Cellulóz-nanoszálak gyorsított víztelenítése papírgyártáshoz

Az ultrahangos kezelés tejsavas (LA) módosítással kombinálva környezetbarát megközelítés a papírgyártáshoz használt cellulóz-nanoszálak (CNF-ek) víztelenítési folyamatának felgyorsítására. A cellulóz-nanoszálak nagy vízvisszatartó képességükről ismertek, amely jelentős késedelmet okoz a vízelvezetési folyamatban, a nanopapír előállításának és a nanocellulóz egyéb alkalmazásainak egyik kritikus lépésében. A módszer 75%-kal, 45 percről 10 percre csökkenti a vízelvezetési időt a cellulóz hidroxilcsoportjainak ultrahangos kezelés közben végzett, tejsavval történő észterezésével. Ez a módosítás a szuszpenzió viszkozitását is csökkenti, és ipari méretekre is kiterjeszthetőnek bizonyul, így gyakorlati megoldást kínál a cellulóz-nanoszálakon alapuló termékek előállítási hatékonyságának és termelési ütemének növelésére.

Tejsavval módosított cellulóz-nanoszálak gyors víztelenítése ultrahangos kezelés közben
(Tanulmány és kép: ©Sethi et al., 2018)

A cellulóz-nanoszálak víztelenítési hatékonyságának növelése ultrahangos tejsavas módosítással

A cellulóz-nanoszálakat (CNF-eket) a papírgyártásban nyújtott számos előnyük miatt nagyra értékelik, például a szilárdság növeléséért és a reológiai tulajdonságok módosításáért. Jelentős hátrányuk azonban, hogy rendkívül hosszú idő szükséges a víz elvezetéséhez a cellulóz-nanoszálak szuszpenzióiból, ami a nanopapírok előállításának kritikus lépése. Ez a nehézség nemcsak a nanopapírgyártást érinti, hanem a nanocellulóz más késztermékekké történő ipari feldolgozását is akadályozza. Az elhúzódó vízelvezetési idő elsősorban a cellulóz-nanoszálak nagy vízvisszatartó képességének tulajdonítható, amely szűk keresztmetszetet jelent a cellulóz-nanoszálakból készült termékek kereskedelmi hasznosításában.
Az alábbiakban Sethi és munkatársai (2018) tudományos tanulmányának eredményeit mutatjuk be. A kutatók a cellulóz-nanoszálak ultrahanggal segített tejsavas módosítását fejlesztették ki, amely a CNF-ek 75%-kal gyorsabb víztelenítéséhez és az anyag funkcionális tulajdonságainak javulásához vezet.

Cellulóz-nanoszálak ultrahangos módosítása tejsavval

E probléma megoldására környezetbarát, vízalapú megközelítést fejlesztettek ki, amely az ultrahangos kezelés energiáját és tejsavat (LA) használ a cellulóz-nanoszálak felületének módosítására. Ez a módszer jelentősen felgyorsítja a víztelenítési folyamatot, akár 75%-kal csökkentve a vízelvezetési időt.
A módosítási folyamat során a cellulóz-nanoszálak szuszpenzióit 0,35 wt.% koncentrációra hígítják, és a cellulóz-nanoszálak szárazanyag-tartalmához viszonyítva különböző mennyiségű tejsavat adnak hozzájuk (a szuszpenzióban lévő cellulóz-nanoszálak szárazanyag-tartalmának 0,5-szeresét, 1-szeresét, 5-szörösét és 10-szeresét). A nanoszálakat, a vizet és a tejsavat nagy fordulatszámú keverővel, 1500 rpm fordulatszámon 5 percig keverik, majd titánheggyel (22 mm átmérővel) felszerelt Hielscher UP400S ultrahangos készülékkel kezelik. Az ultrahangos kezelést különböző energiaszinteken végzik, a maximálisan bevitt energia 600 J/ml, ami 10 perc ultrahangos kezelésnek felel meg.

Hatás a vízelvezetési időre

Az ultrahangos tejsavas módosítás jelentős hatással van a cellulóz-nanoszálak szuszpenzióinak vízelvezetési idejére. A referenciaszuszpenzió víztelenítéséhez körülbelül 45 perc szükséges. Az ultrahanggal segített tejsavas módosítás után ez az idő 10 percre csökken, ami 75%-os javulást jelent. Még enyhe ultrahangos kezelés (5 J/ml) esetén is a felére, 23 percre csökken a vízelvezetési idő. A vízelvezetési idő az ultrahangos kezelés energiájának növelésével csökken, végül körülbelül 10 percnél állandósul.
Ez a javulás annak tulajdonítható, hogy a cellulóz hidrofil hidroxilcsoportjait a tejsav hidrofób molekularészei váltják fel. Elsősorban a hidroxilcsoportok felelősek a nagy vízvisszatartó képességért. A tejsav karboxilcsoportja révén ultrahangos kezelés közben észterezési reakcióban vehet részt a cellulóz hidroxilcsoportjaival. Az ultrahangos kezelés parányi vákuumüregeket hoz létre a folyékony közegben, amelyek összeomlásukkor szélsőséges körülményeket (5000 K hőmérsékletet és 1000 atm nyomást) teremtenek, amelyek elegendők kémiai reakciók, köztük az észterezés kiváltásához.

Az ultrahangos kezelés energiája és a vízelvezetési idő (percben) közötti összefüggés nanopapír előállításakor (a CNF(1)LA mintának megfelelően).
100 J/ml ultrahangos kezelési energia 100 másodperc ultrahangos kezelésnek felel meg, és így tovább.
(Tanulmány és kép: ©Sethi et al., 2018)

A cellulóz-nanoszálak szuszpenzióinak viszkozitáscsökkentése

Az ultrahangos kezelés energiája a cellulóz-nanoszálak szuszpenzióinak viszkozitáscsökkenéséhez is hozzájárul. A viszkozitás fordítottan arányos az ultrahangos kezelés energiájával; a legalacsonyabb viszkozitást 600 J/ml mellett figyelték meg, ezt követte a 300 J/ml, majd a 60 J/ml mellett mért érték. A viszkozitás e csökkenése tovább javítja a víztelenítés hatékonyságát.

A cellulóz-nanoszálak ultrahangos módosításának ipari jelentősége

Az ultrahangos tejsavas módosítási módszer nemcsak hatékony, hanem ipari alkalmazásokkal is összeegyeztethető. A Hielscher legkorszerűbb, nagy térfogatok feldolgozására képes ultrahangos készülékei hatékonyan el tudják végezni ezt a feladatot, így a módszer nagyüzemi alkalmazásra is alkalmas.
Ezenkívül ez a megközelítés lehetővé teszi akár 10 wt.% cellulóz-nanoszál beépítését a papírlapokba, miközben a víztelenítés mindössze 2 perc alatt befejeződik, szemben a módosítatlan cellulóz-nanoszálak esetében szükséges 23 perccel. Ez a jelentős javulás forradalmasíthatja a cellulóz-nanoszálak papírgyártási felhasználását, leküzdve kereskedelmi hasznosításuk egyik fő akadályát.

Ultrahangos készülékek cellulóz-nanoszálakhoz és papírgyártáshoz

Az alábbi táblázat szondás ultrahangos készülékeink hozzávetőleges feldolgozási kapacitásáról ad tájékoztatást:

Tervezés, gyártás és tanácsadás – Németországban készült minőség

A Hielscher ultrahangos készülékei a legmagasabb minőségi és tervezési követelményeknek való megfelelésükről ismertek. A robusztusság és az egyszerű kezelés lehetővé teszi ultrahangos készülékeink zökkenőmentes integrálását az ipari létesítményekbe. A Hielscher ultrahangos készülékei könnyedén megbirkóznak a zord körülményekkel és a nagy igénybevételt jelentő környezetekkel.

A Hielscher Ultrasonics ISO-tanúsítvánnyal rendelkező vállalat, amely különös hangsúlyt fektet a legkorszerűbb technológiával és felhasználóbarát kialakítással rendelkező, nagy teljesítményű ultrahangos készülékekre. Természetesen a Hielscher ultrahangos készülékei megfelelnek a CE előírásainak, valamint teljesítik az UL, CSA és RoHs követelményeit.