Produzione ad ultrasuoni di cellulosa nanostrutturata

  • La nanocellulosa è un additivo ad alte prestazioni che viene utilizzato con successo come modificatore reologico, agente di rinforzo e additivo in molteplici materiali e applicazioni ad alte prestazioni.
  • Le fibrille nanostrutturate possono essere isolate in modo molto efficiente da qualsiasi fonte contenente cellulosa mediante omogeneizzazione e fresatura ad ultrasuoni ad alta potenza.
  • Con la sonicazione è possibile ottenere un grado più elevato di fibrillazione, una maggiore resa in nanocellulosa e fibre più sottili.
  • La tecnologia ad ultrasuoni eccelle nei metodi convenzionali di produzione della nanocellulosa grazie alle elevate forze di taglio cavitazionali estreme.

Produzione di nanocellulosa ad ultrasuoni

Gli ultrasuoni ad alta potenza contribuiscono all'estrazione e all'isolamento di micro e nano-cellulosa da varie fonti di materiali cellulosici come il legno, fibre lignocellulosiche (fibre di cellulosa) e residui contenenti cellulosa.
Per liberare le fibre vegetali dal materiale di partenza, gli ultrasuoni smerigliatura e Omogeneizzazione è un metodo potente e affidabile, che permette di trattare volumi molto grandi. La polpa viene immessa in un sonoreattore in linea, dove le forze ultrasoniche di taglio ad alta intensità rompono la struttura cellulare della biomassa in modo da rendere disponibile la materia fibrillosa.
La Figura 1 qui sotto mostra un'immagine TEM di “Cotone Mai Essiccato” (NDC) sottoposto ad idrolisi enzimatica e sonicato con Hielscher's UP400S per 20 minuti. [Bittencourt et al. 2008]

Nanocellulose shows outstanding properties due to its high surface/mass ratio. Hielscher's ultrasound technology is a reliable and efficient method to produce nanocellulose and cellulose nanocrystals.

Immagine TEM di “Cotone Mai Essiccato” (NDC) sottoposto ad idrolisi enzimatica e sonicato con Hielscher UP400S di Hielscher per 20 minuti. [Bittencourt et al. 2008]

La figura 2 mostra un'immagine al SEM di una pellicola di viscosa, sottoposta all'idrolisi enzimatica, seguita da sonicazione con UP400S. [Bittencourt et al. 2008]

Produzione ad ultrasuoni di compositi nano cellulosici.

Immagine al SEM di una pellicola di viscosa, sottoposta all'idrolisi enzimatica, seguita da sonicazione con UP400S [Bittencourt et al. 2008].

L'elaborazione ultrasonica della nanocellulosa può anche essere combinata con successo con il trattamento delle fibre ossidate TEMPO. Nel processo TEMPO, le nanofibre di cellulosa sono prodotte da un sistema di ossidazione che utilizza come catalizzatore 2,2,6,6,6-tetrametilpiperidinil-1-oxyl (TEMPO), e bromuro di sodio (NaBr) e ipoclorito di sodio (NaOCl). La ricerca ha dimostrato che l'efficienza di ossidazione è notevolmente migliorata quando l'ossidazione è condotta sotto l'irradiazione ultrasonica.

Dispersione ultrasonica

Le dispersioni di nanocellulosa mostrano uno straordinario comportamento reologico grazie alla sua elevata viscosità a basse concentrazioni di nanocellulosa. Questo rende la nanocellulosa un additivo molto interessante come modificatore reologico, stabilizzante e gellante per varie applicazioni, ad esempio nell'industria della patinatura, della carta o alimentare. Per esprimere le sue proprietà uniche, la nanocellulosa deve essere
La dispersione ad ultrasuoni è il metodo ideale per ottenere nanocellulosa di piccole dimensioni e a singola dispersione. Poiché la nanocellulosa è altamente cesoiaturaGli ultrasuoni sono la tecnologia preferibile per formulare sospensioni nanocellulosiche, poiché l'accoppiamento di ultrasuoni ad alta potenza in liquidi crea forze di taglio estreme. (Clicca qui per saperne di più sulla cavitazione ultrasonica nei liquidi!)
Dopo la sintesi della cellulosa nanocristallina, la nanocellulosa è spesso ultrasonicamente dispersi in un mezzo liquido, ad esempio un solvente non polare o un solvente polare come la dimetilformammide (DMF), per formulare un prodotto finale (ad esempio nanocompositi, modificatore reologico, ecc.) Poiché i CNF sono usati come additivi in formulazioni multiple, una dispersione affidabile è fondamentale. L'ultrasonicazione produce fibrille stabili e uniformemente disperse.

Elaborazione industriale ad ultrasuoni

Hielscher Ultrasonics fornisce una tecnologia a ultrasuoni potente e affidabile a partire da piccole dimensioni. ultrasuoni da laboratorio ai sistemi da banco e ai sistemi commerciali completi. attrezzature per impianti industriali. Nei sonoreattatori flowthrough di Hielscher, disponibili in diverse dimensioni e geometrie, si ottengono condizioni ottimali di ultrasuoni in quanto le condizioni di reazione ottimizzate vengono applicate in modo mirato e uniforme alla materia cellulosica.
Con i dispositivi da banco ad ultrasuoni di Hielscher come il UIP1000hdT, UIP2000hdT o UIP4000hdTLa quantità di nanocellulosa che si può produrre facilmente al giorno. Le unità industriali complete, come la UIP10000 e UIP16000 gestire flussi di massa molto grandi e consentire la produzione commerciale completa di elevati volumi di produzione. Poiché tutti gli ultrasuoni da banco e industriali di Hielscher possono essere installati come cluster, non c'è praticamente alcun limite alla capacità del processo ad ultrasuoni.

3 passaggi per un'elaborazione a ultrasuoni di successo: Fattibilità- Ottimizzazione - Scale-up (Clicca per ingrandire!)

Elaborazione ad ultrasuoni: Hielscher vi guida dalla fattibilità e ottimizzazione alla produzione commerciale!

Vantaggi degli ultrasuoni:

  • alto grado di fibrillazione
  • alto rendimento in nanocellulosa
  • fibre sottili
  • fibre districate
L'elaborazione ad ultrasuoni della nano cellulosa contribuisce all'isolamento, alla fibrillazione, alla dispersione e alla formulazione. (Clicca per ingrandire!)

Elaborazione ad ultrasuoni

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Ultrasonic devices such as Hielscher's UP400S are auccefully used to produce nanocellulose

Ultrasuoni da laboratorio di Hielscher UP400S (400W, 24kHz)

Letteratura/riferimenti

  • E. Abraham, B. Deep, L.A. Pothan, M. Jacob, S. Thomas, U. Cvelbar, R. Anandjiwala (2011): Estrazione di fibrille di nanocellulosa da fibre lignocellulosiche: un nuovo approccio. Carboidrati Polimeri 86, 2011. 1468–1475.
  • E. Bittencourt, M. de Camargo (2011): Studi preliminari sulla produzione di nanofibre di cellulosa da cotone mai essiccato, utilizzando l'idrolisi enzimatica eco-compatibile e la sonicazione ad alta energia. 3° Int'l. Un'officina: Progressi nella produzione più pulita. San Paolo, Brasile, 18 maggio – 20esima edizione del 2011.
  • L. S. Blachechen, J. P. de Mesquita, E. L. de Paula, F. V. Pereira, D. F. S. S. Petri (2013): Interplay di stabilità colloidale dei nanocristalli di cellulosa e loro disperdibilità in matrice di acetato di cellulosa acetato butirrato. Cellulosa 2013.
  • A. Dufresne (2012): Nanocellulosa: Dalla natura ai materiali su misura ad alte prestazioni. Walter de Gruyter, 2012.
  • M. A. Hubbe; O. J. Rojas; L. A. Lucia, M. Sain (2008): Nanocompositi cellulosici: Una recensione. BioResources 3/3, 2008. 929-980.
  • S. P. Mishra, A.-S. Manent, B. Chabot, C. Daneault (2012): Produzione di nanocellulosa da cellulosa indigena – Varie opzioni che utilizzano gli ultrasuoni. BioResources 7/1, 2012. 422-436.
  • V. K. Thakur (2014): Nanocellulosa Polimero polimero Nanocompositi: Fondamenti e applicazioni. Wiley & Sons, 2014.
  • http://en.wikipedia.org/wiki/Nanocellulose

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Informazioni su Nanocellulosa

La nanocellulosa comprende diversi tipi di nanofibre di cellulosa (CNF), che si possono distinguere in microfibrillated cellulose (MFC), nanocristallina cellulosa (NCC) e nanocellulosa batterica. Quest'ultima si riferisce alla cellulosa nano-strutturata prodotta dai batteri.
La nanocellulosa mostra proprietà eccezionali come una straordinaria solidità e rigidità, alta cristallinità, tissotropiacosì come un'alta concentrazione di gruppo idrossile sulla sua superficie. Molte delle caratteristiche ad alte prestazioni della nanocellulosa sono causate dalla sua elevato rapporto superficie/massa.
Le nanocellulose sono ampiamente utilizzate in medicina e farmaceutica, elettronica, membrane, materiali porosi, carta e alimenti per la loro disponibilità, biocompatibilità, degradabilità biologica e sostenibilità. Grazie alle sue elevate prestazioni, la nanocellulosa è un materiale interessante per il rinforzo delle materie plastiche, il miglioramento delle proprietà meccaniche di resine termoindurenti, matrici a base di amido, proteine di soia, lattice di gomma o poli(lattice). Per le applicazioni composite, la nanocellulosa è utilizzata per rivestimenti e film, vernici, schiume, imballaggi. Inoltre, la nanocellulosa è un componente promettente per la produzione di aerogel e schiume, sia in formulazioni omogenee che in compositi.
Abreviazioni:
Cellulosa nanocristallina (NCC)
Nanofibre di cellulosa (CNF)
Cellulosa microfibrillata (MFC)
Baffi di nanocellulosa (NCW)
Nanocristalli di cellulosa (CNC)