آب‌گیری سریع‌تر از نانوالیاف سلولزی برای تولید کاغذ
فراصوت‌دهی همراه با اصلاح توسط اسید لاکتیک (LA)، رویکردی سازگار با محیط زیست برای تسریع فرایند آب‌گیری از نانوالیاف سلولزی (CNFs) در تولید کاغذ است. نانوالیاف سلولزی به توانایی بالای نگهداشت آب شناخته می‌شوند که موجب تأخیر قابل‌توجه در فرایند خروج آب می‌شود؛ این فرایند مرحله‌ای حیاتی در تهیه نانوکاغذ و سایر کاربردهای نانوسلولز است. این روش از طریق استری‌شدن گروه‌های هیدروکسیل سلولز با اسید لاکتیک تحت فراصوت‌دهی، زمان خروج آب را 75% کاهش می‌دهد و از 45 دقیقه به 10 دقیقه می‌رساند. این اصلاح همچنین ویسکوزیته سوسپانسیون را کاهش می‌دهد و قابلیت افزایش مقیاس تا سطح صنعتی را نشان می‌دهد و راهکاری عملی برای افزایش کارایی و نرخ تولید محصولات مبتنی بر نانوالیاف سلولزی ارائه می‌کند.
سونیکاتور UIP16000 برای پردازش صنعتی نانوالیاف سلولزی و خمیر کاغذ.
آب‌گیری سریع از نانوالیاف سلولزی اصلاح‌شده با اسید لاکتیک تحت فراصوت‌دهی
(پژوهش و تصویر: ©Sethi et al., 2018)
افزایش کارایی آب‌گیری از نانوالیاف سلولزی از طریق اصلاح با اسید لاکتیک به کمک فراصوت
نانوالیاف سلولزی (CNFs) به دلیل مزایای فراوان در تولید کاغذ، از جمله افزایش استحکام و اصلاح رئولوژی، مورد توجه هستند. بااین‌حال، یکی از معایب مهم آن‌ها زمان بسیار طولانی مورد نیاز برای خروج آب از سوسپانسیون‌های نانوالیاف سلولزی است که مرحله‌ای حیاتی در تهیه نانوکاغذ به شمار می‌رود. این چالش نه‌تنها بر تولید نانوکاغذ تأثیر می‌گذارد، بلکه مانع پردازش صنعتی نانوسلولز برای تولید سایر محصولات نهایی نیز می‌شود. طولانی‌بودن زمان خروج آب عمدتاً ناشی از نگهداشت بالای آب توسط نانوالیاف سلولزی است که گلوگاهی در تجاری‌سازی محصولات مشتق از نانوالیاف سلولزی محسوب می‌شود.
در ادامه، نتایج پژوهشی علمی از Sethi و همکاران (2018) را ارائه می‌کنیم. آن‌ها روشی برای اصلاح نانوالیاف سلولزی با اسید لاکتیک به کمک فراصوت توسعه دادند که به آب‌گیری 75% سریع‌تر از CNFs و بهبود ویژگی‌های عملکردی ماده منجر می‌شود.
اصلاح فراصوتی نانوالیاف سلولزی با اسید لاکتیک
برای رفع این مشکل، رویکردی سازگار با محیط زیست و مبتنی بر آب، با استفاده از انرژی فراصوت‌دهی و اسید لاکتیک (LA)، برای اصلاح سطح نانوالیاف سلولزی توسعه یافته است. این روش فرایند آب‌گیری را به‌طور چشمگیری تسریع می‌کند و زمان خروج آب را تا 75% کاهش می‌دهد.
فرایند اصلاح شامل رقیق‌کردن سوسپانسیون‌های نانوالیاف سلولزی تا غلظت 0٫35 wt.% و افزودن اسید لاکتیک در مقادیر مختلف نسبت به محتوای خشک نانوالیاف سلولزی است (0٫5 برابر، 1 برابر، 5 برابر و 10 برابر محتوای خشک نانوالیاف سلولزی در سوسپانسیون). نانوالیاف، آب و اسید لاکتیک با استفاده از همزن دوربالا با سرعت 1500 rpm به مدت 5 دقیقه مخلوط می‌شوند و سپس با سونیکاتور Hielscher UP400S مجهز به نوک تیتانیومی (با قطر 22 mm) تحت فراصوت‌دهی قرار می‌گیرند. فراصوت‌دهی در سطوح مختلف انرژی انجام می‌شود و حداکثر انرژی اعمال‌شده برابر با 600 J/ml است که معادل 10 دقیقه فراصوت‌دهی است.
تأثیر بر زمان خروج آب
اصلاح با فراصوت و اسید لاکتیک تأثیر چشمگیری بر زمان خروج آب از سوسپانسیون‌های نانوالیاف سلولزی دارد. آب‌گیری از سوسپانسیون مرجع تقریباً 45 دقیقه طول می‌کشد. پس از اصلاح با اسید لاکتیک به کمک فراصوت‌دهی، این زمان به 10 دقیقه کاهش می‌یابد که نشان‌دهنده بهبود 75% است. حتی با فراصوت‌دهی ملایم (5 J/ml)، زمان خروج آب نصف می‌شود و به 23 دقیقه می‌رسد. زمان خروج آب با افزایش انرژی فراصوت‌دهی کاهش می‌یابد و در نهایت در حدود 10 دقیقه به یک حد ثابت می‌رسد.
این بهبود به جایگزینی گروه‌های هیدروکسیل آب‌دوست سلولز با بخش‌های آب‌گریز اسید لاکتیک نسبت داده می‌شود. گروه‌های هیدروکسیل عامل اصلی نگهداشت بالای آب هستند. اسید لاکتیک با گروه کربوکسیل خود می‌تواند تحت فراصوت‌دهی در واکنش استری‌شدن با گروه‌های هیدروکسیل سلولز شرکت کند. فراصوت‌دهی حفره‌های خلأ بسیار ریزی در محیط مایع ایجاد می‌کند که با فروپاشی خود شرایط حدی (دمای 5000 K و فشار 1000 atm) به وجود می‌آورند؛ این شرایط برای القای واکنش‌های شیمیایی، از جمله استری‌شدن، کافی است.
انرژی فراصوت‌دهی در برابر زمان خروج آب (برحسب دقیقه) برای تهیه نانوکاغذ (مربوط به نمونه CNF(1)LA).
انرژی فراصوت‌دهی 100 J/ml معادل 100 ثانیه فراصوت‌دهی است و به همین ترتیب.
(پژوهش و تصویر: ©Sethi et al., 2018)
کاهش ویسکوزیته سوسپانسیون‌های نانوالیاف سلولزی
انرژی فراصوت‌دهی همچنین به کاهش ویسکوزیته سوسپانسیون‌های نانوالیاف سلولزی کمک می‌کند. ویسکوزیته با انرژی فراصوت‌دهی نسبت عکس دارد؛ کمترین ویسکوزیته در 600 J/ml مشاهده می‌شود و پس از آن به‌ترتیب 300 J/ml و 60 J/ml قرار دارند. این کاهش ویسکوزیته نیز به بهبود کارایی آب‌گیری کمک می‌کند.
سونیکاتور پروبی UIP2000hdT برای اصلاح صنعتی CNF
اهمیت صنعتی اصلاح فراصوتی نانوالیاف سلولزی
روش اصلاح با فراصوت و اسید لاکتیک نه‌تنها مؤثر است، بلکه با کاربردهای صنعتی نیز سازگار است. سونیکاتورهای پیشرفته Hielscher که توانایی پردازش حجم‌های بالا را دارند، می‌توانند این کار را با کارایی بالا انجام دهند و این روش را برای عملیات در مقیاس بزرگ مناسب می‌سازند.
افزون بر این، این رویکرد امکان افزودن تا 10 wt.% نانوالیاف سلولزی به ورق‌های کاغذ را فراهم می‌کند؛ آب‌گیری تنها در 2 دقیقه کامل می‌شود، درحالی‌که برای نانوالیاف سلولزی اصلاح‌نشده 23 دقیقه طول می‌کشد. این بهبود چشمگیر می‌تواند کاربرد نانوالیاف سلولزی در کاغذسازی را متحول کند و یکی از موانع عمده تجاری‌سازی آن‌ها را از میان بردارد.
سونیکاتورها برای نانوالیاف سلولزی و تولید کاغذ
جدول زیر نمایی از ظرفیت تقریبی پردازش سونیکاتورهای پروبی ما ارائه می‌کند:
| حجم هر بچ | دبی | دستگاه‌های پیشنهادی |
|---|---|---|
| 10 تا 2000mL | 20 تا 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0٫1 تا 20L | 0٫2 تا 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 تا 100L | 2 تا 10L/min | UIP4000hdT |
| 15 تا 150L | 3 تا 15L/min | UIP6000hdT |
| قابل‌اعمال نیست | 10 تا 100L/min | UIP16000 |
| قابل‌اعمال نیست | بیشتر | مجموعه‌ای از UIP16000 |
- کارایی بالا
- فناوری پیشرفته
- قابلیت اطمینان و استحکام
- کنترل دقیق و قابل‌تنظیم فرایند
- بچ و درون‌خطی
- برای هر حجم
- نرم‌افزار هوشمند
- قابلیت‌های هوشمند (برای مثال، قابلیت برنامه‌ریزی، ثبت داده‌ها، کنترل از راه دور)
- کاربری آسان و ایمن
- نیاز اندک به نگهداری
- CIP (شست‌وشو در محل)
طراحی، ساخت و مشاوره – کیفیت ساخت آلمان
دستگاه‌های فراصوت Hielscher به بالاترین استانداردهای کیفیت و طراحی شناخته می‌شوند. استحکام و کاربری آسان، ادغام بی‌دردسر دستگاه‌های فراصوت ما در تأسیسات صنعتی را امکان‌پذیر می‌کند. دستگاه‌های فراصوت Hielscher به‌راحتی از عهده شرایط سخت و محیط‌های پرچالش برمی‌آیند.
Hielscher Ultrasonics شرکتی دارای گواهینامه ISO است و بر دستگاه‌های فراصوت پربازده با فناوری پیشرفته و کاربری آسان تأکید ویژه‌ای دارد. البته دستگاه‌های فراصوت Hielscher با CE انطباق دارند و الزامات UL، CSA و RoHs را برآورده می‌کنند.
راکتور فراصوتی صنعتی برای تولید صنعتی نانوالیاف سلولزی اصلاح‌شده با استفاده از فراصوت پرتوان.
منابع علمی / مراجع
- Jatin Sethi, Kristiina Oksman, Mirja Illikainen, Juho Antti Sirviö (2018): Sonication-assisted surface modification method to expedite the water removal from cellulose nanofibers for use in nanopapers and paper making. Carbohydrate Polymers, Volume 197, 2018. 92-99.
- Jatin Sethi; Henrikki Liimatainen; Juho Antti Sirviö (2021): Fast and Filtration-Free Method to Prepare Lactic Acid-Modified Cellulose Nanopaper. ACS Omega, 6, 29; 2021. 19038–19044.
- Zanghellini, Benjamin; Knaack, Patrick; Schörpf, Sebastian; Semlitsch, Karl-Heinz; Lichtenegger, Helga; Praher, B.; Omastová, Mária; Rennhofer, Harald (2021): Solvent-Free Ultrasonic Dispersion of Nanofillers in Epoxy Matrix. Polymers 13, 2021.
- Shojaeiarani, J., Bajwa, D., Holt, G. (2020): Sonication amplitude and processing time influence the cellulose nanocrystals morphology and dispersion. Nanocomposites, 6(1), 2020. 41–46.
پرسش‌های متداول
نانوفیبریل‌های سلولزی چه کاربردهایی دارند؟
نانوفیبریل‌های سلولزی برای بهبود استحکام و رئولوژی محصولات کاغذی، ساخت نانوکاغذ و تقویت مواد مختلف در کامپوزیت‌ها، بسته‌بندی و کاربردهای زیست‌پزشکی استفاده می‌شوند.
نانوکاغذ چیست؟
نانوکاغذها موادی شبیه کاغذ هستند که از نانوالیاف سلولزی ساخته می‌شوند و با استحکام بالا، شفافیت و خواص سدکنندگی عالی شناخته می‌شوند. آن‌ها در کاربردهای پیشرفته‌ای مانند الکترونیک انعطاف‌پذیر، بسته‌بندی و فیلتراسیون به کار می‌روند.
تفاوت CNC و CNF چیست؟
تفاوت اصلی CNC (نانوکریستال‌های سلولزی) و CNF (نانوفیبریل‌های سلولزی) در ساختار و خواص آن‌هاست. CNCها ذراتی میله‌مانند با بلورینگی بالا هستند که از نواحی بلوری سلولز به دست می‌آیند و سفتی و استحکام مکانیکی بالایی فراهم می‌کنند. در مقابل، CNFها الیافی بلند، انعطاف‌پذیر و درهم‌تنیده با نواحی بلوری و آمورف هستند که ترکیبی از استحکام و انعطاف‌پذیری را فراهم می‌کنند.
Hielscher Ultrasonics هموژنایزرهای فراصوتی پربازده را در مقیاس‌های آزمایشگاهی تا صنعتی تولید می‌کند.