Ultrazvučna proizvodnja nanostrukturirane celuloze

Nanoceluloza, izvanredan aditiv visokih performansi, stekla je važnost zahvaljujući svojoj svestranoj primjeni kao modifikator reoloških svojstava, sredstvo za ojačavanje i ključna komponenta u različitim naprednim materijalima. Te nanostrukturirane fibrile, dobivene iz bilo kojeg izvora koji sadržava celulozu, moguće je učinkovito izolirati ultrazvučnom homogenizacijom i mljevenjem velike snage. Taj postupak, poznat kao sonikacija, znatno poboljšava fibrilaciju, čime se povećava prinos nanoceluloze i dobivaju finija, tanja vlakna. Ultrazvučna tehnologija nadmašuje konvencionalne metode proizvodnje zahvaljujući svojoj sposobnosti stvaranja iznimno velikih smičnih sila uslijed kavitacije, što je čini izvanrednim alatom za proizvodnju nanoceluloze.

Ultrazvučna proizvodnja nanoceluloze

Ultrazvuk velike snage pridonosi ekstrakciji i izolaciji mikroceluloze i nanoceluloze iz različitih izvora celuloznih materijala kao što su drvo, lignocelulozna vlakna (vlakna pulpe) i ostaci koji sadržavaju celulozu.
Za oslobađanje biljnih vlakana iz izvornog materijala ultrazvučno mljevenje i homogenizacija čine snažnu i pouzdanu metodu koja omogućuje obradu vrlo velikih volumena. Pulpa se dovodi u sonokemijski reaktor ugrađen u protočni sustav, u kojem velike smične sile nastale djelovanjem ultrazvuka razaraju staničnu strukturu biomase kako bi vlaknasta tvar postala dostupna.

Slika 1 u nastavku prikazuje TEM snimku „nikad sušenog pamuka” (NDC) podvrgnutog enzimskoj hidrolizi i soniciranog s pomoću sonikatora Hielscher UP400S sa sondom tijekom 20 minuta.
[Bittencourt et al. 2008]

Slika 2 u nastavku prikazuje SEM snimku filma viskoze podvrgnutog enzimskoj hidrolizi, nakon koje je uslijedila sonikacija s pomoću sonikatora Hielscher, model UP400S.
[Bittencourt et al. 2008]

Ultrazvučna obrada nanoceluloze može se uspješno kombinirati i s obradom vlakana oksidiranih primjenom TEMPO-a. U postupku TEMPO celulozna nanovlakna proizvode se oksidacijskim sustavom u kojem se upotrebljavaju 2,2,6,6-tetrametilpiperidinil-1-oksil (TEMPO) kao katalizator te natrijev bromid (NaBr) i natrijev hipoklorit (NaOCl). Istraživanja su dokazala da se učinkovitost oksidacije znatno poboljšava kada se oksidacija provodi uz ultrazvučno ozračivanje.

Ultrazvučno dispergiranje nanoceluloze

Disperzije nanoceluloze pokazuju izvanredno reološko ponašanje zbog svoje visoke viskoznosti pri niskim koncentracijama nanoceluloze. Zbog toga je nanoceluloza vrlo zanimljiv aditiv koji služi kao modifikator reoloških svojstava, stabilizator i sredstvo za geliranje u različitim primjenama, primjerice u industriji premaza, papira ili prehrambenoj industriji. Kako bi iskazala svoja jedinstvena svojstva, nanoceluloza mora biti
Ultrazvučno dispergiranje idealna je metoda za dobivanje fine nanoceluloze dispergirane u pojedinačne čestice. Budući da se viskoznost nanoceluloze snažno smanjuje pri smicanju, ultrazvuk velike snage poželjna je tehnologija za formuliranje suspenzija nanoceluloze jer prijenos ultrazvuka velike snage u tekućine stvara iznimno velike smične sile.
Kliknite ovdje i saznajte više o ultrazvučnoj kavitaciji u tekućinama!
Nakon sinteze nanokristalne celuloze nanoceluloza se često ultrazvučno dispergira u tekućem mediju, primjerice u nepolarnom ili polarnom otapalu kao što je dimetilformamid (DMF), radi formuliranja konačnog proizvoda (npr. nanokompozita, modifikatora reoloških svojstava itd.). Budući da se CNFs upotrebljavaju kao aditivi u brojnim formulacijama, pouzdano dispergiranje od presudne je važnosti. Primjenom ultrazvuka dobivaju se stabilne i ravnomjerno dispergirane fibrile.

Ultrazvučno samosastavljanje celuloznih nanokristala

Sonikacija ima važnu ulogu u omogućavanju sinteze i obrade celuloznih nanokristala (CNC) razbijanjem agregata nastalih hidrolizom, dispergiranjem snopova i stvaranjem ujednačenijih suspenzija s ponovljivim interakcijama među česticama. Iako se CNC obično dobivaju kiselinskom hidrolizom, dobiveni materijal često sadrži nakupine domena koje mogu ometati pouzdano samosastavljanje i uzrokovati razlike u reologiji i optičkim svojstvima među šaržama. Primjena kontrolirane ultrazvučne energije nakon sinteze poboljšava kvalitetu disperzije i pomaže standardizirati morfologiju CNC-a, što je ključno za dosljedno kolesteričko uređenje, predvidljivo ponašanje pri geliranju i skalabilnu proizvodnju funkcionalnih materijala na bazi CNC-a. Saznajte više o samosastavljanju CNC-a potpomognutom ultrazvukom!

Ultrazvučno poboljšano odvodnjavanje celuloznih nanovlakana

Ultrazvučno potpomognuto odvodnjavanje celuloznih nanovlakana napredna je tehnika koja znatno poboljšava učinkovitost uklanjanja vode – čime celulozna nanovlakna postaju vrlo privlačan dodatak za proizvodnju nanopapira. Nanocelulozna vlakna obično zahtijevaju dugotrajno odvodnjavanje zbog velike sposobnosti zadržavanja vode. Primjenom ultrazvučnih valova taj se proces ubrzava stvaranjem intenzivnih kavitacijskih sila koje narušavaju vodenu matricu i omogućuju brže i ujednačenije istiskivanje vode. Time se ne samo skraćuje vrijeme sušenja nego i poboljšavaju strukturna cjelovitost i mehanička svojstva dobivenih celuloznih nanovlakana, što ovu metodu čini vrlo učinkovitom u proizvodnji visokokvalitetnih nanopapira i drugih nanomaterijala.
Saznajte više o ultrazvučnom odvodnjavanju nanopapira!

Industrijska proizvodnja nanoceluloze ultrazvukom velike snage

Hielscher Ultrasonics nudi sveobuhvatan raspon snažnih i pouzdanih ultrazvučnih rješenja, od malih laboratorijskih ultrazvučnih uređaja do velikih industrijskih sustava, idealnih za komercijalnu obradu nanoceluloze. Ključna prednost industrijskih sonikatora Hielscher sa sondom leži u njihovoj sposobnosti osiguravanja optimalnih ultrazvučnih uvjeta putem protočnih sonoreaktora, dostupnih u različitim veličinama i geometrijama. Ti reaktori osiguravaju dosljednu i ravnomjernu primjenu ultrazvučne energije na celulozni materijal, što dovodi do vrhunskih rezultata obrade.

Stolni sonikatori Hielscher, poput UIP1000hdT, UIP2000hdT i UIP4000hdT, mogu proizvesti nekoliko kilograma nanoceluloze dnevno, što ih čini prikladnima za potrebe proizvodnje srednjeg opsega. Za komercijalnu proizvodnju velikog opsega potpuno industrijske jedinice poput UIP10000 i UIP16000hdT mogu obrađivati velike masene tokove, omogućujući učinkovitu proizvodnju velikih količina nanoceluloze.

Jedna od najznačajnijih prednosti ultrazvučnih sustava Hielscher jest njihova linearna skalabilnost. I stolni i industrijski ultrazvučni uređaji mogu se instalirati u skupinama, pružajući gotovo neograničen kapacitet obrade, što ih čini idealnim izborom za postupke koji zahtijevaju veliku proizvodnost i pouzdan rad u proizvodnji nanoceluloze.