Paātrināta celulozes nanošķiedru atūdeņošana papīra ražošanai

Apstrāde ar ultraskaņu apvienojumā ar modificēšanu ar pienskābi (LA) ir videi draudzīga pieeja celulozes nanošķiedru (CNF) atūdeņošanas procesa paātrināšanai papīra ražošanā. Celulozes nanošķiedras ir pazīstamas ar augsto ūdens aizturēšanas spēju, kas ievērojami paildzina ūdens novadīšanas procesu – būtisku posmu nanopapīra izgatavošanā un citos nanocelulozes izmantošanas procesos. Šī metode samazina ūdens novadīšanas laiku par 75%, no 45 minūtēm līdz 10 minūtēm, ultraskaņas iedarbībā esterificējot celulozes hidroksilgrupas ar pienskābi. Šī modificēšana arī samazina suspensijas viskozitāti, un tās mērogu ir iespējams palielināt līdz rūpnieciskam līmenim, nodrošinot praktisku risinājumu celulozes nanošķiedru izstrādājumu ražošanas efektivitātes un ātruma palielināšanai.

Ar pienskābi modificētu celulozes nanošķiedru strauja atūdeņošana ultraskaņas iedarbībā
(Pētījums un attēls: ©Sethi et al., 2018)

Celulozes nanošķiedru atūdeņošanas efektivitātes uzlabošana, modificējot tās ar pienskābi ultraskaņas iedarbībā

Celulozes nanošķiedras (CNF) tiek augstu vērtētas to daudzo priekšrocību dēļ papīra ražošanā, piemēram, stiprības palielināšanas un reoloģisko īpašību mainīšanas dēļ. Tomēr viens būtisks trūkums ir nesamērīgi ilgais laiks, kas nepieciešams ūdens novadīšanai no celulozes nanošķiedru suspensijām – būtiskam posmam nanopapīra izgatavošanā. Šī problēma ne tikai ietekmē nanopapīra ražošanu, bet arī kavē nanocelulozes rūpniecisku pārstrādi citos gatavos izstrādājumos. Ilgo ūdens novadīšanas laiku galvenokārt izraisa celulozes nanošķiedru augstā ūdens aizturēšanas spēja, kas ir šķērslis no celulozes nanošķiedrām iegūtu izstrādājumu komercializācijai.
Tālāk iepazīstinām ar Sethi un kolēģu zinātniskā pētījuma (2018) rezultātiem. Viņi izstrādāja celulozes nanošķiedru modificēšanu ar pienskābi, izmantojot ultraskaņu, kas nodrošina par 75% ātrāku CNF atūdeņošanu un uzlabotas materiāla funkcionālās īpašības.

Celulozes nanošķiedru modificēšana ar pienskābi ultraskaņas iedarbībā

Lai risinātu šo problēmu, ir izstrādāta videi draudzīga pieeja ūdens vidē, kurā celulozes nanošķiedru virsmas modificēšanai izmanto ultraskaņas apstrādes enerģiju un pienskābi (LA). Šī metode ievērojami paātrina atūdeņošanas procesu, samazinot ūdens novadīšanas laiku līdz pat 75%.
Modificēšanas procesā celulozes nanošķiedru suspensijas atšķaida līdz 0,35 wt.% koncentrācijai un pievieno pienskābi dažādos daudzumos attiecībā pret celulozes nanošķiedru sausnas saturu (0,5 reizes, 1 reizi, 5 reizes un 10 reizes no celulozes nanošķiedru sausnas daudzuma suspensijā). Nanošķiedras, ūdeni un pienskābi 5 minūtes sajauc ar ātrgaitas maisītāju pie 1500 rpm un pēc tam apstrādā ar Hielscher UP400S ultraskaņas apstrādes iekārtu, kas aprīkota ar titāna uzgali (22 mm diametrā). Apstrādi ar ultraskaņu veic dažādos enerģijas līmeņos, maksimālajai ievadītajai enerģijai sasniedzot 600 J/ml, kas atbilst 10 minūšu apstrādei ar ultraskaņu.

Ietekme uz ūdens novadīšanas laiku

Modificēšana ar pienskābi ultraskaņas iedarbībā būtiski ietekmē ūdens novadīšanas laiku no celulozes nanošķiedru suspensijām. Kontroles suspensijas atūdeņošanai nepieciešamas aptuveni 45 minūtes. Pēc modificēšanas ar pienskābi, izmantojot ultraskaņu, šis laiks samazinās līdz 10 minūtēm, kas ir 75% uzlabojums. Pat saudzīgas apstrādes ar ultraskaņu gadījumā (5 J/ml) ūdens novadīšanas laiks samazinās uz pusi līdz 23 minūtēm. Palielinoties ultraskaņas apstrādes enerģijai, ūdens novadīšanas laiks samazinās, līdz tas stabilizējas aptuveni 10 minūšu līmenī.
Šo uzlabojumu skaidro ar celulozes hidrofilo hidroksilgrupu aizstāšanu ar hidrofobiem pienskābes fragmentiem. Hidroksilgrupas ir galvenais augstās ūdens aizturēšanas spējas cēlonis. Pienskābe ar savu karboksilgrupu ultraskaņas iedarbībā var piedalīties esterifikācijas reakcijā ar celulozes hidroksilgrupām. Apstrāde ar ultraskaņu šķidrā vidē rada sīkus vakuuma dobumus, kuru sabrukšana rada ekstremālus apstākļus (5000 K temperatūru un 1000 atm spiedienu), kas ir pietiekami ķīmisku reakciju, tostarp esterifikācijas, ierosināšanai.

Ultraskaņas apstrādes enerģijas un ūdens novadīšanas laika (minūtēs) sakarība nanopapīra izgatavošanā (atbilst CNF(1)LA paraugam).
Ultraskaņas apstrādes enerģija 100 J/ml atbilst 100 sekunžu apstrādei ar ultraskaņu utt.
(Pētījums un attēls: ©Sethi et al., 2018)

Celulozes nanošķiedru suspensiju viskozitātes samazināšana

Ultraskaņas apstrādes enerģija arī veicina celulozes nanošķiedru suspensiju viskozitātes samazināšanos. Viskozitāte ir apgriezti proporcionāla ultraskaņas apstrādes enerģijai, un viszemākā viskozitāte novērota pie 600 J/ml, kam seko 300 J/ml un 60 J/ml. Šis viskozitātes samazinājums vēl vairāk palīdz uzlabot atūdeņošanas efektivitāti.

Celulozes nanošķiedru modificēšanas ar ultraskaņu nozīme rūpniecībā

Modificēšanas metode ar pienskābi ultraskaņas iedarbībā ir ne tikai efektīva, bet arī piemērota rūpnieciskam lietojumam. Hielscher modernākās ultraskaņas apstrādes iekārtas, kas spēj apstrādāt lielus tilpumus, var efektīvi veikt šo uzdevumu, padarot šo metodi piemērotu liela mēroga procesiem.
Turklāt šī pieeja ļauj papīra loksnēs iestrādāt līdz pat 10 wt.% celulozes nanošķiedru, atūdeņošanu pabeidzot tikai 2 minūtēs salīdzinājumā ar 23 minūtēm nemodificētu celulozes nanošķiedru gadījumā. Šis ievērojamais uzlabojums var radikāli mainīt celulozes nanošķiedru izmantošanu papīra ražošanā, pārvarot vienu no galvenajiem šķēršļiem to komercializācijā.

Ultraskaņas apstrādes iekārtas celulozes nanošķiedrām un papīra ražošanai

Tālāk redzamā tabula sniedz priekšstatu par mūsu zondes tipa ultraskaņas apstrādes iekārtu aptuveno apstrādes jaudu:

Projektēšana, ražošana un konsultācijas – Vācijā radīta kvalitāte

Hielscher ultraskaņas apstrādes iekārtas ir plaši pazīstamas ar visaugstākajiem kvalitātes un projektēšanas standartiem. Izturība un vienkārša lietošana nodrošina mūsu ultraskaņas apstrādes iekārtu netraucētu integrāciju rūpnieciskās ražotnēs. Hielscher ultraskaņas apstrādes iekārtas viegli tiek galā ar skarbiem apstākļiem un prasīgu darba vidi.

Hielscher Ultrasonics ir ISO sertificēts uzņēmums, kas īpašu uzmanību pievērš augstas veiktspējas ultraskaņas apstrādes iekārtām ar modernākajām tehnoloģijām un ērtu lietošanu. Protams, Hielscher ultraskaņas apstrādes iekārtas atbilst CE prasībām, kā arī UL, CSA un RoHs prasībām.