Versnelde ontwatering van cellulose-nanovezels voor papierproductie

Sonificatie in combinatie met melkzuurmodificatie (LA) is een milieuvriendelijke aanpak om het ontwateringsproces van cellulosenanovezels (CNF's) voor papierproductie te versnellen. Cellulosenanovezels staan bekend om hun hoge waterretentie, waardoor ze een aanzienlijke vertraging oplopen in het drainageproces, een kritieke stap in de nanopapierbereiding en andere nanocellulosetoepassingen. De methode verkort de droogtijd met 75%, van 45 minuten tot 10 minuten, door verestering van de hydroxylgroepen van cellulose met melkzuur onder sonicatie. Deze modificatie verlaagt ook de viscositeit van de suspensie en blijkt industrieel schaalbaar te zijn, wat een praktische oplossing biedt om de efficiëntie en productiesnelheid van op cellulose-nanovezels gebaseerde producten te verbeteren.

Snelle ontwatering van melkzuur gemodificeerde cellulose nanovezels onder sonicatie
(Studie en afbeelding: ©Sethi et al., 2018)

Verbeterde ontwateringsefficiëntie van cellulose nanovezels via ultrasone melkzuurmodificatie

Cellulose-nanovezels (CNF's) worden geroemd om hun vele voordelen bij de papierproductie, zoals het verbeteren van de sterkte en het wijzigen van de reologie. Een belangrijk nadeel is echter de buitensporig lange tijd die nodig is om water af te voeren uit cellulose-nanovezelsuspensies, een kritieke stap in de bereiding van nanopapier. Deze uitdaging heeft niet alleen gevolgen voor de productie van nanopapier, maar belemmert ook de industriële verwerking van nanocellulose tot andere eindproducten. De lange drainagetijd is voornamelijk te wijten aan de hoge waterretentie door cellulose-nanovezels, wat een knelpunt is bij de commercialisering van van cellulose-nanovezels afgeleide producten.
Hieronder presenteren we de resultaten van een wetenschappelijk onderzoek door Sethi en collega's (2018), die een ultrasoon gestuurde melkzuurmodificatie van cellulosenanovezels ontwikkelden, die leidt tot een 75% snellere ontwatering van CNF's en verbeterde materiaalfunctionaliteiten.

Ultrasone modificatie van cellulose nanovezels met melkzuur

Om dit probleem aan te pakken is een milieuvriendelijke, op water gebaseerde aanpak ontwikkeld waarbij sonicatie-energie en melkzuur (LA) worden gebruikt om het oppervlak van cellulosenanovezels te modificeren. Deze methode versnelt het ontwateringsproces aanzienlijk en verkort de drainagetijd met wel 75%.
Het modificatieproces bestaat uit het verdunnen van cellulose-nanovezelsuspensies tot een concentratie van 0,35 wt.% en het toevoegen van melkzuur in verschillende hoeveelheden ten opzichte van de droge cellulose-nanovezelinhoud (0,5 keer, 1 keer, 5 keer en 10 keer van de droge cellulose-nanovezelinhoud in suspensie). De nanovezels, het water en het melkzuur worden gemengd met een hogesnelheidsroerder bij 1500 tpm gedurende 5 minuten en vervolgens gesoneerd met een Hielscher UP400S sonicator uitgerust met een titanium tip (22 mm in diameter). De sonicatie wordt uitgevoerd op verschillende energieniveaus, met een maximale toegevoerde energie van 600 J/ml, wat overeenkomt met 10 minuten sonicatie.

Invloed op drainagetijd

De ultrasoon-melkzuurmodificatie heeft een grote invloed op de uitwateringstijd van cellulose-nanovezelsuspensies. De referentiesuspensie heeft ongeveer 45 minuten nodig om te ontwateren. Na sonicatie-geassisteerde melkzuurmodificatie is deze tijd teruggebracht tot 10 minuten, wat een verbetering van 75% betekent. Zelfs met milde sonicatie (5 J/ml) wordt de uitwateringstijd gehalveerd tot 23 minuten. De uitscheidingstijd neemt af met toenemende sonificatie-energie en bereikt uiteindelijk een plateau rond 10 minuten.
Deze verbetering wordt toegeschreven aan de vervanging van hydrofiele hydroxylgroepen van cellulose door hydrofobe melkzuurgroepen. De hydroxylgroepen zijn voornamelijk verantwoordelijk voor de hoge waterretentie. Melkzuur, met zijn carboxylgroep, kan deelnemen aan een veresteringsreactie met de hydroxylgroepen van cellulose onder sonicatie. Sonificatie creëert minuscule vacuümholtes in het vloeibare medium, die samenklappen om extreme omstandigheden te creëren (temperatuur van 5000 K en druk van 1000 atm), voldoende om chemische reacties op te wekken, waaronder verestering.

Sonicatie-energie vs. uitdamptijd (in minuten) voor de bereiding van nanopapier (overeenkomend met CNF(1)LA-monster).
100 J/ml sonicatie-energie komt overeen met 100 seconden sonicatie, enz.
(Studie en afbeelding: ©Sethi et al., 2018)

Viscositeitsreductie van cellulose-nanovezelsuspensies

De sonificatie-energie draagt ook bij aan een afname van de viscositeit van de cellulose-nanovezelsuspensies. De viscositeit is omgekeerd evenredig met de sonicatie-energie, met de laagste viscositeit waargenomen bij 600 J/ml, gevolgd door 300 J/ml en 60 J/ml. Deze vermindering in viscositeit helpt verder bij het verbeteren van de ontwateringsefficiëntie.

Industriële relevantie van ultrasone modificatie van cellulose nanovezels

De ultrasoon-modificatiemethode met melkzuur is niet alleen effectief, maar ook compatibel met industriële toepassingen. De ultramoderne sonicators van Hielscher die grote volumes kunnen verwerken, kunnen de taak efficiënt voltooien, waardoor deze methode geschikt is voor grootschalige bewerkingen.
Bovendien maakt deze aanpak het mogelijk om tot 10 wt.% cellulose-nanovezels in papiervellen te verwerken, waarbij de ontwatering in slechts 2 minuten voltooid is, vergeleken met 23 minuten voor ongemodificeerde cellulose-nanovezels. Deze significante verbetering kan een revolutie teweegbrengen in het gebruik van cellulose-nanovezels in de papierindustrie en een van de grootste obstakels voor de commercialisering ervan uit de weg ruimen.

Sonificatoren voor cellulose-nanovezels en papierproductie

De onderstaande tabel geeft een indicatie van de verwerkingscapaciteit van onze sonde-type sonicators bij benadering:

Ontwerp, productie en advies – Kwaliteit Made in Germany

Hielscher ultrasone machines staan bekend om hun hoge kwaliteit en ontwerpnormen. Robuustheid en eenvoudige bediening zorgen voor een soepele integratie van onze ultrasoonapparatuur in industriële faciliteiten. Ruwe omstandigheden en veeleisende omgevingen worden gemakkelijk door Hielscher ultrasoontoestellen aangepakt.

Hielscher Ultrasonics is een ISO-gecertificeerd bedrijf en legt speciale nadruk op hoogwaardige ultrasone apparaten met state-of-the-art technologie en gebruiksvriendelijkheid. Uiteraard zijn de Hielscher ultrasoonapparaten CE-conform en voldoen ze aan de eisen van UL, CSA en RoHs.