Hielscher – Ultraschall-Technologie

Ultraschall-Produktion von Nanocellulose

  • Nanocellulose ist ein Hochleistungs-Additiv, welches erfolgreich als Rheologie-Modifizierer, Verstärkungsadditiv und Zuschlagstoff in vielfältigen High Performance-Materialien Anwendung findet.
  • Die nano-strukturierte Fibrillen können mittels Ultraschall-Homogenisierung und -Vermahlung sehr effizient aus zellulosehaltigen Rohstoffen isoliert werden.
  • Mittels Ultraschall lassen sich sowohl eine bessere Fibrillation als auch eine eine höhere Nanocellulose-Ausbeute und dünnere Fasern erzielen.
  • Die Ultraschall-Technologie übertrifft konventionelle Methoden der Nanocellulose-Herstellung durch seine extreme hohen Scherkräfte.

Ultraschall-gestützte Produktion von Nanocellulose

Hochleistungs-Ultraschall trägt zur Extraktion und Isolierung von Mikro- und Nanocellulose aus verschiedenen zellulosehaltigen Rohstoffen wie z.B. Holz, Lignozellulosefasern (Zellstoff-Fasern) und zellulosehaltigen Reststoffen bei.
Um Pflanzenfasern aus dem Ausgangsmaterial freizusetzen, ist das ultraschall-gestützte Feinmahlen und Homogenisierung ist eine leistungsstarke und zuverlässige Methode, welche es ermöglicht, große Mengen durchzusetzen. Die Pulpe wird durch einen Durchflussreaktor geführt, in dem die mittels Ultraschall generierten Scherkräfte die Zellstruktur der Biomasse aufschließt, so dass die Fibrillen verfügbar werden.
Abb. 1 zeigt eine TEM-Aufnahme von „Never Dried Cotton“ (NDC), die mit enzymatischer Hydrolyse und Hielscher's UP400S für 20 Minuten behandelt wurde. [Bittencourt et al. 2008]

Nanocellulose shows outstanding properties due to its high surface/mass ratio. Hielscher's ultrasound technology is a reliable and efficient method to produce nanocellulose and cellulose nanocrystals.

TEM-Bild von „Never Dried Cotton“ (NDC), welcher mit enzymatischer Hydrolyse und Hielscher's Ultraschallgerät UP400S für 20 Minuten behandelt wurde. [Bittencourt et al. 2008]

Abb. 2 zeigt die SEM-Aufnahme eines Viskosefilms, welcher mit enzymatische Hydrolyse und anschließend mit dem Ultraschallgerät UP400Sbehandelt wurde. [Bittencourt et al. 2008]

Ultraschall-Produktion von Nanozellulose Kompositen.

SEM-Bild eines Viskosefilms, der mit enzymatischer Hydrolyse und anschließend mit dem Ultraschallhomogenisator UP400S behandelt wurde [Bittencourt et al. 2008]

Die ultraschall-gestützte Verarbeitung von Nanocellulose lässt sich auch erfolgreich mit einer TEMPO-oxidierten Faserbehandlung kombinieren. Bei dem TEMPO-Prozess werden Cellulose-Nanofasern mittels Oxidationssystem hergestellt, wobei 2,2,6,6-Tetramethylpiperidinyl-1-Oxyl (TEMPO) als Katalysator sowie Natriumbromid (NaBr) und Natriumhypochlorit (NaOCl) eingesetzt werden. Untersuchungen haben gezeigt, dass die Oxidationseffizienz deutlich verbessert ist, wenn die Oxidation in Kombination mit Ultraschall abläuft.

Ultraschalldispersion

Nanocellulose-Dispersionen zeigen ein außergewöhnliche Rheologie, denn schon bei geringer Nanocellulose-Konzentration ergibt sich eine hohe Viskosität. Daher ist Nanocellulose ein sehr interessanter Zusatzstoff, der bspw. als Rheologie- Modifizierer, Stabilisator und Geliermittel für verschiedene Anwendungen, z.B. für Coatings, Papier oder in der Lebensmittelindustrie eingesetzt wird. Um die besonderen Eigenschaften nutzen zu können, muss die Cellulose in nano-skaliger Größe vorliegen.
Die Ultraschall-Dispergierung ist eine effektive Methode, um nano-skalige, einzel-dispergierte Nanocellulose herzustellen. Da Nanocellulose stark Viskositätsabsenkung (pseudoplastisch) ist, ist Ultraschall die bevorzugte Technologie, um Suspensionen mit Nanocellulose zu formulieren, da Hochleistungs-Ultraschall in Flüssigkeiten extreme Scherkräfte erzeugt. (Klicken Sie hier, um mehr über Ultraschall-Kavitation in Flüssigkeiten zu erfahren!)
Nachdem nanokristalline Cellulose (z.B. mit Ultraschall) synthetisiert wurde, wird Nanocellulose häufig mittels Ultraschall weiterverarbeitet, indem sie in ein flüssiges Medium dispergiert wird. So wird Nanocellulose z.B. in ein unpolares oder polares Lösungsmittel wie Dimethylformamid (DMF), eingemischt, um ein bestimmtes Endprodukt (z.B. Nanocomposites, rheologische Modifizierer etc.) zu formulieren. Da CNFs in zahlreichen qualitativ hochwertigen Formulierungen als Zusatzstoff genutzt werden, ist es wichtig, eine zuverlässige Dispergierung zu gewährleisten. Ultraschall erzeugt stabile Dispersionen mit gleichmäßig verteilten Fibrillen.

Industrielle Ultraschall-Verarbeitung

Hielscher Ultrasonics liefert leistungsfähige und zuverlässige Ultraschall-Technologie von kleinen Ultraschall-Laborhomogenisatoren und Technikumssystemen bis hin zu kommerziellen Ultraschall- Industrieanlagen. In Hielschers Durchflussreaktoren, welche in verschiedenen Größen und Geometrien verfügbar sind, werden optimale Beschallungskonditionen erzeugt, da die optimierten Prozessbedingungen fokussiert und gleichmäßig auf die Nanocellulose wirken können.
Hielscher's Benchtop-Ultraschallgeräte wie z.B. der UIP1000hdT, UIP2000hdT oder UIP4000hdT, können problemlos mehrere Kilogramm Nanocellulose pro Tag verarbeiten. Die Ultraschall-Industrieanlagen, wie z.B. der UIP10000 und UIP16000 , verarbeiten sehr hohe Volumina zu und ermöglichen die vollständig kommerzielle Produktion von hohen Produktionsvolumina. Da alle Hielscher Benchtop- und Industrie-Ultraschallsysteme als Cluster installiert werden können, gibt es praktisch keine Begrenzung für die Ultraschallkapazität.

3 Schritte zur erfolgreichen Ultraschallproduktion: Machbarkeitsstudie - Optimierung - Scale-Up (zum Vergrößern anklicken!)

Ultraschall Verarbeitung: Hielscher führt Sie von der Machbarkeitsstudie und Optimierung zur kommerziellen Produktion!

Vorteile mit Ultraschall:

  • hohe Fibrillierung
  • hoher Nanocellulose-Ertrag
  • dünne Fasern
  • dispergierte Fasern
Ultraschallbearbeitung von Nano Cellulose trägt zur Isolierung, Fibrillation, Dispersions- und Formulierung. (Klicken um zu vergrößern!)

Ultraschallverfahren

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Ultrasonic devices such as Hielscher's UP400S are auccefully used to produce nanocellulose

Hielscher's Ultraschall-Laborgerät UP400S (400W, 24kHz)

Literatur

  • E. Abraham, B. Deep, L.A. Pothan, M. Jacob, S. Thomas, U. Cvelbar, R. Anandjiwala (2011): Extraction of nanocellulose fibrils from lignocellulosic fibres: A novel approach. Carbohydrate Polymers 86, 2011. 1468–1475.
  • E. Bittencourt, M. de Camargo (2011): Preliminary Studies on the Production of Nanofibrils of Cellulose from Never Dried Cotton, using Eco-friendly Enzymatic Hydrolysis and High-energy Sonication. 3rd Int’l. Workshop: Advances in Cleaner Production. Sao Paulo, Brazil, May 18th – 20th 2011.
  • L. S. Blachechen, J. P. de Mesquita, E. L. de Paula, F. V. Pereira, D. F. S. Petri (2013): Interplay of colloidal stability of cellulose nanocrystals and their dispersibility in cellulose acetate butyrate matrix. Cellulose 2013.
  • A. Dufresne (2012): Nanocellulose: From Nature to High Performance Tailored Materials. Walter de Gruyter, 2012.
  • M. A. Hubbe; O. J. Rojas; L. A. Lucia, M. Sain (2008): Cellulosic Nanocomposites: A Review. BioResources 3/3, 2008. 929-980.
  • S. P. Mishra, A.-S. Manent, B. Chabot, C. Daneault (2012): Production of Nanocellulose from Native Cellulose – Various Options using Ultrasound. BioResources 7/1, 2012. 422-436.
  • V. K. Thakur (2014): Nanocellulose Polymer Nanocomposites: Fundamentals and Applications. Wiley & Sons, 2014.
  • http://en.wikipedia.org/wiki/Nanocellulose

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Über Nanocellulose

Nanocellulose wird in drei Kategorien unterteilt: Man unterscheidet zwischen mikrofibrillierter Cellulose (MFC), nanokristalliner Cellulose (NCC) und bakterieller Nanocellulose. Bei Letzterer handelt es sich um nanostrukturierte Zellulose, welche von Bakterien produziert wird.
Nanocellulose weist besondere Eigenschaften auf; so wie hat sie außerordentliche Festigkeit und Steifheit, hohe Kristallinität, Thixotropie sowie zahlreiche Hydroxylgruppe auf der Oberfläche. Die besonderen Eigenschaften von Nanocellulose entstehen durch ihr hohes Oberfläche/Masse-Verhältnis.
Nanocellulose wird aufgrund ihrer leichten Verfügbarkeit, Biokompatibilität, biologische Abbaubarkeit und Nachhaltigkeit in Medizin und Pharmazie, in der Elektronik, für Membranen, poröse Materialien, Papier und Nahrungsmittel eingesetzt. Aufgrund seiner starken Eigenschaften ist Nanocellulose ein interessantes Material für verstärkte Kunststoffe, die Verbesserung der mechanischen Eigenschaften von z.B. thermoplastischer Harze, Stärke basierender Matrizen, Sojaprotein, Naturkautschuklatex oder Polylactid. In der Kompositherstellung kommt Nanocellulose in Beschichtungen, Folien, Farben, Schaumstoffe und Verpackungen zum Einsatz. Darüber hinaus ist Nanocellulose eine vielversprechende Zusatzstoff in Aerogelen und Schaumstoffen, homogenen Formulierungen oder in Verbundstoffen/Kompositen.
Abkürzungen:
Nanokristalline Cellulose (NCC)
Cellulose Nanofasern (CNF)
Mikrofibrillierte Cellulose (MFC)
Nanocellulose Whisker (NCW)
Nanokristalline Cellulose (CNC)