Disidratazione accelerata di nanofibre di cellulosa per la produzione di carta

La sonicazione in combinazione con la modifica dell'acido lattico (LA) è un approccio ecologico 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 critica nella preparazione della nanocarta e in altre applicazioni della nanocellulosa. Il metodo riduce il tempo di drenaggio del 75%, da 45 a 10 minuti, grazie all'esterificazione dei gruppi idrossilici della cellulosa da parte dell'acido lattico sotto 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 tasso di produzione di prodotti a base di nanofibre di cellulosa.

Rapida disidratazione di nanofibre di cellulosa modificate con acido lattico mediante sonicazione
(Studio e immagine: ©Sethi et al., 2018)

Miglioramento dell'efficienza di disidratazione delle nanofibre di cellulosa attraverso la modifica ad ultrasuoni dell'acido lattico

Le nanofibre di cellulosa (CNF) sono famose per i loro numerosi vantaggi nella produzione della carta, come l'aumento della resistenza e la modifica della reologia. Tuttavia, uno svantaggio significativo è la quantità di tempo eccessiva necessaria per drenare l'acqua dalle sospensioni di nanofibre di cellulosa, una fase critica nella preparazione delle nanocarte. Questa sfida non solo influisce sulla produzione di nanocarte, ma ostacola anche la trasformazione industriale della nanocellulosa in altri prodotti finiti. Il tempo di drenaggio prolungato è dovuto principalmente all'elevata ritenzione di acqua da parte delle nanofibre di cellulosa, che rappresenta un ostacolo alla commercializzazione dei prodotti derivati dalle nanofibre di cellulosa.
Di seguito vi presentiamo i risultati di uno studio scientifico di Sethi e colleghi (2018), che hanno sviluppato una modifica dell'acido lattico assistita da ultrasuoni delle nanofibre di cellulosa, che porta a una disidratazione più rapida del 75% delle CNF e a un miglioramento delle funzionalità del materiale.

Modifica a ultrasuoni di nanofibre di cellulosa con acido lattico

Per risolvere questo problema, è stato sviluppato un approccio ecologico, basato sull'acqua, che coinvolge 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 di sospensioni di nanofibre di cellulosa a una concentrazione di 0,35 p.% e l'aggiunta di acido lattico in varie quantità rispetto al contenuto secco di nanofibre di cellulosa (0,5 volte, 1 volta, 5 volte e 10 volte il contenuto secco di nanofibre di cellulosa in sospensione). Le nanofibre, l'acqua e l'acido lattico vengono mescolati con un agitatore ad alta velocità a 1500 giri al minuto per 5 minuti e poi sonicati con un sonicatore Hielscher UP400S dotato di una punta in titanio (22 mm di diametro). La sonicazione viene condotta a vari livelli di energia, con un'energia massima impartita di 600 J/ml, corrispondente a 10 minuti di sonicazione.

Impatto sul tempo di drenaggio

La modifica con ultrasuoni e acido lattico ha un profondo impatto sul tempo di drenaggio delle sospensioni di nanofibre di cellulosa. La sospensione di riferimento richiede circa 45 minuti per la disidratazione. Dopo la modificazione con acido lattico assistita da sonicazione, questo tempo si riduce a 10 minuti, con un miglioramento del 75%. Anche con una leggera sonicazione (5 J/ml), il tempo di drenaggio si dimezza a 23 minuti. Il tempo di drenaggio diminuisce con l'aumentare dell'energia di sonicazione, raggiungendo infine un plateau a circa 10 minuti.
Questo miglioramento è attribuito alla sostituzione dei gruppi idrossilici della cellulosa con quelli idrofobici dell'acido lattico. I gruppi idrossilici sono i principali responsabili dell'elevata ritenzione idrica. L'acido lattico, con il suo gruppo carbossilico, può partecipare a una reazione di esterificazione con i gruppi idrossilici della cellulosa sotto sonicazione. La sonicazione crea minuscole cavità di vuoto nel mezzo liquido, che collassano per produrre condizioni estreme (temperatura di 5000 K e pressione di 1000 atm), sufficienti a indurre reazioni chimiche, tra cui l'esterificazione.

Energia di sonicazione vs tempo di drenaggio (in minuti) per la preparazione di 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

Anche l'energia di sonicazione contribuisce 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 300 J/ml e 60 J/ml. Questa riduzione della viscosità contribuisce ulteriormente a migliorare l'efficienza di disidratazione.

Importanza industriale della modifica ad ultrasuoni delle nanofibre di cellulosa

Il metodo di modifica dell'acido lattico con ultrasuoni non è solo efficace, ma anche compatibile con le applicazioni industriali. I sonicatori all'avanguardia di Hielscher, in grado di gestire grandi volumi di lavorazione, sono in grado di portare a termine il lavoro in modo efficiente, rendendo questo metodo adatto a operazioni su larga scala.
Inoltre, questo approccio consente di incorporare fino al 10 % in peso di nanofibre di cellulosa nei fogli di carta, con una disidratazione completata in soli 2 minuti, rispetto ai 23 minuti delle nanofibre di cellulosa non modificate. Questo significativo miglioramento può rivoluzionare l'uso delle nanofibre di cellulosa nella produzione 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 lavorazione approssimativa dei nostri sonicatori a sonda:

Progettazione, produzione e consulenza – Qualità Made in Germany

Gli ultrasuoni Hielscher sono noti per i loro elevati standard di qualità e design. La robustezza e la facilità d'uso consentono un'agevole integrazione dei nostri ultrasuoni negli impianti industriali. Gli ultrasuonatori Hielscher sono in grado di gestire facilmente condizioni difficili e ambienti impegnativi.

Hielscher Ultrasonics è un'azienda certificata ISO e pone particolare enfasi sugli ultrasuonatori ad alte prestazioni, caratterizzati da tecnologia all'avanguardia e facilità d'uso. Naturalmente, gli ultrasuoni Hielscher sono conformi alla normativa CE e soddisfano i requisiti UL, CSA e RoH.