ייצור אולטרסוני של תאית בעלת מבנה ננומטרי

ננוצלולוז, תוסף יוצא דופן בעל ביצועים גבוהים, זכה למעמד בולט בזכות שימושיו המגוונים כחומר לשינוי תכונות ריאולוגיות, כחומר מחזק וכמרכיב מרכזי בחומרים מתקדמים שונים. ניתן לבודד ביעילות פיברילות אלה, בעלות מבנה ננומטרי ומקורן בכל מקור המכיל תאית, באמצעות הומוגניזציה וטחינה אולטרסוניות בהספק גבוה. תהליך זה, המכונה סוניקציה, משפר במידה ניכרת את הפיברילציה, ומוביל לתפוקה גבוהה יותר של ננוצלולוז וליצירת סיבים עדינים ודקים יותר. הטכנולוגיה האולטרסונית עולה על שיטות ייצור קונבנציונליות בזכות יכולתה ליצור כוחות גזירה גבוהים וקיצוניים באמצעות קוויטציה, ולכן היא כלי יוצא דופן לייצור ננוצלולוז.

ייצור אולטרסוני של ננוצלולוז

אולטרסאונד בהספק גבוה תורם למיצוי ולבידוד של מיקרוצלולוז וננוצלולוז ממקורות שונים של חומרים תאיתיים, כגון עץ, סיבים ליגנוצלולוזיים (סיבי עיסה) ושאריות המכילות תאית.
לשחרור סיבי הצמח מחומר המקור, השילוב של טחינה אולטרסונית עם הומוגניזציה אולטרסונית הוא שיטה עוצמתית ואמינה המאפשרת לעבד נפחים גדולים מאוד. העיסה מוזנת לכור סוניקציה המותקן בקו התהליך, שבו כוחות גזירה אולטרסוניים גבוהים מפרקים את המבנה התאי של הביומסה, וכך החומר הפיברילרי נעשה זמין.

איור 1 להלן מציג תמונת TEM של "כותנה שמעולם לא יובשה" (NDC), שעברה הידרוליזה אנזימטית וסוניקציה באמצעות מכשיר סוניקציה מסוג גשושית של Hielscher מדגם UP400S במשך 20 דקות.
[Bittencourt et al. 2008]

איור 2 להלן מציג תמונת SEM של יריעת ויסקוזה שעברה הידרוליזה אנזימטית ולאחריה סוניקציה באמצעות מכשיר הסוניקציה של Hielscher מדגם UP400S.
[Bittencourt et al. 2008]

ניתן גם לשלב בהצלחה עיבוד אולטרסוני של ננוצלולוז עם טיפול בסיבים המחומצנים באמצעות TEMPO. בתהליך TEMPO מיוצרים ננוסיבי תאית באמצעות מערכת חמצון המשתמשת ב-2,2,6,6-טטראמתילפיפרידיניל-1-אוקסיל (TEMPO) כזרז, ובנתרן ברומיד (NaBr) ובנתרן היפוכלוריט (NaOCl). מחקרים הוכיחו שיעילות החמצון משתפרת במידה ניכרת כאשר החמצון מתבצע תחת הקרנה אולטרסונית.

פיזור אולטרסוני של ננוצלולוז

מערכות פיזור של ננוצלולוז מפגינות התנהגות ריאולוגית יוצאת דופן בשל צמיגותן הגבוהה בריכוזי ננוצלולוז נמוכים. הדבר הופך את הננוצלולוז לתוסף מעניין מאוד כחומר לשינוי תכונות ריאולוגיות, כמייצב וכחומר יוצר ג'ל במגוון יישומים, למשל בתעשיות הציפויים, הנייר או המזון. כדי לבטא את תכונותיו הייחודיות, הננוצלולוז חייב להיות
פיזור אולטרסוני הוא השיטה האידיאלית לקבלת ננוצלולוז בעל ממדים קטנים, המפוזר ליחידות נפרדות. מאחר שצמיגותו של הננוצלולוז פוחתת במידה רבה בהשפעת גזירה, אולטרסאונד בהספק גבוה הוא הטכנולוגיה המועדפת להכנת תרחיפי ננוצלולוז, שכן העברת אולטרסאונד בהספק גבוה לתוך נוזלים יוצרת כוחות גזירה קיצוניים.
לחצו כאן למידע נוסף על קוויטציה אולטרסונית בנוזלים!
לאחר הסינתזה של תאית ננוגבישית, הננוצלולוז מפוזר לעיתים קרובות באמצעות אולטרסאונד בתווך נוזלי, למשל בממס לא קוטבי או קוטבי כגון דימתילפורמאמיד (DMF), לשם הכנת מוצר סופי (למשל חומרים ננומטריים מרוכבים, חומר לשינוי תכונות ריאולוגיות וכדומה). מכיוון שננוסיבי תאית (CNFs) משמשים כתוספים בפורמולציות רבות ומגוונות, פיזור אמין הוא חיוני. טיפול באולטרסאונד מפיק פיברילות יציבות המפוזרות באופן אחיד.

הרכבה עצמית של ננוגבישי תאית באמצעות אולטרסאונד

לסוניקציה תפקיד חשוב המאפשר סינתזה ועיבוד של ננו־גבישי תאית (CNCs), באמצעות פירוק אגרגטים שנוצרו בהידרוליזה, פיזור צרורות ויצירת תרחיפים אחידים יותר עם אינטראקציות בין חלקיקים הניתנות לשחזור. אף שננו־גבישי תאית נוצרים בדרך כלל בהידרוליזה חומצית, החומר המתקבל מכיל לעיתים קרובות אזורים של צברים העלולים להפריע להרכבה עצמית אמינה ולהוביל לשונות בין אצוות בריאולוגיה ובתכונות האופטיות. הפעלת אנרגיה אולטרסונית מבוקרת לאחר הסינתזה משפרת את איכות הפיזור ומסייעת לתקנן את המורפולוגיה של ננו־גבישי התאית, דבר החיוני לסידור כולסטרי עקבי, להתנהגות צפויה של יצירת ג'ל ולייצור חומרים פונקציונליים המבוססים על ננו־גבישי תאית בהיקפים הניתנים להגדלה. למידע נוסף על הרכבה עצמית של ננו־גבישי תאית (CNCs) המקודמת באמצעות אולטרסאונד!

שיפור סילוק המים מננו־סיבי תאית באמצעות אולטרסאונד

סילוק מים מננו־סיבי תאית בסיוע אולטרסאונד הוא טכניקה מתקדמת המשפרת במידה ניכרת את יעילות הוצאת המים – ובכך הופכת ננו־סיבי תאית לתוסף אטרקטיבי ביותר לייצור ננו־נייר. סיבי ננוצלולוז דורשים בדרך כלל סילוק מים ממושך בשל יכולתם הגבוהה לאצור מים. הפעלת גלים אולטרסוניים מאיצה תהליך זה באמצעות יצירת כוחות קוויטציה עזים, המשבשים את מטריצת המים ומאפשרים הוצאת מים מהירה ואחידה יותר. הדבר לא רק מקצר את זמן הייבוש, אלא גם משפר את השלמות המבנית ואת התכונות המכניות של ננו־סיבי התאית המתקבלים, והופך את הטכניקה לשיטה יעילה ביותר בייצור ננו־נייר באיכות גבוהה וננו־חומרים אחרים.
למידע נוסף על סילוק מים מננו־נייר באמצעות אולטרסאונד!

ייצור תעשייתי של ננוצלולוז באמצעות אולטרסאונד בעוצמה גבוהה

Hielscher Ultrasonics מציעה מגוון מקיף של פתרונות אולטרסוניים רבי עוצמה ואמינים, החל ממכשירים אולטרסוניים קטנים בקנה מידה מעבדתי ועד למערכות תעשייתיות בקנה מידה גדול, המתאימים באופן אידיאלי לעיבוד מסחרי של ננוצלולוז. היתרון המרכזי של מכשירי הסוניקציה התעשייתיים של Hielscher המצוידים בגשושית טמון ביכולתם לספק תנאים אולטרסוניים מיטביים באמצעות כורי הסוניקציה שלהם לעיבוד בזרימה, המוצעים בגדלים ובגאומטריות שונים. כורים אלה מבטיחים שהאנרגיה האולטרסונית מופעלת על חומר התאית באופן עקבי ואחיד, ומובילים לתוצאות עיבוד מעולות.

מכשירי הסוניקציה השולחניים של Hielscher, כגון UIP1000hdT, UIP2000hdT ו־UIP4000hdT, מסוגלים לייצר כמה קילוגרמים של ננוצלולוז ביום, ולכן מתאימים לצורכי ייצור בהיקף בינוני. לייצור מסחרי בקנה מידה גדול, היחידות התעשייתיות המלאות, כגון UIP10000 ו־UIP16000hdT, יכולות לטפל בזרמי חומר בעלי ספיקה מסית גבוהה, ומאפשרות ייצור יעיל של כמויות גדולות של ננוצלולוז.

אחד היתרונות המשמעותיים ביותר של המערכות האולטרסוניות של Hielscher הוא יכולתן להגדיל את היקף העיבוד באופן ליניארי. ניתן להתקין הן מכשירים אולטרסוניים שולחניים והן מכשירים תעשייתיים באשכולות, המספקים קיבולת עיבוד כמעט בלתי מוגבלת, ולכן הם בחירה אידיאלית לפעולות הדורשות תפוקה גבוהה וביצועים אמינים בייצור ננוצלולוז.