종이 생산을 위한 셀룰로오스 나노섬유의 탈수 가속화

젖산(LA) 변형과 결합된 초음파 처리는 종이 생산을 위한 셀룰로오스 나노섬유(CNF)의 탈수 과정을 가속화하는 친환경 접근 방식입니다. 셀룰로오스 나노섬유는 높은 수분 보유력으로 알려져 있으며, 이는 나노페이퍼 제조 및 기타 나노셀룰로오스 응용 분야에서 중요한 단계인 배수 과정에서 상당한 지연을 일으킵니다. 이 방법은 초음파 처리 하에서 젖산에 의한 셀룰로오스 수산기의 에스테르 화를 통해 배수 시간을 45 분에서 10 분으로 75 % 단축합니다. 이 수정은 또한 현탁액 점도를 낮추고 산업적으로 확장 가능한 것으로 입증되어 셀룰로오스 나노섬유 기반 제품의 효율성과 생산 속도를 향상시키는 실용적인 솔루션을 제공합니다.

초음파 처리 하에 젖산 변성 셀룰로오스 나노섬유의 신속한 탈수
(연구 및 이미지: ©Sethi et al., 2018)

Ultrasonic Lactic Acid Modification을 통한 셀룰로오스 나노섬유의 탈수 효율 향상

셀룰로오스 나노섬유(CNF)는 강도 향상 및 유변학 수정과 같은 종이 생산에서 수많은 이점으로 유명합니다. 그러나 한 가지 중요한 단점은 나노페이퍼 준비의 중요한 단계인 셀룰로오스 나노섬유 현탁액에서 물을 배출하는 데 필요한 과도한 시간입니다. 이러한 문제는 나노페이퍼 생산에 영향을 미칠 뿐만 아니라 나노셀룰로오스를 다른 완제품으로 가공하는 산업적 공정에도 영향을 미칩니다. 배수 시간이 길어지는 것은 주로 셀룰로오스 나노섬유에 의한 높은 수분 보유력 때문이며, 이는 셀룰로오스 나노섬유 유래 제품의 상용화에서 병목 현상입니다.
아래에서는 셀룰로오스 나노섬유의 초음파 보조 젖산 변형을 개발한 Sethi와 동료들(2018)의 과학적 연구 결과를 제시하며, 이를 통해 CNF의 탈수 속도가 75% 빨라지고 재료 기능이 향상됩니다.

젖산을 이용한 셀룰로오스 나노섬유의 초음파 변형

이 문제를 해결하기 위해 셀룰로오스 나노 섬유의 표면을 수정하기 위해 초음파 처리 에너지와 젖산 (LA)을 포함하는 환경 친화적 인 수성 접근 방식이 개발되었습니다. 이 방법은 탈수 과정을 크게 가속화하여 배수 시간을 최대 75%까지 단축합니다.
상기 개질 공정은 셀룰로오스 나노섬유 현탁액을 0.35 wt.%의 농도로 희석하고, 셀룰로오스 나노섬유 건조 함량(현탁액 내 셀룰로오스 나노섬유 건조 함량의 0.5배, 1배, 5배, 및 10배)에 대해 다양한 양으로 젖산을 첨가하는 단계를 포함한다. 나노 섬유, 물 및 젖산을 1500 rpm의 고속 교반기를 사용하여 5 분 동안 혼합 한 다음 티타늄 팁 (직경 400mm)이 장착 된 Hielscher UP22S 초음파 발생기로 초음파 처리합니다. 초음파 처리는 다양한 에너지 수준에서 수행되며, 최대 전달 에너지는 600 J / ml이며, 이는 10 분의 초음파 처리에 해당합니다.

배수 시간에 미치는 영향

초음파-젖산 변형은 셀룰로오스 나노섬유 현탁액의 배수 시간에 지대한 영향을 미칩니다. 기준 현탁액은 탈수에 약 45분이 걸립니다. 초음파 처리 보조 젖산 수정 후,이 시간은 10 분으로 줄어들어 75 % 개선을 나타냅니다. 가벼운 초음파 처리 (5J / ml)에서도 배수 시간이 23 분으로 절반으로 줄어 듭니다. 배수 시간은 초음파 처리 에너지가 증가함에 따라 감소하여 결국 약 10 분에 정체기에 도달합니다.
이러한 개선은 셀룰로오스의 친수성 수산기를 젖산의 소수성 부분으로 대체한 것에 기인합니다. 수산기는 주로 높은 수분 보유력을 담당합니다. 카르복실기를 가진 젖산은 초음파 처리 하에서 셀룰로오스의 수산기와 에스테르 화 반응에 참여할 수 있습니다. 초음파 처리는 액체 매체에 미세한 진공 구멍을 생성하여 에스테르 화를 포함한 화학 반응을 유도하기에 충분한 극한 조건 (5000K 온도 및 1000 atm 압력)을 생성하기 위해 붕괴됩니다.

나노 페이퍼 준비를위한 초음파 처리 에너지 대 배수 시간 (분) (CNF (1) LA 샘플에 해당).
100 J / ml의 초음파 처리 에너지는 100 초의 초음파 처리 등에 해당합니다.
(연구 및 이미지: ©Sethi et al., 2018)

셀룰로오스 나노섬유 현탁액의 점도 감소

초음파 처리 에너지는 또한 셀룰로오스 나노 섬유 현탁액의 점도 감소에 기여합니다. 점도는 초음파 처리 에너지에 반비례하며, 가장 낮은 점도는 600 J / ml에서 관찰되고 그 다음에는 300 J / ml 및 60 J / ml이 있습니다. 이러한 점도 감소는 탈수 효율을 향상시키는 데 더욱 도움이 됩니다.

초음파 셀룰로오스 나노 섬유 변형의 산업적 관련성

초음파-젖산 개질 방법은 효과적일 뿐만 아니라 산업 응용 분야와도 호환됩니다. 대용량 처리를 처리 할 수있는 Hielscher의 최첨단 초음파 발생기는 작업을 효율적으로 완료 할 수 있으므로이 방법은 대규모 작업에 적합합니다.
또한 이 접근 방식을 사용하면 종이 시트에 최대 10wt.%의 셀룰로오스 나노섬유를 혼입할 수 있으며, 변형되지 않은 셀룰로오스 나노섬유의 경우 23분이 소요되는 데 비해 단 2분 만에 탈수를 완료할 수 있습니다. 이 중요한 개선은 제지에서 셀룰로오스 나노 섬유의 사용에 혁명을 일으켜 상용화의 주요 장애물 중 하나를 극복 할 수 있습니다.

셀룰로오스 나노섬유 및 종이 생산을 위한 초음파 발생기

아래 표는 프로브 형 초음파 발생기의 대략적인 처리 용량을 나타냅니다.

설계, 제조 및 컨설팅 – 독일에서 만든 품질

Hielscher 초음파는 최고의 품질과 디자인 표준으로 잘 알려져 있습니다. 견고 함과 쉬운 작동으로 초음파를 산업 시설에 원활하게 통합 할 수 있습니다. 거친 조건과 까다로운 환경은 Hielscher 초음파기로 쉽게 처리 할 수 있습니다.

Hielscher 초음파는 ISO 인증 회사이며 최첨단 기술과 사용자 친화성을 갖춘 고성능 초음파에 특히 중점을 둡니다. 물론, Hielscher 초음파는 CE를 준수하며 UL, CSA 및 RoHs의 요구 사항을 충족합니다.