Նանո-կառուցվածքային ցելյուլոզայի ուլտրաձայնային արտադրություն
Նանոցելյուլոզը՝ ուշագրավ բարձր արդյունավետության հավելումը, հայտնի է դարձել իր բազմակողմանի կիրառության համար՝ որպես ռեոլոգիայի փոփոխիչ, ամրապնդող միջոց և տարբեր առաջադեմ նյութերի հիմնական բաղադրիչ: Այս նանո կառուցվածքային մանրաթելերը, որոնք ստացվում են ցելյուլոզ պարունակող ցանկացած աղբյուրից, կարող են արդյունավետորեն մեկուսացվել բարձր հզորության ուլտրաձայնային համասեռացման և ֆրեզման միջոցով: Այս պրոցեսը, որը հայտնի է որպես հնչյունավորում, զգալիորեն ուժեղացնում է ֆիբրիլյացիան, ինչը հանգեցնում է նանոցելյուլոզայի ավելի բարձր ելքի և ավելի նուրբ, բարակ մանրաթելերի արտադրությանը: Ուլտրաձայնային տեխնոլոգիան գերազանցում է արտադրության սովորական մեթոդներին՝ շնորհիվ իր ունակության՝ ստեղծելու ծայրահեղ կավիտացիոն բարձր ճեղքման ուժեր, ինչը այն դարձնում է բացառիկ գործիք նանոցելյուլոզայի արտադրության համար:
Նանոցելյուլոզայի ուլտրաձայնային արտադրություն
Բարձր հզորության ուլտրաձայնային սարքերը նպաստում են միկրո և նանոցելյուլոզայի արդյունահանմանը և մեկուսացմանը ցելյուլոզային նյութերի տարբեր աղբյուրներից, ինչպիսիք են փայտը, լիգնոցելյուլոզային մանրաթելերը (ցելյուլոզային մանրաթելեր) և բջջանյութ պարունակող մնացորդներ:
Բույսի մանրաթելերը սկզբնական նյութից ազատելու համար՝ ուլտրաձայնային Մանրացնել և միատարրացում հզոր և հուսալի մեթոդ է, որը թույլ է տալիս մշակել շատ մեծ ծավալներ։ Ցելյուլոզը սնվում է ներկառուցված ձայնային ռեակտորի մեջ, որտեղ ուլտրաձայնային բարձր կտրվածքային ուժերը կոտրում են կենսազանգվածի բջջային կառուցվածքն այնպես, որ մանրաթելային նյութը հասանելի է դառնում:
Nanocellulose slurries են հուսալիորեն ցրվել օգտագործելով ultrasonication. Նկարը ցույց է տալիս բարձր արդյունավետությամբ Sonicator UIP2000hdT խմբաքանակի տեղադրմամբ:
[Bittencourt et al. 2008]
TEM պատկերը “Երբեք չչորացված բամբակ” (NDC) ենթարկվել է ֆերմենտային հիդրոլիզի և sonicated հետ Hielscher sonicator UP400S 20 րոպե: [Bittencourt et al. 2008]
Ստորև նկար 2-ը ցույց է տալիս վիսկոզայի թաղանթի SEM պատկերը, որը ներկայացվել է ֆերմենտային հիդրոլիզին, որին հաջորդում է ձայնային ախտահանումը: Hielscher sonicator մոդելը UP400S.
[Bittencourt et al. 2008]
Վիկկոզայի թաղանթի SEM պատկերը, որը ներկայացվել է ֆերմենտային հիդրոլիզին, որին հաջորդում է UP400S-ով սոնիկացիա [Bittencourt et al. 2008]
Նանոցելյուլոզայի ուլտրաձայնային մշակումը կարող է նաև հաջողությամբ զուգակցվել TEMPO-օքսիդացված մանրաթելերի բուժման հետ: TEMPO-գործընթացում ցելյուլոզային նանոմանրաթելերը արտադրվում են օքսիդացման համակարգով՝ օգտագործելով 2,2,6,6-տետրամեթիլպիպերիդինիլ-1-օքսիլը (TEMPO) որպես կատալիզատոր, և նատրիումի բրոմիդը (NaBr) և նատրիումի հիպոքլորիտը (NaOCl): Հետազոտությունն ապացուցել է, որ օքսիդացման արդյունավետությունը զգալիորեն բարելավվում է, երբ օքսիդացումն իրականացվում է ուլտրաձայնային ճառագայթման տակ:
Նանոցելյուլոզայի ուլտրաձայնային ցրում
Նանոցելյուլոզային դիսպերսիաները ցույց են տալիս արտասովոր ռեոլոգիական վարքագիծ՝ շնորհիվ իր բարձր մածուցիկության ցածր նանոցելյուլոզայի կոնցենտրացիաներում: Սա նանոցելյուլոզը դարձնում է շատ հետաքրքիր հավելում` որպես ռեոլոգիական փոփոխիչ, կայունացուցիչ և ժելլանտ տարբեր կիրառությունների համար, օրինակ` ծածկույթի, թղթի կամ սննդի արդյունաբերության մեջ: Իր յուրահատուկ հատկություններն արտահայտելու համար նանոցելյուլոզը պետք է լինի
Ուլտրաձայնային ցրումը իդեալական մեթոդ է նուրբ չափի, մեկ ցրված նանոցելյուլոզա ստանալու համար: Քանի որ նանոցելյուլոզը խիստ նոսրանում է, ուժային ուլտրաձայնը նախընտրելի տեխնոլոգիա է նանոցելյուլոզային կախոցներ ձևավորելու համար, քանի որ բարձր հզորության ուլտրաձայնի միացումը հեղուկների մեջ ստեղծում է ծայրահեղ կտրող ուժեր:
Կտտացրեք այստեղ՝ հեղուկներում ուլտրաձայնային կավիտացիայի մասին ավելին իմանալու համար:
Նանոբյուրեղային ցելյուլոզայի սինթեզից հետո նանոցելյուլոզը հաճախ ուլտրաձայնային եղանակով ցրվում է հեղուկ միջավայրի մեջ, օրինակ՝ ոչ բևեռային կամ բևեռային լուծիչի մեջ, ինչպիսին է դիմեթիլֆորմամիդը (DMF), վերջնական արտադրանքը ձևավորելու համար (օրինակ՝ նանոկոմպոզիտներ, ռեոլոգիական փոփոխիչ և այլն): Քանի որ CNF-ները օգտագործվում է որպես հավելումներ բազմազան ձևակերպումների մեջ, հուսալի ցրումը կարևոր է: Ultrasonication արտադրում է կայուն եւ միատեսակ ցրված fibrils.
Ցելյուլոզային նանոբյուրեղների ուլտրաձայնային ինքնահավաք
Ուլտրաձայնային մշակումը կարևոր դեր է խաղում ցելյուլոզային նանոբյուրեղների (CNC) սինթեզի և մշակման գործում՝ քայքայելով հիդրոլիզի արդյունքում ստացված ագրեգատները, ցրելով կապոցները և ստանալով ավելի միատարր կախույթներ՝ վերարտադրելի մասնիկների փոխազդեցություններով: Չնայած CNC-ները սովորաբար ստեղծվում են թթվային հիդրոլիզի միջոցով, արդյունքում ստացված նյութը հաճախ պարունակում է կլաստերային տիրույթներ, որոնք կարող են խոչընդոտել հուսալի ինքնահավաքմանը և հանգեցնել ռեոլոգիայի և օպտիկական հատկությունների խմբաքանակից խմբաքանակ փոփոխականության: Սինթեզից հետո վերահսկվող ուլտրաձայնային էներգիայի կիրառումը բարելավում է դիսպերսիայի որակը և օգնում է ստանդարտացնել CNC ձևաբանությունը, որը կարևոր է խոլեստերային կարգավորվածության, կանխատեսելի գելացման վարքագծի և CNC-ի վրա հիմնված ֆունկցիոնալ նյութերի մասշտաբային արտադրության համար: Իմացեք ավելին CNC-ների ուլտրաձայնային եղանակով խթանված ինքնահավաքի մասին։
Ցելյուլոզային նանոմանրաթելերի ուլտրաձայնային բարելավված ջրազրկում
Ցելյուլոզային նանոմանրաթելերի ուլտրաձայնային ուժեղացված ջրազրկումը նորագույն տեխնիկա է, որը զգալիորեն բարելավում է ջրի հեռացման արդյունավետությունը: – ցելյուլոզային նանո մանրաթելերը դարձնելով նանոթղթի արտադրության համար չափազանց գրավիչ հավելում: Նանոցելյուլոզային մանրաթելերը սովորաբար պահանջում են ժամանակատար ջրազրկում՝ ջրի պահպանման բարձր հզորության պատճառով: Ուլտրաձայնային ալիքների կիրառմամբ այս գործընթացը արագանում է ինտենսիվ կավիտացիոն ուժերի առաջացման միջոցով, որոնք խաթարում են ջրի մատրիցը և հեշտացնում ջրի ավելի արագ և միատեսակ արտամղումը: Սա ոչ միայն նվազեցնում է չորացման ժամանակը, այլև բարձրացնում է ստացված ցելյուլոզային նանոմանրաթելերի կառուցվածքային ամբողջականությունը և մեխանիկական հատկությունները, ինչը այն դարձնում է բարձրորակ նանոթղթերի և այլ նանանյութերի արտադրության բարձր արդյունավետ մեթոդ:
Իմացեք ավելին նանոթղթի ուլտրաձայնային ջրազրկման մասին:
Արդյունաբերական նանոցելյուլոզայի արտադրություն՝ օգտագործելով ուժային ուլտրաձայնային հետազոտություն
Hielscher Ultrasonics-ն առաջարկում է հզոր և հուսալի ուլտրաձայնային լուծումների համապարփակ շարք՝ փոքր լաբորատոր ուլտրաձայնային սարքերից մինչև լայնածավալ արդյունաբերական համակարգեր, որոնք իդեալական են նանոցելյուլոզայի առևտրային մշակման համար: Hielscher արդյունաբերական զոնդային տիպի sonicators-ի հիմնական առավելությունը կայանում է նրանում, որ նրանք կարող են ապահովել օպտիմալ ուլտրաձայնային պայմաններ իրենց հոսքի միջով ձայնային ռեակտորների միջոցով, որոնք գալիս են տարբեր չափերի և երկրաչափությունների: Այս ռեակտորները ապահովում են, որ ուլտրաձայնային էներգիան հետևողականորեն և միատեսակ կիրառվի ցելյուլոզային նյութի վրա՝ հանգեցնելով վերամշակման գերազանց արդյունքների:
Hielscher-ի նստարանային ձայնային սարքերը, ինչպիսիք են UIP1000hdT, UIP2000hdT և UIP4000hdT, կարող են օրական մի քանի կիլոգրամ նանոցելյուլոզա արտադրել՝ դրանք հարմարեցնելով միջին մասշտաբի արտադրության կարիքներին: Լայնածավալ առևտրային արտադրության համար ամբողջական արդյունաբերական միավորները, ինչպիսիք են UIP10000 և UIP16000hdT-ը, կարող են կարգավորել լայնածավալ զանգվածային հոսքեր՝ հնարավորություն տալով նանոցելյուլոզայի բարձր ծավալների արդյունավետ արտադրություն:
Hielscher ուլտրաձայնային համակարգերի ամենակարևոր առավելություններից մեկը դրանց գծային մասշտաբայնությունն է: Ե՛վ նստարանային, և՛ արդյունաբերական ուլտրաձայնային սարքերը կարող են տեղադրվել կլաստերներում՝ ապահովելով գործնականում անսահմանափակ մշակման հզորություն, ինչը նրանց դարձնում է իդեալական ընտրություն նանոցելյուլոզայի արտադրության մեջ բարձր թողունակություն և հուսալի կատարում պահանջող գործառնությունների համար:
Ուլտրաձայնային մշակում. Hielscher-ը ձեզ ուղղորդում է իրագործելիությունից և օպտիմալացումից մինչև առևտրային արտադրություն:
- բարձր աստիճանի fibrillation
- նանոցելյուլոզայի բարձր ելք
- բարակ մանրաթելեր
- խճճված մանրաթելեր
ուլտրաձայնային մշակում
Hielscher-ի լաբորատոր ուլտրաձայնային սարք UP400S (400 Վտ, 24 կՀց)
Ստորև բերված աղյուսակը ցույց է տալիս մեր ուլտրաձայնային սարքերի մոտավոր մշակման հզորությունը.
| Խմբաքանակի ծավալը | Հոսքի արագություն | Առաջարկվող սարքեր |
|---|---|---|
| 0.5-ից 1.5մլ | ԱԺ | VialTweeter |
| 1-ից 500 մլ | 10-ից 200 մլ / րոպե | UP100H |
| 10-ից 2000 մլ | 20-ից 400 մլ / րոպե | UP200Ht, UP400 Փ |
| 0.1-ից 20լ | 0.2-ից 4լ/րոպե | UIP2000hdT |
| 10-ից 100 լ | 2-ից 10 լ / րոպե | UIP4000hdT |
| 15-ից 150 լ | 3-ից 15 լ / րոպե | UIP6000hdT |
| ԱԺ | 10-ից 100 լ / րոպե | UIP16000 |
| ԱԺ | ավելի մեծ | կլաստերի UIP16000 |
Ի՞նչ է նանոցելյուլոզը:
Նանոցելյուլոզը ներառում է ցելյուլոզային նանաթելերի (CNF) տարբեր տեսակներ, որոնք կարելի է տարբերել միկրոֆիբրիլացված ցելյուլոզից (MFC), նանոկյուրիստալային ցելյուլոզից (NCC) և բակտերիալ նանոցելյուլոզից: Վերջինս վերաբերում է բակտերիաների կողմից արտադրվող նանոկառուցվածքային ցելյուլոզային։
Նանոցելյուլոզը ցույց է տալիս ակնառու հատկություններ, ինչպիսիք են արտասովոր ուժն ու կոշտությունը, բարձր բյուրեղությունը, թիքսոտրոպությունը, ինչպես նաև հիդրօքսիլ խմբի բարձր կոնցենտրացիան իր մակերեսին: Նանոցելյուլոզայի բարձր կատարողական բնութագրերից շատերը պայմանավորված են նրա մակերես/զանգված բարձր հարաբերակցությամբ:
Նանոցելյուլոզները լայնորեն օգտագործվում են բժշկության և դեղագործության, էլեկտրոնիկայի, թաղանթների, ծակոտկեն նյութերի, թղթի և սննդի մեջ՝ իրենց հասանելիության, կենսահամատեղելիության, կենսաբանական քայքայման և կայունության պատճառով: Իր բարձր կատարողական բնութագրերի շնորհիվ նանոցելյուլոզը հետաքրքիր նյութ է պլաստմասսա ամրացնելու, օրինակ՝ ջերմակայուն խեժերի, օսլայի վրա հիմնված մատրիցների, սոյայի սպիտակուցի, ռետինե լատեքսի կամ պոլի(լակտիդ) մեխանիկական հատկությունների բարելավման համար: Կոմպոզիտային կիրառությունների համար նանոցելյուլոզը օգտագործվում է ծածկույթների և թաղանթների, ներկերի, փրփուրների, փաթեթավորման համար: Ավելին, նանոցելյուլոզը խոստումնալից բաղադրիչ է աերոգելներ և փրփուրներ պատրաստելու համար՝ միատարր ձևակերպումներով կամ կոմպոզիտներում:
Հապավումներ:
Նանոբյուրեղային ցելյուլոզա (NCC)
Ցելյուլոզային նանոմանրաթելեր (CNF)
Միկրոֆիբրիլացված ցելյուլոզա (MFC)
Նանոցելյուլոզային բեղեր (NCW)
Ցելյուլոզային նանոբյուրեղներ (CNC)
Գրականություն / Հղումներ
- 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