Przyspieszone odwadnianie nanowłókien celulozowych do produkcji papieru

Sonikacja w połączeniu z modyfikacją kwasem mlekowym (LA) stanowi przyjazną dla środowiska metodę przyspieszania procesu odwadniania nanowłókien celulozowych (CNF) do produkcji papieru. Nanowłókna celulozowe są znane z wysokiej zdolności zatrzymywania wody, która powoduje znaczne opóźnienia w procesie odprowadzania wody, będącym kluczowym etapem przygotowywania nanopapieru i innych zastosowań nanocelulozy. Metoda skraca czas odprowadzania wody o 75%, z 45 minut do 10 minut, dzięki estryfikacji grup hydroksylowych celulozy kwasem mlekowym podczas sonikacji. Modyfikacja ta obniża również lepkość zawiesiny i okazuje się możliwa do skalowania przemysłowego, oferując praktyczne rozwiązanie zwiększające efektywność i tempo produkcji wyrobów na bazie nanowłókien celulozowych.

Szybkie odwadnianie nanowłókien celulozowych modyfikowanych kwasem mlekowym podczas sonikacji
(Badanie i ilustracja: ©Sethi i in., 2018)

Zwiększona efektywność odwadniania nanowłókien celulozowych dzięki ultradźwiękowej modyfikacji kwasem mlekowym

Nanowłókna celulozowe (CNF) są cenione za liczne korzyści w produkcji papieru, takie jak zwiększanie wytrzymałości i modyfikowanie właściwości reologicznych. Jednak jedną z istotnych wad jest nadmiernie długi czas potrzebny do odprowadzenia wody z zawiesin nanowłókien celulozowych, co stanowi kluczowy etap przygotowywania nanopapierów. Problem ten nie tylko wpływa na produkcję nanopapieru, lecz także utrudnia przemysłowe przetwarzanie nanocelulozy w inne gotowe produkty. Wydłużony czas odprowadzania wody wynika przede wszystkim z wysokiej zdolności zatrzymywania wody przez nanowłókna celulozowe, co stanowi wąskie gardło w komercjalizacji produktów otrzymywanych z nanowłókien celulozowych.
Poniżej przedstawiamy wyniki badania naukowego przeprowadzonego przez Sethi i współpracowników (2018), którzy opracowali wspomaganą ultradźwiękami modyfikację nanowłókien celulozowych kwasem mlekowym, prowadzącą do odwadniania CNF szybszego o 75% oraz poprawy właściwości funkcjonalnych materiału.

Ultradźwiękowa modyfikacja nanowłókien celulozowych kwasem mlekowym

Aby rozwiązać ten problem, opracowano przyjazną dla środowiska metodę modyfikacji powierzchni nanowłókien celulozowych w środowisku wodnym, wykorzystującą energię sonikacji i kwas mlekowy (LA). Metoda ta znacznie przyspiesza proces odwadniania, skracając czas odprowadzania wody nawet o 75%.
Proces modyfikacji obejmuje rozcieńczanie zawiesin nanowłókien celulozowych do stężenia 0,35 wt.% i dodawanie kwasu mlekowego w różnych ilościach względem zawartości suchej masy nanowłókien celulozowych (0,5-krotność, 1-krotność, 5-krotność i 10-krotność zawartości suchej masy nanowłókien celulozowych w zawiesinie). Nanowłókna, wodę i kwas mlekowy miesza się za pomocą mieszadła wysokoobrotowego przy 1500 rpm przez 5 minut, a następnie poddaje sonikacji za pomocą sonikatora Hielscher UP400S wyposażonego w tytanową końcówkę (o średnicy 22 mm). Sonikację przeprowadza się przy różnych poziomach energii, przy czym maksymalna dostarczona energia wynosi 600 J/ml, co odpowiada 10 minutom sonikacji.

Wpływ na czas odprowadzania wody

Modyfikacja kwasem mlekowym z wykorzystaniem ultradźwięków ma znaczący wpływ na czas odprowadzania wody z zawiesin nanowłókien celulozowych. Odwadnianie zawiesiny referencyjnej trwa około 45 minut. Po modyfikacji kwasem mlekowym wspomaganej sonikacją czas ten skraca się do 10 minut, co stanowi poprawę o 75%. Nawet przy łagodnej sonikacji (5 J/ml) czas odprowadzania wody skraca się o połowę, do 23 minut. Czas odprowadzania wody maleje wraz ze wzrostem energii sonikacji, ostatecznie stabilizując się na poziomie około 10 minut.
Poprawę tę przypisuje się zastąpieniu hydrofilowych grup hydroksylowych celulozy hydrofobowymi fragmentami cząsteczek kwasu mlekowego. Grupy hydroksylowe są główną przyczyną wysokiej zdolności zatrzymywania wody. Kwas mlekowy, dzięki swojej grupie karboksylowej, może uczestniczyć w reakcji estryfikacji z grupami hydroksylowymi celulozy podczas sonikacji. Sonikacja tworzy w ciekłym ośrodku bardzo małe jamy próżniowe, które zapadają się, wytwarzając ekstremalne warunki (temperaturę 5000 K i ciśnienie 1000 atm), wystarczające do wywołania reakcji chemicznych, w tym estryfikacji.

Energia sonikacji a czas odprowadzania wody (w minutach) podczas przygotowywania nanopapieru (dla próbki CNF(1)LA).
Energia sonikacji wynosząca 100 J/ml odpowiada 100 sekundom sonikacji itd.
(Badanie i ilustracja: ©Sethi i in., 2018)

Zmniejszenie lepkości zawiesin nanowłókien celulozowych

Energia sonikacji przyczynia się również do zmniejszenia lepkości zawiesin nanowłókien celulozowych. Lepkość jest odwrotnie proporcjonalna do energii sonikacji, przy czym najniższą lepkość obserwuje się przy 600 J/ml, następnie przy 300 J/ml i 60 J/ml. To zmniejszenie lepkości dodatkowo wspomaga poprawę efektywności odwadniania.

Przemysłowe znaczenie ultradźwiękowej modyfikacji nanowłókien celulozowych

Metoda modyfikacji kwasem mlekowym z wykorzystaniem ultradźwięków jest nie tylko skuteczna, lecz także odpowiednia do zastosowań przemysłowych. Najnowocześniejsze sonikatory Hielscher, zdolne do przetwarzania dużych objętości, mogą sprawnie realizować to zadanie, dzięki czemu metoda nadaje się do zastosowania na dużą skalę.
Ponadto metoda ta umożliwia wprowadzenie do arkuszy papieru do 10 wt.% nanowłókien celulozowych, przy czym odwadnianie kończy się w zaledwie 2 minuty, w porównaniu z 23 minutami dla niemodyfikowanych nanowłókien celulozowych. Ta znacząca poprawa może zrewolucjonizować wykorzystanie nanowłókien celulozowych w produkcji papieru, pokonując jedną z głównych przeszkód w ich komercjalizacji.

Sonikatory do nanowłókien celulozowych i produkcji papieru

Poniższa tabela przedstawia orientacyjną wydajność przetwarzania naszych sonikatorów z sonotrodą:

Projektowanie, produkcja i doradztwo – jakość wyprodukowana w Niemczech

Sonikatory Hielscher są znane z najwyższych standardów jakości i konstrukcji. Solidność i łatwa obsługa umożliwiają sprawną integrację naszych sonikatorów z instalacjami przemysłowymi. Sonikatory Hielscher z łatwością radzą sobie z trudnymi warunkami i wymagającymi środowiskami pracy.

Hielscher Ultrasonics jest firmą z certyfikatem ISO i kładzie szczególny nacisk na sonikatory o wysokiej wydajności, wyróżniające się najnowocześniejszą technologią i łatwością obsługi. Oczywiście sonikatory Hielscher są zgodne z wymogami CE i spełniają wymagania UL, CSA oraz RoHs.