تولید فراصوتی سلولز نانوساختار
نانوسلولز، افزودنی برجسته‌ای با عملکرد بالا، به‌دلیل کاربردهای متنوع خود به‌عنوان اصلاح‌کنندهٔ رئولوژی، عامل تقویت‌کننده و جزء کلیدی مواد پیشرفتهٔ گوناگون، جایگاه ویژه‌ای یافته است. این فیبریل‌های نانوساختار را که از هر منبع حاوی سلولز به دست می‌آیند، می‌توان با همگن‌سازی و آسیاب‌کاری فراصوتی پرتوان، به‌طور کارآمد جداسازی کرد. این فرایند که فراصوت‌دهی نام دارد، فیبریلاسیون را به‌طور چشمگیری افزایش می‌دهد و در نتیجه، بازده نانوسلولز را بالا می‌برد و الیاف ریزتر و نازک‌تری تولید می‌کند. فناوری فراصوت به‌واسطهٔ توانایی ایجاد نیروهای برشی بسیار شدید ناشی از کاویتاسیون، از روش‌های متداول تولید فراتر می‌رود و ابزاری استثنایی برای تولید نانوسلولز به شمار می‌آید.
تولید نانوسلولز با فراصوت
فراصوت پرتوان به استخراج و جداسازی میکروسلولز و نانوسلولز از منابع مختلف مواد سلولزی، مانند چوب، الیاف لیگنوسلولزی (الیاف خمیر) و پسماندهای حاوی سلولز کمک می‌کند.
برای آزادسازی الیاف گیاهی از مادهٔ اولیه، فرایندهای فراصوتیِ آسیاب‌کاری و همگن‌سازی روشی قدرتمند و قابل‌اعتماد است که امکان پردازش حجم‌های بسیار بزرگ را فراهم می‌کند. خمیر به یک راکتور فراصوتی درون‌خطی وارد می‌شود؛ در آنجا، نیروهای برشی شدید فراصوتی ساختار سلولی زیست‌توده را می‌شکنند تا مادهٔ فیبریلی در دسترس قرار گیرد.
دوغاب‌های نانوسلولز با استفاده از فراصوت‌دهی، به‌طور قابل‌اعتمادی پراکنده می‌شوند. تصویر، سونیکاتور پربازده UIP2000hdT را در آرایش پردازش ناپیوسته نشان می‌دهد.
[Bittencourt et al. 2008]
تصویر TEM از «پنبهٔ هرگز خشک‌نشده» (NDC) که تحت هیدرولیز آنزیمی و فراصوت‌دهی قرار گرفته است، با استفاده از سونیکاتور Hielscher مدل UP400S به‌مدت 20 دقیقه. [Bittencourt et al. 2008]
شکل 2 در زیر، تصویر SEM از یک فیلم ویسکوز را نشان می‌دهد که تحت هیدرولیز آنزیمی و سپس فراصوت‌دهی قرار گرفته است، با استفاده از سونیکاتور Hielscher مدل UP400S.
[Bittencourt et al. 2008]
تصویر SEM از یک فیلم ویسکوز که تحت هیدرولیز آنزیمی و سپس فراصوت‌دهی با UP400S قرار گرفته است [Bittencourt et al. 2008]
پردازش فراصوتی نانوسلولز را می‌توان با موفقیت با تیمار الیاف اکسیدشده با TEMPO نیز ترکیب کرد. در فرایند TEMPO، نانوالیاف سلولز با یک سامانهٔ اکسایش تولید می‌شوند که از 2,2,6,6-تترامتیل‌پیپریدینیل-1-اکسیل (TEMPO) به‌عنوان کاتالیزور و از سدیم برومید (NaBr) و سدیم هیپوکلریت (NaOCl) استفاده می‌کند. پژوهش‌ها ثابت کرده‌اند که انجام اکسایش تحت تابش فراصوت، کارایی اکسایش را به‌طور چشمگیری افزایش می‌دهد.
پراکنده‌سازی فراصوتی نانوسلولز
دیسپرسیون‌های نانوسلولز به‌دلیل گرانروی بالای خود در غلظت‌های پایین نانوسلولز، رفتار رئولوژیکی فوق‌العاده‌ای نشان می‌دهند. این ویژگی، نانوسلولز را به افزودنی بسیار جذابی به‌عنوان اصلاح‌کنندهٔ رئولوژی، پایدارکننده و عامل ژل‌ساز برای کاربردهای مختلف، از جمله در صنایع پوشش، کاغذ یا مواد غذایی تبدیل می‌کند. برای بروز خواص منحصربه‌فرد خود، نانوسلولز باید
پراکنده‌سازی فراصوتی روشی ایدئال برای دستیابی به نانوسلولز ریزدانه با اجزای پراکنده‌شده به‌صورت منفرد است. از آنجا که نانوسلولز رفتار رقیق‌شوندگی برشی شدیدی دارد، فراصوت پرتوان فناوری ترجیحی برای فرمولاسیون سوسپانسیون‌های نانوسلولزی است؛ زیرا انتقال انرژی فراصوت پرتوان به درون مایعات، نیروهای برشی بسیار شدیدی ایجاد می‌کند.
برای کسب اطلاعات بیشتر دربارهٔ کاویتاسیون فراصوتی در مایعات، اینجا کلیک کنید!
پس از سنتز سلولز نانوبلوری، نانوسلولز اغلب با فراصوت در یک محیط مایع، برای مثال یک حلال غیرقطبی یا قطبی مانند دی‌متیل‌فرمامید (DMF)، پراکنده می‌شود تا محصول نهایی (مانند نانوکامپوزیت‌ها، اصلاح‌کنندهٔ رئولوژی و غیره) فرمولاسیون شود. از آنجا که نانوالیاف سلولز (CNFs) در فرمولاسیون‌های گوناگون به‌عنوان افزودنی استفاده می‌شوند، پراکنده‌سازی قابل‌اعتماد اهمیت حیاتی دارد. فراصوت‌دهی، فیبریل‌هایی پایدار با پراکندگی یکنواخت تولید می‌کند.
خودآرایی فراصوتی نانوبلورهای سلولز
فراصوت‌دهی با شکستن تجمعات حاصل از هیدرولیز، پراکنده‌سازی دسته‌های نانوبلوری و تولید سوسپانسیون‌های یکنواخت‌تر با برهم‌کنش‌های تکرارپذیر میان ذرات، نقش تسهیل‌کنندهٔ مهمی در سنتز و پردازش نانوبلورهای سلولز (CNCs) ایفا می‌کند. اگرچه CNCs معمولاً با هیدرولیز اسیدی تولید می‌شوند، مادهٔ حاصل اغلب حاوی نواحی خوشه‌ای است که می‌توانند مانع خودآرایی قابل‌اعتماد شوند و به تغییرپذیری رئولوژی و خواص نوری میان بچ‌های مختلف منجر شوند. اعمال انرژی فراصوتی کنترل‌شده پس از سنتز، کیفیت پراکندگی را بهبود می‌بخشد و به استانداردسازی ریخت‌شناسی CNC کمک می‌کند؛ این امر برای نظم‌یابی کلستریک یکنواخت، رفتار ژل‌شدن پیش‌بینی‌پذیر و تولید مقیاس‌پذیر مواد کارکردی مبتنی بر CNC حیاتی است. دربارهٔ خودآرایی CNCs که با فراصوت تقویت می‌شود، بیشتر بدانید!
بهبود آبگیری نانوالیاف سلولز با فراصوت
آبگیری نانوالیاف سلولز با کمک فراصوت، روشی پیشرفته است که کارایی حذف آب را به‌طور چشمگیری بهبود می‌بخشد – و نانوالیاف سلولز را به افزودنی بسیار جذابی برای تولید نانوکاغذ تبدیل می‌کند. الیاف نانوسلولز به‌دلیل ظرفیت بالای نگهداری آب، معمولاً به آبگیری زمان‌بر نیاز دارند. اعمال امواج فراصوت با ایجاد نیروهای شدید کاویتاسیونی، این فرایند را تسریع می‌کند؛ این نیروها ماتریس آب را برهم می‌زنند و خروج سریع‌تر و یکنواخت‌تر آب را تسهیل می‌کنند. این روش نه‌تنها زمان خشک‌شدن را کاهش می‌دهد، بلکه یکپارچگی ساختاری و خواص مکانیکی نانوالیاف سلولز حاصل را نیز بهبود می‌بخشد و از این رو، روشی بسیار مؤثر در تولید نانوکاغذهای باکیفیت و دیگر نانومواد است.
دربارهٔ آبگیری فراصوتی نانوکاغذ بیشتر بدانید!
تولید صنعتی نانوسلولز با استفاده از فراصوت پرتوان
Hielscher Ultrasonics مجموعه‌ای جامع از راهکارهای فراصوتی قدرتمند و قابل‌اعتماد، از دستگاه‌های کوچک آزمایشگاهی تا سامانه‌های صنعتی بزرگ‌مقیاس، ارائه می‌دهد که برای پردازش تجاری نانوسلولز ایدئال هستند. مزیت اصلی سونیکاتورهای پروبی صنعتی Hielscher، توانایی آن‌ها در فراهم‌کردن شرایط بهینهٔ فراصوتی از طریق راکتورهای فراصوتی جریان‌گذر است که در اندازه‌ها و هندسه‌های مختلف عرضه می‌شوند. این راکتورها تضمین می‌کنند که انرژی فراصوت به‌طور پایدار و یکنواخت به مادهٔ سلولزی اعمال شود و نتایج برتری در پردازش به دست آید.
سونیکاتورهای رومیزی Hielscher، مانند UIP1000hdT، UIP2000hdT و UIP4000hdT، قادر به تولید روزانه چندین کیلوگرم نانوسلولز هستند و از این رو برای نیازهای تولید در مقیاس متوسط مناسب‌اند. برای تولید تجاری در مقیاس بزرگ، واحدهای کاملاً صنعتی مانند UIP10000 و UIP16000hdT می‌توانند جریان‌هایی با دبی جرمی بالا را پردازش کنند و امکان تولید کارآمد حجم‌های بالای نانوسلولز را فراهم سازند.
یکی از مهم‌ترین مزایای سامانه‌های فراصوتی Hielscher، مقیاس‌پذیری خطی آن‌هاست. دستگاه‌های فراصوتی رومیزی و صنعتی را می‌توان به‌صورت خوشه‌ای نصب کرد تا ظرفیت پردازشی عملاً نامحدودی فراهم کنند؛ در نتیجه، این دستگاه‌ها انتخابی ایدئال برای عملیاتی هستند که در تولید نانوسلولز به ظرفیت پردازش بالا و عملکرد قابل‌اعتماد نیاز دارند.
پردازش فراصوتی: Hielscher شما را از امکان‌سنجی و بهینه‌سازی تا تولید تجاری راهنمایی می‌کند!
- درجهٔ بالای فیبریلاسیون
- بازده بالای نانوسلولز
- الیاف نازک
- الیاف بازشده از درهم‌تنیدگی
پردازش فراصوتی
دستگاه فراصوتی آزمایشگاهی Hielscher UP400S (400W, 24kHz)
جدول زیر نمایی از ظرفیت تقریبی پردازش دستگاه‌های فراصوتی ما ارائه می‌دهد:
| حجم بچ | دبی | دستگاه‌های پیشنهادی |
|---|---|---|
| 0٫5 تا 1٫5mL | قابل‌اعمال نیست | VialTweeter |
| 1 تا 500mL | 10 تا 200mL/min | UP100H |
| 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 | خوشه‌ای از UIP16000 |
نانوسلولز چیست؟
نانوسلولز شامل انواع مختلف نانوالیاف سلولز (CNF) است که می‌توان آن‌ها را به سلولز میکروفیبریله (MFC)، سلولز نانوبلوری (NCC) و نانوسلولز باکتریایی تقسیم کرد. نوع آخر به سلولز نانوساختاری اشاره دارد که باکتری‌ها تولید می‌کنند.
نانوسلولز خواص برجسته‌ای مانند استحکام و سفتی فوق‌العاده، بلورینگی بالا، تیکسوتروپی و همچنین غلظت بالای گروه‌های هیدروکسیل بر سطح خود دارد. بسیاری از ویژگی‌های عملکردی برتر نانوسلولز ناشی از نسبت بالای سطح به جرم آن است.
نانوسلولزها به‌دلیل در دسترس بودن، زیست‌سازگاری، زیست‌تخریب‌پذیری و پایداری زیست‌محیطی، کاربرد گسترده‌ای در پزشکی و داروسازی، الکترونیک، غشاها، مواد متخلخل، کاغذ و مواد غذایی دارند. نانوسلولز به‌دلیل ویژگی‌های عملکردی برتر خود، ماده‌ای جذاب برای تقویت پلاستیک‌ها و بهبود خواص مکانیکی موادی مانند رزین‌های گرماسخت، ماتریس‌های مبتنی بر نشاسته، پروتئین سویا، لاتکس لاستیک یا پلی‌لاکتید است. در کاربردهای کامپوزیتی، نانوسلولز برای پوشش‌ها و فیلم‌ها، رنگ‌ها، فوم‌ها و بسته‌بندی استفاده می‌شود. افزون بر این، نانوسلولز جزء امیدبخشی برای ساخت آئروژل‌ها و فوم‌ها، چه در فرمولاسیون‌های همگن و چه در کامپوزیت‌ها، به شمار می‌آید.
اختصارات:
سلولز نانوبلوری (NCC)
نانوالیاف سلولز (CNF)
سلولز میکروفیبریله (MFC)
ویسکرهای نانوسلولز (NCW)
نانوبلورهای سلولز (CNC)
منابع علمی / مراجع
- E. Abraham, B. Deep, L.A. Pothan, M. Jacob, S. Thomas, U. Cvelbar, R. Anandjiwala (2011): Extraction of nanocellulose fibrils from lignocellulosic fibres: A novel approach. Carbohydrate Polymers 86, 2011. 1468–1475.
- E. Bittencourt, M. de Camargo (2011): Preliminary Studies on the Production of Nanofibrils of Cellulose from Never Dried Cotton, using Eco-friendly Enzymatic Hydrolysis and High-energy Sonication. 3rd Int’l. Workshop: Advances in Cleaner Production. Sao Paulo, Brazil, May 18th – 20th 2011.
- L. S. Blachechen, J. P. de Mesquita, E. L. de Paula, F. V. Pereira, D. F. S. Petri (2013): Interplay of colloidal stability of cellulose nanocrystals and their dispersibility in cellulose acetate butyrate matrix. Cellulose 2013.
- A. Dufresne (2012): Nanocellulose: From Nature to High Performance Tailored Materials. Walter de Gruyter, 2012.
- M. A. Hubbe; O. J. Rojas; L. A. Lucia, M. Sain (2008): Cellulosic Nanocomposites: A Review. BioResources 3/3, 2008. 929-980.
- S. P. Mishra, A.-S. Manent, B. Chabot, C. Daneault (2012): Production of Nanocellulose from Native Cellulose – Various Options using Ultrasound. BioResources 7/1, 2012. 422-436.
- Matjaž Kunaver, Alojz Anžlovar, Ema Žagar (2016): The fast and effective isolation of nanocellulose from selected cellulosic feedstocks. Carbohydrate Polymers, Volume 148, 2016. 251-258.
- http://en.wikipedia.org/wiki/Nanocellulose