Ultrasone productie van nanogestructureerde cellulose

Nanocellulose, een opmerkelijk hoogwaardig additief, heeft bekendheid gekregen door zijn veelzijdige toepassingen als reologiemodificator, versterkingsmiddel en sleutelcomponent in verschillende geavanceerde materialen. Deze fibrillen met nanostructuur, afkomstig van elke cellulosehoudende bron, kunnen efficiënt worden geïsoleerd door middel van ultrasone homogenisatie en malen met een hoog vermogen. Dit proces, bekend als sonicatie, verbetert de fibrillatie aanzienlijk, wat resulteert in een hogere opbrengst van nanocellulose en fijnere, dunnere vezels oplevert. Ultrasoontechnologie overtreft conventionele productiemethoden dankzij het vermogen om extreme cavitatie- en schuifkrachten te genereren, waardoor het een uitzonderlijk hulpmiddel is voor de productie van nanocellulose.

Ultrasone vervaardiging van nanocellulose

Ultrageluid met hoog vermogen draagt bij aan de extractie en isolatie van micro- en nanocellulose uit verschillende bronnen van cellulosehoudende materialen zoals hout, lignocellulosevezels (pulpvezels) en cellulosehoudende residuen.
Om de plantenvezels los te maken van het bronmateriaal, wordt ultrasoon Slijpen en Homogenisatie is een krachtige en betrouwbare methode waarmee zeer grote volumes verwerkt kunnen worden. De pulp wordt in een inline sonoreactor gevoerd, waar ultrasone krachten met hoge afschuiving de celstructuur van de biomassa breken, zodat de vezelachtige materie beschikbaar komt.

Figuur 1 hieronder toont een TEM-afbeelding van “Nooit gedroogd katoen” (NDC) onderworpen aan enzymatische hydrolyse en gesoneerd met een Hielscher sonde-type sonicator UP400S gedurende 20 minuten.
[Bittencourt et al. 2008]

Figuur 2 hieronder toont een SEM-afbeelding van een viscosefilm, onderworpen aan enzymatische hydrolyse, gevolgd door sonicatie met de Hielscher sonicator model UP400S.
[Bittencourt et al. 2008]

Ultrasone nanocelluloseverwerking kan ook succesvol worden gecombineerd met de TEMPO-geoxideerde vezelbehandeling. In het TEMPO-proces worden cellulosenanovezels geproduceerd door een oxidatiesysteem met 2,2,6,6-tetramethylpiperidinyl-1-oxyl (TEMPO) als katalysator en natriumbromide (NaBr) en natriumhypochloriet (NaOCl). Onderzoek heeft aangetoond dat de oxidatie-efficiëntie aanzienlijk verbetert wanneer de oxidatie wordt uitgevoerd onder ultrasone bestraling.

Ultrasone dispersie van nanocellulose

Nanocellulosedispersies vertonen een buitengewoon reologisch gedrag door de hoge viscositeit bij lage nanocelluloseconcentraties. Dit maakt nanocellulose tot een zeer interessant additief als reologische modificator, stabilisator en geleermiddel voor verschillende toepassingen, bijvoorbeeld in de coating-, papier- of voedingsmiddelenindustrie. Om zijn unieke eigenschappen tot uiting te laten komen, moet nanocellulose
Ultrasoon dispergeren is de ideale methode om fijne, enkelvoudig gedispergeerde nanocellulose te verkrijgen. Omdat nanocellulose zeer afschuifverdunnend is, is ultrageluid de technologie bij uitstek om nanocellulose-suspensies te formuleren, omdat de koppeling van ultrageluid met een hoog vermogen in vloeistoffen extreme afschuifkrachten creëert.
Klik hier voor meer informatie over ultrasone cavitatie in vloeistoffen!
Na de synthese van nanokristallijne cellulose wordt de nanocellulose vaak ultrasoon gedispergeerd in een vloeibaar medium, bv. een apolair of polair oplosmiddel zoals dimethylformamide (DMF), om een eindproduct te formuleren (bv. nanocomposieten, reologische modificator enz.) Aangezien CNF's worden gebruikt als additieven in allerlei formules, is een betrouwbare dispersie van cruciaal belang. Ultrasoon produceren stabiele en uniform gedispergeerde fibrillen.

Ultrasoon verbeterde ontwatering van cellulose nanovezels

Ultrasoon verbeterde ontwatering van cellulose nanovezels is een geavanceerde techniek die de efficiëntie van waterverwijdering aanzienlijk verbetert. – waardoor cellulose-nanovezels een zeer aantrekkelijk additief zijn voor de productie van nanopapier. Nanocellulosevezels vereisen normaal gesproken een tijdrovende ontwatering vanwege de hoge waterretentiecapaciteit. Door het toepassen van ultrasone golven wordt dit proces versneld door het genereren van intense cavitatiekrachten, die de watermatrix verstoren en een snellere, meer uniforme waterafvoer mogelijk maken. Dit verkort niet alleen de droogtijd, maar verbetert ook de structurele integriteit en mechanische eigenschappen van de resulterende cellulose-nanovezels, waardoor het een zeer effectieve methode is voor de productie van nanopapier en andere nanomaterialen van hoge kwaliteit.
Meer informatie over ultrasone ontwatering van nanopapier!

Industriële productie van nanocellulose met ultrageluidvermogen

Hielscher Ultrasonics biedt een uitgebreide reeks krachtige en betrouwbare ultrasoonoplossingen, van kleine ultrasoontoestellen op laboratoriumschaal tot grootschalige industriële systemen, ideaal voor de commerciële verwerking van nanocellulose. Het belangrijkste voordeel van de Hielscher industriële sonicators met sonde ligt in hun vermogen om optimale ultrasone omstandigheden te leveren via hun doorstroom sonoreactoren, die verkrijgbaar zijn in verschillende maten en geometrieën. Deze reactoren zorgen ervoor dat de ultrasone energie consistent en gelijkmatig wordt toegepast op het cellulosemateriaal, wat leidt tot superieure verwerkingsresultaten.

Hielscher bench-top sonicators, zoals de UIP1000hdT, UIP2000hdT en UIP4000hdT, kunnen dagelijks enkele kilo's nanocellulose produceren, waardoor ze geschikt zijn voor productie op middelgrote schaal. Voor grootschalige commerciële productie kunnen de volledige industriële units zoals de UIP10000 en UIP16000hdT uitgebreide massastromen verwerken, waardoor de efficiënte productie van grote volumes nanocellulose mogelijk is.

Een van de belangrijkste voordelen van de Hielscher ultrasone systemen is hun lineaire schaalbaarheid. Zowel tafelmodellen als industriële ultrasone systemen kunnen in clusters worden geïnstalleerd, waardoor ze een vrijwel onbeperkte verwerkingscapaciteit hebben. Dit maakt ze een ideale keuze voor bewerkingen die een hoge verwerkingscapaciteit en betrouwbare prestaties vereisen bij de productie van nanocellulose.