Επιταχυνόμενη αφυδάτωση νανοϊνών κυτταρίνης για την παραγωγή χαρτιού

Η κατεργασία με υπερήχους σε συνδυασμό με τροποποίηση με γαλακτικό οξύ (LA) αποτελεί μια φιλική προς το περιβάλλον προσέγγιση για την επιτάχυνση της διαδικασίας αφυδάτωσης των νανοϊνών κυτταρίνης (CNFs) για την παραγωγή χαρτιού. Οι νανοΐνες κυτταρίνης είναι γνωστές για την υψηλή κατακράτηση νερού, η οποία προκαλεί σημαντικές καθυστερήσεις στη διαδικασία αποστράγγισης, ένα κρίσιμο στάδιο στην παρασκευή νανοχαρτιού και σε άλλες εφαρμογές νανοκυτταρίνης. Η μέθοδος μειώνει τον χρόνο αποστράγγισης κατά 75%, από 45 λεπτά σε 10 λεπτά, μέσω της εστεροποίησης των υδροξυλομάδων της κυτταρίνης από το γαλακτικό οξύ κατά την κατεργασία με υπερήχους. Αυτή η τροποποίηση μειώνει επίσης το ιξώδες του εναιωρήματος και αποδεικνύεται ότι μπορεί να εφαρμοστεί σε βιομηχανική κλίμακα, προσφέροντας μια πρακτική λύση για την ενίσχυση της αποδοτικότητας και του ρυθμού παραγωγής προϊόντων με βάση τις νανοΐνες κυτταρίνης.

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

Βελτιωμένη απόδοση αφυδάτωσης νανοϊνών κυτταρίνης μέσω τροποποίησης με γαλακτικό οξύ με τη βοήθεια υπερήχων

Οι νανοΐνες κυτταρίνης (CNFs) είναι γνωστές για τα πολυάριθμα οφέλη τους στην παραγωγή χαρτιού, όπως η ενίσχυση της αντοχής και η τροποποίηση της ρεολογίας. Ωστόσο, ένα σημαντικό μειονέκτημα είναι ο υπερβολικά μεγάλος χρόνος που απαιτείται για την αποστράγγιση του νερού από τα εναιωρήματα νανοϊνών κυτταρίνης, ένα κρίσιμο στάδιο στην παρασκευή νανοχαρτιών. Αυτή η πρόκληση δεν επηρεάζει μόνο την παραγωγή νανοχαρτιού, αλλά εμποδίζει επίσης τη βιομηχανική επεξεργασία της νανοκυτταρίνης για την παραγωγή άλλων τελικών προϊόντων. Ο παρατεταμένος χρόνος αποστράγγισης οφείλεται κυρίως στην υψηλή κατακράτηση νερού από τις νανοΐνες κυτταρίνης, η οποία αποτελεί ανασταλτικό παράγοντα για την εμπορική αξιοποίηση προϊόντων που προέρχονται από νανοΐνες κυτταρίνης.
Παρακάτω παρουσιάζουμε τα αποτελέσματα μιας επιστημονικής μελέτης των Sethi και συνεργατών (2018), οι οποίοι ανέπτυξαν μια μέθοδο τροποποίησης των νανοϊνών κυτταρίνης με γαλακτικό οξύ υποβοηθούμενη από υπερήχους, η οποία οδηγεί σε κατά 75% ταχύτερη αφυδάτωση των CNFs και σε βελτιωμένες λειτουργικές ιδιότητες του υλικού.

Τροποποίηση νανοϊνών κυτταρίνης με γαλακτικό οξύ με τη βοήθεια υπερήχων

Για την αντιμετώπιση αυτού του ζητήματος, έχει αναπτυχθεί μια φιλική προς το περιβάλλον προσέγγιση με βάση το νερό, η οποία χρησιμοποιεί ενέργεια κατεργασίας με υπερήχους 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 κατά 75%.
Η διαδικασία τροποποίησης περιλαμβάνει την αραίωση των 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 την ξηρή περιεκτικότητα του εναιωρήματος σε νανοΐνες κυτταρίνης). Οι νανοΐνες, το νερό και το γαλακτικό οξύ αναμειγνύονται με αναδευτήρα υψηλών στροφών στις 1500 rpm για 5 λεπτά και στη συνέχεια υποβάλλονται σε κατεργασία με υπερήχους με μια συσκευή υπερήχων Hielscher UP400S εξοπλισμένη με άκρο τιτανίου (διαμέτρου 22 mm). Η κατεργασία με υπερήχους πραγματοποιείται σε διάφορα επίπεδα ενέργειας, με μέγιστη μεταδιδόμενη ενέργεια 600 J/ml, που αντιστοιχεί σε 10 λεπτά κατεργασίας με υπερήχους.

Επίδραση στον χρόνο αποστράγγισης

Η τροποποίηση με γαλακτικό οξύ και υπερήχους έχει έντονη επίδραση στον χρόνο αποστράγγισης των εναιωρημάτων νανοϊνών κυτταρίνης. Το εναιώρημα αναφοράς απαιτεί περίπου 45 λεπτά για την αφυδάτωση. Μετά την τροποποίηση με γαλακτικό οξύ υποβοηθούμενη από κατεργασία με υπερήχους, ο χρόνος αυτός μειώνεται σε 10 λεπτά, αντιπροσωπεύοντας βελτίωση κατά 75%. Ακόμη και με ήπια κατεργασία με υπερήχους (5 J/ml), ο χρόνος αποστράγγισης μειώνεται στο μισό, σε 23 λεπτά. Ο χρόνος αποστράγγισης μειώνεται με την αύξηση της ενέργειας κατεργασίας με υπερήχους και τελικά σταθεροποιείται περίπου στα 10 λεπτά.
Αυτή η βελτίωση αποδίδεται στην αντικατάσταση των υδρόφιλων υδροξυλομάδων της κυτταρίνης με υδρόφοβα τμήματα του γαλακτικού οξέος. Οι υδροξυλομάδες είναι κυρίως υπεύθυνες για την υψηλή κατακράτηση νερού. Το γαλακτικό οξύ, μέσω της καρβοξυλομάδας του, μπορεί να συμμετάσχει σε αντίδραση εστεροποίησης με τις υδροξυλομάδες της κυτταρίνης κατά την κατεργασία με υπερήχους. Η κατεργασία με υπερήχους δημιουργεί μικροσκοπικές κοιλότητες κενού στο υγρό μέσο, οι οποίες καταρρέουν δημιουργώντας ακραίες συνθήκες (θερμοκρασία 5000 K και πίεση 1000 atm), επαρκείς για την πρόκληση χημικών αντιδράσεων, συμπεριλαμβανομένης της εστεροποίησης.

Ενέργεια κατεργασίας με υπερήχους σε συνάρτηση με τον χρόνο αποστράγγισης (σε λεπτά) για την παρασκευή νανοχαρτιού (αντιστοιχεί στο δείγμα CNF(1)LA).
Ενέργεια κατεργασίας με υπερήχους 100 J/ml αντιστοιχεί σε 100 δευτερόλεπτα κατεργασίας με υπερήχους κ.λπ.
(Μελέτη και εικόνα: ©Sethi et al., 2018)

Μείωση του ιξώδους των εναιωρημάτων νανοϊνών κυτταρίνης

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

Βιομηχανική σημασία της τροποποίησης νανοϊνών κυτταρίνης με υπερήχους

Η μέθοδος τροποποίησης με γαλακτικό οξύ και υπερήχους δεν είναι μόνο αποτελεσματική, αλλά και συμβατή με βιομηχανικές εφαρμογές. Οι συσκευές υπερήχων τεχνολογίας αιχμής της Hielscher, οι οποίες μπορούν να επεξεργαστούν μεγάλους όγκους, μπορούν να εκτελέσουν αποτελεσματικά αυτή την εργασία, καθιστώντας τη μέθοδο κατάλληλη για διεργασίες μεγάλης κλίμακας.
Επιπλέον, αυτή η προσέγγιση επιτρέπει την ενσωμάτωση έως και 10 wt.% νανοϊνών κυτταρίνης σε φύλλα χαρτιού, με την αφυδάτωση να ολοκληρώνεται σε μόλις 2 λεπτά, σε σύγκριση με 23 λεπτά για τις μη τροποποιημένες νανοΐνες κυτταρίνης. Αυτή η σημαντική βελτίωση μπορεί να φέρει επανάσταση στη χρήση των νανοϊνών κυτταρίνης στη χαρτοποιία, ξεπερνώντας ένα από τα σημαντικότερα εμπόδια στην εμπορική τους αξιοποίηση.

Συσκευές υπερήχων για νανοΐνες κυτταρίνης και παραγωγή χαρτιού

Ο παρακάτω πίνακας παρέχει μια ένδειξη της κατά προσέγγιση δυναμικότητας επεξεργασίας των συσκευών υπερήχων τύπου καθετήρα που διαθέτουμε:

Σχεδιασμός, κατασκευή και συμβουλευτικές υπηρεσίες – Ποιότητα γερμανικής κατασκευής

Οι συσκευές υπερήχων της Hielscher είναι γνωστές για τα υψηλότερα πρότυπα ποιότητας και σχεδιασμού τους. Η στιβαρότητα και ο εύκολος χειρισμός επιτρέπουν την ομαλή ενσωμάτωση των συσκευών υπερήχων μας σε βιομηχανικές εγκαταστάσεις. Οι συσκευές υπερήχων της Hielscher ανταποκρίνονται με ευκολία σε αντίξοες συνθήκες και απαιτητικά περιβάλλοντα.

Η Hielscher Ultrasonics είναι μια εταιρεία πιστοποιημένη κατά ISO και δίνει ιδιαίτερη έμφαση σε συσκευές υπερήχων υψηλών επιδόσεων που διαθέτουν τεχνολογία αιχμής και είναι φιλικές προς τον χρήστη. Φυσικά, οι συσκευές υπερήχων της Hielscher συμμορφώνονται με τις απαιτήσεις CE και πληρούν τις απαιτήσεις των UL, CSA και RoHs.