آبگیری تسریع شده نانوالیاف سلولزی برای تولید کاغذ

فراصوت در ترکیب با اصلاح اسید لاکتیک (LA) یک رویکرد سازگار با محیط زیست برای تسریع فرآیند آبگیری نانوالیاف سلولز (CNFs) برای تولید کاغذ است. نانوالیاف سلولز به دلیل احتباس بالای آب شناخته شده اند و باعث تاخیر قابل توجهی در فرآیند زهکشی، گامی حیاتی در تهیه نانوکاغذ و سایر کاربردهای نانوسلولز می شوند. این روش زمان تخلیه را تا 75٪ کاهش می دهد، از 45 دقیقه به 10 دقیقه، از طریق استریفیکاسیون گروه های هیدروکسیل سلولز توسط اسید لاکتیک تحت فراصوت است. این اصلاح همچنین ویسکوزیته سوسپانسیون را کاهش می دهد و ثابت می کند که از نظر صنعتی مقیاس پذیر است و راه حلی عملی برای افزایش کارایی و نرخ تولید محصولات مبتنی بر نانوالیاف سلولز ارائه می دهد.

آبگیری سریع نانوالیاف سلولزی اصلاح شده با اسید لاکتیک تحت فراصوت
(مطالعه و تصویر: ©ستی و همکاران، 2018)

افزایش راندمان آبگیری نانوالیاف سلولز از طریق اصلاح اسید لاکتیک اولتراسونیک

نانوالیاف سلولزی (CNFs) به دلیل مزایای بی شماری که در تولید کاغذ دارند، مانند افزایش استحکام و اصلاح رئولوژی مورد تجلیل قرار می گیرند. با این حال، یک اشکال قابل توجه، زمان بیش از حد مورد نیاز برای تخلیه آب از سوسپانسیون های نانوالیاف سلولز است که یک گام حیاتی در تهیه نانوکاغذها است. این چالش نه تنها بر تولید نانوکاغذ تأثیر می گذارد، بلکه مانع از پردازش صنعتی نانوسلولز به سایر محصولات نهایی می شود. زمان زهکشی طولانی در درجه اول به دلیل احتباس زیاد آب توسط نانوالیاف سلولزی است که گلوگاهی در تجاری سازی محصولات مشتق شده از نانوالیاف سلولز است.
در زیر، نتایج یک مطالعه علمی توسط ستی و همکارانش (2018) را به شما ارائه می دهیم که یک اصلاح اسید لاکتیک با کمک اولتراسونیک از نانوالیاف سلولز را توسعه دادند که منجر به آبگیری سریع تر 75 درصدی CNF ها و بهبود عملکردهای مواد می شود.

اصلاح التراسونیک نانوالیاف سلولزی با اسید لاکتیک

برای رسیدگی به این موضوع، یک رویکرد سازگار با محیط زیست و مبتنی بر آب شامل انرژی فراصوت و اسید لاکتیک (LA) برای اصلاح سطح نانوالیاف سلولز توسعه یافته است. این روش به طور قابل توجهی فرآیند آبگیری را تسریع می کند و زمان زهکشی را تا 75 درصد کاهش می دهد.
فرایند اصلاح شامل رقیق کردن سوسپانسیون های نانوالیاف سلولز تا غلظت 35/0 درصد وزنی و افزودن اسید لاکتیک در مقادیر مختلف نسبت به محتوای خشک نانوالیاف سلولز (5/0 برابر، 1 بار، 5 بار و 10 برابر محتوای خشک نانوالیاف سلولز در سوسپانسیون) است. نانوالیاف ، آب و اسید لاکتیک با استفاده از همزن با سرعت بالا در 1500 دور در دقیقه به مدت 5 دقیقه مخلوط می شوند و سپس با یک فراصوت Hielscher UP400S مجهز به نوک تیتانیوم (قطر 22 میلی متر) فراصوت می شوند. فراصوت در سطوح مختلف انرژی انجام می شود، با حداکثر انرژی منتقل 600 J / ml، مربوط به 10 دقیقه فراصوت.

تاثیر بر زمان تخلیه

اصلاح اسید اولتراسونیک-لاکتیک تأثیر عمیقی بر زمان تخلیه سوسپانسیون های نانوالیاف سلولز دارد. سیستم تعلیق مرجع تقریبا 45 دقیقه طول می کشد تا آبگیری شود. پس از فراصوت کمک اصلاح اسید لاکتیک ، این زمان به 10 دقیقه کاهش می یابد ، که نشان دهنده بهبود 75٪ است. حتی با فراصوت خفیف (5 J / ml), زمان تخلیه به نصف به 23 دقیقه. زمان تخلیه با افزایش انرژی فراصوت کاهش می یابد و در نهایت در حدود 10 دقیقه به فلات می رسد.
این بهبود به جایگزینی گروه های هیدروکسیل آبدوست سلولز با بخش های آبگریز اسید لاکتیک نسبت داده می شود. گروه های هیدروکسیل در درجه اول مسئول احتباس زیاد آب هستند. اسید لاکتیک ، با گروه کربوکسیلیک خود ، می تواند در یک واکنش استریفیکاسیون با گروه های هیدروکسیل سلولز تحت فراصوت شرکت کند. فراصوت ایجاد حفره های خلاء کوچک در محیط مایع, که فروپاشی برای تولید شرایط شدید (5000 درجه حرارت K و 1000 فشار اتمسفر), کافی برای القای واکنش های شیمیایی, از جمله استریفیکاسیون.

انرژی فراصوت در مقابل زمان تخلیه (بر حسب دقیقه) برای تهیه نانوکاغذ (مربوط به نمونه CNF(1)LA).
100 J / ml انرژی فراصوت مربوط به 100 ثانیه فراصوت و غیره است.
(مطالعه و تصویر: ©ستی و همکاران، 2018)

کاهش ویسکوزیته سوسپانسیون های نانوالیاف سلولزی

انرژی فراصوت همچنین به کاهش ویسکوزیته سوسپانسیون های نانوالیاف سلولز کمک می کند. ویسکوزیته نسبت معکوس به انرژی فراصوت است، با کمترین ویسکوزیته مشاهده شده در 600 J / ml، پس از آن 300 J / ml و 60 J / ml. این کاهش ویسکوزیته به بهبود راندمان آبگیری کمک می کند.

ارتباط صنعتی اصلاح نانوالیاف سلولز اولتراسونیک

روش اصلاح اسید اولتراسونیک-لاکتیک نه تنها موثر است، بلکه با کاربردهای صنعتی نیز سازگار است. Hielscher دولت از هنر فراصوت قادر به رسیدگی به پردازش حجم بزرگ می تواند به طور موثر این کار را کامل، و این روش مناسب برای عملیات در مقیاس بزرگ.
علاوه بر این، این روش امکان ترکیب تا 10 درصد وزنی نانوالیاف سلولز را در ورق های کاغذی فراهم می کند، با آبگیری تنها در 2 دقیقه، در مقایسه با 23 دقیقه برای نانوالیاف سلولز اصلاح نشده. این پیشرفت قابل توجه می تواند انقلابی در استفاده از نانوالیاف سلولز در کاغذ سازی ایجاد کند و بر یکی از موانع اصلی تجاری سازی آنها غلبه کند.

فراصوت برای نانوالیاف سلولزی و تولید کاغذ

جدول زیر به شما نشانه ای از ظرفیت پردازش تقریبی ماسونیکاتور نوع پروب ما می دهد:

طراحی، ساخت و مشاوره – کیفیت ساخت آلمان

مافوق صوت Hielscher به خوبی برای بالاترین کیفیت و استانداردهای طراحی خود را شناخته شده. استحکام و بهره برداری آسان اجازه می دهد تا ادغام صاف از ultrasonicators ما به امکانات صنعتی. شرایط خشن و محیط های خواستار به راحتی توسط مافوق صوت Hielscher رسیده.

Hielscher اولتراسونیک یک شرکت دارای گواهینامه ISO است و تاکید ویژه ای بر مافوق صوت با کارایی بالا با ویژگی های دولت از هنر فن آوری و کاربر پسند قرار داده است. البته، مافوق صوت Hielscher مطابق با CE و دیدار با الزامات UL، CSA و RoHs.