Déshydratation accélérée des nanofibres de cellulose pour la production de papier

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

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

Efficacité de déshydratation accrue des nanofibres de cellulose grâce à la modification ultrasonique par l’acide lactique

Les nanofibres de cellulose (CNF) sont appréciées pour leurs nombreux avantages dans la production de papier, comme l’amélioration de la résistance et la modification de la rhéologie. Cependant, un inconvénient majeur est le temps démesuré nécessaire pour égoutter l’eau des suspensions de nanofibres de cellulose, une étape critique de la préparation des nanopapiers. Ce problème n’affecte pas seulement la production de nanopapier, mais entrave également la transformation industrielle de la nanocellulose en d’autres produits finis. Le temps d’égouttage prolongé est principalement dû à la forte rétention d’eau des nanofibres de cellulose, qui constitue un goulot d’étranglement pour la commercialisation des produits dérivés des nanofibres de cellulose.
Ci-dessous, nous vous présentons les résultats d’une étude scientifique de Sethi et ses collègues (2018), qui ont mis au point une modification des nanofibres de cellulose par l’acide lactique assistée par ultrasons, permettant une déshydratation des CNF 75 % plus rapide et des fonctionnalités matérielles améliorées.

Modification ultrasonique des nanofibres de cellulose par l’acide lactique

Pour résoudre ce problème, une approche écologique en milieu aqueux, faisant appel à l’énergie de sonication et à l’acide lactique (LA), a été développée afin de modifier la surface des nanofibres de cellulose. Cette méthode accélère considérablement le processus de déshydratation, en réduisant le temps d’égouttage 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 sèche en nanofibres de cellulose (0,5 fois, 1 fois, 5 fois et 10 fois la teneur sèche en nanofibres de cellulose de la suspension). Les nanofibres, l’eau et l’acide lactique sont mélangés à l’aide d’un agitateur à grande vitesse à 1500 tr/min pendant 5 minutes, puis soniqués avec un sonicateur Hielscher UP400S équipé d’une pointe en titane (22 mm de diamètre). La sonication est réalisée à différents niveaux d’énergie, avec une énergie transmise maximale de 600 J/ml, correspondant à 10 minutes de sonication.

Impact sur le temps d’égouttage

La modification par ultrasons et acide lactique a un impact considérable sur le temps d’égouttage des suspensions de nanofibres de cellulose. La suspension de référence nécessite environ 45 minutes pour la déshydratation. Après la modification par l’acide lactique assistée par sonication, ce temps est réduit à 10 minutes, soit une amélioration de 75 %. Même avec une sonication douce (5 J/ml), le temps d’égouttage est divisé par deux, à 23 minutes. Le temps d’égouttage diminue à mesure que l’énergie de sonication augmente, pour finalement atteindre un plateau à environ 10 minutes.
Cette amélioration est attribuée au remplacement des groupes hydroxyle hydrophiles de la cellulose par des fragments hydrophobes de l’acide lactique. Les groupes hydroxyle 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 hydroxyle de la cellulose sous sonication. La sonication crée de minuscules cavités de vide dans le milieu liquide, qui implosent en produisant 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 de 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 diminuer 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 en outre à améliorer l’efficacité de la déshydratation.

Pertinence industrielle de la modification ultrasonique des nanofibres de cellulose

La méthode de modification par ultrasons et acide lactique est non seulement efficace, mais également compatible avec les applications industrielles. Les sonicateurs Hielscher de pointe, capables de traiter de grands volumes, peuvent accomplir cette tâche efficacement, ce qui rend cette méthode adaptée aux opérations à grande échelle.
De plus, cette approche permet d’incorporer jusqu’à 10 % en poids de nanofibres de cellulose dans les feuilles de papier, la déshydratation étant achevée en seulement 2 minutes, contre 23 minutes pour les 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 les nanofibres de cellulose et la production 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 ultrasonicateurs Hielscher sont réputés pour leurs normes de qualité et de conception les plus élevées. Leur robustesse et leur facilité d’utilisation permettent une intégration harmonieuse de nos ultrasonicateurs dans les installations industrielles. Les conditions difficiles et les environnements exigeants sont facilement gérés par les ultrasonicateurs Hielscher.

Hielscher Ultrasonics est une entreprise certifiée ISO qui accorde une importance particulière aux ultrasonicateurs haute performance alliant technologie de pointe et convivialité. Bien entendu, les ultrasonicateurs Hielscher sont conformes CE et répondent aux exigences UL, CSA et RoHs.