Επιταχυνόμενη αφυδάτωση νανοϊνών κυτταρίνης για την παραγωγή χαρτιού

Κατεργασία με υπερήχους σε συνδυασμό με τροποποίηση γαλακτικού οξέος (LA) είναι μια φιλική προς το περιβάλλον προσέγγιση για την επιτάχυνση της διαδικασίας αφυδάτωσης νανοϊνών κυτταρίνης (CNF) για την παραγωγή χαρτιού. Οι νανοΐνες κυτταρίνης είναι γνωστές για την υψηλή κατακράτηση νερού, προκαλώντας σημαντικές καθυστερήσεις στη διαδικασία αποστράγγισης, ένα κρίσιμο βήμα στην προετοιμασία νανοχαρτιού και άλλες εφαρμογές νανοκυτταρίνης. Η μέθοδος μειώνει το χρόνο αποστράγγισης κατά 75%, από 45 λεπτά σε 10 λεπτά, μέσω της εστεροποίησης υδροξυλομάδων κυτταρίνης με γαλακτικό οξύ υπό υπερήχους. Αυτή η τροποποίηση μειώνει επίσης το ιξώδες της ανάρτησης και αποδεικνύεται βιομηχανικά επεκτάσιμη, προσφέροντας μια πρακτική λύση για την ενίσχυση της αποτελεσματικότητας και του ρυθμού παραγωγής προϊόντων με βάση τις νανοΐνες κυτταρίνης.

Ταχεία αφυδάτωση νανοϊνών κυτταρίνης τροποποιημένων με γαλακτικό οξύ υπό υπερήχους
(Μελέτη και εικόνα: ©Sethi et al., 2018)

Ενισχυμένη αποτελεσματικότητα αφυδάτωσης των νανοϊνών κυτταρίνης μέσω υπερήχων τροποποίησης γαλακτικού οξέος

Οι νανοΐνες κυτταρίνης (CNFs) φημίζονται για τα πολυάριθμα οφέλη τους στην παραγωγή χαρτιού, όπως η ενίσχυση της αντοχής και η τροποποίηση της ρεολογίας. Ωστόσο, ένα σημαντικό μειονέκτημα είναι ο υπερβολικός χρόνος που απαιτείται για την αποστράγγιση του νερού από εναιωρήματα νανοϊνών κυτταρίνης, ένα κρίσιμο βήμα για την προετοιμασία νανοχαρτιών. Η πρόκληση αυτή δεν επηρεάζει μόνο την παραγωγή νανοχαρτιού, αλλά εμποδίζει επίσης τη βιομηχανική επεξεργασία νανοκυτταρίνης σε άλλα τελικά προϊόντα. Ο παρατεταμένος χρόνος αποστράγγισης οφείλεται κυρίως στην υψηλή κατακράτηση νερού από νανοΐνες κυτταρίνης, η οποία αποτελεί εμπόδιο στην εμπορευματοποίηση προϊόντων που προέρχονται από νανοΐνες κυτταρίνης.
Παρακάτω, σας παρουσιάζουμε τα αποτελέσματα μιας επιστημονικής μελέτης από τον Sethi και τους συνεργάτες του (2018), οι οποίοι ανέπτυξαν μια υπερηχητικά υποβοηθούμενη τροποποίηση γαλακτικού οξέος των νανοϊνών κυτταρίνης, η οποία οδηγεί σε 75% ταχύτερη αφυδάτωση των CNF και βελτιωμένες λειτουργίες υλικών.

Υπερήχων τροποποίηση των νανοϊνών κυτταρίνης με γαλακτικό οξύ

Για την αντιμετώπιση αυτού του ζητήματος, έχει αναπτυχθεί μια φιλική προς το περιβάλλον, βασισμένη στο νερό προσέγγιση που περιλαμβάνει ενέργεια υπερήχων και γαλακτικό οξύ (LA) για την τροποποίηση της επιφάνειας των νανοϊνών κυτταρίνης. Αυτή η μέθοδος επιταχύνει σημαντικά τη διαδικασία αφυδάτωσης, μειώνοντας τον χρόνο αποστράγγισης έως και 75%.
Η διαδικασία τροποποίησης περιλαμβάνει την αραίωση εναιωρημάτων νανοϊνών κυτταρίνης σε συγκέντρωση 0,35 wt% και την προσθήκη γαλακτικού οξέος σε διάφορες ποσότητες σε σχέση με την ξηρή περιεκτικότητα σε νανοΐνες κυτταρίνης (0,5 φορές, 1 φορά, 5 φορές και 10 φορές της ξηρής περιεκτικότητας σε νανοΐνες κυτταρίνης σε εναιώρημα). Οι νανοΐνες, το νερό και το γαλακτικό οξύ αναμιγνύονται χρησιμοποιώντας έναν αναδευτήρα υψηλής ταχύτητας στις 1500 σ.α.λ. για 5 λεπτά και στη συνέχεια υποβάλλονται σε υπερήχους με έναν υπερήχων Hielscher UP400S εξοπλισμένο με άκρη τιτανίου (διαμέτρου 22 mm). Η υπερήχηση διεξάγεται σε διάφορα επίπεδα ενέργειας, με μέγιστη μεταδιδόμενη ενέργεια 600 J / ml, που αντιστοιχεί σε 10 λεπτά υπερήχων.

Επιπτώσεις στον χρόνο αποστράγγισης

Η τροποποίηση υπερήχων-γαλακτικού οξέος έχει βαθύ αντίκτυπο στον χρόνο αποστράγγισης των εναιωρημάτων νανοϊνών κυτταρίνης. Το εναιώρημα αναφοράς διαρκεί περίπου 45 λεπτά για την αφυδάτωση. Μετά από τροποποίηση γαλακτικού οξέος με υπερήχους, αυτή τη φορά μειώνεται σε 10 λεπτά, αντιπροσωπεύοντας βελτίωση 75%. Ακόμη και με ήπια υπερήχηση (5 J / ml), ο χρόνος αποστράγγισης μειώνεται κατά το ήμισυ σε 23 λεπτά. Ο χρόνος αποστράγγισης μειώνεται με την αύξηση της ενέργειας με υπερήχους, φτάνοντας τελικά σε ένα οροπέδιο σε περίπου 10 λεπτά.
Η βελτίωση αυτή αποδίδεται στην αντικατάσταση υδρόφιλων υδροξυλομάδων κυτταρίνης με υδρόφοβα τμήματα γαλακτικού οξέος. Οι ομάδες υδροξυλίου είναι κυρίως υπεύθυνες για την υψηλή κατακράτηση νερού. Το γαλακτικό οξύ, με την καρβοξυλική του ομάδα, μπορεί να συμμετάσχει σε μια αντίδραση εστεροποίησης με τις υδροξυλομάδες κυτταρίνης υπό υπερήχους. Κατεργασία με υπερήχους δημιουργεί μικροσκοπικές κοιλότητες κενού στο υγρό μέσο, οι οποίες καταρρέουν για να παράγουν ακραίες συνθήκες (θερμοκρασία 5000 K και πίεση 1000 atm), επαρκείς για να προκαλέσουν χημικές αντιδράσεις, συμπεριλαμβανομένης της εστεροποίησης.

Ενέργεια με υπερήχους έναντι χρόνου αποστράγγισης (σε λεπτά) για την προετοιμασία νανοχαρτιού (που αντιστοιχεί στο δείγμα CNF(1)LA).
100 J / ml ενέργειας υπερήχων αντιστοιχεί σε 100 δευτερόλεπτα υπερήχων, κλπ.
(Μελέτη και εικόνα: ©Sethi et al., 2018)

Μείωση ιξώδους εναιωρημάτων νανοϊνών κυτταρίνης

Η ενέργεια με υπερήχους συμβάλλει επίσης στη μείωση του ιξώδους των εναιωρημάτων νανοϊνών κυτταρίνης. Το ιξώδες είναι αντιστρόφως ανάλογο με την ενέργεια υπερήχων, με το χαμηλότερο ιξώδες να παρατηρείται στα 600 J / ml, ακολουθούμενο από 300 J / ml και 60 J / ml. Αυτή η μείωση του ιξώδους βοηθά περαιτέρω στη βελτίωση της αποτελεσματικότητας της αφυδάτωσης.

Βιομηχανική σημασία της τροποποίησης νανοϊνών κυτταρίνης υπερήχων

Η μέθοδος τροποποίησης υπερήχων-γαλακτικού οξέος δεν είναι μόνο αποτελεσματική αλλά και συμβατή με βιομηχανικές εφαρμογές. Hielscher state-of-the-art υπερήχων ικανοί να χειρίζονται επεξεργασία μεγάλου όγκου μπορούν να ολοκληρώσουν αποτελεσματικά την εργασία, καθιστώντας αυτή τη μέθοδο κατάλληλη για λειτουργίες μεγάλης κλίμακας.
Επιπλέον, αυτή η προσέγγιση επιτρέπει την ενσωμάτωση έως και 10% κ.β. νανοϊνών κυτταρίνης σε φύλλα χαρτιού, με την αφυδάτωση να ολοκληρώνεται σε μόλις 2 λεπτά, σε σύγκριση με 23 λεπτά για μη τροποποιημένες νανοΐνες κυτταρίνης. Αυτή η σημαντική βελτίωση μπορεί να φέρει επανάσταση στη χρήση νανοϊνών κυτταρίνης στη χαρτοποιία, ξεπερνώντας ένα από τα σημαντικότερα εμπόδια στην εμπορευματοποίησή τους.

Υπερήχων για κυτταρίνη, νανοΐνες και παραγωγή χαρτιού

Ο παρακάτω πίνακας σας δίνει μια ένδειξη της κατά προσέγγιση ικανότητας επεξεργασίας των υπερήχων τύπου ανιχνευτή μας:

Σχεδιασμός, Κατασκευή και Συμβουλευτική – Ποιότητα Made in Germany

Hielscher υπερήχων είναι γνωστή για την υψηλότερη ποιότητα και τα πρότυπα σχεδιασμού τους. Η ευρωστία και η εύκολη λειτουργία επιτρέπουν την ομαλή ενσωμάτωση των υπερήχων μας σε βιομηχανικές εγκαταστάσεις. Οι σκληρές συνθήκες και τα απαιτητικά περιβάλλοντα αντιμετωπίζονται εύκολα από τους υπερήχους Hielscher.

Hielscher Υπέρηχοι είναι μια πιστοποιημένη εταιρεία ISO και δίνουν ιδιαίτερη έμφαση σε υψηλής απόδοσης υπερήχων που διαθέτουν state-of-the-art τεχνολογία και φιλικότητα προς το χρήστη. Φυσικά, Hielscher υπερήχων είναι CE συμβατό και πληρούν τις απαιτήσεις των UL, CSA και RoHs.