Production par ultrasons de cellulose nanostructurée

La nanocellulose, un remarquable additif de haute performance, a gagné en importance pour ses applications polyvalentes en tant que modificateur de rhéologie, agent de renforcement et composant clé de divers matériaux avancés. Ces fibrilles nano-structurées, dérivées de toute source contenant de la cellulose, peuvent être efficacement isolées par homogénéisation et broyage ultrasonique à haute puissance. Ce processus, connu sous le nom de sonication, améliore considérablement la fibrillation, ce qui permet d'obtenir un rendement plus élevé en nanocellulose et de produire des fibres plus fines et plus minces. La technologie ultrasonique surpasse les méthodes de fabrication conventionnelles, grâce à sa capacité à générer des forces de cavitation et de cisaillement extrêmes, ce qui en fait un outil exceptionnel pour la production de nanocellulose.

Fabrication de nanocellulose par ultrasons

Les ultrasons à haute puissance contribuent à l'extraction et à l'isolation de la micro- et de la nano-cellulose à partir de diverses sources de matériaux cellulosiques tels que le bois, les fibres lignocellulosiques (fibres de pâte à papier) et les résidus contenant de la cellulose.
Pour libérer les fibres végétales du matériau de base, des ultrasons ont été utilisés. Broyage et homogénéisation est une méthode puissante et fiable qui permet de traiter de très grands volumes. La pulpe est introduite dans un sonificateur en ligne, où des forces ultrasoniques à cisaillement élevé brisent la structure cellulaire de la biomasse afin que la matière fibrillaire devienne disponible.

La figure 1 ci-dessous montre une image TEM de “Coton non séché” (NDC) soumis à une hydrolyse enzymatique et sonifié à l'aide d'une brosse à dents. Sonicateur à sonde Hielscher UP400S pendant 20 minutes.
[Bittencourt et al. 2008]

La figure 2 ci-dessous montre une image SEM d'un film de viscose soumis à l'hydrolyse enzymatique, suivie d'une sonication à l'aide de le sonicateur Hielscher modèle UP400S.
[Bittencourt et al. 2008]

Le traitement ultrasonique de la nanocellulose peut également être combiné avec succès au traitement des fibres oxydées par TEMPO. Dans le processus TEMPO, les nanofibres de cellulose sont produites par un système d'oxydation utilisant le 2,2,6,6-tétraméthylpipéridinyl-1-oxyl (TEMPO) comme catalyseur, ainsi que du bromure de sodium (NaBr) et de l'hypochlorite de sodium (NaOCl). La recherche a prouvé que l'efficacité de l'oxydation est considérablement améliorée lorsque l'oxydation est effectuée sous irradiation ultrasonique.

Dispersion ultrasonique de la nanocellulose

Les dispersions de nanocellulose présentent un comportement rhéologique extraordinaire en raison de leur viscosité élevée à de faibles concentrations de nanocellulose. Cela fait de la nanocellulose un additif très intéressant en tant que modificateur rhéologique, stabilisateur et gélifiant pour diverses applications, par exemple dans l'industrie des revêtements, du papier ou de l'alimentation. Pour exprimer ses propriétés uniques, la nanocellulose doit être
La dispersion par ultrasons est la méthode idéale pour obtenir une nanocellulose fine et unique. La nanocellulose se diluant fortement par cisaillement, les ultrasons de puissance sont la technologie à privilégier pour formuler des suspensions nanocellulosiques, car le couplage d'ultrasons de puissance élevée avec des liquides crée des forces de cisaillement extrêmes.
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Après la synthèse de la cellulose nanocristalline, celle-ci est souvent dispersée par ultrasons dans un milieu liquide, par exemple un solvant non polaire ou polaire tel que le diméthylformamide (DMF), pour formuler un produit final (par exemple des nanocomposites, un modificateur rhéologique, etc. L'ultrasonication produit des fibrilles stables et uniformément dispersées.

Amélioration de la déshydratation des nanofibres de cellulose par ultrasons

La déshydratation des nanofibres de cellulose par ultrasons est une technique de pointe qui améliore considérablement l'efficacité de l'élimination de l'eau. – ce qui fait des nanofibres de cellulose un additif très intéressant pour la production de nanopapier. Les fibres de nanocellulose nécessitent généralement une déshydratation longue en raison de leur forte capacité de rétention d'eau. L'application d'ondes ultrasoniques accélère ce processus en générant des forces de cavitation intenses, qui perturbent la matrice d'eau et facilitent une expulsion plus rapide et plus uniforme de l'eau. Cela permet non seulement de réduire le temps de séchage, mais aussi d'améliorer l'intégrité structurelle et les propriétés mécaniques des nanofibres de cellulose obtenues, ce qui en fait une méthode très efficace pour la production de nanopapiers et d'autres nanomatériaux de haute qualité.
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Production industrielle de nanocellulose à l'aide d'ultrasons de puissance

Hielscher Ultrasonics propose une gamme complète de solutions ultrasoniques puissantes et fiables, allant des petits sonificateurs de laboratoire aux systèmes industriels à grande échelle, idéaux pour le traitement commercial de la nanocellulose. Le principal avantage des sonificateurs industriels à sonde de Hielscher réside dans leur capacité à fournir des conditions ultrasoniques optimales grâce à leurs réacteurs sonores à circulation, qui existent en différentes tailles et géométries. Ces réacteurs garantissent que l'énergie ultrasonore est appliquée de manière cohérente et uniforme au matériau cellulosique, ce qui permet d'obtenir des résultats de traitement supérieurs.

Les sonicateurs de table Hielscher, tels que l'UIP1000hdT, l'UIP2000hdT et l'UIP4000hdT, sont capables de produire plusieurs kilogrammes de nanocellulose par jour, ce qui les rend adaptés aux besoins de production à moyenne échelle. Pour la production commerciale à grande échelle, les unités industrielles complètes telles que l'UIP10000 et l'UIP16000hdT peuvent traiter des flux de masse importants, permettant la production efficace de volumes élevés de nanocellulose.

L'un des principaux avantages des systèmes ultrasoniques Hielscher est leur évolutivité linéaire. Les ultrasons de table et les ultrasons industriels peuvent être installés en grappes, offrant ainsi une capacité de traitement pratiquement illimitée, ce qui en fait un choix idéal pour les opérations nécessitant un débit élevé et des performances fiables dans la production de nanocellulose.