Tselluloosi nanokiudude kiirendatud veetustamine paberi tootmiseks

Sonikatsioon koos piimhappe (LA) modifikatsiooniga on keskkonnasõbralik lähenemine tselluloosi nanokiudude (CNF) veetustamisprotsessi kiirendamiseks paberi tootmiseks. Tselluloosi nanokiud on tuntud oma kõrge veepeetuse poolest, põhjustades märkimisväärseid viivitusi drenaažiprotsessis, mis on kriitiline samm nanopaberi ettevalmistamisel ja muudes nanotselluloosi rakendustes. Meetod vähendab äravooluaega 75%, 45 minutilt 10 minutini, tsellulooshüdroksüülrühmade esterdamise kaudu piimhappega ultrahelitöötluse all. See modifikatsioon vähendab ka suspensiooni viskoossust ja osutub tööstuslikult skaleeritavaks, pakkudes praktilist lahendust tselluloosi nanokiududel põhinevate toodete tõhususe ja tootmiskiiruse suurendamiseks.

Piimhappega modifitseeritud tselluloosi nanokiudude kiire veetustamine ultrahelitöötluse all
(Uuring ja pilt: ©Sethi et al., 2018)

Tselluloosi nanokiudude suurenenud veetustamise efektiivsus ultraheli piimhappe modifitseerimise kaudu

Tselluloosi nanokiude (CNF) tähistatakse nende arvukate eeliste eest paberitootmisel, näiteks tugevuse suurendamine ja reoloogia muutmine. Üks oluline puudus on aga ülemäärane aeg, mis kulub vee äravooluks tselluloosi nanokiust suspensioonidest, mis on kriitiline samm nanopaberite valmistamisel. See väljakutse ei mõjuta mitte ainult nanopaberi tootmist, vaid takistab ka nanotselluloosi tööstuslikku töötlemist muudeks valmistoodeteks. Pikaajaline drenaažiaeg on peamiselt tingitud tselluloosi nanokiudude suurest veepeetusest, mis on kitsaskoht tselluloosi nanokiududest saadud toodete turustamisel.
Allpool tutvustame teile Sethi ja kolleegide (2018) teadusliku uuringu tulemusi, kes töötasid välja tselluloosi nanokiudude ultraheli abil piimhappe modifikatsiooni, mis viib CNF-ide 75% kiirema veetustamiseni ja paremate materjalide funktsionaalsuseni.

Tselluloosi nanokiudude ultraheli modifitseerimine piimhappega

Selle probleemi lahendamiseks on välja töötatud keskkonnasõbralik, veepõhine lähenemisviis, mis hõlmab ultrahelitöötlusenergiat ja piimhapet (LA), et muuta tselluloosi nanokiudude pinda. See meetod kiirendab oluliselt veetustamisprotsessi, vähendades äravooluaega kuni 75%.
Modifitseerimisprotsess hõlmab tselluloosi nanokiudsuspensioonide lahjendamist kontsentratsioonini 0,35 massiprotsenti ja piimhappe lisamist erinevates kogustes tselluloosi nanokiu kuivsisalduse suhtes (0,5 korda, 1 kord, 5 korda ja 10 korda tselluloosi nanokiu kuivasisaldusest suspensioonis). Nanokiud, vesi ja piimhape segatakse kiire segajaga kiirusel 1500 p / min 5 minutit ja seejärel töödeldakse ultraheliga Hielscher UP400S sonikaatoriga, mis on varustatud titaanist otsaga (läbimõõduga 22 mm). Ultrahelitöötlus viiakse läbi erinevatel energiatasemetel, maksimaalse antud energiaga 600 J / ml, mis vastab 10 minutile ultrahelitöötlusele.

Mõju äravooluajale

Ultraheli-piimhappe modifikatsioonil on sügav mõju tselluloosi nanokiudude suspensioonide tühjenemisajale. Võrdlussuspensioonil kulub veetustamiseks ligikaudu 45 minutit. Pärast ultrahelitöötlusega piimhappe modifitseerimist vähendatakse seda aega 10 minutini, mis tähendab 75% paranemist. Isegi kerge ultrahelitöötlusega (5 J / ml) vähendatakse äravooluaega poole võrra 23 minutini. Äravooluaeg väheneb ultrahelitöötluse energia suurenemisega, jõudes lõpuks platoole umbes 10 minutiga.
See paranemine on tingitud tselluloosi hüdrofiilsete hüdroksüülrühmade asendamisest piimhappe hüdrofoobsete osadega. Hüdroksüülrühmad vastutavad peamiselt suure veepeetuse eest. Piimhape koos oma karboksüülrühmaga võib osaleda esterdamisreaktsioonis tselluloosi hüdroksüülrühmadega ultrahelitöötluse all. Sonikatsioon tekitab vedelas keskkonnas väikesed vaakumõõnsused, mis lagunevad, et tekitada äärmuslikke tingimusi (5000 K temperatuur ja 1000 atm rõhk), mis on piisavad keemiliste reaktsioonide, sealhulgas esterdamise esilekutsumiseks.

Sonikatsioonienergia vs tühjenemisaeg (minutites) nanopaberi ettevalmistamiseks (vastab CNF (1)LA proovile).
100 J/ml ultrahelitöötluse energiat vastab 100 sekundile ultrahelitöötlusele jne.
(Uuring ja pilt: ©Sethi et al., 2018)

Tselluloosi nanokiudsuspensioonide viskoossuse vähendamine

Sonikatsioonienergia aitab kaasa ka tselluloosi nanokiudsuspensioonide viskoossuse vähenemisele. Viskoossus on pöördvõrdeline ultrahelitöötluse energiaga, madalaimat viskoossust täheldati 600 J/ml juures, millele järgnevad 300 J/ml ja 60 J/ml. Selline viskoossuse vähenemine aitab veelgi parandada veetustamise efektiivsust.

Ultraheli tselluloosi nanokiudude modifikatsiooni tööstuslik tähtsus

Ultraheli-piimhappe modifitseerimise meetod ei ole mitte ainult tõhus, vaid sobib ka tööstuslike rakendustega. Hielscheri tipptasemel sonikaatorid, mis on võimelised käsitsema suuremahulist töötlemist, suudavad ülesande tõhusalt täita, muutes selle meetodi sobivaks suuremahulisteks operatsioonideks.
Lisaks võimaldab see lähenemine lisada paberilehtedele kuni 10 massiprotsenti tselluloosi nanokiudu, kusjuures veetustamine viiakse lõpule vaid 2 minutiga, võrreldes 23 minutiga modifitseerimata tselluloosi nanokiudude puhul. See märkimisväärne täiustus võib revolutsiooniliselt muuta tselluloosi nanokiudude kasutamist paberivalmistamisel, ületades ühe peamise takistuse nende turustamisel.

Sonikaatorid tselluloosi nanokiudude ja paberi tootmiseks

Allolev tabel annab teile ülevaate meie sonditüüpi sondi-tüüpi sonikaatorite ligikaudsest töötlemisvõimsusest:

Disain, tootmine ja nõustamine – Kvaliteet Valmistatud Saksamaal

Hielscheri ultrasonikaatorid on tuntud oma kõrgeimate kvaliteedi- ja disainistandardite poolest. Vastupidavus ja lihtne kasutamine võimaldavad meie ultrasonikaatorite sujuvat integreerimist tööstusrajatistesse. Hielscheri ultrasonikaatorid saavad kergesti käsitseda karmid tingimused ja nõudlikud keskkonnad.

Hielscher Ultrasonics on ISO sertifitseeritud ettevõte ja paneb erilist rõhku suure jõudlusega ultrasonikaatoritele, millel on tipptasemel tehnoloogia ja kasutajasõbralikkus. Loomulikult on Hielscheri ultrasonikaatorid CE-nõuetele vastavad ja vastavad UL, CSA ja RoHs nõuetele.