Selluloosananokuitujen nopeutettu vedenpoisto paperinvalmistusta varten

Ultraäänikäsittely yhdistettynä maitohapolla (LA) tehtävään modifiointiin on ympäristöystävällinen tapa nopeuttaa selluloosananokuitujen (CNF) vedenpoistoa paperinvalmistusta varten. Selluloosananokuidut tunnetaan suuresta vedenpidätyskyvystään, joka aiheuttaa merkittäviä viiveitä vedenpoistossa. Vedenpoisto on keskeinen vaihe nanopaperin valmistuksessa ja muissa nanoselluloosan sovelluksissa. Menetelmä lyhentää vedenpoistoaikaa 75 % eli 45 minuutista 10 minuuttiin, kun maitohappo esteröi selluloosan hydroksyyliryhmiä ultraäänikäsittelyn aikana. Tämä modifiointi myös pienentää suspension viskositeettia ja osoittautuu teolliseen mittakaavaan skaalattavaksi. Se tarjoaa käytännöllisen ratkaisun selluloosananokuitupohjaisten tuotteiden valmistuksen tehokkuuden ja tuotantonopeuden parantamiseen.

Maitohapolla modifioitujen selluloosananokuitujen nopea vedenpoisto ultraäänikäsittelyn aikana
(Tutkimus ja kuva: ©Sethi et al., 2018)

Selluloosananokuitujen vedenpoiston tehostaminen ultraääniavusteisella maitohappomodifioinnilla

Selluloosananokuituja (CNF) arvostetaan niiden paperinvalmistuksessa tarjoamien lukuisten hyötyjen vuoksi. Ne esimerkiksi parantavat lujuutta ja muokkaavat reologiaa. Yksi merkittävä haittapuoli on kuitenkin selluloosananokuitususpensioiden vedenpoistoon tarvittava kohtuuttoman pitkä aika. Vedenpoisto on keskeinen vaihe nanopaperien valmistuksessa. Tämä haaste vaikuttaa nanopaperin tuotantoon ja vaikeuttaa myös nanoselluloosan teollista jalostamista muiksi valmiiksi tuotteiksi. Pitkä vedenpoistoaika johtuu ensisijaisesti selluloosananokuitujen suuresta vedenpidätyskyvystä, joka on pullonkaula selluloosananokuiduista valmistettujen tuotteiden kaupallistamisessa.
Seuraavassa esittelemme Sethin ja hänen kollegoidensa (2018) tieteellisen tutkimuksen tulokset. He kehittivät selluloosananokuitujen ultraääniavusteisen maitohappomodifioinnin, jonka ansiosta CNF:n vedenpoisto on 75 % nopeampaa ja materiaalin toiminnalliset ominaisuudet paranevat.

Selluloosananokuitujen ultraäänimodifiointi maitohapolla

Tämän ongelman ratkaisemiseksi on kehitetty ympäristöystävällinen, vesipohjainen menetelmä, jossa selluloosananokuitujen pintaa modifioidaan ultraäänikäsittelyn energian ja maitohapon (LA) avulla. Menetelmä nopeuttaa vedenpoistoa merkittävästi ja lyhentää vedenpoistoaikaa jopa 75 %.
Modifiointiprosessissa selluloosananokuitususpensiot laimennetaan pitoisuuteen 0,35 wt.% ja maitohappoa lisätään eri määriä suhteessa selluloosananokuitujen kuiva-ainepitoisuuteen (0,5-kertainen, 1-kertainen, 5-kertainen ja 10-kertainen määrä suspension selluloosananokuitujen kuiva-ainemäärään nähden). Nanokuituja, vettä ja maitohappoa sekoitetaan suurinopeuksisella sekoittimella nopeudella 1 500 rpm 5 minuutin ajan. Tämän jälkeen seos ultraäänikäsitellään Hielscher UP400S -ultraäänilaitteella, jossa on titaanikärki (halkaisija 22 mm). Ultraäänikäsittely tehdään eri energiatasoilla. Suurin syötetty energia on 600 J/ml, mikä vastaa 10 minuutin ultraäänikäsittelyä.

Vaikutus vedenpoistoaikaan

Ultraääniavusteinen maitohappomodifiointi vaikuttaa voimakkaasti selluloosananokuitususpensioiden vedenpoistoaikaan. Vertailususpension vedenpoisto kestää noin 45 minuuttia. Ultraääniavusteisen maitohappomodifioinnin jälkeen aika lyhenee 10 minuuttiin, mikä merkitsee 75 %:n parannusta. Jo lievällä ultraäänikäsittelyllä (5 J/ml) vedenpoistoaika puolittuu 23 minuuttiin. Vedenpoistoaika lyhenee ultraäänikäsittelyn energian kasvaessa ja saavuttaa lopulta tasanteen noin 10 minuutin kohdalla.
Tämän parannuksen katsotaan johtuvan selluloosan hydrofiilisten hydroksyyliryhmien korvautumisesta maitohapon hydrofobisilla rakenneosilla. Hydroksyyliryhmät ovat ensisijainen syy suureen vedenpidätyskykyyn. Maitohappo voi karboksyyliryhmänsä ansiosta osallistua esteröintireaktioon selluloosan hydroksyyliryhmien kanssa ultraäänikäsittelyn aikana. Ultraäänikäsittely synnyttää nestemäiseen väliaineeseen hyvin pieniä tyhjiöonteloita, joiden luhistuminen tuottaa äärimmäiset olosuhteet (5 000 K:n lämpötila ja 1 000 atm:n paine). Nämä olosuhteet riittävät käynnistämään kemiallisia reaktioita, kuten esteröinnin.

Ultraäänikäsittelyn energia suhteessa vedenpoistoaikaan (minuutteina) nanopaperin valmistuksessa (vastaa CNF(1)LA-näytettä).
Ultraäänikäsittelyn energia 100 J/ml vastaa 100 sekunnin ultraäänikäsittelyä jne.
(Tutkimus ja kuva: ©Sethi et al., 2018)

Selluloosananokuitususpensioiden viskositeetin pienentäminen

Ultraäänikäsittelyn energia myös pienentää selluloosananokuitususpensioiden viskositeettia. Viskositeetti on kääntäen verrannollinen ultraäänikäsittelyn energiaan. Pienin viskositeetti havaitaan energiatasolla 600 J/ml, seuraavaksi pienin tasolla 300 J/ml ja sen jälkeen tasolla 60 J/ml. Tämä viskositeetin pieneneminen auttaa edelleen tehostamaan vedenpoistoa.

Selluloosananokuitujen ultraäänimodifioinnin teollinen merkitys

Ultraääniavusteinen maitohappomodifiointi on tehokas menetelmä, joka soveltuu myös teollisiin käyttökohteisiin. Hielscherin uusinta tekniikkaa edustavat ultraäänilaitteet pystyvät käsittelemään suuria tilavuuksia ja suorittamaan tehtävän tehokkaasti, joten menetelmä soveltuu suuren mittakaavan toimintaan.
Lisäksi tämä menetelmä mahdollistaa selluloosananokuidun lisäämisen paperiarkkeihin jopa 10 wt.%:n pitoisuuteen asti. Vedenpoisto valmistuu vain 2 minuutissa, kun modifioimattomilla selluloosananokuiduilla siihen kuluu 23 minuuttia. Tämä merkittävä parannus voi mullistaa selluloosananokuitujen käytön paperinvalmistuksessa poistamalla yhden niiden kaupallistamisen suurimmista esteistä.

Ultraäänilaitteet selluloosananokuiduille ja paperinvalmistukseen

Alla oleva taulukko antaa käsityksen anturityyppisten ultraäänilaitteidemme likimääräisestä käsittelykapasiteetista:

Suunnittelu, valmistus ja konsultointi – Saksassa valmistettua laatua

Hielscherin ultraäänilaitteet tunnetaan korkeimmista laatu- ja suunnittelustandardeistaan. Kestävyys ja helppokäyttöisyys mahdollistavat ultraäänilaitteidemme sujuvan integroinnin teollisuuslaitoksiin. Hielscherin ultraäänilaitteet selviytyvät helposti ankarista olosuhteista ja vaativista ympäristöistä.

Hielscher Ultrasonics on ISO-sertifioitu yritys, joka painottaa erityisesti suorituskykyisiä ultraäänilaitteita, joissa yhdistyvät uusin tekniikka ja käyttäjäystävällisyys. Hielscherin ultraäänilaitteet ovat luonnollisesti CE-vaatimusten mukaisia ja täyttävät UL:n, CSA:n ja RoHs:n vaatimukset.