નેનોસંરચિત સેલ્યુલોઝનું અલ્ટ્રાસોનિક ઉત્પાદન

નેનોસેલ્યુલોઝ એક નોંધપાત્ર ઉચ્ચ કાર્યક્ષમતા ધરાવતું ઉમેરણ છે, જે પ્રવાહવર્તન સુધારક, પ્રબલનકારક અને વિવિધ અદ્યતન સામગ્રીઓના મુખ્ય ઘટક તરીકેના તેના બહુમુખી ઉપયોગોને કારણે મહત્વનું સ્થાન પામ્યું છે. સેલ્યુલોઝ ધરાવતા કોઈપણ સ્રોતમાંથી મેળવેલા આ નેનોસંરચિત સૂક્ષ્મતંતુઓને ઉચ્ચ શક્તિવાળા અલ્ટ્રાસોનિક સમાનાંગીકરણ અને પેષણ દ્વારા કાર્યક્ષમ રીતે અલગ કરી શકાય છે. સોનિકેશન તરીકે ઓળખાતી આ પ્રક્રિયા સૂક્ષ્મતંતુઓમાં વિભાજનને નોંધપાત્ર રીતે વધારે છે, જેના પરિણામે નેનોસેલ્યુલોઝની વધુ ઉપજ મળે છે અને વધુ બારીક, વધુ પાતળા તંતુઓ ઉત્પન્ન થાય છે. કેવિટેશન દ્વારા અત્યંત ઊંચાં કાતર બળો ઉત્પન્ન કરવાની ક્ષમતાને કારણે અલ્ટ્રાસોનિક ટેકનોલોજી પરંપરાગત ઉત્પાદન પદ્ધતિઓ કરતાં ચઢિયાતી છે, જે તેને નેનોસેલ્યુલોઝના ઉત્પાદન માટે એક અસાધારણ સાધન બનાવે છે.

નેનોસેલ્યુલોઝનું અલ્ટ્રાસોનિક નિર્માણ

ઉચ્ચ શક્તિવાળી અલ્ટ્રાસોનિક ટેકનોલોજી લાકડું, લિગ્નોસેલ્યુલોસિક તંતુઓ (પલ્પના તંતુઓ) અને સેલ્યુલોઝ ધરાવતા અવશેષો જેવા સેલ્યુલોસિક સામગ્રીના વિવિધ સ્રોતોમાંથી માઇક્રો- અને નેનોસેલ્યુલોઝના નિષ્કર્ષણ અને અલગીકરણમાં ફાળો આપે છે.
સ્રોત સામગ્રીમાંથી વનસ્પતિના તંતુઓ મુક્ત કરવા માટે, અલ્ટ્રાસોનિક પેષણ અને સમાનાંગીકરણ એક શક્તિશાળી અને વિશ્વસનીય પદ્ધતિ છે, જે અત્યંત મોટા જથ્થામાં પ્રક્રિયા કરવાની સુવિધા આપે છે. પલ્પને ઇનલાઇન સોનોરિએક્ટરમાં દાખલ કરવામાં આવે છે, જ્યાં અલ્ટ્રાસોનિક ઉચ્ચ કાતર બળો બાયોમાસની કોષીય સંરચનાને તોડી નાખે છે, જેથી સૂક્ષ્મતંતુમય દ્રવ્ય ઉપલબ્ધ બને છે.

નીચેની આકૃતિ 1માં “ક્યારેય ન સૂકવાયેલા કપાસ” (NDC)ની TEM છબી દર્શાવવામાં આવી છે, જેના પર એન્ઝાઇમેટિક જલવિઘટન અને Hielscher પ્રોબ પ્રકારના સોનિકેટર UP400S વડે 20 મિનિટ સુધી સોનિકેશન કરવામાં આવ્યું હતું.
[Bittencourt et al. 2008]

નીચેની આકૃતિ 2માં વિસ્કોઝની એક ફિલ્મની SEM છબી દર્શાવવામાં આવી છે, જેના પર એન્ઝાઇમેટિક જલવિઘટન કરવામાં આવ્યું હતું અને ત્યારબાદ Hielscher સોનિકેટર મોડેલ UP400S વડે સોનિકેશન કરવામાં આવ્યું હતું.
[Bittencourt et al. 2008]

અલ્ટ્રાસોનિક નેનોસેલ્યુલોઝ પ્રક્રિયાને TEMPO વડે ઓક્સિડાઇઝ કરાયેલા તંતુઓની સારવાર સાથે પણ સફળતાપૂર્વક જોડી શકાય છે. TEMPO પ્રક્રિયામાં, ઉત્પ્રેરક તરીકે 2,2,6,6-tetramethylpiperidinyl-1-oxyl (TEMPO), તેમજ સોડિયમ બ્રોમાઇડ (NaBr) અને સોડિયમ હાઇપોક્લોરાઇટ (NaOCl)નો ઉપયોગ કરતી ઓક્સિડેશન પ્રણાલી દ્વારા સેલ્યુલોઝ નેનોતંતુઓનું ઉત્પાદન કરવામાં આવે છે. સંશોધને સાબિત કર્યું છે કે અલ્ટ્રાસોનિક વિકિરણ હેઠળ ઓક્સિડેશન કરવામાં આવે ત્યારે ઓક્સિડેશનની કાર્યક્ષમતામાં નોંધપાત્ર સુધારો થાય છે.

નેનોસેલ્યુલોઝનું અલ્ટ્રાસોનિક વિક્ષેપન

નેનોસેલ્યુલોઝની ઓછી સાંદ્રતાઓએ ઊંચી સ્નિગ્ધતાને કારણે નેનોસેલ્યુલોઝના વિક્ષેપો અસાધારણ પ્રવાહવર્તન દર્શાવે છે. આથી નેનોસેલ્યુલોઝ વિવિધ ઉપયોગો માટે, ઉદાહરણ તરીકે કોટિંગ, કાગળ અથવા ખાદ્ય ઉદ્યોગમાં, પ્રવાહવર્તન સુધારક, સ્થિરતાકારક અને જેલ બનાવનાર પદાર્થ તરીકે અત્યંત રસપ્રદ ઉમેરણ બને છે. તેના અનન્ય ગુણધર્મો પ્રગટ કરવા માટે, નેનોસેલ્યુલોઝ આવશ્યકપણે હોવું જોઈએ
બારીક કદનું, અલગ અલગ એકમોમાં વિક્ષેપિત નેનોસેલ્યુલોઝ મેળવવા માટે અલ્ટ્રાસોનિક વિક્ષેપન આદર્શ પદ્ધતિ છે. કાતર લાગુ પડતાં નેનોસેલ્યુલોઝની સ્નિગ્ધતા મોટા પ્રમાણમાં ઘટતી હોવાથી, નેનોસેલ્યુલોસિક નિલંબનોનાં સંયોજનો તૈયાર કરવા માટે ઉચ્ચ શક્તિવાળું અલ્ટ્રાસાઉન્ડ વધુ પસંદગીયોગ્ય ટેકનોલોજી છે, કારણ કે પ્રવાહીઓમાં ઉચ્ચ શક્તિવાળા અલ્ટ્રાસાઉન્ડની ઊર્જાનું યુગ્મન કરવાથી અત્યંત ઊંચાં કાતર બળો ઉત્પન્ન થાય છે.
પ્રવાહીઓમાં અલ્ટ્રાસોનિક કેવિટેશન વિશે વધુ જાણવા માટે અહીં ક્લિક કરો!
નેનોસ્ફટિકીય સેલ્યુલોઝના સંશ્લેષણ પછી, અંતિમ ઉત્પાદન (દા.ત. નેનોકોમ્પોઝિટ, પ્રવાહવર્તન સુધારક વગેરે) તૈયાર કરવા માટે નેનોસેલ્યુલોઝને ઘણીવાર પ્રવાહી માધ્યમમાં, ઉદાહરણ તરીકે ડાઇમિથાઇલફોર્મામાઇડ (DMF) જેવા અધ્રુવીય અથવા ધ્રુવીય દ્રાવકમાં, અલ્ટ્રાસોનિક રીતે વિક્ષેપિત કરવામાં આવે છે. CNFsનો ઉપયોગ અનેકવિધ સંયોજનોમાં ઉમેરણો તરીકે થતો હોવાથી, વિશ્વસનીય વિક્ષેપન નિર્ણાયક છે. અલ્ટ્રાસોનિકેશન સ્થિર અને સમાનરૂપે વિક્ષેપિત સૂક્ષ્મતંતુઓ ઉત્પન્ન કરે છે.

સેલ્યુલોઝ નેનોસ્ફટિકોનું અલ્ટ્રાસોનિક સ્વયંસંયોજન

અલ્ટ્રાસોનિકેશન જલવિઘટનથી બનેલા કણસમુચ્ચયોને તોડીને, તંતુગુચ્છોને વિખેરીને અને પુનરુત્પાદનીય કણ આંતરક્રિયાઓ ધરાવતાં વધુ એકસમાન નિલંબનો ઉત્પન્ન કરીને સેલ્યુલોઝ નેનોક્રિસ્ટલ્સ (CNCs)ના સંશ્લેષણ અને પ્રક્રિયાકરણને શક્ય બનાવવામાં મહત્વપૂર્ણ ભૂમિકા ભજવે છે. જોકે CNCs સામાન્ય રીતે અમ્લીય જલવિઘટન દ્વારા ઉત્પન્ન થાય છે, પરિણામી સામગ્રીમાં ઘણીવાર સમૂહિત વિસ્તારો હોય છે, જે વિશ્વસનીય સ્વયંસંયોજનમાં અવરોધ ઊભો કરી શકે છે અને પ્રવાહવિજ્ઞાનિક તથા પ્રકાશીય ગુણધર્મોમાં બેચથી બેચ વચ્ચે ભિન્નતા પેદા કરી શકે છે. સંશ્લેષણ પછી નિયંત્રિત અલ્ટ્રાસોનિક ઊર્જા લાગુ કરવાથી વિખેરણની ગુણવત્તા સુધરે છે અને CNCની આકારરચનાને પ્રમાણિત કરવામાં મદદ મળે છે, જે સુસંગત કોલેસ્ટેરિક ગોઠવણી, અનુમાન કરી શકાય તેવી જેલ રચનાની વર્તણૂક અને CNC આધારિત કાર્યાત્મક સામગ્રીઓના ઉત્પાદનનું પ્રમાણ વધારવા માટે અત્યંત મહત્વપૂર્ણ છે. અલ્ટ્રાસોનિક રીતે પ્રોત્સાહિત CNCsના સ્વયંસંયોજન વિશે વધુ જાણો!

અલ્ટ્રાસોનિક રીતે સુધારેલું સેલ્યુલોઝ નેનોફાઇબર્સનું નિર્જલીકરણ

સેલ્યુલોઝ નેનોફાઇબર્સનું અલ્ટ્રાસોનિક રીતે સુધારેલું નિર્જલીકરણ એક અદ્યતન તકનીક છે, જે પાણી દૂર કરવાની કાર્યક્ષમતામાં નોંધપાત્ર સુધારો કરે છે – જેથી સેલ્યુલોઝ નેનોફાઇબર્સ નેનોપેપરના ઉત્પાદન માટે અત્યંત આકર્ષક ઉમેરણ બને છે. નેનોસેલ્યુલોઝ તંતુઓની ઊંચી જળધારણ ક્ષમતાને કારણે સામાન્ય રીતે તેમના નિર્જલીકરણમાં ઘણો સમય લાગે છે. અલ્ટ્રાસોનિક તરંગો લાગુ કરવાથી તીવ્ર કેવિટેશન બળો ઉત્પન્ન થાય છે, જે પાણીના મેટ્રિક્સને ખલેલ પહોંચાડે છે અને વધુ ઝડપી તથા વધુ એકસમાન રીતે પાણી બહાર કાઢવામાં મદદ કરે છે, જેથી આ પ્રક્રિયા ઝડપી બને છે. આનાથી સૂકવવાનો સમય ઘટે છે એટલું જ નહીં, પરંતુ પરિણામી સેલ્યુલોઝ નેનોફાઇબર્સની માળખાકીય અખંડિતતા અને યાંત્રિક ગુણધર્મો પણ સુધરે છે, જેથી ઉચ્ચ ગુણવત્તાવાળા નેનોપેપર અને અન્ય નેનોસામગ્રીઓના ઉત્પાદનમાં આ અત્યંત અસરકારક પદ્ધતિ બને છે.
નેનોપેપરના અલ્ટ્રાસોનિક નિર્જલીકરણ વિશે વધુ જાણો!

ઉચ્ચ શક્તિના અલ્ટ્રાસાઉન્ડનો ઉપયોગ કરીને નેનોસેલ્યુલોઝનું ઔદ્યોગિક ઉત્પાદન

Hielscher Ultrasonics નેનોસેલ્યુલોઝના વ્યાપારી પ્રક્રિયાકરણ માટે આદર્શ એવા શક્તિશાળી અને વિશ્વસનીય અલ્ટ્રાસોનિક ઉકેલોની વ્યાપક શ્રેણી પ્રદાન કરે છે, જેમાં પ્રયોગશાળાના નાના પાયાના અલ્ટ્રાસોનિકેટર્સથી લઈને મોટા પાયાની ઔદ્યોગિક પ્રણાલીઓનો સમાવેશ થાય છે. Hielscher ઔદ્યોગિક પ્રોબ પ્રકારના સોનિકેટર્સનો મુખ્ય લાભ વિવિધ કદ અને ભૌમિતિક આકારોમાં ઉપલબ્ધ તેમના ફ્લો-થ્રૂ સોનોરિએક્ટર્સ દ્વારા શ્રેષ્ઠ અલ્ટ્રાસોનિક પરિસ્થિતિઓ પૂરી પાડવાની તેમની ક્ષમતામાં રહેલો છે. આ રિએક્ટર્સ સેલ્યુલોઝ સામગ્રી પર અલ્ટ્રાસાઉન્ડ ઊર્જા સાતત્યપૂર્ણ અને એકસમાન રીતે લાગુ થાય તેની ખાતરી કરે છે, જેથી પ્રક્રિયાકરણનાં ચઢિયાતાં પરિણામો મળે છે.

UIP1000hdT, UIP2000hdT અને UIP4000hdT જેવા Hielscher બેન્ચ-ટોપ સોનિકેટર્સ દરરોજ કેટલાંક કિલોગ્રામ નેનોસેલ્યુલોઝ ઉત્પન્ન કરવામાં સક્ષમ છે, જેથી તેઓ મધ્યમ પાયાની ઉત્પાદન જરૂરિયાતો માટે યોગ્ય બને છે. મોટા પાયાના વ્યાપારી ઉત્પાદન માટે, UIP10000 અને UIP16000hdT જેવા સંપૂર્ણ ઔદ્યોગિક એકમો મોટા દ્રવ્યમાન પ્રવાહો સંભાળી શકે છે, જેથી મોટા પ્રમાણમાં નેનોસેલ્યુલોઝનું કાર્યક્ષમ ઉત્પાદન શક્ય બને છે.

Hielscher અલ્ટ્રાસોનિક પ્રણાલીઓના સૌથી નોંધપાત્ર લાભોમાંનો એક તેમની રેખીય રીતે ઉત્પાદનક્ષમતા વધારવાની ક્ષમતા છે. બેન્ચ-ટોપ અને ઔદ્યોગિક અલ્ટ્રાસોનિકેટર્સ બંનેને સમૂહોમાં સ્થાપિત કરી શકાય છે, જે વ્યવહારિક રીતે અમર્યાદિત પ્રક્રિયાકરણ ક્ષમતા પૂરી પાડે છે, જેથી નેનોસેલ્યુલોઝના ઉત્પાદનમાં ઊંચો પ્રક્રિયાકરણ દર અને વિશ્વસનીય કામગીરી જરૂરી હોય તેવી કામગીરીઓ માટે તેઓ આદર્શ પસંદગી બને છે.