Ultrasone productie van nanogestructureerde cellulose

Nanocellulose, een opmerkelijk additief met hoge prestaties, heeft aan belang gewonnen dankzij de veelzijdige toepassingen ervan als reologiemodificator, versterkingsmiddel en belangrijk bestanddeel van diverse geavanceerde materialen. Deze nanogestructureerde fibrillen, afkomstig uit elke cellulosehoudende bron, kunnen efficiënt worden geïsoleerd door ultrasone homogenisatie met hoog vermogen en vermaling. Dit proces, bekend als sonicatie, verbetert de fibrillatie aanzienlijk, wat leidt tot een hogere opbrengst aan nanocellulose en fijnere, dunnere vezels oplevert. Ultrasone technologie overtreft conventionele productiemethoden dankzij het vermogen om door cavitatie extreem hoge afschuifkrachten op te wekken, waardoor het een uitzonderlijk hulpmiddel voor de productie van nanocellulose is.

Ultrasone vervaardiging van nanocellulose

Ultrasoon geluid met hoog vermogen draagt bij aan de extractie en isolatie van micro- en nanocellulose uit diverse bronnen van cellulosehoudende materialen, zoals hout, lignocellulosevezels (pulpvezels) en cellulosehoudende reststoffen.
Om de plantaardige vezels uit het bronmateriaal vrij te maken, vormen ultrasoon malen en homogeniseren een krachtige en betrouwbare methode waarmee zeer grote volumes kunnen worden verwerkt. De pulp wordt in een inline-sonoreactor gevoerd, waar hoge ultrasone afschuifkrachten de celstructuur van de biomassa afbreken, zodat het fibrillaire materiaal beschikbaar komt.

Figuur 1 hieronder toont een TEM-afbeelding van nooit gedroogd katoen (“Never Dried Cotton”, NDC) na enzymatische hydrolyse en sonicatie met een sonicator van het sondetype UP400S van Hielscher gedurende 20 minuten.
[Bittencourt et al. 2008]

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

Ultrasone verwerking van nanocellulose kan ook met succes worden gecombineerd met de behandeling van met TEMPO geoxideerde vezels. In het TEMPO-proces worden cellulosenanovezels geproduceerd met een oxidatiesysteem dat 2,2,6,6-tetramethylpiperidinyl-1-oxyl (TEMPO) als katalysator gebruikt, naast natriumbromide (NaBr) en natriumhypochloriet (NaOCl). Onderzoek heeft aangetoond dat de oxidatie-efficiëntie aanzienlijk wordt verbeterd wanneer de oxidatie onder ultrasone bestraling wordt uitgevoerd.

Ultrasone dispersie van nanocellulose

Dispersies van nanocellulose vertonen een buitengewoon reologisch gedrag door hun hoge viscositeit bij lage concentraties nanocellulose. Dit maakt nanocellulose tot een zeer interessant additief als reologiemodificator, stabilisator en geleermiddel voor diverse toepassingen, bijvoorbeeld in de coating-, papier- of voedingsmiddelenindustrie. Om de unieke eigenschappen ervan tot uiting te laten komen, moet nanocellulose worden
Ultrasoon dispergeren is de ideale methode om fijne, afzonderlijk gedispergeerde nanocellulose te verkrijgen. Omdat nanocellulose sterk afschuifverdunnend is, is ultrasoon geluid met hoog vermogen de voorkeurstechnologie voor het formuleren van nanocellulosesuspensies, aangezien de koppeling van ultrasoon geluid met hoog vermogen aan vloeistoffen extreme afschuifkrachten opwekt.
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, bijvoorbeeld een apolair of polair oplosmiddel zoals dimethylformamide (DMF), om een eindproduct te formuleren (bijvoorbeeld nanocomposieten, een reologiemodificator enz.). Omdat CNF’s in talrijke formuleringen als additieven worden gebruikt, is betrouwbaar dispergeren cruciaal. Sonicatie levert stabiele en gelijkmatig gedispergeerde fibrillen op.

Ultrasone zelfassemblage van cellulosenanokristallen

Sonicatie speelt een belangrijke faciliterende rol bij de synthese en verwerking van cellulosenanokristallen (CNC’s) door aggregaten die uit hydrolyse voortkomen op te breken, bundels te dispergeren en uniformere suspensies met reproduceerbare deeltjesinteracties te produceren. Hoewel CNC’s doorgaans door zure hydrolyse worden verkregen, bevat het resulterende materiaal vaak geclusterde domeinen die betrouwbare zelfassemblage kunnen belemmeren en tot variatie tussen batches in reologie en optische eigenschappen kunnen leiden. Het toepassen van gecontroleerde ultrasone energie na de synthese verbetert de dispersiekwaliteit en helpt de morfologie van CNC’s te standaardiseren, wat cruciaal is voor een consistente cholesterische ordening, voorspelbaar geleringsgedrag en schaalbare vervaardiging van functionele materialen op basis van CNC’s. Lees meer over de ultrasoon bevorderde zelfassemblage van CNC’s!

Ultrasoon verbeterde ontwatering van cellulosenanovezels

Ultrasoon verbeterde ontwatering van cellulosenanovezels is een geavanceerde techniek die de efficiëntie van waterverwijdering aanzienlijk verbetert – waardoor cellulosenanovezels een zeer aantrekkelijk additief voor de productie van nanopapier worden. Nanocellulosevezels vereisen doorgaans een tijdrovende ontwatering vanwege hun hoge waterretentievermogen. Door ultrasone golven toe te passen, wordt dit proces versneld door het opwekken van intense cavitatiekrachten, die de watermatrix verstoren en een snellere, gelijkmatigere afvoer van water bevorderen. Dit verkort niet alleen de droogtijd, maar verbetert ook de structurele integriteit en mechanische eigenschappen van de resulterende cellulosenanovezels, waardoor het een zeer effectieve methode is voor de productie van hoogwaardig nanopapier en andere nanomaterialen.
Lees meer over ultrasone ontwatering van nanopapier!

Industriële productie van nanocellulose met ultrasoon geluid met hoog vermogen

Hielscher Ultrasonics biedt een uitgebreid assortiment krachtige en betrouwbare ultrasone oplossingen, van kleine sonicatoren op laboratoriumschaal tot grootschalige industriële systemen, ideaal voor de commerciële verwerking van nanocellulose. Het belangrijkste voordeel van de industriële sonicatoren van het sondetype van Hielscher is hun vermogen om optimale ultrasone omstandigheden te bieden via hun sonoreactoren met doorstroming, die in verschillende afmetingen en geometrieën verkrijgbaar zijn. Deze reactoren zorgen ervoor dat de ultrasone energie consistent en gelijkmatig op het cellulosemateriaal wordt toegepast, wat tot superieure verwerkingsresultaten leidt.

De tafelmodelsonicatoren van Hielscher, zoals de UIP1000hdT, UIP2000hdT en UIP4000hdT, kunnen dagelijks meerdere kilogrammen nanocellulose produceren, waardoor ze geschikt zijn voor productiebehoeften op middelgrote schaal. Voor grootschalige commerciële productie kunnen de volledig industriële units, zoals de UIP10000 en UIP16000hdT, grote massastromen verwerken, waardoor grote hoeveelheden nanocellulose efficiënt kunnen worden geproduceerd.

Een van de belangrijkste voordelen van de ultrasone systemen van Hielscher is hun lineaire schaalbaarheid. Zowel tafelmodellen als industriële sonicatoren kunnen in clusters worden geïnstalleerd, wat een vrijwel onbeperkte verwerkingscapaciteit biedt. Daardoor zijn ze een ideale keuze voor activiteiten die een hoge verwerkingscapaciteit en betrouwbare prestaties bij de productie van nanocellulose vereisen.