Déshydratation accélérée de nanofibres de cellulose pour la production de papier

La sonication combinée à la modification de l'acide lactique (LA) est une approche écologique pour accélérer le processus de déshydratation des nanofibres de cellulose (CNF) pour la production de papier. Les nanofibres de cellulose sont connues pour leur forte rétention d'eau, ce qui entraîne des retards importants dans le processus d'égouttage, une étape critique dans la préparation du nanopapier et d'autres applications de la nanocellulose. Cette méthode permet de réduire le temps d'égouttage de 75 %, de 45 à 10 minutes, grâce à l'estérification des groupes hydroxyles de la cellulose par l'acide lactique sous sonication. Cette modification réduit également la viscosité de la suspension et s'avère industrialisable, offrant une solution pratique pour améliorer l'efficacité et le taux de production des produits à base de nanofibres de cellulose.

Déshydratation rapide de nanofibres de cellulose modifiées par l'acide lactique sous sonication
(Étude et image : ©Sethi et al., 2018)

Amélioration de l'efficacité de déshydratation des nanofibres de cellulose par modification ultrasonique de l'acide lactique

Les nanofibres de cellulose (CNF) sont réputées pour leurs nombreux avantages dans la production de papier, tels que l'amélioration de la résistance et la modification de la rhéologie. Cependant, l'un des inconvénients majeurs est le temps démesuré nécessaire pour drainer l'eau des suspensions de nanofibres de cellulose, une étape critique dans la préparation des nanopapiers. Cette difficulté n'a pas seulement un impact sur la production de nanopapiers, elle entrave également la transformation industrielle de la nanocellulose en d'autres produits finis. Le temps de drainage prolongé est principalement dû à la forte rétention d'eau par les nanofibres de cellulose, ce qui constitue un goulot d'étranglement pour la commercialisation des produits dérivés des nanofibres de cellulose.
Nous vous présentons ci-dessous les résultats d'une étude scientifique menée par Sethi et ses collègues (2018), qui ont mis au point une modification des nanofibres de cellulose par l'acide lactique assistée par ultrasons, qui permet d'accélérer de 75 % la déshydratation des CNF et d'améliorer les fonctionnalités du matériau.

Modification ultrasonique de nanofibres de cellulose avec de l'acide lactique

Pour résoudre ce problème, une approche écologique à base d'eau impliquant l'énergie de sonication et l'acide lactique (LA) a été développée pour modifier la surface des nanofibres de cellulose. Cette méthode accélère considérablement le processus de déshydratation, réduisant le temps de drainage jusqu'à 75 %.
Le processus de modification consiste à diluer les suspensions de nanofibres de cellulose à une concentration de 0,35 % en poids et à ajouter de l'acide lactique en différentes quantités par rapport à la teneur en nanofibres de cellulose sèches (0,5 fois, 1 fois, 5 fois et 10 fois la teneur en nanofibres de cellulose sèches dans la suspension). Les nanofibres, l'eau et l'acide lactique sont mélangés à l'aide d'un agitateur à grande vitesse à 1500 rpm pendant 5 minutes, puis sonifiés avec un sonicateur Hielscher UP400S équipé d'une pointe en titane (22 mm de diamètre). La sonication est effectuée à différents niveaux d'énergie, avec une énergie maximale de 600 J/ml, correspondant à 10 minutes de sonication.

Impact sur le temps de vidange

La modification par ultrasons de l'acide lactique a un impact profond sur le temps d'égouttage des suspensions de nanofibres de cellulose. La suspension de référence nécessite environ 45 minutes pour être déshydratée. Après la modification de l'acide lactique par sonication, ce temps est réduit à 10 minutes, ce qui représente une amélioration de 75 %. Même avec une sonication légère (5 J/ml), le temps d'égouttage est divisé par deux et passe à 23 minutes. Le temps d'égouttage diminue avec l'augmentation de l'énergie de sonication, pour finalement atteindre un plateau à environ 10 minutes.
Cette amélioration est attribuée au remplacement des groupes hydroxyles hydrophiles de la cellulose par des groupements hydrophobes de l'acide lactique. Les groupes hydroxyles sont principalement responsables de la forte rétention d'eau. L'acide lactique, avec son groupe carboxylique, peut participer à une réaction d'estérification avec les groupes hydroxyles de la cellulose sous sonication. La sonication crée de minuscules cavités sous vide dans le milieu liquide, qui s'effondrent pour produire des conditions extrêmes (température de 5000 K et pression de 1000 atm), suffisantes pour induire des réactions chimiques, y compris l'estérification.

Énergie de sonication en fonction du temps d'égouttage (en minutes) pour la préparation du nanopapier (correspondant à l'échantillon CNF(1)LA).
100 J/ml d'énergie de sonication correspondent à 100 secondes de sonication, etc.
(Étude et image : ©Sethi et al., 2018)

Réduction de la viscosité des suspensions de nanofibres de cellulose

L'énergie de sonication contribue également à la diminution de la viscosité des suspensions de nanofibres de cellulose. La viscosité est inversement proportionnelle à l'énergie de sonication, la viscosité la plus faible étant observée à 600 J/ml, suivie de 300 J/ml et 60 J/ml. Cette réduction de la viscosité contribue à améliorer l'efficacité de la déshydratation.

Pertinence industrielle de la modification ultrasonique des nanofibres de cellulose

La méthode de modification de l'acide lactique par ultrasons est non seulement efficace, mais aussi compatible avec les applications industrielles. Les sonicateurs Hielscher à la pointe de la technologie, capables de traiter de grands volumes, peuvent accomplir efficacement la tâche, ce qui rend cette méthode adaptée aux opérations à grande échelle.
En outre, cette approche permet d'incorporer jusqu'à 10 % en poids de nanofibres de cellulose dans les feuilles de papier, la déshydratation étant réalisée en seulement 2 minutes, contre 23 minutes pour des nanofibres de cellulose non modifiées. Cette amélioration significative peut révolutionner l'utilisation des nanofibres de cellulose dans la fabrication du papier, en surmontant l'un des principaux obstacles à leur commercialisation.

Sonicateurs pour la production de nanofibres de cellulose et de papier

Le tableau ci-dessous vous donne une indication de la capacité de traitement approximative de nos sonicateurs à sonde :

Conception, fabrication et conseil – Qualité Made in Germany

Les ultrasons Hielscher sont réputés pour leur qualité et leurs normes de conception les plus élevées. La robustesse et la facilité d'utilisation permettent une intégration aisée de nos ultrasons dans les installations industrielles. Les conditions difficiles et les environnements exigeants sont facilement gérés par les ultrasons Hielscher.

Hielscher Ultrasonics est une entreprise certifiée ISO et met l'accent sur les ultrasons de haute performance, dotés d'une technologie de pointe et d'une grande facilité d'utilisation. Bien entendu, les ultrasons Hielscher sont conformes à la norme CE et répondent aux exigences des normes UL, CSA et RoHs.