Selluloosan nanokuitujen nopeutettu vedenpoisto paperintuotantoa varten

Sonikaatio yhdessä maitohapon (LA) modifikaatio on ympäristöystävällinen lähestymistapa selluloosan nanokuitujen (CNF) vedenpoistoprosessin nopeuttamiseksi paperintuotannossa. Selluloosan nanokuidut tunnetaan korkeasta vedenpidätyksestään, mikä aiheuttaa merkittäviä viivästyksiä kuivatusprosessissa, mikä on kriittinen vaihe nanopaperin valmistuksessa ja muissa nanoselluloosasovelluksissa. Menetelmä vähentää tyhjennysaikaa 75%, 45 minuutista 10 minuuttiin esteröimällä selluloosahydroksyyliryhmiä maitohapolla sonikaatiossa. Tämä muutos alentaa myös suspension viskositeettia ja osoittautuu teollisesti skaalautuvaksi, mikä tarjoaa käytännöllisen ratkaisun selluloosananokuitupohjaisten tuotteiden tehokkuuden ja tuotantonopeuden parantamiseksi.

Maitohappomodifioitujen selluloosananokuitujen nopea vedenpoisto sonikaatiossa
(Tutkimus ja kuva: ©Sethi et ai., 2018)

Selluloosan nanokuitujen parannettu vedenpoistotehokkuus ultraäänimaitohappomodifikaatiolla

Selluloosan nanokuituja (CNF) juhlitaan niiden lukuisista eduista paperintuotannossa, kuten lujuuden parantamisesta ja reologian muokkaamisesta. Yksi merkittävä haittapuoli on kuitenkin kohtuuton aika, joka tarvitaan veden tyhjentämiseen selluloosa-nanokuitususpensioista, mikä on kriittinen vaihe nanopapereiden valmistuksessa. Tämä haaste ei vaikuta ainoastaan nanopaperin tuotantoon, vaan myös estää nanoselluloosan teollisen jalostamisen muiksi valmiiksi tuotteiksi. Pitkäaikainen tyhjennysaika johtuu pääasiassa selluloosananokuitujen korkeasta vedenpidätyksestä, mikä on pullonkaula selluloosa-nanokuitujohdannaisten tuotteiden kaupallistamisessa.
Alla esittelemme sinulle Sethin ja kollegoiden (2018) tieteellisen tutkimuksen tulokset, jotka kehittivät selluloosan nanokuitujen ultraäänellä avustetun maitohappomodifikaation, mikä johtaa CNF: ien 75% nopeampaan vedenpoistoon ja parannettuihin materiaalitoimintoihin.

Selluloosan nanokuitujen ultraäänimodifikaatio maitohapolla

Tämän ongelman ratkaisemiseksi on kehitetty ympäristöystävällinen, vesipohjainen lähestymistapa, johon liittyy sonikaatioenergiaa ja maitohappoa (LA) selluloosan nanokuitujen pinnan muokkaamiseksi. Tämä menetelmä nopeuttaa merkittävästi vedenpoistoprosessia ja lyhentää vedenpoistoaikaa jopa 75%.
Modifikaatioprosessiin kuuluu selluloosan nanokuitususpensioiden laimentaminen pitoisuuteen 0,35 paino-% ja maitohapon lisääminen eri määrinä suhteessa selluloosan nanokuitukuivapitoisuuteen (0,5 kertaa, 1 kerta, 5 kertaa ja 10 kertaa selluloosan nanokuitukuivapitoisuus suspensiossa). Nanokuidut, vesi ja maitohappo sekoitetaan nopealla sekoittimella nopeudella 1500 rpm 5 minuutin ajan ja sitten sonikoidaan Hielscher UP400S -sonikaattorilla, joka on varustettu titaanikärjellä (halkaisijaltaan 22 mm). Sonikaatio suoritetaan eri energiatasoilla, ja suurin annettu energia on 600 J / ml, mikä vastaa 10 minuutin sonikaatiota.

Vaikutus ajan kulumiseen

Ultraääni-maitohappomodifikaatiolla on syvällinen vaikutus selluloosan nanokuitususpensioiden tyhjennysaikaan. Vertailususpensiossa vedenpoisto kestää noin 45 minuuttia. Sonikaatioavusteisen maitohapon modifikoinnin jälkeen tämä aika lyhenee 10 minuuttiin, mikä edustaa 75%: n parannusta. Jopa lievällä sonikaatiolla (5 J / ml) tyhjennysaika puolittuu 23 minuuttiin. Tyhjennysaika pienenee sonikaatioenergian lisääntyessä ja saavuttaa lopulta tasangon noin 10 minuutissa.
Tämä parannus johtuu selluloosan hydrofiilisten hydroksyyliryhmien korvaamisesta maitohapon hydrofobisilla osilla. Hydroksyyliryhmät ovat ensisijaisesti vastuussa korkeasta vedenpidätyksestä. Maitohappo karboksyyliryhmänsä kanssa voi osallistua esteröintireaktioon selluloosan hydroksyyliryhmien kanssa sonikaatiossa. Sonikaatio luo nestemäiseen väliaineeseen vähäisiä tyhjiöonteloita, jotka romahtavat tuottamaan äärimmäisiä olosuhteita (5000 K: n lämpötila ja 1000 atm: n paine), jotka riittävät aiheuttamaan kemiallisia reaktioita, mukaan lukien esteröinti.

Sonikaatioenergia vs. tyhjennysaika (minuutteina) nanopaperin valmistukseen (vastaa CNF (1) LA -näytettä).
100 J / ml sonikaatioenergiaa vastaa 100 sekuntia sonikaatiota jne.
(Tutkimus ja kuva: ©Sethi et ai., 2018)

Selluloosan nanokuitususpensioiden viskositeetin vähentäminen

Sonikaatioenergia edistää myös selluloosan nanokuitususpensioiden viskositeetin vähenemistä. Viskositeetti on kääntäen verrannollinen sonikaatioenergiaan, ja pienin viskositeetti havaitaan 600 J / ml: ssa, jota seuraa 300 J / ml ja 60 J / ml. Tämä viskositeetin aleneminen auttaa edelleen parantamaan vedenpoiston tehokkuutta.

Ultraääniselluloosan nanokuitumodifikaatioiden teollinen merkitys

Ultraääni-maitohapon modifiointimenetelmä ei ole vain tehokas, vaan myös yhteensopiva teollisten sovellusten kanssa. Hielscherin huipputekniset sonikaattorit, jotka pystyvät käsittelemään suuria määriä käsittelyä, voivat suorittaa tehtävän tehokkaasti, mikä tekee tästä menetelmästä sopivan laajamittaiseen toimintaan.
Lisäksi tämä lähestymistapa mahdollistaa jopa 10 paino-% selluloosananokuitujen sisällyttämisen paperiarkkeihin, jolloin vedenpoisto saadaan päätökseen vain 2 minuutissa, kun taas muuntamattomien selluloosananokuitujen osalta se on 23 minuuttia. Tämä merkittävä parannus voi mullistaa selluloosananokuitujen käytön paperinvalmistuksessa ja voittaa yhden niiden kaupallistamisen suurimmista esteistä.

Sonikaattorit selluloosan nanokuituihin ja paperintuotantoon

Alla olevassa taulukossa on viitteitä koetintyyppisten sonikoijiemme likimääräisestä käsittelykapasiteetista:

Suunnittelu, valmistus ja konsultointi – Laatu valmistettu Saksassa

Hielscher-ultraääniastiat ovat tunnettuja korkeimmista laatu- ja suunnittelustandardeistaan. Kestävyys ja helppokäyttöisyys mahdollistavat ultraäänilaitteidemme sujuvan integroinnin teollisuuslaitoksiin. Hielscher-ultraäänilaitteet käsittelevät helposti karkeita olosuhteita ja vaativia ympäristöjä.

Hielscher Ultrasonics on ISO-sertifioitu yritys ja painottaa erityisesti korkean suorituskyvyn ultraäänilaitteita, joissa on huipputeknologia ja käyttäjäystävällisyys. Tietenkin, Hielscher-ultraäänilaitteet ovat CE-yhteensopivia ja täyttävät UL: n, CSA: n ja RoHs: n vaatimukset.