ნანოსტრუქტურული ცელულოზის ულტრაბგერითი წარმოება
ნანოცელულოზა, შესანიშნავი მაღალეფექტური დანამატი, გამოირჩევა მრავალფეროვანი გამოყენებით როგორც რეოლოგიური მოდიფიკატორი, არმირების აგენტი და სხვადასხვა თანამედროვე მასალის ძირითადი კომპონენტი. ეს ნანოსტრუქტურული ფიბრილები, რომლებიც მიღებულია ნებისმიერი ცელულოზაშემცველი წყაროდან, შეიძლება ეფექტურად იქნას გამოყოფილი მაღალი სიმძლავრის ულტრაბგერითი ჰომოგენიზაციისა და დაფქვის გზით. ეს პროცესი, რომელიც ცნობილია როგორც სონიკაცია, მნიშვნელოვნად აძლიერებს ფიბრილაციას, რაც იწვევს ნანოცელულოზის უფრო მაღალ გამოსავლიანობას და წარმოქმნის უფრო წვრილ, თხელ ბოჭკოებს. ულტრაბგერითი ტექნოლოგია სჯობნის ტრადიციულ წარმოების მეთოდებს, რადგან შეუძლია შექმნას ექსტრემალური კავიტაციური მაღალი ძვრის ძალები, რაც მას ნანოცელულოზის წარმოებისთვის შესანიშნავ ინსტრუმენტად აქცევს.
ნანოცელულოზის ულტრაბგერითი წარმოება
მაღალი სიმძლავრის ულტრაბგერა ხელს უწყობს მიკრო- და ნანოცელულოზის ექსტრაქციასა და იზოლაციას ცელულოზური მასალების სხვადასხვა წყაროდან, როგორიცაა ხე, ლიგნოცელულოზური ბოჭკოები (რბილობის ბოჭკოები) და ცელულოზაშემცველი ნარჩენები.
მცენარეული ბოჭკოების წყარო მასალიდან გამოსათავისუფლებლად, ულტრაბგერითი დაფქვა და ჰომოგენიზაცია წარმოადგენს მძლავრ და საიმედო მეთოდს, რომელიც საშუალებას იძლევა დამუშავდეს ძალიან დიდი მოცულობები. რბილობი შედის ინლაინ სონორეაქტორში, სადაც ულტრაბგერითი მაღალი ძვრის ძალები არღვევენ ბიომასის უჯრედულ სტრუქტურას, რის შედეგადაც ფიბრილური მასალა ხელმისაწვდომი ხდება.
ნანოცელულოზის სუსპენზიები საიმედოდ დისპერგირდება ულტრაბგერითი დამუშავების გამოყენებით. სურათზე ნაჩვენებია მაღალეფექტური სონიკატორი UIP2000hdT პარტიული დამუშავების სქემით.
[Bittencourt et al. 2008]
„არასდროს გაშრობილი ბამბის“ (NDC) TEM სურათი, რომელიც დაექვემდებარა ფერმენტულ ჰიდროლიზს და დამუშავდა ულტრაბგერით Hielscher-ის სონიკატორით UP400S 20 წუთის განმავლობაში. [Bittencourt et al. 2008]
ქვემოთ მოცემული მე-2 სურათი აჩვენებს ვისკოზის ფირის SEM სურათს, რომელიც დაექვემდებარა ფერმენტულ ჰიდროლიზს, რასაც მოჰყვა ულტრაბგერითი დამუშავება Hielscher-ის სონიკატორის მოდელით UP400S.
[Bittencourt et al. 2008]
ვისკოზის ფირის SEM სურათი, რომელიც დაექვემდებარა ფერმენტულ ჰიდროლიზს, რასაც მოჰყვა ულტრაბგერითი დამუშავება UP400S-ით [Bittencourt et al. 2008]
ნანოცელულოზის ულტრაბგერითი დამუშავება ასევე შეიძლება წარმატებით გაერთიანდეს TEMPO-ით დაჟანგული ბოჭკოების დამუშავებასთან. TEMPO-პროცესში ცელულოზის ნანობოჭკოები წარმოიქმნება ჟანგვის სისტემის გამოყენებით, რომელიც იყენებს 2,2,6,6-ტეტრამეთილპიპერიდინილ-1-ოქსილს (TEMPO) კატალიზატორად, ნატრიუმის ბრომიდს (NaBr) და ნატრიუმის ჰიპოქლორიტს (NaOCl). კვლევამ დაადასტურა, რომ ჟანგვის ეფექტურობა მნიშვნელოვნად იზრდება, როდესაც ჟანგვა მიმდინარეობს ულტრაბგერითი დასხივების პირობებში.
ნანოცელულოზის ულტრაბგერითი დისპერგირება
ნანოცელულოზის დისპერსიები ავლენენ შესანიშნავ რეოლოგიურ ქცევას ნანოცელულოზის დაბალ კონცენტრაციებზე მისი მაღალი სიბლანტის გამო. ეს ნანოცელულოზას ძალიან საინტერესო დანამატად აქცევს რეოლოგიური მოდიფიკატორის, სტაბილიზატორისა და გელწარმოქმნელის სახით სხვადასხვა გამოყენებისთვის, მაგალითად, ლაქ-საღებავების, ქაღალდის ან კვების მრეწველობაში. თავისი უნიკალური თვისებების გამოსავლენად, ნანოცელულოზა უნდა იყოს
ულტრაბგერითი დისპერგირება არის იდეალური მეთოდი წვრილი ზომის, ინდივიდუალურად დისპერგირებული ნანოცელულოზის მისაღებად. რადგან ნანოცელულოზა ძლიერ ავლენს ძვრით გათხევადებას, მაღალი სიმძლავრის ულტრაბგერა სასურველი ტექნოლოგიაა ნანოცელულოზური სუსპენზიების ფორმულირებისთვის, რადგან მაღალი სიმძლავრის ულტრაბგერის სითხეებში შეყვანა ქმნის ექსტრემალურ ძვრის ძალებს.
დააწკაპუნეთ აქ, რათა მეტი გაიგოთ სითხეებში ულტრაბგერითი კავიტაციის შესახებ!
ნანოკრისტალური ცელულოზის სინთეზის შემდეგ, ნანოცელულოზა ხშირად ულტრაბგერითად დისპერგირდება თხევად გარემოში, მაგალითად, არაპოლარულ ან პოლარულ გამხსნელში, როგორიცაა დიმეთილფორმამიდი (DMF), საბოლოო პროდუქტის ფორმულირებისთვის (მაგ. ნანოკომპოზიტები, რეოლოგიური მოდიფიკატორი და ა.შ.) რადგან CNF-ები გამოიყენება როგორც დამატებები მრავალფეროვან ფორმულირებში, საიმედო დისპერგირება კრიტიკულია. ულტრაბგერითი დამუშავება ქმნის სტაბილურ და თანაბრად დისპერგირებულ ფიბრილებს.
ცელულოზის ნანოკრისტალების ულტრაბგერითი თვითშეკრება
ულტრაბგერითი დამუშავება მნიშვნელოვან შემქმნელ როლს თამაშობს ცელულოზის ნანოკრისტალების (CNCs) სინთეზსა და დამუშავებაში ჰიდროლიზით მიღებული აგრეგატების დაშლით, კონგლომერატების დისპერგირებით და უფრო ერთგვაროვანი სუსპენზიების მიღებით, რომლებსაც აქვთ გამეორებადი ნაწილაკთა ურთიერთქმედება. მიუხედავად იმისა, რომ CNCs ჩვეულებრივ მჟავე ჰიდროლიზით მიიღება, მიღებული მასალა ხშირად შეიცავს კლასტერიზებულ დომენებს, რომლებსაც შეუძლიათ ხელი შეუშალონ საიმედო თვითორგანიზაციას და გამოიწვიონ რეოლოგიური და ოპტიკური თვისებების ცვალებადობა პარტიებს შორის. კონტროლირებადი ულტრაბგერითი ენერგიის გამოყენება სინთეზის შემდეგ აუმჯობესებს დისპერგიის ხარისხს და ხელს უწყობს CNC მორფოლოგიის სტანდარტიზაციას, რაც გადამწყვეტია თანმიმდევრული ქოლესტერული მოწესრიგებისთვის, პროგნოზირებადი გელწარმოქმნის ქცევისა და CNC-ზე დაფუძნებული ფუნქციური მასალების მასშტაბური წარმოებისთვის. გაიგეთ მეტი CNC-ების ულტრაბგერითი ხელშეწყობილი თვითორგანიზაციის შესახებ!
ცელულოზის ნანობოჭკოების ულტრაბგერითად გაუმჯობესებული დეჰიდრატაცია
ცელულოზის ნანობოჭკოების ულტრაბგერითად გაძლიერებული დეჰიდრატაცია არის თანამედროვე ტექნიკა, რომელიც მნიშვნელოვნად ზრდის წყლის ამოღების ეფექტურობას – რაც ცელულოზის ნანობოჭკოებს ნანოქაღალდის წარმოებისთვის უაღრესად მიმზიდველ დანამატად აქცევს. ნანოცელულოზის ბოჭკოებს, როგორც წესი, სჭირდებათ დროში გაწელილი დეჰიდრატაცია მათი მაღალი წყლის შეკავების უნარის გამო. ულტრაბგერითი ტალღების გამოყენებით ეს პროცესი აჩქარდება ინტენსიური კავიტაციური ძალების გენერირების გზით, რომლებიც არღვევენ წყლის მატრიცას და ხელს უწყობენ უფრო სწრაფ, უფრო ერთგვაროვან წყლის ამოღებას. ეს არა მხოლოდ ამცირებს გაშრობის დროს, არამედ აუმჯობესებს მიღებული ცელულოზის ნანობოჭკოების სტრუქტურულ მთლიანობასა და მექანიკურ თვისებებს, რაც მას უაღრესად ეფექტურ მეთოდად აქცევს მაღალი ხარისხის ნანოქაღალდებისა და სხვა ნანომასალების წარმოებაში.
გაიგეთ მეტი ნანოქაღალდის ულტრაბგერითი დეჰიდრატაციის შესახებ!
ინდუსტრიული ნანოცელულოზის წარმოება მძლავრი ულტრაბგერის გამოყენებით
Hielscher Ultrasonics სთავაზობს მძლავრი და სანდო ულტრაბგერითი გადაწყვეტილებების სრულ სპექტრს, პატარა ლაბორატორიული მასშტაბის ულტრაბგერითი მოწყობილობებიდან დიდი მასშტაბის ინდუსტრიულ სისტემებამდე, რომლებიც იდეალურია ნანოცელულოზის კომერციული დამუშავებისთვის. Hielscher-ის ინდუსტრიული პრობის ტიპის სონიკატორების მთავარი უპირატესობა მდგომარეობს მათ შესაძლებლობაში, უზრუნველყონ ოპტიმალური ულტრაბგერითი პირობები თავიანთი ნაკადური სონორეაქტორების მეშვეობით, რომლებიც სხვადასხვა ზომისა და გეომეტრიისაა. ეს რეაქტორები უზრუნველყოფენ, რომ ულტრაბგერითი ენერგია თანაბრად და ერთგვაროვნად იქნას მიწოდებული ცელულოზის მასალაზე, რაც იწვევს უმაღლესი ხარისხის დამუშავების შედეგებს.
Hielscher-ის მაგიდის ზომის სონიკატორებს, როგორიცაა UIP1000hdT, UIP2000hdT და UIP4000hdT, შეუძლიათ დღეში რამდენიმე კილოგრამი ნანოცელულოზის წარმოება, რაც მათ საშუალო მასშტაბის წარმოების საჭიროებებისთვის შესაფერისს ხდის. დიდი მასშტაბის კომერციული წარმოებისთვის სრული ინდუსტრიული აგრეგატები, როგორიცაა UIP10000 და UIP16000hdT, შეუძლიათ დიდი მასური ნაკადების დამუშავება, რაც უზრუნველყოფს ნანოცელულოზის დიდი მოცულობების ეფექტურ წარმოებას.
Hielscher-ის ულტრაბგერითი სისტემების ერთ-ერთი ყველაზე მნიშვნელოვანი უპირატესობა მათი ლინეარული მასშტაბირებადობაა. როგორც მაგიდის ზომის, ისე ინდუსტრიული ულტრაბგერითი ჰომოგენიზატორები შეიძლება დაინსტალირდეს კლასტერებად, რაც უზრუნველყოფს პრაქტიკულად შეუზღუდავ დამუშავების სიმძლავრეს, რაც მათ იდეალურ არჩევანად აქცევს ოპერაციებისთვის, რომლებსაც სჭირდებათ მაღალი გამტარუნარიანობა და სანდო წარმადობა ნანოცელულოზის წარმოებაში.
ულტრაბგერითი დამუშავება: Hielscher გიხელმძღვანელებთ შესაძლებლობისა და ოპტიმიზაციიდან კომერციულ წარმოებამდე!
- ფიბრილაციის მაღალი ხარისხი
- ნანოცელულოზის მაღალი გამოსავლიანობა
- თხელი ბოჭკოები
- გაშლილი ბოჭკოები
ულტრაბგერითი დამუშავება
Hielscher-ის ლაბორატორიული ულტრაბგერითი ჰომოგენიზატორი UP400S (400W, 24kHz)
ქვემოთ მოცემული ცხრილი გაწვდით ინფორმაციას ჩვენი ულტრაბგერითი ჰომოგენიზატორების დაახლოებითი დამუშავების სიმძლავრის შესახებ:
| პარტიის მოცულობა | მოცულობითი ხარჯი | რეკომენდებული მოწყობილობები |
|---|---|---|
| 0,5 to 1,5mL | n.a. | VialTweeter |
| 1 to 500mL | 10 to 200mL/min | UP100H |
| 10 to 2000mL | 20 to 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 to 20L | 0,2 to 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 to 100L | 2 to 10L/min | UIP4000hdT |
| 15 to 150L | 3 to 15L/min | UIP6000hdT |
| n.a. | 10 to 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | უფრო დიდი | კლასტერი UIP16000 |
რა არის ნანოცელულოზა?
ნანოცელულოზა მოიცავს ცელულოზის ნანობოჭკოების (CNF) სხვადასხვა ტიპს, რომლებიც იყოფა მიკროფიბრილირებულ ცელულოზად (MFC), ნანოკრისტალურ ცელულოზად (NCC) და ბაქტერიულ ნანოცელულოზად. უკანასკნელი გულისხმობს ბაქტერიების მიერ წარმოქმნილ ნანოსტრუქტურულ ცელულოზას.
ნანოცელულოზა ავლენს გამორჩეულ თვისებებს, როგორიცაა განსაკუთრებული სიმტკიცე და სიხისტე, მაღალი კრისტალურობა, თიქსოტროპია, ასევე ჰიდროქსილის ჯგუფების მაღალი კონცენტრაცია მის ზედაპირზე. ნანოცელულოზის მრავალი მაღალეფექტური მახასიათებელი განპირობებულია მისი მაღალი ზედაპირი/მასის შეფარდებით.
ნანოცელულოზა ფართოდ გამოიყენება მედიცინასა და ფარმაცევტიკაში, ელექტრონიკაში, მემბრანებში, ფოროვან მასალებში, ქაღალდსა და საკვებში, მისი ხელმისაწვდომობის, ბიოთავსებადობის, ბიოდეგრადირებადობისა და მდგრადობის გამო. მისი მაღალი ეფექტურობის მახასიათებლების გამო, ნანოცელულოზა საინტერესო მასალაა პლასტმასების გასაძლიერებლად, მაგალითად, თერმოსაბმული ფისების, სახამებელზე დაფუძნებული მატრიცების, სოიოს ცილის, რეზინის ლატექსის ან პოლი(ლაქტიდის) მექანიკური თვისებების გასაუმჯობესებლად. კომპოზიტური გამოყენებისთვის, ნანოცელულოზა გამოიყენება საფარებისა და ფირების, საღებავების, ქაფებისა და შეფუთვისთვის. გარდა ამისა, ნანოცელულოზა პერსპექტიული კომპონენტია აეროგელებისა და ქაფების წარმოებისთვის, როგორც ერთგვაროვან ფორმულაციებში, ისე კომპოზიტებში.
აბრევიატურები:
ნანოკრისტალური ცელულოზა (NCC)
ცელულოზის ნანობოჭკოები (CNF)
მიკროფიბრილირებული ცელულოზა (MFC)
ნანოცელულოზის ვისკერები (NCW)
ცელულოზის ნანოკრისტალები (CNC)
ლიტერატურა / ლიტერატურული წყაროები
- E. Abraham, B. Deep, L.A. Pothan, M. Jacob, S. Thomas, U. Cvelbar, R. Anandjiwala (2011): Extraction of nanocellulose fibrils from lignocellulosic fibres: A novel approach. Carbohydrate Polymers 86, 2011. 1468–1475.
- E. Bittencourt, M. de Camargo (2011): Preliminary Studies on the Production of Nanofibrils of Cellulose from Never Dried Cotton, using Eco-friendly Enzymatic Hydrolysis and High-energy Sonication. 3rd Int’l. Workshop: Advances in Cleaner Production. Sao Paulo, Brazil, May 18th – 20th 2011.
- L. S. Blachechen, J. P. de Mesquita, E. L. de Paula, F. V. Pereira, D. F. S. Petri (2013): Interplay of colloidal stability of cellulose nanocrystals and their dispersibility in cellulose acetate butyrate matrix. Cellulose 2013.
- A. Dufresne (2012): Nanocellulose: From Nature to High Performance Tailored Materials. Walter de Gruyter, 2012.
- M. A. Hubbe; O. J. Rojas; L. A. Lucia, M. Sain (2008): Cellulosic Nanocomposites: A Review. BioResources 3/3, 2008. 929-980.
- S. P. Mishra, A.-S. Manent, B. Chabot, C. Daneault (2012): Production of Nanocellulose from Native Cellulose – Various Options using Ultrasound. BioResources 7/1, 2012. 422-436.
- Matjaž Kunaver, Alojz Anžlovar, Ema Žagar (2016): The fast and effective isolation of nanocellulose from selected cellulosic feedstocks. Carbohydrate Polymers, Volume 148, 2016. 251-258.
- http://en.wikipedia.org/wiki/Nanocellulose