Producción ultrasónica de celulosa nanoestructurada

  • La nanocelulosa es un aditivo de alto rendimiento que se utiliza con éxito como modificador reológico, agente de refuerzo y aditivo en múltiples materiales y aplicaciones de alto rendimiento.
  • Las fibrillas nanoestructuradas pueden aislarse muy eficazmente de cualquier fuente que contenga celulosa mediante homogeneización ultrasónica de alta potencia y molienda.
  • Mediante la sonicación, se puede conseguir un mayor grado de fibrilación, un mayor rendimiento de nanocelulosa y fibras más finas.
  • La tecnología ultrasónica supera a los métodos convencionales de fabricación de nanocelulosa gracias a las fuerzas cavitacionales extremas de alto cizallamiento.

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 Hielscher's UP400S durante 20 minutos. [Bittencourt et al. 2008].

Nanocellulose shows outstanding properties due to its high surface/mass ratio. Hielscher's ultrasound technology is a reliable and efficient method to produce nanocellulose and cellulose nanocrystals.

Imagen TEM de “Algodón nunca secado” (NDC) sometido a hidrólisis enzimática y sonicado con 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 UP400S. [Bittencourt et al. 2008].

Producción por ultrasonidos de compuestos nanocelulósicos.

Imagen SEM de una película de viscosa, sometida a hidrólisis enzimática, seguida de sonicación con UP400S [Bittencourt et al. 2008].

El procesado ultrasónico de 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 realiza bajo irradiación ultrasónica.

dispersión ultrasónica

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. Como la nanocelulosa es altamente Fluidos pseudoplásticosEl ultrasonido es la tecnología preferible para formular suspensiones nanocelulósicas, ya que el acoplamiento de ultrasonidos de alta potencia en líquidos crea fuerzas de cizallamiento extremas. (Haga clic aquí para obtener más información sobre la cavitación ultrasónica en líquidos.)
Después de la síntesis de la celulosa nanocristalina, la nanocelulosa se somete a ultrasonidos. dispersado 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.

Procesado industrial por ultrasonidos

Hielscher Ultrasonics suministra tecnología ultrasónica potente y fiable desde pequeñas ultrasonidos de laboratorio a sistemas de sobremesa y sistemas equipamiento de plantas industriales. En los sonorreactores de flujo continuo de Hielscher, disponibles en diferentes tamaños y geometrías, se consiguen unas condiciones óptimas de ultrasonidos, ya que las condiciones de reacción optimizadas se aplican de forma focalizada y uniforme a la materia celulósica.
Con los aparatos ultrasónicos de sobremesa de Hielscher, como el UIP1000hdT, UIP2000hdT o UIP4000hdTSe pueden producir fácilmente varios kilogramos de nanocelulosa al día. Las unidades industriales completas, como la UIP10000 y UIP16000 manejan flujos de masas muy grandes y permiten la producción comercial completa de grandes volúmenes de producción. Dado que todos los ultrasonidos industriales y de sobremesa de Hielscher pueden instalarse como clústeres, la capacidad de proceso por ultrasonidos es prácticamente ilimitada.

3 pasos hasta el éxito mediante el procesamiento por ultrasonidos: viabilidad - optimización - escalado (clic para ampliar)

Procesado por ultrasonidos: Hielscher le guía desde la viabilidad y optimización hasta la producción comercial.

Beneficios de los ultrasonidos:

  • alto grado de fibrilación
  • alto rendimiento de nanocelulosa
  • fibras finas
  • fibras desenredadas
El procesamiento ultrasónico de la nanocelulosa contribuye al aislamiento, la fibrilación, la dispersión y la formulación. (¡Haga clic para ampliar!)

tratamiento por ultrasonidos

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Ultrasonic devices such as Hielscher's UP400S are auccefully used to produce nanocellulose

Ultrasonidos de laboratorio Hielscher UP400S (400 W, 24 kHz)

Literatura/Referencias

  • E. Abraham, B. Deep, L.A. Pothan, M. Jacob, S. Thomas, U. Cvelbar, R. Anandjiwala (2011): Extracción de fibrillas de nanocelulosa a partir de fibras lignocelulósicas: Un enfoque novedoso. Carbohydrate Polymers 86, 2011. 1468-1475.
  • E. Bittencourt, M. de Camargo (2011): Estudios Preliminares sobre la Producción de Nanofibrillas de Celulosa a partir de Algodón Nunca Secado, utilizando Hidrólisis Enzimática Ecológica y Sonicación de Alta Energía. 3rd Int'l. Workshop: Advances in Cleaner Production. Sao Paulo, Brasil, 18 de mayo – 20 de 2011.
  • L. S. Blachechen, J. P. de Mesquita, E. L. de Paula, F. V. Pereira, D. F. S. Petri (2013): Interacción de la estabilidad coloidal de nanocristales de celulosa y su dispersabilidad en matriz de acetato butirato de celulosa. Cellulose 2013.
  • A. Dufresne (2012): Nanocellulose: From Nature to High Performance Tailored Materials. Walter de Gruyter, 2012.
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  • V. K. Thakur (2014): Nanocompuestos de Polímeros de Nanocelulosa: Fundamentals and Applications. Wiley & Sons, 2014.
  • http://en.wikipedia.org/wiki/Nanocellulose

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Acerca de la nanocelulosa

La nanocelulosa incluye distintos tipos de nanofibras de celulosa (CNF), que pueden distinguirse en celulosa microfibrilada (MFC), celulosa nanocristalina (NCC) y nanocelulosa bacteriana. Esta última se refiere a la celulosa nanoestructurada producida por bacterias.
La nanocelulosa presenta propiedades excepcionales, como una extraordinaria fuerza y rigidez, alta cristalinidad, tixotropíaasí como una alta concentración de grupo hidroxilo en su superficie. Muchas de las características de alto rendimiento de la nanocelulosa se deben a su alta relación superficie/masa.
Las nanocelulosas se utilizan ampliamente en medicina y farmacia, electrónica, membranas, materiales porosos, papel y alimentación debido a su disponibilidad, biocompatibilidad, degradabilidad biológica y sostenibilidad. Debido a sus características de alto rendimiento, la nanocelulosa es un material interesante para el refuerzo de plásticos, la mejora de las propiedades mecánicas de, por ejemplo, resinas termoestables, matrices a base de almidón, proteína de soja, látex de caucho o poli(lactida). En aplicaciones de compuestos, la nanocelulosa se utiliza para revestimientos y películas, pinturas, espumas y envases. Además, la nanocelulosa es un componente prometedor para fabricar aerogeles y espumas, ya sea en formulaciones homogéneas o en compuestos.
Abreviaturas:
Celulosa nanocristalina (NCC)
Nanofibras de celulosa (CNF)
Celulosa microfibrilada (MFC)
Bigotes de nanocelulosa (NCW)
Nanocristales de celulosa (CNC)

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