Disidratazione accelerata delle nanofibre di cellulosa per la produzione di carta

La sonicazione combinata con la modifica mediante acido lattico (LA) è un approccio ecocompatibile per accelerare il processo di disidratazione delle nanofibre di cellulosa (CNF) per la produzione di carta. Le nanofibre di cellulosa sono note per la loro elevata ritenzione idrica, che causa ritardi significativi nel processo di drenaggio, una fase fondamentale nella preparazione della nanocarta e in altre applicazioni della nanocellulosa. Il metodo riduce il tempo di drenaggio del 75%, da 45 minuti a 10 minuti, attraverso l’esterificazione dei gruppi ossidrilici della cellulosa con acido lattico durante la sonicazione. Questa modifica riduce anche la viscosità della sospensione e si dimostra scalabile a livello industriale, offrendo una soluzione pratica per migliorare l’efficienza e il ritmo di produzione dei prodotti a base di nanofibre di cellulosa.

Disidratazione rapida delle nanofibre di cellulosa modificate con acido lattico durante la sonicazione
(Studio e immagine: ©Sethi et al., 2018)

Maggiore efficienza di disidratazione delle nanofibre di cellulosa mediante modifica con acido lattico assistita da ultrasuoni

Le nanofibre di cellulosa (CNF) sono apprezzate per i numerosi vantaggi che offrono nella produzione di carta, come il miglioramento della resistenza e la modifica della reologia. Tuttavia, un inconveniente significativo è il tempo eccessivo necessario per drenare l’acqua dalle sospensioni di nanofibre di cellulosa, una fase fondamentale nella preparazione della nanocarta. Questa difficoltà non solo incide sulla produzione di nanocarta, ma ostacola anche la trasformazione industriale della nanocellulosa in altri prodotti finiti. Il lungo tempo di drenaggio è dovuto principalmente all’elevata ritenzione idrica delle nanofibre di cellulosa, che rappresenta un collo di bottiglia nella commercializzazione dei prodotti derivati dalle nanofibre di cellulosa.
Di seguito presentiamo i risultati di uno studio scientifico di Sethi e colleghi (2018), che hanno sviluppato una modifica delle nanofibre di cellulosa con acido lattico assistita da ultrasuoni, che consente una disidratazione delle CNF più rapida del 75% e migliora le funzionalità del materiale.

Modifica delle nanofibre di cellulosa con acido lattico mediante ultrasuoni

Per affrontare questo problema, è stato sviluppato un approccio ecocompatibile a base acquosa che impiega l’energia di sonicazione e l’acido lattico (LA) per modificare la superficie delle nanofibre di cellulosa. Questo metodo accelera significativamente il processo di disidratazione, riducendo il tempo di drenaggio fino al 75%.
Il processo di modifica prevede la diluizione delle sospensioni di nanofibre di cellulosa fino a una concentrazione di 0,35 wt.% e l’aggiunta di acido lattico in quantità diverse rispetto al contenuto secco delle nanofibre di cellulosa (0,5 volte, 1 volta, 5 volte e 10 volte il contenuto secco delle nanofibre di cellulosa in sospensione). Le nanofibre, l’acqua e l’acido lattico vengono miscelati con un agitatore ad alta velocità a 1500 rpm per 5 minuti e quindi sottoposti a sonicazione con un sonicatore Hielscher UP400S dotato di una punta in titanio (22 mm di diametro). La sonicazione viene eseguita a diversi livelli di energia, con un’energia massima trasferita di 600 J/ml, corrispondente a 10 minuti di sonicazione.

Effetto sul tempo di drenaggio

La modifica con acido lattico assistita da ultrasuoni ha un effetto marcato sul tempo di drenaggio delle sospensioni di nanofibre di cellulosa. La sospensione di riferimento richiede circa 45 minuti per la disidratazione. Dopo la modifica con acido lattico assistita dalla sonicazione, questo tempo si riduce a 10 minuti, con un miglioramento del 75%. Anche con una sonicazione blanda (5 J/ml), il tempo di drenaggio si dimezza, scendendo a 23 minuti. Il tempo di drenaggio diminuisce all’aumentare dell’energia di sonicazione, fino a stabilizzarsi intorno ai 10 minuti.
Questo miglioramento è attribuito alla sostituzione dei gruppi ossidrilici idrofili della cellulosa con porzioni idrofobe dell’acido lattico. I gruppi ossidrilici sono i principali responsabili dell’elevata ritenzione idrica. L’acido lattico, grazie al suo gruppo carbossilico, può partecipare a una reazione di esterificazione con i gruppi ossidrilici della cellulosa durante la sonicazione. La sonicazione crea minuscole cavità di vuoto nel mezzo liquido, che collassano generando condizioni estreme (temperatura di 5000 K e pressione di 1000 atm), sufficienti a indurre reazioni chimiche, tra cui l’esterificazione.

Energia di sonicazione in funzione del tempo di drenaggio (in minuti) per la preparazione della nanocarta (corrispondente al campione CNF(1)LA).
100 J/ml di energia di sonicazione corrispondono a 100 secondi di sonicazione, ecc.
(Studio e immagine: ©Sethi et al., 2018)

Riduzione della viscosità delle sospensioni di nanofibre di cellulosa

L’energia di sonicazione contribuisce anche a diminuire la viscosità delle sospensioni di nanofibre di cellulosa. La viscosità è inversamente proporzionale all’energia di sonicazione, con la viscosità più bassa osservata a 600 J/ml, seguita da quelle a 300 J/ml e 60 J/ml. Questa riduzione della viscosità contribuisce ulteriormente a migliorare l’efficienza di disidratazione.

Rilevanza industriale della modifica delle nanofibre di cellulosa mediante ultrasuoni

Il metodo di modifica con acido lattico assistita da ultrasuoni è efficace e compatibile con le applicazioni industriali. I sonicatori Hielscher all’avanguardia, in grado di trattare grandi volumi, possono eseguire il processo in modo efficiente, rendendo questo metodo adatto alle operazioni su larga scala.
Inoltre, questo approccio consente di incorporare fino al 10 wt.% di nanofibre di cellulosa nei fogli di carta, completando la disidratazione in soli 2 minuti, rispetto ai 23 minuti necessari per le nanofibre di cellulosa non modificate. Questo miglioramento significativo può rivoluzionare l’uso delle nanofibre di cellulosa nella fabbricazione della carta, superando uno dei principali ostacoli alla loro commercializzazione.

Sonicatori per le nanofibre di cellulosa e la produzione di carta

La tabella seguente fornisce un’indicazione della capacità di trattamento approssimativa dei nostri sonicatori a sonda:

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I sonicatori Hielscher sono rinomati per i loro elevatissimi standard di qualità e progettazione. La robustezza e la semplicità d’uso consentono di integrare agevolmente i nostri sonicatori negli impianti industriali. I sonicatori Hielscher affrontano facilmente condizioni gravose e ambienti impegnativi.

Hielscher Ultrasonics è un’azienda certificata ISO e pone particolare attenzione ai sonicatori ad alte prestazioni dotati di tecnologia all’avanguardia e facili da usare. Naturalmente, i sonicatori Hielscher sono conformi alla normativa CE e soddisfano i requisiti UL, CSA e RoHs.