סילוק מים מואץ מננו־סיבי תאית לייצור נייר

סוניקציה בשילוב עם שינוי באמצעות חומצה לקטית (LA) היא גישה ידידותית לסביבה להאצת תהליך סילוק המים מננו־סיבי תאית (CNFs) לייצור נייר. ננו־סיבי תאית ידועים ביכולת אחזקת המים הגבוהה שלהם, הגורמת לעיכובים משמעותיים בתהליך הניקוז, שהוא שלב קריטי בהכנת ננונייר וביישומים אחרים של ננוצלולוז. השיטה מקצרת את זמן הניקוז ב־75%, מ־45 דקות ל־10 דקות, באמצעות אסטריפיקציה של קבוצות ההידרוקסיל של התאית על ידי חומצה לקטית במהלך סוניקציה. שינוי זה גם מפחית את צמיגות התרחיף ומוכח כניתן להרחבה לקנה מידה תעשייתי, ובכך מציע פתרון מעשי לשיפור היעילות וקצב הייצור של מוצרים המבוססים על ננו־סיבי תאית.

סילוק מים מהיר מננו־סיבי תאית ששונו באמצעות חומצה לקטית במהלך סוניקציה
(מחקר ותמונה: ©Sethi et al., 2018)

שיפור יעילות סילוק המים מננו־סיבי תאית באמצעות שינוי בחומצה לקטית בסיוע אולטרסאונד

ננו־סיבי תאית (CNFs) זוכים להערכה בזכות יתרונותיהם הרבים בייצור נייר, כגון שיפור החוזק ושינוי התכונות הראולוגיות. עם זאת, חיסרון משמעותי אחד הוא הזמן הרב מאוד הנדרש לניקוז מים מתרחיפים של ננו־סיבי תאית, שלב קריטי בהכנת ננונייר. אתגר זה משפיע לא רק על ייצור ננונייר, אלא גם מעכב את העיבוד התעשייתי של ננוצלולוז למוצרים מוגמרים אחרים. זמן הניקוז הממושך נובע בעיקר מאחזקת המים הגבוהה של ננו־סיבי תאית, המהווה צוואר בקבוק במסחור מוצרים המופקים מננו־סיבי תאית.
להלן אנו מציגים את תוצאותיו של מחקר מדעי שערכו Sethi ועמיתיו (2018), שפיתחו שיטה לשינוי ננו־סיבי תאית באמצעות חומצה לקטית בסיוע אולטרסאונד, המובילה לסילוק מים מהיר יותר ב־75% מ־CNFs ולשיפור התפקודיות של החומר.

שינוי אולטרסוני של ננו־סיבי תאית באמצעות חומצה לקטית

כדי להתמודד עם בעיה זו, פותחה גישה ידידותית לסביבה ומבוססת מים, המשלבת אנרגיית סוניקציה וחומצה לקטית (LA) לשינוי פני השטח של ננו־סיבי תאית. שיטה זו מאיצה משמעותית את תהליך סילוק המים ומקצרת את זמן הניקוז בעד 75%.
תהליך השינוי כולל דילול תרחיפים של ננו־סיבי תאית לריכוז של 0.35 wt.% והוספת חומצה לקטית בכמויות שונות ביחס לתכולת ננו־סיבי התאית היבשים (פי 0.5, פי 1, פי 5 ופי 10 מתכולת ננו־סיבי התאית היבשים בתרחיף). ננו־הסיבים, המים והחומצה הלקטית מעורבבים באמצעות בוחש במהירות גבוהה של 1500 rpm במשך 5 דקות, ולאחר מכן עוברים סוניקציה באמצעות מכשיר סוניקציה Hielscher UP400S המצויד בקצה טיטניום (בקוטר 22 mm). הסוניקציה מתבצעת ברמות אנרגיה שונות, עם אנרגיה מרבית המועברת לתרחיף של 600 J/ml, התואמת ל־10 דקות של סוניקציה.

ההשפעה על זמן הניקוז

לשינוי באמצעות חומצה לקטית בשילוב אולטרסאונד יש השפעה ניכרת על זמן הניקוז של תרחיפי ננו־סיבי תאית. סילוק המים מתרחיף הייחוס נמשך כ־45 דקות. לאחר שינוי באמצעות חומצה לקטית בסיוע סוניקציה, זמן זה מתקצר ל־10 דקות, המייצגות שיפור של 75%. אפילו בסוניקציה מתונה (5 J/ml), זמן הניקוז מתקצר למחצית, ל־23 דקות. זמן הניקוז פוחת ככל שאנרגיית הסוניקציה גדלה, עד שלבסוף הוא מתייצב על כ־10 דקות.
שיפור זה מיוחס להחלפת קבוצות ההידרוקסיל ההידרופיליות של התאית בחלקים הידרופוביים של חומצה לקטית. קבוצות ההידרוקסיל הן האחראיות העיקריות לאחזקת המים הגבוהה. חומצה לקטית, בעלת הקבוצה הקרבוקסילית, יכולה להשתתף בתגובת אסטריפיקציה עם קבוצות ההידרוקסיל של התאית במהלך סוניקציה. סוניקציה יוצרת חללי ריק זעירים בתווך הנוזלי, הקורסים ויוצרים תנאים קיצוניים (טמפרטורה של 5000 K ולחץ של 1000 atm), המספיקים להשראת תגובות כימיות, לרבות אסטריפיקציה.

אנרגיית סוניקציה לעומת זמן הניקוז (בדקות) להכנת ננונייר (בהתאמה לדגימת CNF(1)LA).
אנרגיית סוניקציה של 100 J/ml תואמת ל־100 שניות של סוניקציה, וכן הלאה.
(מחקר ותמונה: ©Sethi et al., 2018)

הפחתת הצמיגות של תרחיפי ננו־סיבי תאית

אנרגיית הסוניקציה תורמת גם להפחתת הצמיגות של תרחיפי ננו־סיבי התאית. הצמיגות נמצאת ביחס הפוך לאנרגיית הסוניקציה, כאשר הצמיגות הנמוכה ביותר נצפית ב־600 J/ml, ואחריה ב־300 J/ml וב־60 J/ml. הפחתת צמיגות זו מסייעת עוד יותר בשיפור יעילות סילוק המים.

הרלוונטיות התעשייתית של שינוי אולטרסוני של ננו־סיבי תאית

שיטת השינוי באמצעות חומצה לקטית בשילוב אולטרסאונד אינה רק יעילה, אלא גם מתאימה ליישומים תעשייתיים. מכשירי הסוניקציה המתקדמים ביותר של Hielscher, המסוגלים לעבד נפחים גדולים, יכולים להשלים את המשימה ביעילות, ובכך הופכים שיטה זו למתאימה לפעילות בקנה מידה גדול.
בנוסף, גישה זו מאפשרת לשלב עד 10 wt.% ננו־סיבי תאית בגיליונות נייר, כאשר סילוק המים מושלם בתוך 2 דקות בלבד, לעומת 23 דקות עבור ננו־סיבי תאית שלא עברו שינוי. שיפור משמעותי זה יכול לחולל מהפכה בשימוש בננו־סיבי תאית בייצור נייר, תוך התגברות על אחד המכשולים העיקריים במסחורם.

מכשירי סוניקציה לננו־סיבי תאית ולייצור נייר

הטבלה שלהלן מציגה אומדן של קיבולת העיבוד המשוערת של מכשירי הסוניקציה שלנו מסוג גשוש:

תכנון, ייצור וייעוץ – איכות מתוצרת גרמניה

מכשירי האולטרסאונד של Hielscher ידועים בסטנדרטים הגבוהים ביותר שלהם לאיכות ולתכנון. עמידות והפעלה קלה מאפשרות שילוב חלק של מכשירי האולטרסאונד שלנו במתקנים תעשייתיים. מכשירי האולטרסאונד של Hielscher מתמודדים בקלות עם תנאים קשים וסביבות תובעניות.

Hielscher Ultrasonics היא חברה בעלת הסמכת ISO, והיא שמה דגש מיוחד על מכשירי אולטרסאונד בעלי ביצועים גבוהים, המשלבים טכנולוגיה מהמתקדמות ביותר וידידותיות למשתמש. כמובן, מכשירי האולטרסאונד של Hielscher תואמים לדרישות CE ועומדים בדרישות UL, CSA ו־RoHs.