Ցելյուլոզային նանոմանրաթելերի արագացված ջրազրկում թղթի արտադրության համար
Ուլտրաձայնային մշակումը՝ զուգակցված կաթնաթթվով (LA) մոդիֆիկացման հետ, էկոլոգիապես բարենպաստ մոտեցում է թղթի արտադրության համար ցելյուլոզային նանոմանրաթելերի (CNFs) ջրազրկման գործընթացն արագացնելու համար։ Ցելյուլոզային նանոմանրաթելերը հայտնի են ջուր պահելու իրենց բարձր ունակությամբ, ինչը զգալիորեն դանդաղեցնում է ջրահեռացման գործընթացը՝ նանոթղթի պատրաստման և նանոցելյուլոզի այլ կիրառությունների կարևոր փուլը։ Այս մեթոդը ջրահեռացման ժամանակը կրճատում է 75%-ով՝ 45 րոպեից մինչև 10 րոպե, ուլտրաձայնային մշակման պայմաններում կաթնաթթվով ցելյուլոզի հիդրօքսիլային խմբերի էսթերացման միջոցով։ Այս մոդիֆիկացումը նաև նվազեցնում է կախույթի մածուցիկությունը և գործնականում հնարավոր է մասշտաբավորել դեպի արդյունաբերական ավելի մեծ ծավալներ՝ առաջարկելով գործնական լուծում ցելյուլոզային նանոմանրաթելերի հիմքով արտադրանքի արտադրության արդյունավետությունն ու տեմպը բարձրացնելու համար։
Ուլտրաձայնային մշակիչ UIP16000 ցելյուլոզային նանոմանրաթելերի և թղթազանգվածի արդյունաբերական մշակման համար։
Կաթնաթթվով մոդիֆիկացված ցելյուլոզային նանոմանրաթելերի արագ ջրազրկում ուլտրաձայնային մշակման պայմաններում
(Հետազոտությունը և պատկերը՝ ©Sethi et al., 2018)
Ցելյուլոզային նանոմանրաթելերի ջրազրկման արդյունավետության բարձրացում կաթնաթթվով ուլտրաձայնային մոդիֆիկացման միջոցով
Ցելյուլոզային նանոմանրաթելերը (CNFs) բարձր են գնահատվում թղթի արտադրության մեջ իրենց բազմաթիվ առավելությունների համար, ինչպիսիք են ամրության բարձրացումը և ռեոլոգիական հատկությունների փոփոխումը։ Սակայն նշանակալի թերություններից մեկը ցելյուլոզային նանոմանրաթելերի կախույթներից ջուրը հեռացնելու համար պահանջվող չափազանց երկար ժամանակն է, իսկ ջրահեռացումը նանոթղթի պատրաստման կարևոր փուլ է։ Այս խնդիրը ոչ միայն ազդում է նանոթղթի արտադրության վրա, այլև խոչընդոտում է նանոցելյուլոզի արդյունաբերական վերամշակումը այլ պատրաստի արտադրատեսակների։ Ջրահեռացման երկարատևությունը հիմնականում պայմանավորված է ցելյուլոզային նանոմանրաթելերի՝ ջուր պահելու բարձր ունակությամբ, որը սահմանափակում է ցելյուլոզային նանոմանրաթելերից ստացվող արտադրանքի առևտրայնացումը։
Ստորև ներկայացնում ենք Sethi-ի և գործընկերների (2018) գիտական հետազոտության արդյունքները։ Նրանք մշակել են ցելյուլոզային նանոմանրաթելերի՝ ուլտրաձայնով օժանդակվող կաթնաթթվային մոդիֆիկացման մեթոդ, որն ապահովում է ցելյուլոզային նանոմանրաթելերի 75%-ով ավելի արագ ջրազրկում և նյութի բարելավված ֆունկցիոնալ հատկություններ։
Ցելյուլոզային նանոմանրաթելերի ուլտրաձայնային մոդիֆիկացում կաթնաթթվով
Այս խնդիրը լուծելու համար մշակվել է ցելյուլոզային նանոմանրաթելերի մակերևույթը մոդիֆիկացնելու էկոլոգիապես բարենպաստ, ջրային հիմքով մոտեցում, որն օգտագործում է ուլտրաձայնային մշակման էներգիան և կաթնաթթուն (LA)։ Այս մեթոդը զգալիորեն արագացնում է ջրազրկման գործընթացը՝ ջրահեռացման ժամանակը կրճատելով մինչև 75%-ով։
Մոդիֆիկացման գործընթացը ներառում է ցելյուլոզային նանոմանրաթելերի կախույթների նոսրացում մինչև 0,35 wt.% կոնցենտրացիա և կաթնաթթվի ավելացում՝ ցելյուլոզային նանոմանրաթելերի չոր նյութի պարունակության նկատմամբ տարբեր քանակներով (կախույթում ցելյուլոզային նանոմանրաթելերի չոր նյութի պարունակության 0,5, 1, 5 և 10 անգամի չափով)։ Նանոմանրաթելերը, ջուրը և կաթնաթթուն խառնում են բարձր արագությամբ խառնիչով՝ 1500 rpm արագությամբ, 5 րոպե, ապա ենթարկում ուլտրաձայնային մշակման՝ օգտագործելով Hielscher UP400S ուլտրաձայնային մշակիչ՝ հագեցած տիտանե ծայրակալով (22 mm տրամագծով)։ Ուլտրաձայնային մշակումն իրականացվում է էներգիայի տարբեր մակարդակներով, ընդ որում հաղորդված էներգիայի առավելագույն արժեքը 600 J/ml է, ինչը համապատասխանում է 10 րոպե ուլտրաձայնային մշակման։
Ազդեցությունը ջրահեռացման ժամանակի վրա
Ուլտրաձայնային-կաթնաթթվային մոդիֆիկացումը մեծ ազդեցություն ունի ցելյուլոզային նանոմանրաթելերի կախույթների ջրահեռացման ժամանակի վրա։ Հսկիչ կախույթի ջրազրկումը տևում է մոտավորապես 45 րոպե։ Ուլտրաձայնով օժանդակվող կաթնաթթվային մոդիֆիկացումից հետո այս ժամանակը կրճատվում է մինչև 10 րոպե՝ ապահովելով 75% բարելավում։ Նույնիսկ մեղմ ուլտրաձայնային մշակման դեպքում (5 J/ml) ջրահեռացման ժամանակը կիսով չափ կրճատվում է՝ հասնելով 23 րոպեի։ Ուլտրաձայնային մշակման էներգիայի մեծացմանը զուգընթաց ջրահեռացման ժամանակը նվազում է՝ ի վերջո կայունանալով մոտ 10 րոպեի մակարդակում։
Այս բարելավումը վերագրվում է ցելյուլոզի հիդրոֆիլ հիդրօքսիլային խմբերի փոխարինմանը կաթնաթթվի հիդրոֆոբ հատվածներով։ Ջուր պահելու բարձր ունակությունը հիմնականում պայմանավորված է հիդրօքսիլային խմբերով։ Կաթնաթթուն իր կարբօքսիլային խմբի միջոցով կարող է ուլտրաձայնային մշակման պայմաններում մասնակցել ցելյուլոզի հիդրօքսիլային խմբերի հետ էսթերացման ռեակցիային։ Ուլտրաձայնային մշակումը հեղուկ միջավայրում ստեղծում է չափազանց փոքր վակուումային խոռոչներ, որոնք կոլապսի ենթարկվելիս առաջացնում են ծայրահեղ պայմաններ (5000 K ջերմաստիճան և 1000 atm ճնշում), որոնք բավարար են քիմիական ռեակցիաներ, այդ թվում՝ էսթերացում, հարուցելու համար։
Ուլտրաձայնային մշակման էներգիայի և ջրահեռացման ժամանակի (րոպեներով) հարաբերակցությունը նանոթղթի պատրաստման ժամանակ (համապատասխանում է CNF(1)LA նմուշին)։
Ուլտրաձայնային մշակման 100 J/ml էներգիան համապատասխանում է 100 վայրկյան ուլտրաձայնային մշակման և այլն։
(Հետազոտությունը և պատկերը՝ ©Sethi et al., 2018)
Ցելյուլոզային նանոմանրաթելերի կախույթների մածուցիկության նվազեցում
Ուլտրաձայնային մշակման էներգիան նաև նպաստում է ցելյուլոզային նանոմանրաթելերի կախույթների մածուցիկության նվազմանը։ Մածուցիկությունը հակադարձ համեմատական է ուլտրաձայնային մշակման էներգիային. ամենացածր մածուցիկությունը դիտվում է 600 J/ml դեպքում, որին հաջորդում են 300 J/ml և 60 J/ml արժեքները։ Մածուցիկության այս նվազումը լրացուցիչ նպաստում է ջրազրկման արդյունավետության բարձրացմանը։
Զոնդային ուլտրաձայնային մշակիչ UIP2000hdT ցելյուլոզային նանոմանրաթելերի արդյունաբերական մոդիֆիկացման համար
Ցելյուլոզային նանոմանրաթելերի ուլտրաձայնային մոդիֆիկացման արդյունաբերական նշանակությունը
Ուլտրաձայնային-կաթնաթթվային մոդիֆիկացման մեթոդը ոչ միայն արդյունավետ է, այլև համատեղելի է արդյունաբերական կիրառությունների հետ։ Մեծ ծավալների մշակում իրականացնելու ունակ Hielscher գերժամանակակից ուլտրաձայնային մշակիչները կարող են արդյունավետորեն կատարել այս առաջադրանքը՝ մեթոդը հարմար դարձնելով խոշորածավալ աշխատանքների համար։
Բացի այդ, այս մոտեցումը հնարավորություն է տալիս թղթի թերթերում ներառել մինչև 10 wt.% ցելյուլոզային նանոմանրաթել՝ ջրազրկումն ավարտելով ընդամենը 2 րոպեում՝ չմոդիֆիկացված ցելյուլոզային նանոմանրաթելերի համար պահանջվող 23 րոպեի համեմատ։ Այս զգալի բարելավումը կարող է հեղափոխել ցելյուլոզային նանոմանրաթելերի օգտագործումը թղթի արտադրության մեջ՝ հաղթահարելով դրանց առևտրայնացման հիմնական խոչընդոտներից մեկը։
Ուլտրաձայնային մշակիչներ ցելյուլոզային նանոմանրաթելերի և թղթի արտադրության համար
Ստորև բերված աղյուսակը պատկերացում է տալիս մեր զոնդային ուլտրաձայնային մշակիչների մոտավոր մշակման արտադրողականության մասին.
| Խմբաքանակի ծավալ | Ծավալային հոսքի արագություն | Առաջարկվող սարքեր |
|---|---|---|
| 10–2000mL | 20–400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1–20L | 0,2–4L/min | UIP2000hdT |
| 10–100L | 2–10L/min | UIP4000hdT |
| 15–150L | 3–15L/min | UIP6000hdT |
| n.a. | 10–100L/min | UIP16000 |
| n.a. | ավելի մեծ | սարքերի խումբ՝ UIP16000 |
- բարձր արդյունավետություն
- գերժամանակակից տեխնոլոգիա
- հուսալիություն և դիմացկունություն
- գործընթացի կարգավորվող, ճշգրիտ կառավարում
- խմբաքանակային և հոսքային մշակում
- ցանկացած ծավալի համար
- խելացի ծրագրային ապահովում
- խելացի գործառույթներ (օրինակ՝ ծրագրավորման հնարավորություն, տվյալների գրանցում, հեռակառավարում)
- հեշտ և անվտանգ շահագործում
- տեխնիկական սպասարկման փոքր պահանջ
- CIP (մաքրում տեղում՝ առանց ապամոնտաժման)
Նախագծում, արտադրություն և խորհրդատվություն – Գերմանիայում ստեղծված որակ
Hielscher ուլտրաձայնային մշակիչները հայտնի են որակի և նախագծման իրենց ամենաբարձր չափանիշներով։ Դիմացկունությունն ու շահագործման հեշտությունը հնարավորություն են տալիս մեր ուլտրաձայնային մշակիչներն անխափան ինտեգրել արդյունաբերական օբյեկտներում։ Hielscher ուլտրաձայնային մշակիչները հեշտությամբ աշխատում են ծանր պայմաններում և բարձր պահանջներ ներկայացնող միջավայրերում։
Hielscher Ultrasonics ընկերությունն ունի ISO հավաստագրում և հատուկ ուշադրություն է դարձնում բարձր արտադրողականությամբ ուլտրաձայնային մշակիչներին, որոնք առանձնանում են գերժամանակակից տեխնոլոգիայով և օգտագործման հարմարավետությամբ։ Իհարկե, Hielscher ուլտրաձայնային մշակիչները համապատասխանում են CE պահանջներին և բավարարում են UL, CSA և RoHs պահանջները։
Արդյունաբերական ուլտրաձայնային ռեակտոր՝ հզոր ուլտրաձայնի կիրառմամբ մոդիֆիկացված ցելյուլոզային նանոմանրաթելերի արդյունաբերական արտադրության համար։
Գրականություն / Հղումներ
- Jatin Sethi, Kristiina Oksman, Mirja Illikainen, Juho Antti Sirviö (2018): Sonication-assisted surface modification method to expedite the water removal from cellulose nanofibers for use in nanopapers and paper making. Carbohydrate Polymers, Volume 197, 2018. 92-99.
- Jatin Sethi; Henrikki Liimatainen; Juho Antti Sirviö (2021): Fast and Filtration-Free Method to Prepare Lactic Acid-Modified Cellulose Nanopaper. ACS Omega, 6, 29; 2021. 19038–19044.
- Zanghellini, Benjamin; Knaack, Patrick; Schörpf, Sebastian; Semlitsch, Karl-Heinz; Lichtenegger, Helga; Praher, B.; Omastová, Mária; Rennhofer, Harald (2021): Solvent-Free Ultrasonic Dispersion of Nanofillers in Epoxy Matrix. Polymers 13, 2021.
- Shojaeiarani, J., Bajwa, D., Holt, G. (2020): Sonication amplitude and processing time influence the cellulose nanocrystals morphology and dispersion. Nanocomposites, 6(1), 2020. 41–46.
Հաճախ տրվող հարցեր
Ինչի՞ համար են օգտագործվում ցելյուլոզային նանոֆիբրիլները
Ցելյուլոզային նանոֆիբրիլներն օգտագործվում են թղթե արտադրատեսակների ամրությունն ու ռեոլոգիական հատկությունները բարելավելու, նանոթուղթ ստեղծելու և կոմպոզիտներում, փաթեթավորման ու կենսաբժշկական կիրառություններում տարբեր նյութեր ամրապնդելու համար։
Ի՞նչ է նանոթուղթը
Նանոթղթերը ցելյուլոզային նանոմանրաթելերից պատրաստված թղթանման նյութեր են, որոնք բնութագրվում են բարձր ամրությամբ, թափանցիկությամբ և գերազանց պատնեշային հատկություններով։ Դրանք օգտագործվում են առաջադեմ կիրառություններում, ինչպիսիք են ճկուն էլեկտրոնիկան, փաթեթավորումը և զտումը։
Ո՞րն է CNC և CNF նյութերի տարբերությունը
CNC (ցելյուլոզային նանոբյուրեղներ) և CNF (ցելյուլոզային նանոֆիբրիլներ) նյութերի հիմնական տարբերությունը դրանց կառուցվածքի և հատկությունների մեջ է։ Ցելյուլոզային նանոբյուրեղները բարձր բյուրեղայնությամբ, ձողանման մասնիկներ են, որոնք ստացվում են ցելյուլոզի բյուրեղային տիրույթներից և ապահովում են կոշտություն ու բարձր մեխանիկական ամրություն։ Ի տարբերություն դրանց՝ ցելյուլոզային նանոֆիբրիլները երկար, ճկուն և միահյուսված մանրաթելեր են՝ ինչպես բյուրեղային, այնպես էլ ամորֆ տիրույթներով, որոնք ապահովում են ամրության և ճկունության համադրություն։
Hielscher Ultrasonics ընկերությունն արտադրում է բարձր արտադրողականությամբ ուլտրաձայնային հոմոգենիզատորներ՝ լաբորատոր չափերից մինչև արդյունաբերական չափեր։