Nanoszerkezetű cellulóz ultrahangos előállítása

A nanocellulóz, egy kiemelkedő, nagy teljesítményű adalékanyag, sokoldalú alkalmazásai révén került előtérbe: reológiamódosítóként, erősítőanyagként és különféle fejlett anyagok kulcsfontosságú összetevőjeként használják. Ezek a bármilyen cellulóztartalmú forrásból származó nanoszerkezetű fibrillumok nagy teljesítményű ultrahangos homogenizálással és őrléssel hatékonyan izolálhatók. Ez az ultrahangos kezelésként ismert eljárás jelentősen fokozza a fibrillációt, így nagyobb nanocellulóz-hozamot eredményez, és finomabb, vékonyabb rostokat hoz létre. Az ultrahangos technológia felülmúlja a hagyományos gyártási módszereket, mivel rendkívül nagy kavitációs nyíróerőket képes létrehozni, ami a nanocellulóz előállításának kivételes eszközévé teszi.

Nanocellulóz ultrahangos gyártása

A nagy teljesítményű ultrahang hozzájárul a mikro- és nanocellulóz kinyeréséhez és izolálásához különféle cellulóztartalmú anyagforrásokból, például fából, lignocellulózrostokból (cellulózpép rostjaiból) és cellulóztartalmú maradékanyagokból.
A növényi rostok alapanyagból történő felszabadítására az ultrahangos őrlés és homogenizálás hatékony és megbízható módszer, amely igen nagy térfogatok feldolgozását teszi lehetővé. A cellulózpépet egy folyamatba épített ultrahangos reaktorba vezetik, ahol az ultrahang által létrehozott nagy nyíróerők megbontják a biomassza sejtszerkezetét, így a fibrillumos anyag hozzáférhetővé válik.

Az alábbi 1. ábrán „soha nem szárított pamut” (NDC) TEM-felvétele látható, amelyet enzimatikus hidrolízisnek vetettek alá, majd Hielscher UP400S szondás ultrahangos kezelőkészülékkel 20 percig kezeltek.
[Bittencourt et al. 2008]

Az alábbi 2. ábrán egy viszkózfilm SEM-felvétele látható, amelyet enzimatikus hidrolízisnek vetettek alá, majd ultrahanggal kezeltek a Hielscher UP400S típusú ultrahangos kezelőkészülékével.
[Bittencourt et al. 2008]

A nanocellulóz ultrahangos feldolgozása sikeresen kombinálható a TEMPO-val oxidált rostok kezelésével is. A TEMPO-eljárás során cellulóz-nanorostokat állítanak elő egy olyan oxidációs rendszerrel, amely katalizátorként 2,2,6,6-tetrametilpiperidinil-1-oxilt (TEMPO), továbbá nátrium-bromidot (NaBr) és nátrium-hipokloritot (NaOCl) használ. Kutatások bizonyították, hogy az oxidáció hatékonysága jelentősen javul, ha az oxidációt ultrahangos besugárzás mellett végzik.

Nanocellulóz ultrahangos diszpergálása

A nanocellulóz-diszperziók rendkívüli reológiai viselkedést mutatnak az alacsony nanocellulóz-koncentráció mellett is nagy viszkozitásuk miatt. Ez a nanocellulózt igen érdekes adalékanyaggá teszi reológiamódosítóként, stabilizátorként és gélképzőként különféle alkalmazásokban, például a bevonat-, papír- vagy élelmiszeriparban. Egyedülálló tulajdonságainak érvényesüléséhez a nanocellulóznak kell lennie
Az ultrahangos diszpergálás ideális módszer a kis méretű, egyedileg diszpergált nanocellulóz előállítására. Mivel a nanocellulóz nyírás hatására erősen csökkenő viszkozitást mutat, a nagy teljesítményű ultrahang az előnyben részesítendő technológia a nanocellulóz-szuszpenziók formulálásához, mivel a nagy teljesítményű ultrahang folyadékokba történő becsatolása rendkívüli nyíróerőket hoz létre.
Kattintson ide, és tudjon meg többet a folyadékokban kialakuló ultrahangos kavitációról!
A nanokristályos cellulóz szintézise után a nanocellulózt gyakran ultrahanggal diszpergálják folyékony közegben, például apoláris vagy poláris oldószerben, így dimetil-formamidban (DMF), egy végtermék (például nanokompozitok, reológiamódosító stb.) formulálása céljából. Mivel a cellulóz-nanorostokat (CNF) számos készítményben használják adalékanyagként, a megbízható diszpergálás döntő fontosságú. Az ultrahangos kezelés stabil, egyenletesen diszpergált fibrillumokat eredményez.

Cellulóz-nanokristályok ultrahangos önszerveződése

Az ultrahangos kezelés fontos elősegítő szerepet játszik a cellulóz-nanokristályok (CNC) szintézisében és feldolgozásában: felbontja a hidrolízisből származó aggregátumokat, diszpergálja a kötegeket, és egyenletesebb szuszpenziókat hoz létre reprodukálható részecskekölcsönhatásokkal. Bár a cellulóz-nanokristályokat jellemzően savas hidrolízissel állítják elő, a kapott anyag gyakran tartalmaz összecsoportosult tartományokat, amelyek akadályozhatják a megbízható önszerveződést, és a reológiai, valamint optikai tulajdonságok gyártási tételek közötti változékonyságához vezethetnek. A szabályozott ultrahangenergia szintézis utáni alkalmazása javítja a diszperzió minőségét, és segít egységesíteni a cellulóz-nanokristályok morfológiáját, ami döntő fontosságú az egyenletes koleszterikus rendeződéshez, a kiszámítható gélesedési viselkedéshez és a CNC-alapú funkcionális anyagok méretnövelhető gyártásához. Tudjon meg többet a cellulóz-nanokristályok ultrahanggal elősegített önszerveződéséről!

Cellulóz-nanorostok ultrahanggal javított víztelenítése

A cellulóz-nanorostok ultrahanggal fokozott víztelenítése élvonalbeli technika, amely jelentősen javítja a vízeltávolítás hatékonyságát – ezáltal a cellulóz-nanorostokat igen vonzó adalékanyaggá teszi a nanopapír-gyártáshoz. A nanocellulózrostok nagy vízvisszatartó képességük miatt jellemzően időigényes víztelenítést igényelnek. Ultrahanghullámok alkalmazásával ez a folyamat felgyorsul az intenzív kavitációs erők létrejötte révén, amelyek megbontják a vízmátrixot, és elősegítik a víz gyorsabb, egyenletesebb eltávolítását. Ez nemcsak a szárítási időt csökkenti, hanem a kapott cellulóz-nanorostok szerkezeti integritását és mechanikai tulajdonságait is javítja, így rendkívül hatékony módszer a kiváló minőségű nanopapírok és más nanoanyagok előállításában.
Tudjon meg többet a nanopapír ultrahangos víztelenítéséről!

Nanocellulóz ipari előállítása nagy teljesítményű ultrahanggal

A Hielscher Ultrasonics hatékony és megbízható ultrahangos megoldások átfogó választékát kínálja a kis laboratóriumi ultrahangos készülékektől a nagyüzemi ipari rendszerekig, amelyek ideálisak a nanocellulóz kereskedelmi célú feldolgozásához. A Hielscher ipari szondás ultrahangos kezelőkészülékeinek fő előnye, hogy optimális ultrahangos körülményeket képesek biztosítani különféle méretű és geometriájú átfolyó ultrahangos reaktoraik révén. Ezek a reaktorok biztosítják, hogy az ultrahangenergia következetesen és egyenletesen jusson a cellulózanyagba, ami kiválóbb feldolgozási eredményekhez vezet.

A Hielscher asztali ultrahangos kezelőkészülékei, például a UIP1000hdT, a UIP2000hdT és a UIP4000hdT, naponta több kilogramm nanocellulóz előállítására képesek, így alkalmasak a közepes léptékű gyártási igények kielégítésére. A nagyüzemi kereskedelmi gyártáshoz a teljesen ipari kivitelű egységek, például a UIP10000 és a UIP16000hdT, nagy tömegáramokat képesek kezelni, lehetővé téve nagy mennyiségű nanocellulóz hatékony előállítását.

A Hielscher ultrahangos rendszereinek egyik legjelentősebb előnye a lineáris méretnövelhetőség. Mind az asztali, mind az ipari ultrahangos készülékek csoportokba kapcsolva telepíthetők, ami gyakorlatilag korlátlan feldolgozási kapacitást biztosít, és ideális választássá teszi őket olyan műveletekhez, amelyek nagy átbocsátóképességet és megbízható teljesítményt igényelnek a nanocellulóz előállítása során.