הפחתה מואצת של ננו-סיבים תאית לייצור נייר

סוניקציה בשילוב עם שינוי חומצה לקטית (LA) היא גישה ידידותית לסביבה להאצת תהליך ההשקיה של ננו-סיבי תאית (CNF) לייצור נייר. ננו-סיבי תאית ידועים באגירת המים הגבוהה שלהם, מה שגורם לעיכובים משמעותיים בתהליך הניקוז, שלב קריטי בהכנת ננו-נייר ויישומי ננוצלולוז אחרים. השיטה מפחיתה את זמן הניקוז ב -75%, מ -45 דקות ל -10 דקות, באמצעות אסטריפיקציה של קבוצות הידרוקסיל תאית על ידי חומצה לקטית תחת סוניקציה. שינוי זה גם מוריד את צמיגות המתלים ומוכיח את עצמו כניתן להרחבה תעשייתית, ומציע פתרון מעשי לשיפור היעילות וקצב הייצור של מוצרים מבוססי ננו-סיבים תאית.

השקיה מהירה של ננו-סיבי תאית מעובדים בחומצה לקטית תחת סוניקציה
(מחקר ותמונה: ©Sethi et al., 2018)

יעילות משופרת של הפחתת המים של ננו-סיבים תאית באמצעות שינוי חומצה לקטית על-קולית

ננו-סיבי תאית (CNFs) ידועים בזכות היתרונות הרבים שלהם בייצור נייר, כגון שיפור חוזק ושינוי ריאולוגיה. עם זאת, חסרון משמעותי אחד הוא משך הזמן המופרז הנדרש לניקוז מים מתרחיפים של ננו-סיבים תאית, שלב קריטי בהכנת ננו-ניירות. אתגר זה לא רק משפיע על ייצור ננו-נייר, אלא גם מעכב את העיבוד התעשייתי של ננוצלולוז למוצרים מוגמרים אחרים. זמן הניקוז הממושך נובע בעיקר מאגירת מים גבוהה על ידי ננו-סיבים תאית, המהווה צוואר בקבוק במסחור מוצרים שמקורם בננו-סיבים תאית.
להלן, אנו מציגים בפניכם את תוצאות המחקר המדעי של סתי ועמיתיו (2018), שפיתחו שינוי חומצה לקטית בסיוע אולטרה-סאונד של ננו-סיבי תאית, מה שמוביל להשקיה מהירה יותר ב -75% של CNFs ופונקציונליות חומרים משופרת.

שינוי קולי של ננו-סיבים תאית עם חומצה לקטית

כדי לטפל בבעיה זו, פותחה גישה ידידותית לסביבה, מבוססת מים, הכוללת אנרגיית סוניקציה וחומצה לקטית (LA) כדי לשנות את פני השטח של ננו-סיבי תאית. שיטה זו מאיצה באופן משמעותי את תהליך ההשקיה ומקצרת את זמן הניקוז בשיעור של עד 75%.
תהליך השינוי כולל דילול תרחיפים של ננופייבר תאית לריכוז של 0.35 wt.% והוספת חומצה לקטית בכמויות שונות ביחס לתכולת ננופייבר התאית היבשה (0.5 פעמים, פעם אחת, 5 פעמים ופי 10 מתכולת ננופייבר התאית היבשה בתרחיף). הננו-סיבים, המים והחומצה הלקטית מעורבבים באמצעות מערבל במהירות גבוהה ב-1500 סל"ד למשך 5 דקות ולאחר מכן מסונקים באמצעות סוניק Hielscher UP400S המצויד בקצה טיטניום (קוטר 22 מ"מ). הסוניקציה מתבצעת ברמות אנרגיה שונות, עם אנרגיה מקסימלית של 600 J/ml, המקבילה ל-10 דקות של סוניקציה.

השפעה על זמן הניקוז

לשינוי חומצה קולית-לקטית יש השפעה עמוקה על זמן הניקוז של תרחיפים ננו-סיבים תאית. מתלי הייחוס אורכים כ-45 דקות לירידת מים. לאחר שינוי חומצה לקטית בסיוע סוניקציה, זמן זה מצטמצם ל -10 דקות, המייצג שיפור של 75%. אפילו עם סוניקציה קלה (5 J/ml), זמן הניקוז מתקצר בחצי ל-23 דקות. זמן הניקוז פוחת ככל שאנרגיית הסוניקציה עולה, ובסופו של דבר מגיעה לרמה בסביבות 10 דקות.
שיפור זה מיוחס להחלפת קבוצות הידרוקסיל הידרופיליות של תאית עם moieties הידרופובי של חומצה לקטית. קבוצות ההידרוקסיל אחראיות בעיקר לאגירת מים גבוהה. חומצה לקטית, עם הקבוצה הקרבוקסילית שלה, יכולה להשתתף בתגובת אסטריפיקציה עם קבוצות הידרוקסיל של תאית תחת סוניקציה. הסוניקציה יוצרת חללי ואקום זעירים בתווך הנוזלי, אשר קורסים ויוצרים תנאים קיצוניים (טמפרטורה של 5000 K ולחץ של 1000 אטמוספרה), מספיק כדי לגרום לתגובות כימיות, כולל אסטריפיקציה.

אנרגיית סוניקציה לעומת זמן ניקוז (בדקות) להכנת ננו-נייר (מקביל למדגם CNF(1)LA).
100 J/ml של אנרגיית סוניקציה מקבילה ל-100 שניות של סוניקציה וכו'.
(מחקר ותמונה: ©Sethi et al., 2018)

הפחתת צמיגות של תרחיפים ננופייבר תאית

אנרגיית הסוניקציה תורמת גם לירידה בצמיגות של מתלי ננו-סיבי התאית. הצמיגות עומדת ביחס הפוך לאנרגיית הסוניקציה, כאשר הצמיגות הנמוכה ביותר שנצפתה הייתה 600 J/ml, ואחריה 300 J/ml ו-60 J/ml. הפחתה זו בצמיגות מסייעת עוד יותר בשיפור יעילות ההשקייה.

הרלוונטיות התעשייתית של שינוי ננופייבר תאית קולית

שיטת שינוי חומצה קולית-לקטית היא לא רק יעילה, אלא גם תואמת ליישומים תעשייתיים. Hielscher חדיש של סוניקטורים המסוגלים להתמודד עם עיבוד בנפח גדול יכול להשלים ביעילות את המשימה, מה שהופך שיטה זו מתאימה לפעולות בקנה מידה גדול.
בנוסף, גישה זו מאפשרת שילוב של עד 10 wt.% ננופייבר תאית בגיליונות נייר, עם הסרת מים שהושלמה תוך 2 דקות בלבד, בהשוואה ל -23 דקות עבור ננו-סיבי תאית ללא שינוי. שיפור משמעותי זה יכול לחולל מהפכה בשימוש בננו-סיבי תאית בייצור נייר, ולהתגבר על אחד המכשולים העיקריים במסחורם.

סוניקטורים לייצור ננו-סיבים תאית וייצור נייר

הטבלה הבאה נותנת לך אינדיקציה לגבי יכולת העיבוד המשוערת של הסוניקטורים מסוג הגשושית שלנו:

תכנון, ייצור וייעוץ – איכות תוצרת גרמניה

Hielscher ultrasonicators ידועים באיכות הגבוהה ביותר שלהם סטנדרטים עיצוב. חוסן ותפעול קל מאפשרים שילוב חלק של האולטרסאונד שלנו במתקנים תעשייתיים. תנאים קשים וסביבות תובעניות מטופלים בקלות על ידי אולטרסוניקטורים Hielscher.

Hielscher Ultrasonics היא חברה מוסמכת ISO לשים דגש מיוחד על ultrasonicators ביצועים גבוהים שמציעות טכנולוגיה חדישה וידידותיות למשתמש. כמובן, Hielscher ultrasonicators הם תואמי CE ולעמוד בדרישות של UL, CSA ו RoHs.