ცელულოზის ნანობოჭკოების დაჩქარებული გამოშრობა ქაღალდის წარმოებისთვის

გაჟონვა რძემჟავას (LA) მოდიფიკაციასთან ერთად არის ეკოლოგიურად სუფთა მიდგომა ქაღალდის წარმოებისთვის ცელულოზის ნანობოჭკოების (CNFs) წყლის დაშლის პროცესის დასაჩქარებლად. ცელულოზის ნანობოჭკოები ცნობილია მაღალი წყლის შეკავებით, რაც იწვევს დრენაჟის პროცესში მნიშვნელოვან შეფერხებებს, კრიტიკულ ეტაპზე ნანოქაღალდის მომზადებაში და ნანოცელულოზის სხვა გამოყენებაში. მეთოდი ამცირებს დრენაჟის დროს 75%-ით, 45 წუთიდან 10 წუთამდე, ცელულოზის ჰიდროქსილის ჯგუფების ესტერიფიკაციის გზით რძემჟავას გაჟონვის ქვეშ. ეს მოდიფიკაცია ასევე ამცირებს სუსპენზიის სიბლანტეს და ადასტურებს, რომ ის ინდუსტრიულად მასშტაბურია, რაც გვთავაზობს პრაქტიკულ გადაწყვეტას ცელულოზის ნანობოჭკოვანი პროდუქტების ეფექტურობისა და წარმოების სიჩქარის გასაუმჯობესებლად.

ლაქტური მჟავით მოდიფიცირებული ცელულოზის ნანობოჭკოების სწრაფი გამოშრობა გახმოვანების ქვეშ
(კვლევა და სურათი: ©Sethi et al., 2018)

ცელულოზის ნანობოჭკების გაძლიერებული წყალგამწმენდის ეფექტურობა ულტრაბგერითი რძემჟავა მოდიფიკაციის საშუალებით

ცელულოზის ნანობოჭკოები (CNF) ცნობილია ქაღალდის წარმოებაში მათი მრავალი სარგებლით, როგორიცაა სიძლიერის გაძლიერება და რეოლოგიის შეცვლა. თუმცა, ერთი მნიშვნელოვანი ნაკლი არის ცელულოზის ნანობოჭკოვანი სუსპენზიებიდან წყლის ამოწურვისთვის საჭირო დროის უზომო რაოდენობა, რაც გადამწყვეტი ნაბიჯია ნანოქაღალდების მომზადებისას. ეს გამოწვევა არა მხოლოდ გავლენას ახდენს ნანოქაღალდის წარმოებაზე, არამედ აფერხებს ნანოცელულოზის სამრეწველო გადამუშავებას სხვა მზა პროდუქტად. გახანგრძლივებული დრენაჟის დრო, უპირველეს ყოვლისა, განპირობებულია ცელულოზის ნანობოჭკოების მიერ წყლის მაღალი შეკავებით, რაც წარმოადგენს შეფერხებას ცელულოზის ნანობოჭკოვანი პროდუქტების კომერციალიზაციისას.
ქვემოთ წარმოგიდგენთ სეტის და კოლეგების (2018) სამეცნიერო კვლევის შედეგებს, რომლებმაც შეიმუშავეს ცელულოზის ნანობოჭკოების ლაქტური მჟავის მოდიფიკაცია ულტრაბგერითი დახმარებით, რაც იწვევს CNF-ების 75%-ით უფრო სწრაფად გაუწყლოებას და მატერიალური ფუნქციების გაუმჯობესებას.

ცელულოზის ნანობოჭკოების ულტრაბგერითი მოდიფიკაცია ლაქტური მჟავით

ამ პრობლემის გადასაჭრელად, შემუშავდა ეკოლოგიურად სუფთა, წყალზე დაფუძნებული მიდგომა, რომელიც მოიცავს ხმოვან ენერგიას და რძემჟავას (LA) ცელულოზის ნანობოჭკოების ზედაპირის შესაცვლელად. ეს მეთოდი საგრძნობლად აჩქარებს წყალმომარაგების პროცესს, ამცირებს დრენაჟის დროს 75%-მდე.
მოდიფიკაციის პროცესი მოიცავს ცელულოზის ნანობოჭკოვანი სუსპენზიების განზავებას 0,35 წონით კონცენტრაციამდე და რძემჟავას დამატებას სხვადასხვა რაოდენობით ცელულოზის ნანობოჭკოვანი მშრალ შემცველობასთან შედარებით (0,5-ჯერ, 1-ჯერ, 5-ჯერ და 10-ჯერ მეტი ცელულოზის ნანობოჭკოვანი მშრალი შემცველობით შეჩერება). ნანობოჭკოები, წყალი და რძემჟავა ურევენ მაღალსიჩქარიანი ამრევის გამოყენებით 1500 rpm-ზე 5 წუთის განმავლობაში და შემდეგ ამუშავებენ ტიტანის წვერით აღჭურვილი Hielscher UP400S sonicator-ით (დიამეტრის 22 მმ). სონიკა ტარდება სხვადასხვა ენერგეტიკულ დონეზე, მაქსიმალური მიწოდებული ენერგიით 600 ჯ/მლ, რაც შეესაბამება 10 წუთს გაჟღერებას.

ზემოქმედება გადინების დროზე

ულტრაბგერითი-რძის მჟავას მოდიფიკაცია ღრმა გავლენას ახდენს ცელულოზის ნანობოჭკოვანი სუსპენზიების გადინების დროზე. საცნობარო სუსპენზიას სჭირდება დაახლოებით 45 წუთი წყალგაუმტარი. რძის მჟავას მოდიფიკაციის შემდეგ, ეს დრო მცირდება 10 წუთამდე, რაც წარმოადგენს 75% გაუმჯობესებას. ზომიერი სონიკაციითაც კი (5 ჯ/მლ), დრენირების დრო განახევრებულია 23 წუთამდე. დრენაჟის დრო მცირდება ხმოვანი ენერგიის გაზრდით, საბოლოოდ აღწევს პლატოს დაახლოებით 10 წუთში.
ეს გაუმჯობესება მიეკუთვნება ცელულოზის ჰიდროფილური ჰიდროქსილის ჯგუფების ჩანაცვლებას რძემჟავას ჰიდროფობიური ნაწილებით. ჰიდროქსილის ჯგუფები ძირითადად პასუხისმგებელნი არიან წყლის მაღალ შეკავებაზე. რძემჟავას, თავისი კარბოქსილის ჯგუფით, შეუძლია მონაწილეობა მიიღოს ესტერიფიკაციის რეაქციაში ცელულოზის ჰიდროქსილის ჯგუფებთან გახმოვანების ქვეშ. Sonication ქმნის მცირე ვაკუუმურ ღრუებს თხევად გარემოში, რომლებიც იშლება ექსტრემალურ პირობებში (5000 K ტემპერატურა და 1000 ატმ წნევა), რაც საკმარისია ქიმიური რეაქციების, მათ შორის ესტერიფიკაციის გამოწვევისთვის.

ნანოქაღალდის მომზადებისთვის (შეესაბამება CNF(1)LA სინჯს) გაჟღენთვის ენერგია და გადინების დრო (წუთებში)
100 ჯ/მლ გაჟონვის ენერგია შეესაბამება 100 წამის გაჟონვას და ა.შ.
(კვლევა და სურათი: ©Sethi et al., 2018)

ცელულოზის ნანობოჭკოვანი სუსპენზიების სიბლანტის შემცირება

Sonication ენერგია ასევე ხელს უწყობს ცელულოზის ნანობოჭკოვანი სუსპენზიების სიბლანტის შემცირებას. სიბლანტე უკუპროპორციულია ბგერითი ენერგიის მიმართ, ყველაზე დაბალი სიბლანტე აღინიშნება 600 ჯ/მლ, რასაც მოჰყვება 300 ჯ/მლ და 60 ჯ/მლ. სიბლანტის ეს დაქვეითება კიდევ უფრო უწყობს ხელს წყლის გაწმენდის ეფექტურობის გაუმჯობესებას.

ულტრაბგერითი ცელულოზის ნანობოჭკოვანი მოდიფიკაციის ინდუსტრიული შესაბამისობა

ულტრაბგერითი-რძემჟავა მოდიფიკაციის მეთოდი არა მხოლოდ ეფექტურია, არამედ თავსებადია სამრეწველო პროგრამებთან. Hielscher-ის უახლესი სონნიკატორები, რომლებსაც შეუძლიათ დიდი მოცულობის დამუშავება, შეუძლიათ ეფექტურად დაასრულონ დავალება, რაც ამ მეთოდს შესაფერისს გახდის ფართომასშტაბიანი ოპერაციებისთვის.
გარდა ამისა, ეს მიდგომა იძლევა ქაღალდის ფურცლებში 10 wt.% ცელულოზის ნანობოჭკოების ჩართვის საშუალებას, წყალგაუმტარი სრულდება მხოლოდ 2 წუთში, 23 წუთთან შედარებით შეუცვლელი ცელულოზის ნანობოჭკოებისთვის. ამ მნიშვნელოვან გაუმჯობესებას შეუძლია რევოლუცია მოახდინოს ცელულოზის ნანობოჭკოების გამოყენებაში ქაღალდის წარმოებაში, გადალახოს მათი კომერციალიზაციის ერთ-ერთი მთავარი დაბრკოლება.

Sonicators ცელულოზის ნანობოჭკოვანი და ქაღალდის წარმოებისთვის

ქვემოთ მოყვანილი ცხრილი გვიჩვენებს ჩვენი ზონდის ტიპის სონიკატორების სავარაუდო დამუშავების შესაძლებლობებს:

დიზაინი, წარმოება და კონსულტაცია – ხარისხი დამზადებულია გერმანიაში

Hielscher ულტრაბგერითები ცნობილია მათი უმაღლესი ხარისხისა და დიზაინის სტანდარტებით. გამძლეობა და მარტივი მუშაობა საშუალებას იძლევა ჩვენი ულტრაბგერითი აპარატების გლუვი ინტეგრაცია სამრეწველო ობიექტებში. უხეში პირობები და მომთხოვნი გარემო ადვილად უმკლავდება Hielscher ულტრაბგერითებს.

Hielscher Ultrasonics არის ISO სერთიფიცირებული კომპანია და განსაკუთრებული აქცენტი კეთდება მაღალი ხარისხის ულტრაბგერაზე, რომელიც აღჭურვილია უახლესი ტექნოლოგიით და მომხმარებლის კეთილგანწყობით. რა თქმა უნდა, Hielscher ულტრაბგერითები შეესაბამება CE და აკმაყოფილებს UL, CSA და RoHs მოთხოვნებს.