle gibt Ihnen einen Hinweis auf die ungefähre Verarbeitungskapazität unserer Sonotrodensonotroden:

Design, Herstellung und Beratung – Qualität Made in Germany

Hielscher Ultraschallgeräte sind bekannt für höchste Qualität und Designstandards. Robustheit und einfache Bedienung ermöglichen die problemlose Integration unserer Ultraschallgeräte in industrielle Anlagen. Raue Bedingungen und anspruchsvolle Umgebungen sind für Hielscher Ultraschallgeräte kein Problem.

Hielscher Ultrasonics ist ein ISO-zertifiziertes Unternehmen und legt großen Wert darauf, Hochleistungs-Ultraschallgeräte zu entwickeln und zu produzieren, die sich durch modernste Technik und Benutzerfreundlichkeit auszeichnen. Selbstverständlich sind Hielscher Sonicators CE-konform und erfüllen die Anforderungen von UL, CSA und RoHs.