Cellulóz nanoszálak gyorsított víztelenítése papírgyártáshoz

A szonikálás tejsav (LA) módosítással kombinálva környezetbarát megközelítés a cellulóz nanoszálak (CNF-ek) víztelenítési folyamatának felgyorsítására a papírgyártáshoz. A cellulóz nanoszálak magas vízvisszatartásukról ismertek, ami jelentős késedelmet okoz a vízelvezető folyamatban, ami kritikus lépés a nanopapír előkészítésében és más nanocellulóz alkalmazásokban. A módszer 75% -kal csökkenti a leeresztési időt 45 percről 10 percre, a cellulóz-hidroxilcsoportok tejsavval történő észterezésével szonikálás alatt. Ez a módosítás csökkenti a szuszpenzió viszkozitását is, és iparilag skálázhatónak bizonyul, praktikus megoldást kínálva a cellulóz nanoszálas termékek hatékonyságának és gyártási arányának növelésére.

A tejsavval módosított cellulóz nanoszálak gyors víztelenítése szonikálás alatt
(Tanulmány és kép: ©Sethi et al., 2018)

A cellulóz nanoszálak fokozott víztelenítési hatékonysága ultrahangos tejsavmódosítással

A cellulóz nanoszálakat (CNF) a papírgyártásban elért számos előnyük miatt ünneplik, mint például az erő növelése és a reológia módosítása. Az egyik jelentős hátrány azonban a cellulóz nanoszálas szuszpenziókból származó víz elvezetéséhez szükséges túl sok idő, ami kritikus lépés a nanopapírok előkészítésében. Ez a kihívás nemcsak a nanopapírgyártásra van hatással, hanem akadályozza a nanocellulóz más késztermékekké történő ipari feldolgozását is. A hosszabb vízelvezetési idő elsősorban a cellulóz nanoszálak magas vízvisszatartásának köszönhető, ami szűk keresztmetszet a cellulóz nanoszálas termékek forgalmazásában.
Az alábbiakban bemutatjuk Sethi és munkatársai (2018) tudományos tanulmányának eredményeit, akik kifejlesztették a cellulóz nanoszálak ultrahanggal segített tejsav-módosítását, ami a CNF-ek 75% -kal gyorsabb víztelenítéséhez és jobb anyagfunkciókhoz vezet.

A cellulóz nanoszálak ultrahangos módosítása tejsavval

A probléma megoldása érdekében környezetbarát, vízalapú megközelítést fejlesztettek ki szonikációs energiával és tejsavval (LA) a cellulóz nanoszálak felületének módosítására. Ez a módszer jelentősen felgyorsítja a víztelenítési folyamatot, akár 75% -kal csökkentve a vízelvezető időt.
A módosítási folyamat magában foglalja a cellulóz nanoszálas szuszpenziók hígítását 0,35 tömeg% -os koncentrációra, és tejsavat adunk hozzá különböző mennyiségben a cellulóz nanoszálas száraz tartalomhoz viszonyítva (0,5-szer, 1-szer, 5-ször és 10-szer a cellulóz nanoszálas száraz tartalom szuszpenzióban). A nanoszálakat, a vizet és a tejsavat nagy sebességű keverővel keverjük össze 1500 fordulat / perc sebességgel 5 percig, majd ultrahanggal kezeljük egy Hielscher UP400S szonikátorral, amely titán hegygel van felszerelve (22 mm átmérőjű). Az ultrahangos kezelést különböző energiaszinteken végzik, maximális átadott energiája 600 J / ml, ami megfelel az 10 perces szonikálásnak.

A leeresztési időre gyakorolt hatás

Az ultrahangos-tejsav módosítása mélyreható hatással van a cellulóz nanoszálas szuszpenziók leeresztési idejére. A referencia szuszpenzió víztelenítése körülbelül 45 percet vesz igénybe. Az ultrahangos tejsav módosítása után ez az idő 10 percre csökken, ami 75% -os javulást jelent. Még enyhe szonikálás esetén is (5 J / ml), a leeresztési idő felére csökken 23 percre. A leeresztési idő csökken a növekvő szonikációs energiával, végül eléri a fennsíkot körülbelül 10 perc alatt.
Ez a javulás a cellulóz hidrofil hidroxilcsoportjainak a tejsav hidrofób részeivel való helyettesítésének tulajdonítható. A hidroxilcsoportok elsősorban a magas vízvisszatartásért felelősek. A tejsav karboncsoportjával részt vehet egy észterezési reakcióban a cellulóz hidroxilcsoportjaival szonikálás alatt. A szonikálás apró vákuumüregeket hoz létre a folyékony közegben, amelyek összeomlanak, hogy szélsőséges körülményeket hozzanak létre (5000 K hőmérséklet és 1000 atm nyomás), amelyek elegendőek kémiai reakciók kiváltásához, beleértve az észterezést is.

Szonikációs energia vs leeresztési idő (percben) a nanopapír előkészítéséhez (megfelel a CNF (1) LA mintának).
100 J / ml szonikációs energia megfelel 100 másodperces szonikálásnak, stb.
(Tanulmány és kép: ©Sethi et al., 2018)

Cellulóz nanoszálas szuszpenziók viszkozitásának csökkentése

Az ultrahangos energia szintén hozzájárul a cellulóz nanoszálas szuszpenziók viszkozitásának csökkenéséhez. A viszkozitás fordítottan arányos az ultrahangos energiával, a legalacsonyabb viszkozitás 600 J / ml, majd 300 J / ml és 60 J / ml. Ez a viszkozitáscsökkenés tovább segíti a víztelenítés hatékonyságának javítását.

Az ultrahangos cellulóz nanoszálas módosítás ipari jelentősége

Az ultrahangos-tejsav módosítási módszer nemcsak hatékony, hanem kompatibilis az ipari alkalmazásokkal is. A Hielscher legkorszerűbb szonikátorai, amelyek képesek nagy mennyiségű feldolgozás kezelésére, hatékonyan elvégezhetik a feladatot, így ez a módszer nagyszabású műveletekre alkalmas.
Ezenkívül ez a megközelítés lehetővé teszi akár 10 tömeg% cellulóz nanoszál beépítését papírlapokba, a víztelenítés mindössze 2 perc alatt befejeződik, szemben a módosítatlan cellulóz nanoszálak 23 percével. Ez a jelentős javulás forradalmasíthatja a cellulóz nanoszálak használatát a papírgyártásban, leküzdve a kereskedelmi forgalomba hozataluk egyik fő akadályát.

Sonicators cellulóz nanoszálakhoz és papírgyártáshoz

Az alábbi táblázat jelzi szonda típusú szondáink hozzávetőleges feldolgozási kapacitását:

Tervezés, gyártás és tanácsadás – Németországban gyártott minőség

A Hielscher ultrahangos készülékek jól ismertek a legmagasabb minőségi és tervezési szabványokról. A robusztusság és a könnyű kezelhetőség lehetővé teszi ultrahangos készülékeink zökkenőmentes integrálását ipari létesítményekbe. A durva körülmények és az igényes környezetek könnyen kezelhetők Hielscher ultrasonicators.

Hielscher Ultrasonics egy ISO tanúsítvánnyal rendelkező cég, és különös hangsúlyt fektet a nagy teljesítményű ultrasonicatorokra, amelyek a legmodernebb technológiát és felhasználóbarátságot mutatják. Természetesen a Hielscher ultrasonicators CE-kompatibilis és megfelel az UL, CSA és RoHs követelményeinek.