Nano-strukturált cellulóz ultrahangos előállítása
A nanocellulóz, egy figyelemre méltó, nagy teljesítményű adalékanyag, sokoldalú alkalmazásai miatt kiemelkedő jelentőségre tett szert, mint reológiai módosító, erősítő szer és kulcsfontosságú komponens különböző fejlett anyagokban. Ezek a nanoszerkezetű fibrillák, amelyek bármilyen cellulóztartalmú forrásból származnak, hatékonyan elkülöníthetők nagy teljesítményű ultrahangos homogenizálással és őrléssel. Ez az ultrahangos kezelésként ismert folyamat jelentősen fokozza a fibrillációt, ami a nanocellulóz nagyobb hozamát eredményezi és finomabb, vékonyabb szálakat termel. Az ultrahangos technológia meghaladja a hagyományos gyártási módszereket, köszönhetően annak, hogy extrém kavitációs nagy nyíróerőket generál, így kivételes eszköz a nanocellulóz előállításához.
Nanocellulóz ultrahangos gyártása
A nagy teljesítményű ultrahang hozzájárul a mikro- és nano-cellulóz kivonásához és izolálásához különböző cellulóztartalmú anyagokból, például fa, lignocellulóz szálak (cellulózszálak) és cellulóztartalmú maradékok.
A növényi rostok felszabadítása a forrásanyagból, ultrahangos Őrlés és homogenizálás egy hatékony és megbízható módszer, amely lehetővé teszi nagyon nagy mennyiségek feldolgozását. A pépet egy inline sonoreactorba táplálják, ahol az ultrahangos nagy nyíróerők megszakítják a biomassza sejtszerkezetét, hogy a fibrillous anyag elérhetővé váljon.
A nanocellulóz szuszpenziókat ultrahanggal megbízhatóan diszpergáljuk. A képen a nagy teljesítményű UIP2000hdT szonikátor látható kötegelt beállításban.
[Bittencourt és mtsai., 2008]
TEM-kép “Soha nem szárított pamut” (NDC) enzimatikus hidrolízisnek vetik alá és ultrahanggal kezelik Hielscher sonicator UP400S 20 percig. [Bittencourt és mtsai., 2008]
Az alábbi 2. ábra egy viszkózfilm SEM-képét mutatja, amelyet enzimatikus hidrolízisnek vetünk alá, majd ultrahangos kezelést a Hielscher szonikátor modell UP400S.
[Bittencourt és mtsai., 2008]
A viszkózfilm SEM képe, amelyet enzimatikus hidrolízisnek vetettek alá, majd ultrahangos kezelést UP400S [Bittencourt és mtsai., 2008]
Az ultrahangos nanocellulóz feldolgozás sikeresen kombinálható a TEMPO-oxidált szálkezeléssel. A TEMPO-eljárás során a cellulóz nanoszálakat oxidációs rendszerrel állítják elő, katalizátorként 2,2,6,6-tetrametilpiperidinil-1-oxil (TEMPO), valamint nátrium-bromid (NaBr) és nátrium-hipoklorit (NaOCl) felhasználásával. A kutatások bebizonyították, hogy az oxidációs hatékonyság jelentősen javul, ha az oxidációt ultrahangos besugárzás alatt végzik.
A nanocellulóz ultrahangos diszperziója
A nanocellulóz diszperziók rendkívüli reológiai viselkedést mutatnak alacsony nanocellulóz-koncentrációk melletti magas viszkozitásuk miatt. Ez teszi a nanocellulózt nagyon érdekes adalékanyaggá reológiai módosítóként, stabilizátorként és zselésítőként különböző alkalmazásokhoz, például a bevonat-, papír- vagy élelmiszeriparban. Egyedülálló tulajdonságainak kifejezéséhez a nanocellulóznak
Az ultrahangos diszpergálás ideális módszer finom méretű, egyszeresen diszpergált nanocellulóz előállítására. Mivel a nanocellulóz erősen nyíró-vékonyodik, a teljesítmény ultrahang az előnyben részesített technológia a nanocellulóz szuszpenziók megfogalmazására, mivel a nagy teljesítményű ultrahang folyadékokhoz való csatlakoztatása rendkívüli nyíróerőket hoz létre.
Kattintson ide, ha többet szeretne megtudni a folyadékok ultrahangos kavitációjáról!
A nanokristályos cellulóz szintézise után a nanocellulózt gyakran ultrahanggal diszpergálják folyékony közegbe, pl. nem poláros vagy poláris oldószerbe, például dimetil-formamidba (DMF), végtermék (pl. Nanokompozitok, reológiai módosító stb.) Mivel a CNF-eket adalékanyagként használják sokféle készítményben, a megbízható diszpergálás döntő fontosságú. Az ultrahangos kezelés stabil és egyenletesen diszpergált fibrillákat eredményez.
A cellulóz nanoszálak ultrahanggal javított víztelenítése
A cellulóz nanoszálak ultrahanggal fokozott víztelenítése egy élvonalbeli technika, amely jelentősen javítja a vízeltávolítás hatékonyságát – A cellulóz nanoszálak rendkívül vonzó adalékanyaggá válnak a nanopapírgyártáshoz. A nanocellulóz szálak általában időigényes víztelenítést igényelnek magas vízmegtartó képességük miatt. Ultrahangos hullámok alkalmazásával ezt a folyamatot felgyorsítja az intenzív kavitációs erők generálása, amelyek megzavarják a vízmátrixot és megkönnyítik a gyorsabb, egyenletesebb vízkiürítést. Ez nemcsak a szárítási időt csökkenti, hanem javítja a kapott cellulóz nanoszálak szerkezeti integritását és mechanikai tulajdonságait is, így rendkívül hatékony módszer a kiváló minőségű nanopapírok és más nanoanyagok előállításában.
Tudjon meg többet a nanopapír ultrahangos víztelenítéséről!
Ipari nanocellulóz előállítása teljesítmény ultrahanggal
A Hielscher Ultrasonics erőteljes és megbízható ultrahangos megoldások átfogó választékát kínálja, a kis laboratóriumi méretű ultrahangos készülékektől a nagyméretű ipari rendszerekig, ideális a nanocellulóz kereskedelmi feldolgozásához. A Hielscher ipari szonda típusú szonda típusú szonikátorok legfontosabb előnye abban rejlik, hogy képesek optimális ultrahangos körülményeket biztosítani az átfolyó szonoreaktorokon keresztül, amelyek különböző méretűek és geometriájúak. Ezek a reaktorok biztosítják, hogy az ultrahang energiát következetesen és egyenletesen alkalmazzák a cellulóz anyagra, ami kiváló feldolgozási eredményekhez vezet.
A Hielscher asztali szonikátorok, mint például az UIP1000hdT, UIP2000hdT és UIP4000hdT, naponta több kilogramm nanocellulóz előállítására képesek, így alkalmasak közepes méretű gyártási igényekre. A nagyüzemi kereskedelmi termeléshez a teljes ipari egységek, mint például a UIP10000 és az UIP16000hdT képesek kezelni a kiterjedt tömegáramokat, lehetővé téve a nagy mennyiségű nanocellulóz hatékony előállítását.
A Hielscher ultrahangos rendszerek egyik legjelentősebb előnye a lineáris skálázhatóság. Mind az asztali, mind az ipari ultrahangos készülékek klaszterekbe telepíthetők, gyakorlatilag korlátlan feldolgozási kapacitást biztosítva, így ideális választás a nagy teljesítményt és megbízható teljesítményt igénylő műveletekhez a nanocellulóz előállításában.
Ultrahangos feldolgozás: A Hielscher a megvalósíthatóságtól és az optimalizálástól a kereskedelmi termelésig vezet!
- nagyfokú fibrilláció
- magas nanocellulóz hozam
- vékony szálak
- kibontott szálak
ultrahangos feldolgozás
Hielscher laboratóriumi ultrahangosítója UP400S (400W, 24kHz)
Az alábbi táblázat jelzi ultrahangos készülékeink hozzávetőleges feldolgozási kapacitását:
| Kötegelt mennyiség | Áramlási sebesség | Ajánlott eszközök |
|---|---|---|
| 0.5-től 1,5 ml-ig | n.a. | VialMagassugárzó |
| 1–500 ml | 10–200 ml/perc | UP100H |
| 10 és 2000 ml között | 20–400 ml/perc | UP200Ht, UP400ST |
| 0.1-től 20L-ig | 0.2-től 4 liter/percig | UIP2000hdT |
| 10–100 liter | 2–10 l/perc | UIP4000hdt |
| 15–150 liter | 3–15 l/perc | UIP6000hdT |
| n.a. | 10–100 l/perc | UIP16000 |
| n.a. | Nagyobb | klaszter UIP16000 |
Mi az a nanocellulóz?
A nanocellulóz különböző típusú cellulóz nanoszálakat (CNF) tartalmaz, amelyek megkülönböztethetők mikrofibrillált cellulózban (MFC), nanokristályos cellulózban (NCC) és bakteriális nanocellulózban. Ez utóbbi a baktériumok által termelt nanoszerkezetű cellulózra utal.
A nanocellulóz kiemelkedő tulajdonságokkal rendelkezik, mint például a rendkívüli szilárdság és merevség, a magas kristályosság, a tixotrópia, valamint a hidroxilcsoport magas koncentrációja a felületén. A nanocellulóz számos nagy teljesítményjellemzőjét a magas felület/tömeg arány okozza.
A nanocellulózokat széles körben használják az orvostudományban és a gyógyszerekben, az elektronikában, a membránokban, a porózus anyagokban, a papírban és az élelmiszerekben elérhetőségük, biokompatibilitásuk, biológiai lebonthatóságuk és fenntarthatóságuk miatt. Nagy teljesítményjellemzői miatt a nanocellulóz érdekes anyag a műanyagok megerősítésére, pl. hőre keményedő gyanták, keményítő alapú mátrixok, szójafehérje, gumilatex vagy poli(laktid) mechanikai tulajdonságainak javítására. Kompozit alkalmazásokhoz nanocellulózt használnak bevonatokhoz és fóliákhoz, festékekhez, habokhoz, csomagoláshoz. Ezenkívül a nanocellulóz ígéretes komponens aerogélek és habok előállításához, akár homogén készítményekben, akár kompozitokban.
Abreviációk:
Nanokristályos cellulóz (NCC)
Cellulóz nanoszálak (CNF)
Mikrofibrillált cellulóz (MFC)
Nanocellulóz bajusz (NCW)
Cellulóz nanokristályok (CNC)
Irodalom / Hivatkozások
- E. Abraham, B. Deep, L.A. Pothan, M. Jacob, S. Thomas, U. Cvelbar, R. Anandjiwala (2011): Extraction of nanocellulose fibrils from lignocellulosic fibres: A novel approach. Carbohydrate Polymers 86, 2011. 1468–1475.
- E. Bittencourt, M. de Camargo (2011): Preliminary Studies on the Production of Nanofibrils of Cellulose from Never Dried Cotton, using Eco-friendly Enzymatic Hydrolysis and High-energy Sonication. 3rd Int’l. Workshop: Advances in Cleaner Production. Sao Paulo, Brazil, May 18th – 20th 2011.
- L. S. Blachechen, J. P. de Mesquita, E. L. de Paula, F. V. Pereira, D. F. S. Petri (2013): Interplay of colloidal stability of cellulose nanocrystals and their dispersibility in cellulose acetate butyrate matrix. Cellulose 2013.
- A. Dufresne (2012): Nanocellulose: From Nature to High Performance Tailored Materials. Walter de Gruyter, 2012.
- M. A. Hubbe; O. J. Rojas; L. A. Lucia, M. Sain (2008): Cellulosic Nanocomposites: A Review. BioResources 3/3, 2008. 929-980.
- S. P. Mishra, A.-S. Manent, B. Chabot, C. Daneault (2012): Production of Nanocellulose from Native Cellulose – Various Options using Ultrasound. BioResources 7/1, 2012. 422-436.
- Matjaž Kunaver, Alojz Anžlovar, Ema Žagar (2016): The fast and effective isolation of nanocellulose from selected cellulosic feedstocks. Carbohydrate Polymers, Volume 148, 2016. 251-258.
- http://en.wikipedia.org/wiki/Nanocellulose