Nanostruktuurse tselluloosi ultraheli abil tootmine

Nanotselluloos, tähelepanuväärne suure jõudlusega lisand, on tõusnud esile mitmekülgse kasutuse tõttu reoloogia modifikaatorina, tugevdava ainena ja võtmekomponendina mitmesugustes täiustatud materjalides. Neid nanostruktuurseid fibrille, mida saab saada mis tahes tselluloosi sisaldavast allikast, saab tõhusalt eraldada suure võimsusega ultraheli homogeniseerimise ja jahvatamise abil. See protsess, mida tuntakse sonikeerimisena, tõhustab oluliselt fibrillatsiooni, mille tulemusena suureneb nanotselluloosi saagis ning tekivad peenemad ja õhemad kiud. Ultraheli tehnoloogia ületab tavapärased tootmismeetodid tänu oma võimele tekitada äärmuslikke kavitatsioonist tingitud suuri nihkejõude, mistõttu on see erakordne vahend nanotselluloosi tootmiseks.

Nanotselluloosi tootmine ultraheli abil

Suure võimsusega ultraheli aitab kaasa mikro- ja nanotselluloosi ekstraheerimisele ja eraldamisele erinevatest tselluloosmaterjalide allikatest, nagu puit, lignotselluloossed kiud (tselluloosimassi kiud) ja tselluloosi sisaldavad jäägid.
Taimekiudude vabastamiseks lähtematerjalist on ultraheli jahvatamine ja homogeniseerimine võimas ja töökindel meetod, mis võimaldab töödelda väga suuri mahtusid. Massi suunatakse läbivoolu-sonoreaktorisse, kus ultraheli suured nihkejõud lõhuvad biomassi rakustruktuuri, nii et kiuline aines muutub kättesaadavaks.

Joonis 1 allpool näitab „Never Dried Cotton“ (NDC) TEM-kujutist, mis allutati ensümaatilisele hüdrolüüsile ja sonikeeriti Hielscheri sondtüüpi sonikaatoriga UP400S 20 minutit.
[Bittencourt et al. 2008]

Joonis 2 allpool näitab viskoosikile SEM-kujutist, mis allutati ensümaatilisele hüdrolüüsile ja seejärel sonikeeriti Hielscheri sonikaatori mudeliga UP400S.
[Bittencourt et al. 2008]

Nanotselluloosi ultraheli töötlust saab edukalt kombineerida ka TEMPO-oksüdeeritud kiudude töötlusega. TEMPO-protsessis toodetakse tselluloosi nanokiude oksüdatsioonisüsteemiga, kasutades katalüsaatorina 2,2,6,6-tetrametüülpiperidinüül-1-oksüüli (TEMPO) ning naatriumbromiidi (NaBr) ja naatriumhüpokloritit (NaOCl). Uuringud on tõestanud, et oksüdatsiooni tõhusus paraneb oluliselt, kui oksüdatsioon viiakse läbi ultraheli kiiritusel.

Nanotselluloosi dispergeerimine ultraheli abil

Nanotselluloosi dispersioonid näitavad erakordset reoloogilist käitumist tänu oma kõrgele viskoossusele madalatel nanotselluloosi kontsentratsioonidel. See teeb nanotselluloosist väga huvitava lisandi reoloogia modifikaatorina, stabilisaatorina ja geelistajana mitmesugustes rakendustes, nt katte-, paberi- või toiduainetööstuses. Oma ainulaadsete omaduste esiletoomiseks peab nanotselluloos olema
Ultraheli dispergeerimine on ideaalne meetod peene suurusega, üksikult dispergeeritud nanotselluloosi saamiseks. Kuna nanotselluloos on tugevalt nihkel hõrenev, on võimas ultraheli eelistatavam tehnoloogia nanotselluloossete suspensioonide valmistamiseks, sest suure võimsusega ultraheli sidestamine vedelikesse tekitab äärmuslikke nihkejõude.
Klõpsake siin, et lugeda lähemalt ultraheli kavitatsioonist vedelikes!
Pärast nanokristallilise tselluloosi sünteesi dispergeeritakse nanotselluloos sageli ultraheli abil vedelsöötmesse, nt mittepolaarsesse või polaarsesse lahustisse, näiteks dimetüülformamiidi (DMF), lõpptoote (nt nanokomposiitide, reoloogilise modifikaatori jms) valmistamiseks. Kuna CNF-e kasutatakse lisanditena paljudes koostistes, on usaldusväärne dispergeerimine ülioluline. Ultraheli töötlus annab stabiilseid ja ühtlaselt dispergeeritud fibrille.

Tselluloosi nanokristallide isekoostumine ultraheli abil

Ultraheli töötlus mängib tselluloosi nanokristallide (CNC) sünteesis ja töötlemisel olulist võimaldavat rolli, sest see lõhub hüdrolüüsil tekkinud agregaate, hajutab kimpe ja annab ühtlasemaid suspensioone reprodutseeritavate osakestevaheliste interaktsioonidega. Kuigi CNC-sid saadakse tavaliselt happelise hüdrolüüsi teel, sisaldab tekkiv materjal sageli klompunud domeene, mis võivad takistada usaldusväärset isekokkupanekut ja põhjustada partiidevahelist varieeruvust reoloogias ja optilistes omadustes. Kontrollitud ultraheli energia rakendamine pärast sünteesi parandab dispersiooni kvaliteeti ja aitab standardiseerida CNC morfoloogiat, mis on kriitilise tähtsusega ühtlase kolesterilise korrastatuse, ennustatava geelistumiskäitumise ja CNC-põhiste funktsionaalsete materjalide skaleeritava tootmise jaoks. Lugege lähemalt CNC-de ultraheli abil soodustatud isekokkupanekust!

Ultraheli abil parandatud tselluloosi nanokiudude veetustamine

Ultraheli abil tõhustatud tselluloosi nanokiudude veetustamine on tipptasemel tehnika, mis parandab oluliselt vee eemaldamise efektiivsust – see muudab tselluloosi nanokiud väga atraktiivseks lisandiks nanopaberi tootmisel. Nanotselluloosi kiud vajavad oma suure veepidamisvõime tõttu tavaliselt aeganõudvat veetustamist. Ultrahelilainete rakendamisel kiireneb see protsess intensiivsete kavitatsioonijõudude tekkimise kaudu, mis lõhuvad veemaatriksi ja soodustavad kiiremat ja ühtlasemat vee väljutamist. See mitte ainult ei lühenda kuivatusaega, vaid parandab ka saadud tselluloosi nanokiudude struktuurset terviklikkust ja mehaanilisi omadusi, muutes selle väga tõhusaks meetodiks kvaliteetsete nanopaberite ja muude nanomaterjalide tootmisel.
Lugege lähemalt nanopaberi ultraheli veetustamisest!

Nanotselluloosi tööstuslik tootmine võimsa ultraheli abil

Hielscher Ultrasonics pakub laia valikut võimsaid ja töökindlaid ultraheli lahendusi, alates väikestest laborimastaabi ultraheli seadmetest kuni suuremahuliste tööstussüsteemideni, mis sobivad ideaalselt nanotselluloosi kommertstöötluseks. Hielscheri tööstuslike sondtüüpi sonikaatorite peamine eelis seisneb nende võimes tagada optimaalsed ultraheli tingimused läbivoolu-sonoreaktorite kaudu, mida on erineva suuruse ja geomeetriaga. Need reaktorid tagavad, et ultraheli energiat rakendatakse tselluloosmaterjalile ühtlaselt ja ühetaoliselt, mis annab suurepärased töötlemistulemused.

Hielscheri lauaseadmetüüpi sonikaatorid, näiteks UIP1000hdT, UIP2000hdT ja UIP4000hdT, suudavad toota päevas mitu kilogrammi nanotselluloosi, mistõttu sobivad need keskmise mastaabiga tootmisvajadusteks. Suuremahuliseks kommertstootmiseks suudavad täielikud tööstusüksused, nagu UIP10000 ja UIP16000hdT, töödelda ulatuslikke massivoogusid, võimaldades toota tõhusalt suuri koguseid nanotselluloosi.

Üks Hielscheri ultraheli süsteemide olulisemaid eeliseid on nende lineaarne skaleeritavus. Nii lauaseadmetüüpi kui ka tööstuslikke ultraheli seadmeid saab paigaldada klastritena, mis tagab praktiliselt piiramatu töötlusvõimsuse ja teeb need ideaalseks valikuks tegevustele, mis nõuavad nanotselluloosi tootmisel suurt läbilaskevõimet ja töökindlat jõudlust.