Ultraschall-Produktion von Nanocellulose

Nanocellulose, Zusatzstoff, hat durch seine vielseitigen Anwendungen als Rheologiemodifikator, Verstärkungsmittel und Schlüsselkomponente in verschiedenen Hochleistungs-Materialien an Bedeutung gewonnen. Diese nanostrukturierten Fibrillen, die aus jeder zellulosehaltigen Quelle stammen, können durch Ultraschallhomogenisierung effizient isoliert werden. Dieser als Beschallung bezeichnete Prozess verbessert die Fibrillierung erheblich, was zu einer höheren Ausbeute an Nanocellulose führt und feinere, dünnere Fasern ergibt. Die Ultraschalltechnologie übertrifft herkömmliche Herstellungsverfahren dank ihrer Fähigkeit, extreme Kavitations- und Scherkräfte zu erzeugen, wodurch sie zu einer außergewöhnlich effizienten Technik für die Nanocelluloseproduktion wird.

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), das einer enzymatischen Hydrolyse unterzogen und mit dem Sonicator Hielscher Sonicator UP400S für 20 Minuten beschallt wurde.
[Bittencourt et al. 2008]

Abb. 2 zeigt die SEM-Aufnahme eines Viskosefilms, welcher mit enzymatische Hydrolyse und anschließend mit dem Ultraschallgerät das Hielscher Sonicator Modell UP400S.
[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.

Ultraschall-Dispergierung von Nanocellulose

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 Ultraschalldispergierung ist die ideale Methode zur Gewinnung feiner, einzeln dispergierter Nanocellulose. Da Nanocellulose stark scherverdünnend ist, ist Leistungsultraschall die bevorzugte Technologie zur Formulierung von Nanocellulosesuspensionen, da die Einkopplung von Hochleistungsultraschall in Flüssigkeiten extreme Scherkräfte erzeugt.
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Nach der Synthese von nanokristalliner Cellulose wird diese häufig mit Ultraschall in einem flüssigen Medium, z. B. einem unpolaren oder polaren Lösungsmittel wie Dimethylformamid (DMF), dispergiert, um ein Endprodukt zu formulieren (z. B. Nanokomposite, rheologische Modifikatoren usw.). Da CNFs als Zusatzstoffe in vielfältigen Formulierungen verwendet werden, ist eine zuverlässige Dispergierung von entscheidender Bedeutung. Die Ultraschallbehandlung erzeugt stabile und gleichmäßig dispergierte Fibrillen.

Verbesserte Entwässerung von Cellulose-Nanofasern durch Ultraschall

Die ultraschallunterstützte Entwässerung von Zellulose-Nanofasern ist eine hochmoderne Technik, die die Effizienz der Wasserentfernung erheblich verbessert – was Cellulose-Nanofasern zu einem äußerst attraktiven Zusatzstoff für die Herstellung von Nanopapier macht. Nanocellulosefasern erfordern aufgrund ihres hohen Wasserrückhaltevermögens normalerweise eine zeitintensive Entwässerung. Durch die Anwendung von Ultraschallwellen wird dieser Prozess durch die Erzeugung intensiver Kavitationskräfte beschleunigt, die die Wassermatrix aufbrechen und einen schnelleren und gleichmäßigeren Wasseraustritt ermöglichen. Dadurch wird nicht nur die Trocknungszeit verkürzt, sondern auch die strukturelle Integrität und die mechanischen Eigenschaften der entstehenden Zellulose-Nanofasern verbessert, was diese Methode zu einem äußerst effektiven Verfahren für die Herstellung von hochwertigen Nanopapieren und anderen Nanomaterialien macht.
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Industrielle Nanocelluloseproduktion mit Leistungsultraschall

Hielscher Ultrasonics bietet ein umfassendes Angebot an leistungsstarken und zuverlässigen Ultraschalllösungen, von kleinen Ultraschallgeräten im Labormaßstab bis hin zu industriellen Großanlagen, die sich ideal für die kommerzielle Verarbeitung von Nanocellulose eignen. Der Hauptvorteil der Hielscher Industrie-Somikatoren liegt in ihrer Fähigkeit, optimale Ultraschallbedingungen im Durchflussreaktor zu schaffen. Diese Sonoreaktoren sind in verschiedenen Größen und Geometrien erhältlich. In diesen Reaktoren kann die Ultraschallenergie konstant und gleichmäßig auf das Zellulosematerial einwirken, was zu hervorragenden Verarbeitungsergebnissen führt.

Hielscher Bench-top-Sonikatoren wie der UIP1000hdT, der UIP2000hdT und der UIP4000hdT können mehrere Kilogramm Nanocellulose pro Tag produzieren und eignen sich damit für mittlere Produktionsanforderungen. Für die kommerzielle Produktion im großen Maßstab können die vollwertigen Industrieanlagen wie die UIP10000 und UIP16000hdT umfangreiche Massenströme verarbeiten und ermöglichen so die effiziente Produktion großer Mengen von Nanozellulose.

Einer der wichtigsten Vorteile der Hielscher-Ultraschallsysteme ist ihre lineare Skalierbarkeit. Sowohl Tisch- als auch Industrie-Ultraschallgeräte können in Clustern installiert werden und bieten eine praktisch unbegrenzte Verarbeitungskapazität, was sie zur idealen Wahl für Betriebe macht, die einen hohen Durchsatz und eine zuverlässige Leistung bei der Herstellung von Nanocellulose benötigen.