Producción ultrasónica de celulosa nanoestructurada

La nanocelulosa, un notable aditivo de alto rendimiento, ha ganado protagonismo por sus versátiles aplicaciones como modificador reológico, agente de refuerzo y componente clave en diversos materiales avanzados. Estas fibrillas nanoestructuradas, derivadas de cualquier fuente que contenga celulosa, pueden aislarse eficazmente mediante homogeneización y molienda ultrasónica de alta potencia. Este proceso, conocido como sonicación, mejora significativamente la fibrilación, lo que da lugar a un mayor rendimiento de nanocelulosa y produce fibras más finas y delgadas. La tecnología ultrasónica supera a los métodos de fabricación convencionales, gracias a su capacidad para generar fuerzas cavitacionales extremas de alto cizallamiento, lo que la convierte en una herramienta excepcional para la producción de nanocelulosa.

Fabricación por ultrasonidos de nanocelulosa

Los ultrasonidos de alta potencia contribuyen a la extracción y el aislamiento de micro y nanocelulosa a partir de diversas fuentes de materiales celulósicos, como la madera, las fibras lignocelulósicas (fibras de celulosa) y los residuos que contienen celulosa.
Para liberar las fibras vegetales del material de partida, se utilizan ultrasonidos. Pulverizar y homogeneización es un método potente y fiable que permite procesar volúmenes muy grandes. La pulpa se introduce en un sonorreactor en línea, donde fuerzas ultrasónicas de alto cizallamiento rompen la estructura celular de la biomasa para que la materia fibrosa quede disponible.

La figura 1 muestra una imagen TEM de “Algodón nunca secado” (NDC) sometido a hidrólisis enzimática y sonicado con un Sonicador tipo sonda UP400S de Hielscher durante 20 minutos.
[Bittencourt et al. 2008].

La figura 2 muestra una imagen SEM de una película de viscosa, sometida a la hidrólisis enzimática, seguida de sonicación con el sonicador Hielscher modelo UP400S.
[Bittencourt et al. 2008].

El tratamiento ultrasónico de la nanocelulosa también puede combinarse con éxito con el tratamiento de fibras oxidadas por TEMPO. En el proceso TEMPO, las nanofibras de celulosa se producen mediante un sistema de oxidación que utiliza 2,2,6,6-tetrametilpiperidinil-1-oxil (TEMPO) como catalizador, y bromuro sódico (NaBr) e hipoclorito sódico (NaOCl). La investigación ha demostrado que la eficacia de la oxidación mejora significativamente cuando ésta se lleva a cabo bajo irradiación ultrasónica.

Dispersión ultrasónica de nanocelulosa

Las dispersiones de nanocelulosa muestran un extraordinario comportamiento reológico debido a su elevada viscosidad a bajas concentraciones de nanocelulosa. Esto convierte a la nanocelulosa en un aditivo muy interesante como modificador reológico, estabilizador y gelificante para diversas aplicaciones, por ejemplo, en la industria de recubrimientos, papelera o alimentaria. Para expresar sus propiedades únicas, la nanocelulosa debe ser
La dispersión ultrasónica es el método ideal para obtener nanocelulosa de tamaño fino y dispersión única. Dado que la nanocelulosa es altamente cizallante, el ultrasonido de potencia es la tecnología preferible para formular suspensiones nanocelulósicas, ya que el acoplamiento de ultrasonidos de alta potencia en líquidos crea fuerzas de cizallamiento extremas.
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Tras la síntesis de celulosa nanocristalina, la nanocelulosa se dispersa a menudo por ultrasonidos en un medio líquido, por ejemplo un disolvente no polar o polar como la dimetilformamida (DMF), para formular un producto final (por ejemplo nanocompuestos, modificadores reológicos, etc.) Como los CNF se utilizan como aditivos en múltiples formulaciones, es crucial una dispersión fiable. La ultrasonicación produce fibrillas estables y uniformemente dispersas.

Deshidratación mejorada por ultrasonidos de nanofibras de celulosa

La deshidratación mejorada por ultrasonidos de nanofibras de celulosa es una técnica de vanguardia que mejora significativamente la eficacia de la eliminación de agua – lo que convierte a las nanofibras de celulosa en un aditivo muy atractivo para la producción de nanopapeles. Las fibras de nanocelulosa suelen requerir una deshidratación prolongada debido a su gran capacidad de retención de agua. Mediante la aplicación de ondas ultrasónicas, este proceso se acelera a través de la generación de intensas fuerzas de cavitación, que interrumpen la matriz de agua y facilitan una expulsión más rápida y uniforme del agua. Esto no sólo reduce el tiempo de secado, sino que también mejora la integridad estructural y las propiedades mecánicas de las nanofibras de celulosa resultantes, lo que lo convierte en un método muy eficaz en la producción de nanopapeles y otros nanomateriales de alta calidad.
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Producción industrial de nanocelulosa mediante ultrasonidos de potencia

Hielscher Ultrasonics ofrece una amplia gama de soluciones ultrasónicas potentes y fiables, desde pequeños ultrasonidos de laboratorio hasta sistemas industriales a gran escala, ideales para el procesamiento comercial de nanocelulosa. La ventaja clave de los sonicadores industriales tipo sonda de Hielscher reside en su capacidad para ofrecer condiciones ultrasónicas óptimas a través de sus sonorreactores de flujo continuo, que se presentan en varios tamaños y geometrías. Estos reactores garantizan que la energía ultrasónica se aplique de forma consistente y uniforme al material de celulosa, lo que conduce a resultados de procesamiento superiores.

Los sonicadores de sobremesa de Hielscher, como el UIP1000hdT, el UIP2000hdT y el UIP4000hdT, son capaces de producir varios kilogramos de nanocelulosa al día, lo que los hace adecuados para las necesidades de producción a mediana escala. Para la producción comercial a gran escala, las unidades industriales completas, como la UIP10000 y la UIP16000hdT, pueden manejar grandes flujos masivos, lo que permite la producción eficiente de grandes volúmenes de nanocelulosa.

Una de las ventajas más significativas de los sistemas de ultrasonidos de Hielscher es su escalabilidad lineal. Tanto los ultrasonidos de sobremesa como los industriales pueden instalarse en grupos, proporcionando una capacidad de procesamiento prácticamente ilimitada, lo que los convierte en la opción ideal para operaciones que requieren un alto rendimiento y un rendimiento fiable en la producción de nanocelulosa.