Նանոկառուցվածքային ցելյուլոզի ուլտրաձայնային արտադրություն
Նանոցելյուլոզը՝ բարձր արդյունավետությամբ աչքի ընկնող հավելանյութը, ճանաչում է ձեռք բերել իր բազմակողմանի կիրառությունների շնորհիվ՝ որպես ռեոլոգիական հատկությունների կարգավորիչ, ամրացնող նյութ և տարբեր առաջադեմ նյութերի առանցքային բաղադրիչ։ Ցելյուլոզ պարունակող ցանկացած աղբյուրից ստացվող այս նանոկառուցվածքային ֆիբրիլները կարելի է արդյունավետորեն առանձնացնել բարձր հզորության ուլտրաձայնային հոմոգենացման և աղացման միջոցով։ Այս գործընթացը, որը հայտնի է որպես ուլտրաձայնային մշակում, զգալիորեն ուժեղացնում է ֆիբրիլացումը՝ ապահովելով նանոցելյուլոզի ավելի բարձր ելք և ստանալով ավելի մանր ու բարակ մանրաթելեր։ Ուլտրաձայնային տեխնոլոգիան գերազանցում է արտադրության ավանդական մեթոդներին՝ չափազանց մեծ կավիտացիոն սահքի ուժեր առաջացնելու իր ունակության շնորհիվ, ինչը այն դարձնում է նանոցելյուլոզի արտադրության բացառիկ գործիք։
Նանոցելյուլոզի ուլտրաձայնային արտադրություն
Բարձր հզորության ուլտրաձայնը նպաստում է միկրոցելյուլոզի և նանոցելյուլոզի արդյունահանմանն ու առանձնացմանը ցելյուլոզային նյութերի տարբեր աղբյուրներից, ինչպիսիք են փայտը, լիգնոցելյուլոզային մանրաթելերը (ցելյուլոզային զանգվածի մանրաթելերը) և ցելյուլոզ պարունակող մնացորդները։
Ելանյութից բուսական մանրաթելերն ազատելու համար ուլտրաձայնային աղացումը և հոմոգենացումը հզոր և հուսալի մեթոդ են, որը թույլ է տալիս մշակել շատ մեծ ծավալներ։ Ցելյուլոզային զանգվածը մատակարարվում է հոսքագծում տեղադրված ուլտրաձայնային ռեակտոր, որտեղ ուլտրաձայնի առաջացրած սահքի մեծ ուժերը քայքայում են կենսազանգվածի բջջային կառուցվածքը՝ հասանելի դարձնելով մանրաթելային նյութը։
Նանոցելյուլոզի կախույթները հուսալիորեն դիսպերսվում են ուլտրաձայնային մշակման միջոցով։ Նկարում պատկերված է խմբաքանակային մշակման համար տեղադրված բարձր արդյունավետությամբ UIP2000hdT ուլտրաձայնային սարքը։
[Bittencourt et al. 2008]
«Երբեք չչորացված բամբակի» (NDC) տրանսմիսիոն էլեկտրոնային մանրադիտակային (TEM) պատկերը. բամբակը ենթարկվել է ֆերմենտային հիդրոլիզի և ուլտրաձայնային մշակման՝ 20 րոպե տևողությամբ՝ Hielscher UP400S ուլտրաձայնային սարքի միջոցով։ [Bittencourt et al. 2008]
Ստորև բերված նկար 2-ում ներկայացված է վիսկոզային թաղանթի սկանավորող էլեկտրոնային մանրադիտակային (SEM) պատկերը. թաղանթը ենթարկվել է ֆերմենտային հիդրոլիզի, որին հաջորդել է ուլտրաձայնային մշակում՝ օգտագործելով Hielscher ուլտրաձայնային սարքի UP400S մոդելը.
[Bittencourt et al. 2008]
Վիսկոզային թաղանթի սկանավորող էլեկտրոնային մանրադիտակային (SEM) պատկերը. թաղանթը ենթարկվել է ֆերմենտային հիդրոլիզի, որին հաջորդել է ուլտրաձայնային մշակում՝ օգտագործելով UP400S [Bittencourt et al. 2008]
Նանոցելյուլոզի ուլտրաձայնային մշակումը կարելի է նաև հաջողությամբ համատեղել TEMPO-ով օքսիդացված մանրաթելերի մշակման հետ։ TEMPO գործընթացում ցելյուլոզի նանոմանրաթելերն արտադրվում են օքսիդացման համակարգի միջոցով՝ օգտագործելով 2,2,6,6-տետրամեթիլպիպերիդինիլ-1-օքսիլ (TEMPO)՝ որպես կատալիզատոր, ինչպես նաև նատրիումի բրոմիդ (NaBr) և նատրիումի հիպոքլորիտ (NaOCl)։ Հետազոտությունն ապացուցել է, որ օքսիդացման արդյունավետությունը զգալիորեն բարելավվում է, երբ օքսիդացումն իրականացվում է ուլտրաձայնային ճառագայթման պայմաններում։
Նանոցելյուլոզի ուլտրաձայնային դիսպերսում
Նանոցելյուլոզի դիսպերսիաները դրսևորում են արտասովոր ռեոլոգիական վարք՝ նանոցելյուլոզի ցածր կոնցենտրացիաների դեպքում իրենց բարձր մածուցիկության շնորհիվ։ Սա նանոցելյուլոզը դարձնում է շատ հետաքրքիր հավելանյութ՝ որպես ռեոլոգիական հատկությունների կարգավորիչ, կայունացուցիչ և գելացնող նյութ տարբեր կիրառությունների համար, օրինակ՝ ծածկույթների արտադրության, թղթի կամ սննդի արդյունաբերության մեջ։ Իր եզակի հատկությունները դրսևորելու համար նանոցելյուլոզը պետք է լինի
Ուլտրաձայնային դիսպերսումը մանր չափերով, առանձին միավորներով դիսպերսված նանոցելյուլոզ ստանալու իդեալական մեթոդ է։ Քանի որ նանոցելյուլոզի մածուցիկությունը սահքի ազդեցությամբ խիստ նվազում է, բարձր հզորության ուլտրաձայնը նախընտրելի տեխնոլոգիա է նանոցելյուլոզային կախույթներ պատրաստելու համար, քանի որ բարձր հզորության ուլտրաձայնային էներգիայի հաղորդումը հեղուկներին առաջացնում է չափազանց մեծ սահքի ուժեր։
Սեղմեք այստեղ՝ հեղուկներում ուլտրաձայնային կավիտացիայի մասին ավելին իմանալու համար։
Նանոբյուրեղային ցելյուլոզի սինթեզից հետո նանոցելյուլոզը հաճախ ուլտրաձայնային եղանակով դիսպերսվում է հեղուկ միջավայրում, օրինակ՝ ոչ բևեռային կամ բևեռային լուծիչում, ինչպիսին է դիմեթիլֆորմամիդը (DMF), վերջնական արտադրանք պատրաստելու համար (օրինակ՝ նանոկոմպոզիտներ, ռեոլոգիական հատկությունների կարգավորիչ և այլն)։ Քանի որ ցելյուլոզի նանոմանրաթելերը (CNF) օգտագործվում են որպես հավելանյութեր բազմազան բաղադրություններում, հուսալի դիսպերսումը վճռորոշ նշանակություն ունի։ Ուլտրաձայնային մշակման արդյունքում ստացվում են կայուն և հավասարաչափ դիսպերսված ֆիբրիլներ։
Ցելյուլոզի նանոբյուրեղների ուլտրաձայնային ինքնահավաքում
Ուլտրաձայնային մշակումը կարևոր նպաստող դեր է խաղում ցելյուլոզի նանաբյուրեղների (CNC) սինթեզում և մշակման մեջ՝ քայքայելով հիդրոլիզից առաջացած ագրեգատները, դիսպերսելով խրձերը և ստանալով ավելի համասեռ կախույթներ՝ մասնիկների միջև վերարտադրելի փոխազդեցություններով։ Թեև CNC սովորաբար ստացվում են թթվային հիդրոլիզով, ստացված նյութը հաճախ պարունակում է կուտակված տիրույթներ, որոնք կարող են խոչընդոտել հուսալի ինքնակազմակերպմանը և հանգեցնել տարբեր խմբաքանակների ռեոլոգիական ու օպտիկական հատկությունների փոփոխականության։ Սինթեզից հետո վերահսկվող ուլտրաձայնային էներգիայի կիրառումը բարելավում է դիսպերսման որակը և օգնում է ստանդարտացնել ցելյուլոզի նանաբյուրեղների մորֆոլոգիան, ինչը վճռորոշ է կայուն խոլեստերիկ կարգավորվածության, կանխատեսելի գելացման վարքագծի և ցելյուլոզի նանաբյուրեղների հիմքով ֆունկցիոնալ նյութերի արտադրության մասշտաբի մեծացման համար։ Իմացե՛ք ավելին ցելյուլոզի նանաբյուրեղների (CNC)՝ ուլտրաձայնով խթանվող ինքնակազմակերպման մասին։
Ցելյուլոզի նանաթելերի ջրազրկման բարելավում ուլտրաձայնով
Ցելյուլոզի նանաթելերի՝ ուլտրաձայնով բարելավված ջրազրկումն առաջադեմ տեխնիկա է, որը զգալիորեն բարձրացնում է ջրի հեռացման արդյունավետությունը՝ ցելյուլոզի նանաթելերը դարձնելով խիստ գրավիչ հավելանյութ նանոթղթի արտադրության համար։ Նանոցելյուլոզի թելերը սովորաբար պահանջում են ժամանակատար ջրազրկում՝ ջուրը պահելու իրենց բարձր ունակության պատճառով։ Ուլտրաձայնային ալիքների կիրառմամբ այս գործընթացն արագանում է ինտենսիվ կավիտացիոն ուժերի առաջացման շնորհիվ, որոնք խախտում են ջրային մատրիցը և նպաստում ջրի ավելի արագ ու համաչափ դուրսմղմանը։ Սա ոչ միայն կրճատում է չորացման ժամանակը, այլև բարելավում է ստացվող ցելյուլոզի նանաթելերի կառուցվածքային ամբողջականությունն ու մեխանիկական հատկությունները՝ այն դարձնելով խիստ արդյունավետ մեթոդ բարձրորակ նանոթղթերի և այլ նանոնյութերի արտադրության մեջ։
Իմացե՛ք ավելին նանոթղթի ուլտրաձայնային ջրազրկման մասին։
Նանոցելյուլոզի արդյունաբերական արտադրություն հզոր ուլտրաձայնի կիրառմամբ
Hielscher Ultrasonics ընկերությունն առաջարկում է հզոր և հուսալի ուլտրաձայնային լուծումների համապարփակ տեսականի՝ փոքր լաբորատոր ուլտրաձայնային սարքերից մինչև խոշոր արդյունաբերական համակարգեր, որոնք իդեալական են նանոցելյուլոզի առևտրային մշակման համար։ Hielscher ընկերության արդյունաբերական զոնդային ուլտրաձայնային սարքերի հիմնական առավելությունը տարբեր չափերի և երկրաչափական ձևերի հոսքային ուլտրաձայնային ռեակտորների միջոցով օպտիմալ ուլտրաձայնային պայմաններ ապահովելու կարողությունն է։ Այս ռեակտորներն ապահովում են ուլտրաձայնային էներգիայի կայուն և համաչափ կիրառումը ցելյուլոզային նյութի նկատմամբ՝ հանգեցնելով մշակման առավել բարձր արդյունքների։
Hielscher ընկերության սեղանադիր ուլտրաձայնային սարքերը, ինչպիսիք են UIP1000hdT, UIP2000hdT և UIP4000hdT մոդելները, կարող են օրական արտադրել մի քանի կիլոգրամ նանոցելյուլոզ, ինչը դրանք հարմար է դարձնում միջին մասշտաբի արտադրության կարիքների համար։ Լայնամասշտաբ առևտրային արտադրության դեպքում լիարժեք արդյունաբերական սարքերը, ինչպիսիք են UIP10000 և UIP16000hdT մոդելները, կարող են մշակել մեծ զանգվածային հոսքեր՝ հնարավորություն տալով արդյունավետորեն արտադրել մեծ ծավալներով նանոցելյուլոզ։
Hielscher ընկերության ուլտրաձայնային համակարգերի ամենանշանակալի առավելություններից մեկը դրանց մասշտաբի գծային մեծացման հնարավորությունն է։ Ե՛վ սեղանադիր, և՛ արդյունաբերական ուլտրաձայնային սարքերը կարող են տեղադրվել կլաստերներով՝ ապահովելով գործնականում անսահմանափակ մշակման արտադրողականություն, ինչը դրանք իդեալական ընտրություն է դարձնում նանոցելյուլոզի արտադրության մեջ բարձր արտադրողականություն և հուսալի աշխատանք պահանջող գործընթացների համար։
Ուլտրաձայնային մշակում. Hielscher ընկերությունն ուղեկցում է ձեզ իրագործելիության գնահատումից և օպտիմալացումից մինչև առևտրային արտադրություն։
- ֆիբրիլացման բարձր աստիճան
- նանոցելյուլոզի բարձր ելք
- բարակ թելեր
- խճճվածությունից ազատված թելեր
Ուլտրաձայնային մշակում
Hielscher ընկերության լաբորատոր ուլտրաձայնային սարքը՝ UP400S (400W, 24kHz)
Ստորև բերված աղյուսակը պատկերացում է տալիս մեր ուլտրաձայնային սարքերի մշակման մոտավոր արտադրողականության մասին՝
| Խմբաքանակի ծավալ | Ծավալային հոսքի արագություն | Առաջարկվող սարքեր |
|---|---|---|
| 0,5–1,5mL | n.a. | VialTweeter |
| 1–500mL | 10–200mL/min | UP100H |
| 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 | հետևյալ մոդելի սարքերից կազմված կլաստեր՝ UIP16000 |
Ի՞նչ է նանոցելյուլոզը։
Նանոցելյուլոզը ներառում է ցելյուլոզի նանոմանրաթելերի (CNF) տարբեր տեսակներ, որոնցից առանձնացվում են միկրոֆիբրիլացված ցելյուլոզը (MFC), նանոբյուրեղային ցելյուլոզը (NCC) և բակտերիալ նանոցելյուլոզը։ Վերջինս վերաբերում է բակտերիաների արտադրած նանոկառուցվածքային ցելյուլոզին։
Նանոցելյուլոզն ունի բացառիկ հատկություններ, ինչպիսիք են արտակարգ ամրությունն ու կոշտությունը, բարձր բյուրեղայնությունը, թիքսոտրոպիան, ինչպես նաև մակերեսի վրա հիդրօքսիլային խմբերի բարձր կոնցենտրացիան։ Նանոցելյուլոզի բարձր արդյունավետությունն ապահովող բազմաթիվ բնութագրեր պայմանավորված են դրա մակերեսի և զանգվածի բարձր հարաբերակցությամբ։
Նանոցելյուլոզները լայնորեն կիրառվում են բժշկության և դեղագործության, էլեկտրոնիկայի, թաղանթների, ծակոտկեն նյութերի, թղթի և սննդի ոլորտներում՝ իրենց հասանելիության, կենսահամատեղելիության, կենսաքայքայելիության և կայունության շնորհիվ։ Իր բարձր արդյունավետությունն ապահովող բնութագրերի շնորհիվ նանոցելյուլոզը հետաքրքրություն ներկայացնող նյութ է պլաստմասսաների ամրապնդման, օրինակ՝ ջերմակարծրացող խեժերի, օսլայի հիմքով մատրիցների, սոյայի սպիտակուցի, կաուչուկային լատեքսի կամ պոլիլակտիդի մեխանիկական հատկությունների բարելավման համար։ Կոմպոզիտային կիրառություններում նանոցելյուլոզն օգտագործվում է ծածկույթների և թաղանթների, ներկերի, փրփուրների, փաթեթավորման համար։ Բացի այդ, նանոցելյուլոզը խոստումնալից բաղադրիչ է աերոգելեր և փրփուրներ պատրաստելու համար՝ ինչպես համասեռ բաղադրություններում, այնպես էլ կոմպոզիտներում։
Հապավումներ՝
Նանոբյուրեղային ցելյուլոզ (NCC)
Ցելյուլոզի նանոմանրաթելեր (CNF)
Միկրոֆիբրիլացված ցելյուլոզ (MFC)
Նանոցելյուլոզի բեղիկներ (NCW)
Ցելյուլոզի 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