Παραγωγή νανοδομημένης κυτταρίνης με υπερήχους
Η νανοκυτταρίνη, ένα αξιοσημείωτο πρόσθετο υψηλών επιδόσεων, έχει αποκτήσει σημαντική θέση χάρη στις ποικίλες εφαρμογές της ως τροποποιητής ρεολογίας, ενισχυτικός παράγοντας και βασικό συστατικό διαφόρων προηγμένων υλικών. Αυτά τα νανοδομημένα ινίδια, που προέρχονται από οποιαδήποτε πηγή περιέχει κυτταρίνη, μπορούν να απομονωθούν αποτελεσματικά μέσω ομογενοποίησης και άλεσης με υπερήχους υψηλής ισχύος. Η διαδικασία αυτή, γνωστή ως κατεργασία με υπερήχους, ενισχύει σημαντικά την ινιδοποίηση, αυξάνοντας την απόδοση σε νανοκυτταρίνη και παράγοντας λεπτότερες ίνες μικρότερης διαμέτρου. Η τεχνολογία υπερήχων υπερτερεί των συμβατικών μεθόδων παραγωγής χάρη στην ικανότητά της να δημιουργεί εξαιρετικά υψηλές δυνάμεις διάτμησης μέσω σπηλαίωσης, γεγονός που την καθιστά εξαιρετικό εργαλείο για την παραγωγή νανοκυτταρίνης.
Παραγωγή νανοκυτταρίνης με υπερήχους
Οι υπέρηχοι υψηλής ισχύος συμβάλλουν στην εκχύλιση και την απομόνωση μικροκυτταρίνης και νανοκυτταρίνης από διάφορες πηγές κυτταρινούχων υλικών, όπως το ξύλο, οι λιγνοκυτταρινούχες ίνες (ίνες χαρτοπολτού) και τα υπολείμματα που περιέχουν κυτταρίνη.
Για την απελευθέρωση των φυτικών ινών από την πρώτη ύλη, η άλεση με υπερήχους και η ομογενοποίηση με υπερήχους αποτελούν μια ισχυρή και αξιόπιστη μέθοδο που επιτρέπει την επεξεργασία πολύ μεγάλων όγκων. Ο πολτός τροφοδοτείται σε έναν αντιδραστήρα υπερήχων εντός της γραμμής επεξεργασίας, όπου οι υψηλές δυνάμεις διάτμησης που προκαλούνται από τους υπερήχους διαρρηγνύουν την κυτταρική δομή της βιομάζας, καθιστώντας διαθέσιμη την ινιδώδη ύλη.
Οι πολφοί νανοκυτταρίνης διασπείρονται αξιόπιστα με κατεργασία με υπερήχους. Η εικόνα δείχνει τον επεξεργαστή υπερήχων υψηλών επιδόσεων UIP2000hdT σε διάταξη επεξεργασίας παρτίδων.
[Bittencourt et al. 2008]
Εικόνα ηλεκτρονικής μικροσκοπίας διέλευσης (TEM) από «Βαμβάκι που δεν έχει υποστεί ποτέ ξήρανση» (NDC), το οποίο υποβλήθηκε σε ενζυμική υδρόλυση και κατεργασία με υπερήχους με τον επεξεργαστή υπερήχων UP400S της Hielscher για 20 λεπτά. [Bittencourt et al. 2008]
Η Εικόνα 2 παρακάτω δείχνει μια εικόνα ηλεκτρονικής μικροσκοπίας σάρωσης (SEM) ενός υμενίου βισκόζης, το οποίο υποβλήθηκε σε ενζυμική υδρόλυση και στη συνέχεια σε κατεργασία με υπερήχους με τον επεξεργαστή υπερήχων της Hielscher, μοντέλο UP400S.
[Bittencourt et al. 2008]
Εικόνα ηλεκτρονικής μικροσκοπίας σάρωσης (SEM) ενός υμενίου βισκόζης, το οποίο υποβλήθηκε σε ενζυμική υδρόλυση και στη συνέχεια σε κατεργασία με υπερήχους με το UP400S [Bittencourt et al. 2008]
Η επεξεργασία νανοκυτταρίνης με υπερήχους μπορεί επίσης να συνδυαστεί επιτυχώς με την κατεργασία ινών οξειδωμένων με TEMPO. Στη διεργασία TEMPO, οι νανοΐνες κυτταρίνης παράγονται με ένα σύστημα οξείδωσης που χρησιμοποιεί 2,2,6,6-τετραμεθυλοπιπεριδινυλο-1-οξύλιο (TEMPO) ως καταλύτη, καθώς και βρωμιούχο νάτριο (NaBr) και υποχλωριώδες νάτριο (NaOCl). Η έρευνα έχει αποδείξει ότι η απόδοση της οξείδωσης βελτιώνεται σημαντικά όταν η οξείδωση πραγματοποιείται υπό υπερηχητική ακτινοβόληση.
Διασπορά νανοκυτταρίνης με υπερήχους
Οι διασπορές νανοκυτταρίνης παρουσιάζουν εξαιρετική ρεολογική συμπεριφορά λόγω του υψηλού ιξώδους τους σε χαμηλές συγκεντρώσεις νανοκυτταρίνης. Αυτό καθιστά τη νανοκυτταρίνη ένα πολύ ενδιαφέρον πρόσθετο ως τροποποιητή ρεολογίας, σταθεροποιητή και πηκτωματοποιητή για διάφορες εφαρμογές, π.χ. στη βιομηχανία επιστρώσεων, χαρτιού ή τροφίμων. Για να εκδηλώσει τις μοναδικές της ιδιότητες, η νανοκυτταρίνη πρέπει να είναι
Η διασπορά με υπερήχους είναι η ιδανική μέθοδος για την παραλαβή νανοκυτταρίνης μικρού μεγέθους, διασπαρμένης σε μεμονωμένες μονάδες. Καθώς η νανοκυτταρίνη παρουσιάζει έντονη μείωση του ιξώδους υπό διάτμηση, οι υπέρηχοι ισχύος αποτελούν την προτιμώμενη τεχνολογία για την παρασκευή εναιωρημάτων νανοκυτταρίνης, καθώς η σύζευξη υπερήχων υψηλής ισχύος στα υγρά δημιουργεί εξαιρετικά υψηλές δυνάμεις διάτμησης.
Κάντε κλικ εδώ για να μάθετε περισσότερα για τη σπηλαίωση που προκαλείται από υπερήχους στα υγρά!
Μετά τη σύνθεση νανοκρυσταλλικής κυτταρίνης, η νανοκυτταρίνη συχνά διασπείρεται με υπερήχους σε ένα υγρό μέσο, π.χ. σε έναν μη πολικό ή πολικό διαλύτη όπως το διμεθυλοφορμαμίδιο (DMF), για την παρασκευή ενός τελικού προϊόντος (π.χ. νανοσύνθετων υλικών, τροποποιητή ρεολογίας κ.λπ.). Καθώς οι νανοΐνες κυτταρίνης (CNFs) χρησιμοποιούνται ως πρόσθετα σε πολυάριθμες συνθέσεις, η αξιόπιστη διασπορά είναι καθοριστικής σημασίας. Η κατεργασία με υπερήχους παράγει σταθερά και ομοιόμορφα διασπαρμένα ινίδια.
Αυτοσυναρμολόγηση νανοκρυστάλλων κυτταρίνης με υπερήχους
Η κατεργασία με υπερήχους διαδραματίζει σημαντικό διευκολυντικό ρόλο στη σύνθεση και την επεξεργασία νανοκρυστάλλων κυτταρίνης (CNCs), διασπώντας συσσωματώματα που προκύπτουν από την υδρόλυση, διασπείροντας δεσμίδες και παράγοντας πιο ομοιόμορφα εναιωρήματα με αναπαραγώγιμες αλληλεπιδράσεις μεταξύ των σωματιδίων. Αν και οι CNCs παράγονται συνήθως με όξινη υδρόλυση, το προκύπτον υλικό συχνά περιέχει συσσωματωμένες περιοχές που μπορούν να παρεμποδίσουν την αξιόπιστη αυτοοργάνωση και να οδηγήσουν σε διακυμάνσεις της ρεολογίας και των οπτικών ιδιοτήτων μεταξύ παρτίδων. Η εφαρμογή ελεγχόμενης ενέργειας υπερήχων μετά τη σύνθεση βελτιώνει την ποιότητα της διασποράς και συμβάλλει στην τυποποίηση της μορφολογίας των CNCs, η οποία είναι κρίσιμη για τη συνεπή χοληστερική διάταξη, την προβλέψιμη συμπεριφορά σχηματισμού γέλης και την παραγωγή λειτουργικών υλικών με βάση τους CNCs με δυνατότητα κλιμάκωσης. Μάθετε περισσότερα για την αυτοοργάνωση των CNCs που προάγεται με υπερήχους!
Βελτιωμένη αφυδάτωση νανοϊνών κυτταρίνης με υπερήχους
Η ενισχυμένη με υπερήχους αφυδάτωση των νανοϊνών κυτταρίνης είναι μια τεχνική αιχμής που βελτιώνει σημαντικά την αποδοτικότητα της απομάκρυνσης του νερού – καθιστώντας τις νανοΐνες κυτταρίνης ένα ιδιαίτερα ελκυστικό πρόσθετο για την παραγωγή νανοχαρτιού. Οι ίνες νανοκυτταρίνης απαιτούν συνήθως χρονοβόρα αφυδάτωση λόγω της υψηλής ικανότητάς τους να συγκρατούν νερό. Με την εφαρμογή υπερηχητικών κυμάτων, η διαδικασία αυτή επιταχύνεται μέσω της δημιουργίας έντονων δυνάμεων σπηλαίωσης, οι οποίες διαταράσσουν τη μήτρα του νερού και διευκολύνουν την ταχύτερη και πιο ομοιόμορφη αποβολή του. Αυτό όχι μόνο μειώνει τον χρόνο ξήρανσης, αλλά ενισχύει και τη δομική ακεραιότητα και τις μηχανικές ιδιότητες των νανοϊνών κυτταρίνης που προκύπτουν, καθιστώντας την τεχνική μια ιδιαίτερα αποτελεσματική μέθοδο για την παραγωγή νανοχαρτιών υψηλής ποιότητας και άλλων νανοϋλικών.
Μάθετε περισσότερα για την αφυδάτωση νανοχαρτιού με υπερήχους!
Βιομηχανική παραγωγή νανοκυτταρίνης με χρήση υπερήχων ισχύος
Η Hielscher Ultrasonics προσφέρει μια ολοκληρωμένη γκάμα ισχυρών και αξιόπιστων λύσεων υπερήχων, από μικρές συσκευές υπερήχων εργαστηριακής κλίμακας έως βιομηχανικά συστήματα μεγάλης κλίμακας, ιδανικών για την εμπορική επεξεργασία νανοκυτταρίνης. Το βασικό πλεονέκτημα των βιομηχανικών συσκευών υπερήχων τύπου ακίδας της Hielscher έγκειται στην ικανότητά τους να παρέχουν βέλτιστες συνθήκες υπερήχων μέσω των ηχοαντιδραστήρων συνεχούς ροής τους, οι οποίοι διατίθενται σε διάφορα μεγέθη και γεωμετρίες. Οι αντιδραστήρες αυτοί διασφαλίζουν ότι η ενέργεια των υπερήχων εφαρμόζεται με συνέπεια και ομοιομορφία στο κυτταρινικό υλικό, οδηγώντας σε ανώτερα αποτελέσματα επεξεργασίας.
Οι επιτραπέζιες συσκευές υπερήχων της Hielscher, όπως οι UIP1000hdT, UIP2000hdT και UIP4000hdT, μπορούν να παράγουν αρκετά κιλά νανοκυτταρίνης καθημερινά, γεγονός που τις καθιστά κατάλληλες για τις ανάγκες παραγωγής μεσαίας κλίμακας. Για εμπορική παραγωγή μεγάλης κλίμακας, οι πλήρως βιομηχανικές μονάδες, όπως οι UIP10000 και UIP16000hdT, μπορούν να διαχειριστούν μεγάλες ροές μάζας, επιτρέποντας την αποδοτική παραγωγή μεγάλων όγκων νανοκυτταρίνης.
Ένα από τα σημαντικότερα πλεονεκτήματα των συστημάτων υπερήχων της Hielscher είναι η δυνατότητα γραμμικής κλιμάκωσής τους. Τόσο οι επιτραπέζιες όσο και οι βιομηχανικές συσκευές υπερήχων μπορούν να εγκατασταθούν σε συστοιχίες, παρέχοντας πρακτικά απεριόριστη δυναμικότητα επεξεργασίας, γεγονός που τις καθιστά ιδανική επιλογή για εγκαταστάσεις που απαιτούν υψηλή παραγωγικότητα και αξιόπιστη απόδοση στην παραγωγή νανοκυτταρίνης.
Επεξεργασία με υπερήχους: Η Hielscher σας καθοδηγεί από τη μελέτη σκοπιμότητας και τη βελτιστοποίηση έως την εμπορική παραγωγή!
- υψηλός βαθμός ινιδοποίησης
- υψηλή απόδοση σε νανοκυτταρίνη
- λεπτές ίνες
- ξεμπλεγμένες ίνες
Επεξεργασία με υπερήχους
Η εργαστηριακή συσκευή υπερήχων της Hielscher UP400S (400W, 24kHz)
Ο παρακάτω πίνακας σας δίνει μια ένδειξη της κατά προσέγγιση δυναμικότητας επεξεργασίας των συσκευών υπερήχων μας:
| Όγκος παρτίδας | Παροχή | Συνιστώμενες συσκευές |
|---|---|---|
| 0,5 έως 1,5mL | n.a. | VialTweeter |
| 1 έως 500mL | 10 έως 200mL/min | UP100H |
| 10 έως 2000mL | 20 έως 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 έως 20L | 0,2 έως 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 έως 100L | 2 έως 10L/min | UIP4000hdT |
| 15 έως 150L | 3 έως 15L/min | UIP6000hdT |
| n.a. | 10 έως 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | μεγαλύτερη | συστοιχία συσκευών UIP16000 |
Τι είναι η νανοκυτταρίνη;
Η νανοκυτταρίνη περιλαμβάνει διάφορους τύπους νανοϊνών κυτταρίνης (CNF), οι οποίοι διακρίνονται σε μικροϊνιδωμένη κυτταρίνη (MFC), νανοκρυσταλλική κυτταρίνη (NCC) και βακτηριακή νανοκυτταρίνη. Η τελευταία αναφέρεται στη νανοδομημένη κυτταρίνη που παράγεται από βακτήρια.
Η νανοκυτταρίνη παρουσιάζει εξαιρετικές ιδιότητες, όπως ασυνήθιστα υψηλή αντοχή και ακαμψία, υψηλή κρυσταλλικότητα, θιξοτροπία, καθώς και υψηλή συγκέντρωση υδροξυλομάδων στην επιφάνειά της. Πολλά από τα χαρακτηριστικά υψηλών επιδόσεων της νανοκυτταρίνης οφείλονται στον υψηλό λόγο επιφάνειας προς μάζα.
Οι νανοκυτταρίνες χρησιμοποιούνται ευρέως στην ιατρική και τη φαρμακευτική, την ηλεκτρονική, τις μεμβράνες, τα πορώδη υλικά, το χαρτί και τα τρόφιμα λόγω της διαθεσιμότητας, της βιοσυμβατότητας, της βιοαποδομησιμότητας και της βιωσιμότητάς τους. Λόγω των χαρακτηριστικών υψηλών επιδόσεών της, η νανοκυτταρίνη αποτελεί ενδιαφέρον υλικό για την ενίσχυση πλαστικών και τη βελτίωση των μηχανικών ιδιοτήτων, π.χ. θερμοσκληρυνόμενων ρητινών, μητρών με βάση το άμυλο, πρωτεΐνης σόγιας, λατέξ καουτσούκ ή πολυλακτιδίου. Σε εφαρμογές σύνθετων υλικών, η νανοκυτταρίνη χρησιμοποιείται για επιστρώσεις και υμένια, χρώματα, αφρούς και συσκευασίες. Επιπλέον, η νανοκυτταρίνη αποτελεί πολλά υποσχόμενο συστατικό για την παρασκευή αεροπηκτωμάτων και αφρών, είτε σε ομοιογενείς συνθέσεις είτε σε σύνθετα υλικά.
Συντομογραφίες:
Νανοκρυσταλλική κυτταρίνη (NCC)
Νανοΐνες κυτταρίνης (CNF)
Μικροϊνιδωμένη κυτταρίνη (MFC)
Βελονοειδείς κρύσταλλοι νανοκυτταρίνης (NCW)
Νανοκρύσταλλοι κυτταρίνης (CNC)
Βιβλιογραφία / Αναφορές
- 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.
- Matjaž Kunaver, Alojz Anžlovar, Ema Žagar (2016): The fast and effective isolation of nanocellulose from selected cellulosic feedstocks. Carbohydrate Polymers, Volume 148, 2016. 251-258.
- http://en.wikipedia.org/wiki/Nanocellulose