Tselluloosnanokiudude kiirendatud vee eemaldamine paberi tootmiseks

Ultraheli töötlus (sonikeerimine) koos piimhappega (LA) modifitseerimisega on keskkonnasõbralik viis tselluloosnanokiudude (CNF) vee eemaldamise protsessi kiirendamiseks paberi tootmisel. Tselluloosnanokiud on tuntud oma suure veepidavuse poolest, mis põhjustab olulisi viivitusi äravoolu protsessis, mis on nanopaberi valmistamise ja muude nanotselluloosi rakenduste kriitiline etapp. Meetod lühendab äravooluaega 75% võrra, 45 minutilt 10 minutini, tselluloosi hüdroksüülrühmade esterdamise kaudu piimhappega ultraheli töötluse (sonikeerimise) käigus. See modifitseerimine vähendab ka suspensiooni viskoossust ja osutub tööstuslikult skaleeritavaks, pakkudes praktilist lahendust tselluloosnanokiudude-põhiste toodete efektiivsuse ja tootmiskiiruse suurendamiseks.

Piimhappega modifitseeritud tselluloosnanokiudude kiire vee eemaldamine ultraheli töötluse (sonikeerimise) käigus
(Uuring ja pilt: ©Sethi et al., 2018)

Tselluloosnanokiudude parem vee eemaldamise efektiivsus ultraheli abil toimuva piimhappega modifitseerimise kaudu

Tselluloosnanokiude (CNF) hinnatakse paberi tootmisel paljude eeliste tõttu, näiteks tugevuse suurendamise ja reoloogia muutmise poolest. Siiski on üks oluline puudus ülemäära pikk aeg, mis kulub vee äravooluks tselluloosnanokiudude suspensioonidest, mis on nanopaberite valmistamise kriitiline etapp. See probleem mõjutab mitte ainult nanopaberi tootmist, vaid takistab ka nanotselluloosi tööstuslikku töötlemist muudeks valmistoodeteks. Pikk äravooluaeg tuleneb peamiselt tselluloosnanokiudude suurest veepidavusest, mis on tselluloosnanokiududest saadud toodete kommertsialiseerimise kitsaskoht.
Allpool esitame teile Sethi ja kolleegide (2018) teadusuuringu tulemused, kes töötasid välja tselluloosnanokiudude ultraheli abil toimuva piimhappega modifitseerimise, mis kiirendab CNF-ide vee eemaldamist 75% ja parandab materjali funktsionaalsust.

Tselluloosnanokiudude ultraheli modifitseerimine piimhappega

Selle probleemi lahendamiseks on välja töötatud keskkonnasõbralik, vesipõhine meetod, mis kasutab ultraheli töötluse (sonikeerimise) energiat ja piimhapet (LA) tselluloosnanokiudude pinna modifitseerimiseks. See meetod kiirendab oluliselt vee eemaldamise protsessi, lühendades äravooluaega kuni 75% võrra.
Modifitseerimisprotsess hõlmab tselluloosnanokiudude suspensioonide lahjendamist kontsentratsioonini 0,35 wt.% ja piimhappe lisamist erinevates kogustes võrreldes tselluloosnanokiudude kuivainesisaldusega (0,5-kordne, 1-kordne, 5-kordne ja 10-kordne tselluloosnanokiudude kuivainesisaldus suspensioonis). Nanokiude, vett ja piimhapet segatakse kiirsegistiga kiirusel 1500 rpm 5 minutit ja seejärel töödeldakse ultrahelil Hielscher UP400S sonikaatoriga, mis on varustatud titaanotsakuga (läbimõõt 22 mm). Ultraheli töötlus (sonikeerimine) toimub erinevatel energiatasemetel, maksimaalse antud energiaga 600 J/ml, mis vastab 10 minutile ultraheli töötlusele.

Mõju äravooluajale

Ultraheli abil toimuval piimhappega modifitseerimisel on sügav mõju tselluloosnanokiudude suspensioonide äravooluajale. Võrdlussuspensiooni vee eemaldamine võtab aega ligikaudu 45 minutit. Pärast ultraheli abil toimuvat piimhappega modifitseerimist lüheneb see aeg 10 minutini, mis tähendab 75% paranemist. Isegi õrna ultraheli töötluse (5 J/ml) korral väheneb äravooluaeg poole võrra 23 minutini. Äravooluaeg väheneb ultraheli töötluse energia suurenedes ja jõuab lõpuks platoole umbes 10 minuti juures.
See paranemine on tingitud tselluloosi hüdrofiilsete hüdroksüülrühmade asendamisest piimhappe hüdrofoobsete osadega. Hüdroksüülrühmad vastutavad peamiselt suure veepidavuse eest. Piimhape saab oma karboksüülrühma abil osaleda esterdumisreaktsioonis tselluloosi hüdroksüülrühmadega ultraheli töötluse käigus. Ultraheli töötlus tekitab vedelas keskkonnas pisikesi vaakumõõnsusi, mis kollapseeruvad ja tekitavad äärmuslikud tingimused (temperatuur 5000 K ja rõhk 1000 atm), mis on piisavad keemiliste reaktsioonide, sealhulgas esterdumise esilekutsumiseks.

Ultraheli töötluse energia ja äravooluaeg (minutites) nanopaberi valmistamisel (vastab proovile CNF(1)LA).
100 J/ml ultraheli töötluse energiat vastab 100 sekundile ultraheli töötlust jne.
(Uuring ja pilt: ©Sethi et al., 2018)

Tselluloosnanokiudude suspensioonide viskoossuse vähenemine

Ultraheli töötluse energia aitab kaasa ka tselluloosnanokiudude suspensioonide viskoossuse vähenemisele. Viskoossus on pöördvõrdeline ultraheli töötluse energiaga, madalaim viskoossus on täheldatud 600 J/ml juures, millele järgnevad 300 J/ml ja 60 J/ml. See viskoossuse vähenemine aitab veelgi parandada vee eemaldamise efektiivsust.

Tselluloosnanokiudude ultraheli modifitseerimise tööstuslik tähtsus

Ultraheli abil toimuv piimhappega modifitseerimise meetod ei ole mitte ainult efektiivne, vaid ka tööstuslike rakendustega ühilduv. Hielscheri tipptasemel sonikaatorid, mis suudavad töödelda suuri koguseid, saavad ülesandega tõhusalt hakkama, muutes selle meetodi sobivaks suuremahulisteks toiminguteks.
Lisaks võimaldab see lähenemine lisada paberilehtedesse kuni 10 wt.% tselluloosnanokiudu, kusjuures vee eemaldamine lõpeb vaid 2 minutiga, võrreldes 23 minutiga modifitseerimata tselluloosnanokiudude korral. See märkimisväärne paranemine võib muuta revolutsiooniliselt tselluloosnanokiudude kasutamist paberitootmises, ületades ühe nende kommertsialiseerimise peamistest takistustest.

Sonikaatorid tselluloosnanokiudude ja paberi tootmiseks

Allolev tabel annab ülevaate meie sondtüüpi sonikaatorite ligikaudsest töötlemisvõimsusest:

Disain, tootmine ja nõustamine – Saksamaal valmistatud kvaliteet

Hielscheri ultraheliseadmed on tuntud oma kõrgeima kvaliteedi ja disainistandardite poolest. Vastupidavus ja lihtne kasutamine võimaldavad meie ultraheliseadmete sujuvat integreerimist tööstusrajatistesse. Hielscheri ultraheliseadmed saavad hõlpsasti hakkama rasketes tingimustes ja nõudlikus keskkonnas.

Hielscher Ultrasonics on ISO sertifitseeritud ettevõte ja paneb erilist rõhku kõrgjõudlusega ultraheliseadmetele, mis pakuvad tipptasemel tehnoloogiat ja kasutajasõbralikkust. Loomulikult vastavad Hielscheri ultraheliseadmed CE nõuetele ning UL-i, CSA ja RoHs nõuetele.