Nanorakenteisen selluloosan valmistus ultraäänellä

Nanoselluloosa on merkittävä, suorituskykyinen lisäaine, joka on noussut esiin monipuolisten käyttökohteidensa ansiosta reologian muokkaajana, lujiteaineena ja erilaisten edistyneiden materiaalien keskeisenä komponenttina. Nämä nanorakenteiset fibrillit, jotka ovat peräisin mistä tahansa selluloosaa sisältävästä lähteestä, voidaan eristää tehokkaasti suuritehoisella ultraäänihomogenoinnilla ja jauhatuksella. Tämä ultraäänikäsittelyksi kutsuttu prosessi tehostaa merkittävästi fibrilloitumista, mikä lisää nanoselluloosan saantoa ja tuottaa hienompia, ohuempia kuituja. Ultraääniteknologia ylittää perinteiset valmistusmenetelmät, sillä se pystyy tuottamaan äärimmäisen suuria kavitaation aiheuttamia leikkausvoimia, mikä tekee siitä poikkeuksellisen työkalun nanoselluloosan valmistukseen.

Nanoselluloosan valmistus ultraäänellä

Suuritehoinen ultraääni edistää mikro- ja nanoselluloosan uuttoa ja eristämistä erilaisista selluloosapitoisista materiaaleista, kuten puusta, lignoselluloosakuiduista (massakuiduista) ja selluloosaa sisältävistä jäännöksistä.
Kasvikuitujen vapauttamiseksi lähtömateriaalista ultraäänellä tehtävä jauhaminen ja homogenointi muodostavat tehokkaan ja luotettavan menetelmän, jolla voidaan käsitellä erittäin suuria tilavuuksia. Massa syötetään prosessilinjaan asennettuun ultraäänireaktoriin, jossa ultraäänen aiheuttamat suuret leikkausvoimat rikkovat biomassan solurakenteen ja vapauttavat kuitumaisen aineksen käytettäväksi.

Alla olevassa kuvassa 1 on TEM-kuva ”Never Dried Cotton” (NDC) -puuvillasta, jolle on tehty entsymaattinen hydrolyysi ja ultraäänikäsittely valmistajan Hielscher anturityyppisellä ultraäänilaitteella UP400S 20 minuutin ajan.
[Bittencourt et al. 2008]

Alla olevassa kuvassa 2 on SEM-kuva viskoosikalvosta, jolle on tehty entsymaattinen hydrolyysi ja sen jälkeen ultraäänikäsittely valmistajan Hielscher ultraäänilaitemallilla UP400S.
[Bittencourt et al. 2008]

Nanoselluloosan ultraäänikäsittely voidaan myös yhdistää onnistuneesti TEMPO-hapetettujen kuitujen käsittelyyn. TEMPO-prosessissa selluloosananokuituja valmistetaan hapetusjärjestelmällä, jossa käytetään katalyyttinä 2,2,6,6-tetrametyylipiperidinyyli-1-oksyyliä (TEMPO) sekä natriumbromidia (NaBr) ja natriumhypokloriittia (NaOCl). Tutkimukset ovat osoittaneet, että hapetuksen tehokkuus paranee merkittävästi, kun hapetus toteutetaan ultraäänisäteilytyksen alaisena.

Nanoselluloosan dispergointi ultraäänellä

Nanoselluloosadispersioilla on poikkeuksellinen reologinen käyttäytyminen, sillä niiden viskositeetti on korkea pienillä nanoselluloosapitoisuuksilla. Tämä tekee nanoselluloosasta erittäin kiinnostavan lisäaineen reologian muokkaajana, stabilointiaineena ja geeliyttämisaineena eri käyttökohteissa, esimerkiksi pinnoite-, paperi- ja elintarviketeollisuudessa. Jotta sen ainutlaatuiset ominaisuudet tulisivat esiin, nanoselluloosan on oltava
Ultraäänidispergointi on ihanteellinen menetelmä hienojakoisen, yksittäisiksi rakenneyksiköiksi dispergoidun nanoselluloosan saamiseksi. Koska nanoselluloosa on voimakkaasti leikkausohenevaa, suuritehoinen ultraääni on suositeltava teknologia nanoselluloosasuspensioiden formulointiin, sillä suuritehoisen ultraäänen kytkeytyminen nesteisiin synnyttää äärimmäisen suuria leikkausvoimia.
Lue lisää nesteiden ultraäänikavitaatiosta napsauttamalla tästä!
Nanokiteisen selluloosan synteesin jälkeen nanoselluloosa dispergoidaan usein ultraäänellä nestemäiseen väliaineeseen, esimerkiksi poolittomaan tai pooliseen liuottimeen, kuten dimetyyliformamidiin (DMF), lopputuotteen (esimerkiksi nanokomposiittien, reologian muokkaajan jne.) formuloimiseksi. Koska selluloosananokuituja (CNF) käytetään lisäaineina monenlaisissa formulaatioissa, luotettava dispergointi on ratkaisevan tärkeää. Ultraäänikäsittely tuottaa stabiileja ja tasaisesti dispergoituja fibrillejä.

Selluloosananokiteiden itsejärjestäytyminen ultraäänen avulla

Ultraäänikäsittelyllä on tärkeä mahdollistava rooli selluloosananokiteiden (CNC) synteesissä ja käsittelyssä: se hajottaa hydrolyysissä muodostuneita aggregaatteja, dispergoi kimppuja ja tuottaa tasaisempia suspensioita, joissa hiukkasten väliset vuorovaikutukset ovat toistettavia. Vaikka selluloosananokiteet valmistetaan tavallisesti happohydrolyysillä, syntynyt materiaali sisältää usein kasautuneita alueita, jotka voivat haitata luotettavaa itsejärjestäytymistä ja aiheuttaa erien välistä vaihtelua reologiassa ja optisissa ominaisuuksissa. Hallitun ultraäänienergian käyttö synteesin jälkeen parantaa dispersion laatua ja auttaa yhdenmukaistamaan selluloosananokiteiden morfologiaa, mikä on ratkaisevan tärkeää johdonmukaiselle kolesteriselle järjestäytymiselle, ennustettavalle geeliytymiskäyttäytymiselle ja selluloosananokiteisiin perustuvien funktionaalisten materiaalien skaalautuvalle valmistukselle. Lue lisää ultraäänen edistämästä selluloosananokiteiden itsejärjestäytymisestä!

Selluloosananokuitujen vedenpoiston tehostaminen ultraäänellä

Selluloosananokuitujen ultraäänellä tehostettu vedenpoisto on huipputekninen menetelmä, joka parantaa merkittävästi vedenpoiston tehokkuutta – ja tekee selluloosananokuiduista erittäin houkuttelevan lisäaineen nanopaperin valmistukseen. Nanoselluloosakuidut vaativat tavallisesti aikaa vievän vedenpoiston suuren vedenpidätyskykynsä vuoksi. Ultraääniaallot nopeuttavat tätä prosessia synnyttämällä voimakkaita kavitaatiovoimia, jotka rikkovat vesimatriisin ja helpottavat nopeampaa, tasaisempaa veden poistumista. Tämä lyhentää kuivumisaikaa ja parantaa myös syntyvien selluloosananokuitujen rakenteellista eheyttä ja mekaanisia ominaisuuksia, mikä tekee siitä erittäin tehokkaan menetelmän korkealaatuisten nanopaperien ja muiden nanomateriaalien valmistuksessa.
Lue lisää nanopaperin vedenpoistosta ultraäänellä!

Nanoselluloosan teollinen valmistus suuritehoisella ultraäänellä

Hielscher Ultrasonics tarjoaa kattavan valikoiman tehokkaita ja luotettavia ultraääniratkaisuja pienistä laboratoriomittakaavan ultraäänilaitteista suuriin teollisiin järjestelmiin, jotka soveltuvat ihanteellisesti nanoselluloosan kaupalliseen käsittelyyn. Hielscherin teollisten anturityyppisten ultraäänilaitteiden keskeinen etu on niiden kyky tuottaa optimaaliset ultraääniolosuhteet läpivirtausreaktoreissaan, joita on saatavana eri kokoisina ja erilaisilla geometrioilla. Nämä reaktorit varmistavat, että ultraäänienergia kohdistuu selluloosamateriaaliin johdonmukaisesti ja tasaisesti, mikä tuottaa erinomaisia käsittelytuloksia.

Hielscherin pöytämalliset ultraäänilaitteet, kuten UIP1000hdT, UIP2000hdT ja UIP4000hdT, pystyvät tuottamaan useita kilogrammoja nanoselluloosaa päivässä, joten ne soveltuvat keskisuuren mittakaavan tuotantotarpeisiin. Suuren mittakaavan kaupallisessa tuotannossa varsinaiset teollisuuslaitteet, kuten UIP10000 ja UIP16000hdT, voivat käsitellä suuria massavirtoja, mikä mahdollistaa suurten nanoselluloosamäärien tehokkaan valmistuksen.

Yksi Hielscherin ultraäänijärjestelmien merkittävimmistä eduista on niiden lineaarinen skaalautuvuus. Sekä pöytämalliset että teolliset ultraäänilaitteet voidaan asentaa laiteryhmiksi, jolloin käsittelykapasiteetti on käytännössä rajaton. Siksi ne ovat ihanteellinen valinta toimintaan, jossa nanoselluloosan valmistukselta vaaditaan suurta läpimenoa ja luotettavaa suorituskykyä.