Production de cellulose nanostructurée par ultrasons

La nanocellulose, un remarquable additif haute performance, s’est imposée grâce à ses applications variées comme modificateur de rhéologie, agent de renforcement et composant essentiel de divers matériaux avancés. Ces fibrilles nanostructurées, issues de toute source contenant de la cellulose, peuvent être isolées efficacement par homogénéisation et broyage à ultrasons de haute puissance. Ce procédé, appelé sonication, améliore considérablement la fibrillation, ce qui augmente le rendement en nanocellulose et produit des fibres plus fines et plus minces. La technologie ultrasonore surpasse les méthodes de fabrication conventionnelles grâce à sa capacité à générer des forces de cisaillement extrêmement élevées par cavitation, ce qui en fait un outil exceptionnel pour la production de nanocellulose.

Fabrication de nanocellulose par ultrasons

Les ultrasons de haute puissance contribuent à l’extraction et à l’isolement de microcellulose et de nanocellulose à partir de diverses sources de matériaux cellulosiques, comme le bois, les fibres lignocellulosiques (fibres de pâte à papier) et les résidus contenant de la cellulose.
Pour libérer les fibres végétales de la matière première, le traitement par ultrasons par broyage et homogénéisation constitue une méthode puissante et fiable qui permet de traiter de très grands volumes. La pâte est introduite dans un sonoréacteur en ligne, où les forces de cisaillement élevées générées par les ultrasons rompent la structure cellulaire de la biomasse afin de rendre la matière fibrillaire accessible.

La figure 1 ci-dessous présente une image en microscopie électronique en transmission (TEM) de « Never Dried Cotton » (NDC), un coton jamais séché, soumis à une hydrolyse enzymatique puis traité par sonication avec un sonicateur à sonde Hielscher UP400S pendant 20 minutes.
[Bittencourt et al. 2008]

La figure 2 ci-dessous présente une image en microscopie électronique à balayage (SEM) d’un film de viscose soumis à une hydrolyse enzymatique, suivie d’une sonication avec le sonicateur Hielscher modèle UP400S.
[Bittencourt et al. 2008]

Le traitement de la nanocellulose par ultrasons peut également être combiné avec succès au traitement des fibres oxydées au TEMPO. Dans le procédé TEMPO, les nanofibres de cellulose sont produites par un système d’oxydation utilisant le 2,2,6,6-tétraméthylpipéridinyl-1-oxyle (TEMPO) comme catalyseur, ainsi que le bromure de sodium (NaBr) et l’hypochlorite de sodium (NaOCl). Des recherches ont démontré que l’efficacité de l’oxydation est considérablement améliorée lorsque celle-ci est réalisée sous irradiation ultrasonore.

Dispersion de la nanocellulose par ultrasons

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 comme modificateur de rhéologie, stabilisant et gélifiant pour diverses applications, par exemple dans les industries 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 de petite taille, dispersée en éléments individuels. La nanocellulose étant fortement rhéofluidifiante, les ultrasons de puissance constituent la technologie privilégiée pour formuler des suspensions nanocellulosiques, car le couplage des ultrasons de haute puissance dans les liquides crée des forces de cisaillement extrêmes.
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Après la synthèse de cellulose nanocristalline, la nanocellulose est souvent dispersée par ultrasons dans un milieu liquide, par exemple un solvant apolaire ou polaire tel que le diméthylformamide (DMF), afin de formuler un produit final (par exemple des nanocomposites, un modificateur de rhéologie, etc.). Les CNF étant utilisées comme additifs dans de nombreuses formulations, une dispersion fiable est cruciale. La sonication produit des fibrilles stables et uniformément dispersées.

Auto-assemblage des nanocristaux de cellulose par ultrasons

La sonication joue un rôle facilitateur important dans la synthèse et le traitement des nanocristaux de cellulose (CNC) en fragmentant les agrégats issus de l’hydrolyse, en dispersant les faisceaux et en produisant des suspensions plus uniformes dont les interactions entre particules sont reproductibles. Bien que les CNC soient généralement produits par hydrolyse acide, le matériau obtenu contient souvent des domaines agrégés qui peuvent entraver un auto-assemblage fiable et entraîner une variabilité de la rhéologie et des propriétés optiques d’un lot à l’autre. L’application d’une énergie ultrasonore contrôlée après la synthèse améliore la qualité de la dispersion et contribue à standardiser la morphologie des CNC, ce qui est essentiel pour obtenir un ordre cholestérique constant, un comportement de gélification prévisible et une fabrication à plus grande échelle de matériaux fonctionnels à base de CNC. En savoir plus sur l’auto-assemblage des CNC favorisé par les ultrasons !

Déshydratation des nanofibres de cellulose améliorée par ultrasons

La déshydratation des nanofibres de cellulose améliorée par ultrasons est une technique de pointe qui accroît considérablement l’efficacité de l’élimination de l’eau – faisant 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 ultrasonores accélère ce processus en générant des forces de cavitation intenses qui perturbent la matrice aqueuse et facilitent une expulsion de l’eau plus rapide et plus uniforme. Cela réduit le temps de séchage tout en améliorant l’intégrité structurelle et les propriétés mécaniques des nanofibres de cellulose obtenues, ce qui en fait une méthode très efficace pour produire des nanopapiers de haute qualité et d’autres nanomatériaux.
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Production industrielle de nanocellulose à l’aide d’ultrasons de puissance

Hielscher Ultrasonics propose une gamme complète de solutions ultrasonores puissantes et fiables, allant des petits appareils à ultrasons de laboratoire aux systèmes industriels à grande échelle, idéales pour le traitement commercial de la nanocellulose. Le principal avantage des sonicateurs industriels à sonde Hielscher réside dans leur capacité à fournir des conditions ultrasonores optimales grâce à leurs sonoréacteurs à circulation, disponibles dans différentes tailles et géométries. Ces réacteurs garantissent une application constante et uniforme de l’énergie ultrasonore au matériau cellulosique, ce qui permet d’obtenir des résultats de traitement supérieurs.

Les sonicateurs de paillasse Hielscher, comme les UIP1000hdT, UIP2000hdT et UIP4000hdT, peuvent produire plusieurs kilogrammes de nanocellulose par jour, ce qui les rend adaptés aux besoins de production à moyenne échelle. Pour une production commerciale à grande échelle, les unités entièrement industrielles comme les UIP10000 et UIP16000hdT peuvent traiter d’importants flux massiques, permettant une production efficace de grands volumes de nanocellulose.

L’un des avantages les plus significatifs des systèmes ultrasonores Hielscher est leur capacité de mise à l’échelle linéaire. Les appareils à ultrasons de paillasse comme les appareils industriels peuvent être installés en groupes, offrant une capacité de traitement pratiquement illimitée. Ils constituent ainsi un choix idéal pour les opérations nécessitant une capacité de traitement élevée et des performances fiables dans la production de nanocellulose.