ცელულოზის ნანობოჭკოებიდან წყლის დაჩქარებული მოცილება ქაღალდის წარმოებისთვის
ულტრაბგერითი დამუშავება რძემჟავით (LA) მოდიფიკაციასთან ერთად არის ეკოლოგიურად სუფთა მიდგომა ქაღალდის წარმოებისთვის ცელულოზის ნანობოჭკოებიდან (CNFs) წყლის მოცილების პროცესის დასაჩქარებლად. ცელულოზის ნანობოჭკოები ცნობილია წყლის შეკავების მაღალი უნარით, რაც მნიშვნელოვნად ახანგრძლივებს დრენაჟის პროცესს – ნანოქაღალდის მომზადებისა და ნანოცელულოზის სხვა გამოყენებების კრიტიკულ ეტაპს. მეთოდი ამცირებს დრენაჟის დროს 75%-ით, 45 წუთიდან 10 წუთამდე, ულტრაბგერითი დამუშავების პირობებში ცელულოზის ჰიდროქსილის ჯგუფების რძემჟავით ესტერიფიკაციის გზით. ეს მოდიფიკაცია ასევე ამცირებს სუსპენზიის სიბლანტეს და შესაძლებელია მისი სამრეწველო მასშტაბზე გადატანა, რაც პრაქტიკულ გადაწყვეტას იძლევა ცელულოზის ნანობოჭკოებზე დაფუძნებული პროდუქტების წარმოების ეფექტურობისა და სიჩქარის გასაზრდელად.
ულტრაბგერითი დამამუშავებელი UIP16000 ცელულოზის ნანობოჭკოებისა და ქაღალდის მასის ინდუსტრიული დამუშავებისთვის.
რძემჟავით მოდიფიცირებული ცელულოზის ნანობოჭკოებიდან წყლის სწრაფი მოცილება ულტრაბგერითი დამუშავების პირობებში
(კვლევა და სურათი: ©Sethi et al., 2018)
ცელულოზის ნანობოჭკოებიდან წყლის მოცილების ეფექტურობის გაზრდა ულტრაბგერითი დამუშავების დახმარებით რძემჟავით მოდიფიკაციის გზით
ცელულოზის ნანობოჭკოები (CNFs) ცნობილია ქაღალდის წარმოებაში მრავალი უპირატესობით, როგორიცაა სიმტკიცის გაზრდა და რეოლოგიის მოდიფიკაცია. თუმცა, ერთ-ერთი მნიშვნელოვანი ნაკლია ცელულოზის ნანობოჭკოების სუსპენზიებიდან წყლის მოსაცილებლად საჭირო მეტისმეტად დიდი დრო, მაშინ როდესაც ეს ნანოქაღალდების მომზადების კრიტიკული ეტაპია. ეს პრობლემა არა მხოლოდ ნანოქაღალდის წარმოებაზე მოქმედებს, არამედ ხელს უშლის ნანოცელულოზის სამრეწველო დამუშავებას სხვა მზა პროდუქტებად. დრენაჟის გახანგრძლივებული დრო ძირითადად განპირობებულია ცელულოზის ნანობოჭკოების მიერ წყლის შეკავების მაღალი უნარით, რაც ცელულოზის ნანობოჭკოებისგან მიღებული პროდუქტების კომერციალიზაციის შემაფერხებელი ფაქტორია.
ქვემოთ წარმოგიდგენთ სეთისა და მისი კოლეგების (2018) სამეცნიერო კვლევის შედეგებს. მათ შეიმუშავეს ცელულოზის ნანობოჭკოების რძემჟავით მოდიფიკაციის მეთოდი ულტრაბგერითი დამუშავების დახმარებით, რაც იწვევს CNFs-იდან წყლის მოცილების 75%-ით დაჩქარებას და მასალის ფუნქციური თვისებების გაუმჯობესებას.
ცელულოზის ნანობოჭკოების ულტრაბგერითი მოდიფიკაცია რძემჟავით
ამ პრობლემის გადასაჭრელად შემუშავდა ეკოლოგიურად სუფთა, წყალზე დაფუძნებული მიდგომა, რომელიც იყენებს ულტრაბგერით ენერგიასა და რძემჟავას (LA) ცელულოზის ნანობოჭკოების ზედაპირის მოდიფიკაციისთვის. ეს მეთოდი მნიშვნელოვნად აჩქარებს წყლის მოცილების პროცესს და დრენაჟის დროს 75%-მდე ამცირებს.
მოდიფიკაციის პროცესი გულისხმობს ცელულოზის ნანობოჭკოების სუსპენზიების განზავებას 0,35 wt.% კონცენტრაციამდე და რძემჟავას დამატებას სხვადასხვა რაოდენობით ცელულოზის ნანობოჭკოების მშრალ მასასთან მიმართებით (სუსპენზიაში ცელულოზის ნანობოჭკოების მშრალი მასის 0,5, 1, 5 და 10-გზის ოდენობით). ნანობოჭკოებს, წყალსა და რძემჟავას ურევენ მაღალსიჩქარიანი შემრევით 1500 rpm სიჩქარით 5 წუთის განმავლობაში, შემდეგ კი ამუშავებენ Hielscher UP400S ულტრაბგერითი აპარატით, რომელიც აღჭურვილია ტიტანის წვერით (დიამეტრი 22 mm). ულტრაბგერითი დამუშავება ხორციელდება ენერგიის სხვადასხვა დონეზე, მაქსიმალური გადაცემული ენერგიით 600 J/ml, რაც შეესაბამება ულტრაბგერითი დამუშავების 10 წუთს.
გავლენა დრენაჟის დროზე
ულტრაბგერითი დამუშავების დახმარებით რძემჟავით მოდიფიკაცია ძლიერ გავლენას ახდენს ცელულოზის ნანობოჭკოების სუსპენზიების დრენაჟის დროზე. საკონტროლო სუსპენზიას წყლის მოსაცილებლად დაახლოებით 45 წუთი სჭირდება. ულტრაბგერითი დამუშავების დახმარებით რძემჟავით მოდიფიკაციის შემდეგ ეს დრო 10 წუთამდე მცირდება, რაც 75%-იან გაუმჯობესებას წარმოადგენს. სუსტი ულტრაბგერითი დამუშავების შემთხვევაშიც კი (5 J/ml) დრენაჟის დრო ნახევრდება – 23 წუთამდე. დრენაჟის დრო მცირდება ულტრაბგერითი ენერგიის მატებასთან ერთად და საბოლოოდ დაახლოებით 10 წუთზე სტაბილურდება.
ეს გაუმჯობესება განპირობებულია ცელულოზის ჰიდროფილური ჰიდროქსილის ჯგუფების რძემჟავას ჰიდროფობური ფრაგმენტებით ჩანაცვლებით. ჰიდროქსილის ჯგუფები ძირითადად განაპირობებს წყლის შეკავების მაღალ უნარს. რძემჟავას თავისი კარბოქსილის ჯგუფის მეშვეობით შეუძლია მონაწილეობა მიიღოს ცელულოზის ჰიდროქსილის ჯგუფებთან ესტერიფიკაციის რეაქციაში ულტრაბგერითი დამუშავების პირობებში. ულტრაბგერითი დამუშავება თხევად გარემოში ქმნის უმცირეს ვაკუუმურ ღრუებს, რომელთა კოლაფსი წარმოქმნის ექსტრემალურ პირობებს (5000 K ტემპერატურა და 1000 atm წნევა), რაც საკმარისია ქიმიური რეაქციების, მათ შორის ესტერიფიკაციის, გამოსაწვევად.
ნანოქაღალდის მომზადებისას დრენაჟის დროის (წუთებში) დამოკიდებულება ულტრაბგერითი დამუშავების ენერგიაზე (შეესაბამება CNF(1)LA ნიმუშს).
ულტრაბგერითი ენერგიის 100 J/ml შეესაბამება 100 წამიან ულტრაბგერით დამუშავებას და ა.შ.
(კვლევა და სურათი: ©Sethi et al., 2018)
ცელულოზის ნანობოჭკოების სუსპენზიების სიბლანტის შემცირება
ულტრაბგერითი ენერგია ასევე ხელს უწყობს ცელულოზის ნანობოჭკოების სუსპენზიების სიბლანტის შემცირებას. სიბლანტე ულტრაბგერითი ენერგიის უკუპროპორციულია; ყველაზე დაბალი სიბლანტე აღინიშნება 600 J/ml-ზე, შემდეგ კი 300 J/ml-სა და 60 J/ml-ზე. სიბლანტის ეს შემცირება კიდევ უფრო უწყობს ხელს წყლის მოცილების ეფექტურობის გაუმჯობესებას.
ზონდური ტიპის ულტრაბგერითი დამუშავების აპარატი UIP2000hdT CNF-ის სამრეწველო მოდიფიკაციისთვის
ცელულოზის ნანობოჭკოების ულტრაბგერითი მოდიფიკაციის სამრეწველო მნიშვნელობა
ულტრაბგერითი დამუშავების დახმარებით რძემჟავით მოდიფიკაციის მეთოდი არა მხოლოდ ეფექტურია, არამედ სამრეწველო გამოყენებისთვისაც შესაფერისია. Hielscher-ის თანამედროვე ულტრაბგერით აპარატებს, რომლებიც დიდი მოცულობების დამუშავებისთვისაა განკუთვნილი, შეუძლიათ ამ ამოცანის ეფექტურად შესრულება, რაც მეთოდს ფართომასშტაბიანი წარმოებისთვის გამოსადეგს ხდის.
გარდა ამისა, ეს მიდგომა ქაღალდის ფურცლებში 10 wt.%-მდე ცელულოზის ნანობოჭკოების შეტანის საშუალებას იძლევა, ხოლო წყლის მოცილება სულ რაღაც 2 წუთში სრულდება, ნაცვლად 23 წუთისა, რაც არამოდიფიცირებულ ცელულოზის ნანობოჭკოებს სჭირდება. ამ მნიშვნელოვან გაუმჯობესებას შეუძლია რადიკალურად შეცვალოს ცელულოზის ნანობოჭკოების გამოყენება ქაღალდის წარმოებაში და გადალახოს მათი კომერციალიზაციის ერთ-ერთი მთავარი ბარიერი.
ულტრაბგერითი დამუშავების აპარატები ცელულოზის ნანობოჭკოებისა და ქაღალდის წარმოებისთვის
ქვემოთ მოცემული ცხრილი წარმოდგენას გაძლევთ ჩვენი ზონდური ტიპის ულტრაბგერითი აპარატების სავარაუდო წარმადობაზე:
| პარტიის მოცულობა | მოცულობითი ხარჯი | რეკომენდებული მოწყობილობები |
|---|---|---|
| 10–2000mL | 20 to 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1–20L | 0,2 to 4L/min | UIP2000hdT |
| 10–100L | 2 to 10L/min | UIP4000hdT |
| 15–150L | 3 to 15L/min | UIP6000hdT |
| n.a. | 10 to 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | უფრო დიდი | კლასტერი UIP16000 |
- მაღალი ეფექტურობა
- თანამედროვე ტექნოლოგია
- საიმედოობა & სიმტკიცე
- რეგულირებადი, ზუსტი პროცესის კონტროლი
- პარტიული & ინლაინ
- ნებისმიერი მოცულობისთვის
- ინტელექტუალური პროგრამული უზრუნველყოფა
- სმარტ ფუნქციები (მაგ., პროგრამირებადი, მონაცემთა პროტოკოლირება, დისტანციური მართვა)
- მარტივი და უსაფრთხო ექსპლუატაცია
- ტექნიკური მომსახურების მცირე საჭიროება
- CIP (გასუფთავება ადგილზე)
დიზაინი, წარმოება და კონსალტინგი – გერმანიაში შექმნილი ხარისხი
Hielscher-ის ულტრაბგერითი ჰომოგენიზატორები ცნობილია უმაღლესი ხარისხითა და დიზაინის სტანდარტებით. გამძლეობა და მარტივი ექსპლუატაცია უზრუნველყოფს ჩვენი ულტრაბგერითი ჰომოგენიზატორების შეუფერხებელ ინტეგრაციას სამრეწველო ობიექტებში. Hielscher-ის ულტრაბგერითი ჰომოგენიზატორები ადვილად უმკლავდება მკაცრ პირობებსა და რთულ სამუშაო გარემოს.
Hielscher Ultrasonics არის ISO სერტიფიცირებული კომპანია და განსაკუთრებულ ყურადღებას უთმობს მაღალი წარმადობის ულტრაბგერით ჰომოგენიზატორებს, რომლებიც მუშაობენ თანამედროვე ტექნოლოგიით და მომხმარებლისთვის მოსახერხებელია. რა თქმა უნდა, Hielscher ულტრაბგერითი ჰომოგენიზატორები შეესაბამება CE სტანდარტს და აკმაყოფილებენ UL, CSA და RoHs მოთხოვნებს.
სამრეწველო ულტრაბგერითი რეაქტორი მაღალი სიმძლავრის ულტრაბგერის გამოყენებით მოდიფიცირებული ცელულოზის ნანობოჭკოების სამრეწველო წარმოებისთვის.
ლიტერატურა / რეფერენსები
- Jatin Sethi, Kristiina Oksman, Mirja Illikainen, Juho Antti Sirviö (2018): Sonication-assisted surface modification method to expedite the water removal from cellulose nanofibers for use in nanopapers and paper making. Carbohydrate Polymers, Volume 197, 2018. 92-99.
- Jatin Sethi; Henrikki Liimatainen; Juho Antti Sirviö (2021): Fast and Filtration-Free Method to Prepare Lactic Acid-Modified Cellulose Nanopaper. ACS Omega, 6, 29; 2021. 19038–19044.
- Zanghellini, Benjamin; Knaack, Patrick; Schörpf, Sebastian; Semlitsch, Karl-Heinz; Lichtenegger, Helga; Praher, B.; Omastová, Mária; Rennhofer, Harald (2021): Solvent-Free Ultrasonic Dispersion of Nanofillers in Epoxy Matrix. Polymers 13, 2021.
- Shojaeiarani, J., Bajwa, D., Holt, G. (2020): Sonication amplitude and processing time influence the cellulose nanocrystals morphology and dispersion. Nanocomposites, 6(1), 2020. 41–46.
ხშირად დასმული კითხვები
რისთვის გამოიყენება ცელულოზის ნანოფიბრილები?
ცელულოზის ნანოფიბრილები გამოიყენება ქაღალდის პროდუქტების სიმტკიცისა და რეოლოგიური თვისებების გასაუმჯობესებლად, ნანოქაღალდების შესაქმნელად და სხვადასხვა მასალის გასამტკიცებლად კომპოზიტებში, შეფუთვასა და ბიოსამედიცინო გამოყენებებში.
რა არის ნანოქაღალდები?
ნანოქაღალდები არის ცელულოზის ნანოფიბრილებისგან დამზადებული ქაღალდის მსგავსი მასალები, რომლებიც ხასიათდება მაღალი სიმტკიცით, გამჭვირვალობითა და შესანიშნავი ბარიერული თვისებებით. ისინი გამოიყენება მაღალტექნოლოგიურ დარგებში, როგორიცაა მოქნილი ელექტრონიკა, შეფუთვა და ფილტრაცია.
რა განსხვავებაა CNC-სა და CNF-ს შორის?
მთავარი განსხვავება CNC-ს (ცელულოზის ნანოკრისტალებს) და CNF-ს (ცელულოზის ნანოფიბრილებს) შორის მათ სტრუქტურასა და თვისებებშია. CNC-ები არის მაღალკრისტალური, ღეროსებრი ნაწილაკები, რომლებიც მიღებულია ცელულოზის კრისტალური უბნებიდან და უზრუნველყოფენ სიხისტესა და მაღალ მექანიკურ სიმტკიცეს. ამის საპირისპიროდ, CNF-ები არის გრძელი, მოქნილი და ერთმანეთში გადახლართული ბოჭკოები, რომლებიც შეიცავს როგორც კრისტალურ, ისე ამორფულ უბნებს და უზრუნველყოფენ სიმტკიცისა და მოქნილობის კომბინაციას.
Hielscher Ultrasonics აწარმოებს მაღალი წარმადობის ულტრაბგერით ჰომოგენიზატორებს ლაბორატორიული დან სამრეწველო ზომამდე.