Pengeringan Serat Nano Selulosa yang Dipercepat untuk Produksi Kertas

Sonikasi dalam kombinasi dengan modifikasi asam laktat (LA) adalah pendekatan ramah lingkungan untuk mempercepat proses pengeringan serat nano selulosa (CNF) untuk produksi kertas. Serat nano selulosa dikenal karena retensi airnya yang tinggi, menyebabkan penundaan yang signifikan dalam proses drainase, langkah penting dalam persiapan kertas nano dan aplikasi nanoselulosa lainnya. Metode ini mengurangi waktu pengeringan sebesar 75%, dari 45 menit menjadi 10 menit, melalui esterifikasi gugus hidroksil selulosa oleh asam laktat di bawah sonikasi. Modifikasi ini juga menurunkan viskositas suspensi dan terbukti dapat diskalakan secara industri, menawarkan solusi praktis untuk meningkatkan efisiensi dan tingkat produksi produk berbasis serat nano selulosa.

Pengeringan cepat serat nano selulosa yang dimodifikasi asam laktat di bawah sonikasi
(Studi dan gambar: ©Sethi et al., 2018)

Peningkatan Efisiensi Dewatering Serat Nano Selulosa melalui Modifikasi Asam Laktat Ultrasonik

Serat nano selulosa (CNF) dirayakan karena banyak manfaatnya dalam produksi kertas, seperti meningkatkan kekuatan dan memodifikasi reologi. Namun, salah satu kelemahan yang signifikan adalah terlalu banyak waktu yang diperlukan untuk mengalirkan air dari suspensi nanofiber selulosa, langkah penting dalam menyiapkan kertas nano. Tantangan ini tidak hanya berdampak pada produksi nanopaper tetapi juga menghambat pemrosesan industri nanoselulosa menjadi produk jadi lainnya. Waktu drainase yang berkepanjangan terutama disebabkan oleh retensi air yang tinggi oleh serat nano selulosa, yang merupakan hambatan dalam komersialisasi produk turunan serat nano selulosa.
Di bawah ini, kami menyajikan kepada Anda hasil studi ilmiah oleh Sethi dan rekannya (2018), yang mengembangkan modifikasi asam laktat yang dibantu secara ultrasonik dari serat nano selulosa, yang mengarah pada pengeringan CNF 75% lebih cepat dan meningkatkan fungsionalitas material.

Modifikasi Ultrasonik Serat Nano Selulosa dengan Asam Laktat

Untuk mengatasi masalah ini, pendekatan berbasis air yang ramah lingkungan yang melibatkan energi sonikasi dan asam laktat (LA) telah dikembangkan untuk memodifikasi permukaan serat nano selulosa. Metode ini secara signifikan mempercepat proses pengeringan rambut, mengurangi waktu drainase hingga 75%.
Proses modifikasi melibatkan pengenceran suspensi serat nano selulosa hingga konsentrasi 0,35 wt.% dan menambahkan asam laktat dalam berbagai jumlah relatif terhadap kandungan kering serat nano selulosa (0,5 kali, 1 kali, 5 kali, dan 10 kali kandungan kering serat nano selulosa dalam suspensi). Serat nano, air, dan asam laktat dicampur menggunakan pengaduk berkecepatan tinggi pada 1500 rpm selama 5 menit dan kemudian disonikasi dengan sonicator Hielscher UP400S yang dilengkapi dengan ujung titanium (diameter 22 mm). Sonikasi dilakukan pada berbagai tingkat energi, dengan energi maksimum 600 J / ml, sesuai dengan sonikasi 10 menit.

Dampak pada Waktu Pengeringan

Modifikasi asam ultrasonik-laktat memiliki dampak besar pada waktu pengeringan suspensi nanofiber selulosa. Suspensi referensi membutuhkan waktu sekitar 45 menit untuk pengeringan. Setelah modifikasi asam laktat yang dibantu sonikasi, waktu ini dikurangi menjadi 10 menit, mewakili peningkatan 75%. Bahkan dengan sonikasi ringan (5 J / ml), waktu pengeringan dikurangi menjadi dua menjadi 23 menit. Waktu pengeringan berkurang dengan meningkatnya energi sonikasi, akhirnya mencapai dataran tinggi sekitar 10 menit.
Peningkatan ini dikaitkan dengan penggantian gugus hidroksil hidrofilik selulosa dengan bagian asam laktat hidrofobik. Gugus hidroksil terutama bertanggung jawab atas retensi air yang tinggi. Asam laktat, dengan gugus karboksilatnya, dapat berpartisipasi dalam reaksi esterifikasi dengan gugus hidroksil selulosa di bawah sonikasi. Sonikasi menciptakan rongga vakum yang sangat kecil dalam media cair, yang runtuh untuk menghasilkan kondisi ekstrem (suhu 5000 K dan tekanan 1000 atm), cukup untuk menginduksi reaksi kimia, termasuk esterifikasi.

Energi sonikasi vs waktu pengurasan (dalam menit) untuk persiapan kertas nano (sesuai dengan sampel CNF (1) LA).
100 J / ml energi sonikasi sesuai dengan 100 detik sonikasi, dll.
(Studi dan gambar: ©Sethi et al., 2018)

Pengurangan Viskositas Suspensi Nanofiber Selulosa

Energi sonikasi juga berkontribusi pada penurunan viskositas suspensi nanofiber selulosa. Viskositas berbanding terbalik dengan energi sonikasi, dengan viskositas terendah diamati pada 600 J / ml, diikuti oleh 300 J / ml dan 60 J / ml. Pengurangan viskositas ini semakin membantu dalam meningkatkan efisiensi pengeringan rambut.

Relevansi Industri Modifikasi Nanofiber Selulosa Ultrasonik

Metode modifikasi asam ultrasonik-laktat tidak hanya efektif tetapi juga kompatibel dengan aplikasi industri. Sonikator Hielscher canggih yang mampu menangani pemrosesan volume besar dapat menyelesaikan tugas secara efisien, membuat metode ini cocok untuk operasi skala besar.
Selain itu, pendekatan ini memungkinkan penggabungan nanofiber selulosa hingga 10 wt.% dalam lembaran kertas, dengan pengeringan selesai hanya dalam 2 menit, dibandingkan dengan 23 menit untuk serat nano selulosa yang tidak dimodifikasi. Peningkatan signifikan ini dapat merevolusi penggunaan serat nano selulosa dalam pembuatan kertas, mengatasi salah satu rintangan utama dalam komersialisasinya.

Sonic untuk Serat Nano Selulosa dan Produksi Kertas

Tabel di bawah ini memberi Anda indikasi perkiraan kapasitas pemrosesan sonicator tipe probe kami:

Desain, Manufaktur, dan Konsultasi – Kualitas Buatan Jerman

Ultrasonicators Hielscher terkenal dengan kualitas dan standar desainnya yang tertinggi. Ketahanan dan pengoperasian yang mudah memungkinkan integrasi ultrasonicator kami ke dalam fasilitas industri. Kondisi kasar dan lingkungan yang menuntut mudah ditangani oleh ultrasonicator Hielscher.

Hielscher Ultrasonics adalah perusahaan bersertifikat ISO dan memberikan penekanan khusus pada ultrasonicators berkinerja tinggi yang menampilkan teknologi canggih dan keramahan pengguna. Tentu saja, ultrasonicators Hielscher sesuai dengan CE dan memenuhi persyaratan UL, CSA dan RoHs.