Przyspieszone odwadnianie nanowłókien celulozowych do produkcji papieru

Sonikacja w połączeniu z modyfikacją kwasem mlekowym (LA) jest przyjaznym dla środowiska podejściem do przyspieszenia procesu odwadniania nanowłókien celulozowych (CNF) do produkcji papieru. Nanowłókna celulozowe znane są z wysokiej retencji wody, co powoduje znaczne opóźnienia w procesie odwadniania, krytycznym etapie przygotowania nanopapieru i innych zastosowań nanocelulozy. Metoda ta skraca czas odwadniania o 75%, z 45 minut do 10 minut, poprzez estryfikację grup hydroksylowych celulozy kwasem mlekowym pod wpływem sonikacji. Modyfikacja ta obniża również lepkość zawiesiny i okazuje się być skalowalna przemysłowo, oferując praktyczne rozwiązanie w celu zwiększenia wydajności i szybkości produkcji produktów na bazie nanowłókien celulozowych.

Szybkie odwadnianie nanowłókien celulozowych modyfikowanych kwasem mlekowym pod wpływem sonikacji
(Badanie i zdjęcie: ©Sethi et al., 2018)

Zwiększona skuteczność odwadniania nanowłókien celulozowych poprzez ultradźwiękową modyfikację kwasu mlekowego

Nanowłókna celulozowe (CNF) są znane ze swoich licznych zalet w produkcji papieru, takich jak zwiększanie wytrzymałości i modyfikowanie reologii. Jednak jedną z istotnych wad jest zbyt długi czas wymagany do odprowadzenia wody z zawiesin nanowłókien celulozowych, co jest krytycznym etapem w przygotowaniu nanopapierów. Wyzwanie to nie tylko wpływa na produkcję nanopapieru, ale także utrudnia przemysłowe przetwarzanie nanocelulozy w inne gotowe produkty. Wydłużony czas odwadniania wynika przede wszystkim z wysokiej retencji wody przez nanowłókna celulozowe, co stanowi wąskie gardło w komercjalizacji produktów pochodzących z nanowłókien celulozowych.
Poniżej przedstawiamy wyniki badania naukowego przeprowadzonego przez Sethi i współpracowników (2018), którzy opracowali wspomaganą ultradźwiękami modyfikację nanowłókien celulozowych kwasem mlekowym, co prowadzi do 75% szybszego odwadniania CNF i poprawy funkcjonalności materiału.

Ultradźwiękowa modyfikacja nanowłókien celulozowych kwasem mlekowym

Aby rozwiązać ten problem, opracowano przyjazne dla środowiska, oparte na wodzie podejście obejmujące energię sonikacji i kwas mlekowy (LA) w celu modyfikacji powierzchni nanowłókien celulozowych. Metoda ta znacznie przyspiesza proces odwadniania, skracając czas odwadniania nawet o 75%.
Proces modyfikacji polega na rozcieńczeniu zawiesin nanowłókien celulozowych do stężenia 0,35% mas. i dodaniu kwasu mlekowego w różnych ilościach w stosunku do suchej zawartości nanowłókien celulozowych (0,5 razy, 1 raz, 5 razy i 10 razy w stosunku do suchej zawartości nanowłókien celulozowych w zawiesinie). Nanowłókna, woda i kwas mlekowy są mieszane za pomocą szybkoobrotowego mieszadła przy 1500 obr/min przez 5 minut, a następnie sonikowane za pomocą sonikatora Hielscher UP400S wyposażonego w tytanową końcówkę (o średnicy 22 mm). Sonikacja jest prowadzona na różnych poziomach energii, przy maksymalnej energii nadawanej 600 J/ml, co odpowiada 10 minutom sonikacji.

Wpływ na czas opróżniania

Modyfikacja ultradźwiękowa kwasem mlekowym ma ogromny wpływ na czas odwadniania zawiesin nanowłókien celulozowych. Odwadnianie zawiesiny referencyjnej trwa około 45 minut. Po modyfikacji kwasu mlekowego wspomaganej sonikacją, czas ten ulega skróceniu do 10 minut, co stanowi poprawę o 75%. Nawet przy łagodnej sonikacji (5 J/ml), czas odwadniania skraca się o połowę do 23 minut. Czas opróżniania zmniejsza się wraz ze wzrostem energii sonikacji, ostatecznie osiągając plateau po około 10 minutach.
Poprawę tę przypisuje się zastąpieniu hydrofilowych grup hydroksylowych celulozy hydrofobowymi ugrupowaniami kwasu mlekowego. Grupy hydroksylowe są głównie odpowiedzialne za wysoką retencję wody. Kwas mlekowy, ze swoją grupą karboksylową, może uczestniczyć w reakcji estryfikacji z grupami hydroksylowymi celulozy pod wpływem sonikacji. Sonikacja tworzy maleńkie wnęki próżniowe w ciekłym medium, które zapadają się, tworząc ekstremalne warunki (temperatura 5000 K i ciśnienie 1000 atm), wystarczające do wywołania reakcji chemicznych, w tym estryfikacji.

Energia sonikacji a czas opróżniania (w minutach) dla przygotowania nanopapieru (odpowiadającego próbce CNF(1)LA).
100 J/ml energii sonikacji odpowiada 100 sekundom sonikacji itd.
(Badanie i zdjęcie: ©Sethi et al., 2018)

Redukcja lepkości zawiesin nanowłókien celulozowych

Energia sonikacji przyczynia się również do zmniejszenia lepkości zawiesin nanowłókien celulozowych. Lepkość jest odwrotnie proporcjonalna do energii sonikacji, przy najniższej lepkości obserwowanej przy 600 J/ml, a następnie 300 J/ml i 60 J/ml. Ta redukcja lepkości dodatkowo pomaga w poprawie wydajności odwadniania.

Przemysłowe znaczenie ultradźwiękowej modyfikacji nanowłókien celulozowych

Metoda modyfikacji ultradźwiękowej kwasem mlekowym jest nie tylko skuteczna, ale także kompatybilna z zastosowaniami przemysłowymi. Najnowocześniejsze sonikatory firmy Hielscher zdolne do przetwarzania dużych ilości mogą skutecznie wykonać zadanie, dzięki czemu metoda ta jest odpowiednia do operacji na dużą skalę.
Dodatkowo, podejście to pozwala na włączenie do 10 procent wagowych nanowłókien celulozowych do arkuszy papieru, z odwadnianiem zakończonym w zaledwie 2 minuty, w porównaniu do 23 minut w przypadku niezmodyfikowanych nanowłókien celulozowych. Ta znacząca poprawa może zrewolucjonizować wykorzystanie nanowłókien celulozowych w produkcji papieru, pokonując jedną z głównych przeszkód w ich komercjalizacji.

Sonikatory do produkcji nanowłókien celulozowych i papieru

Poniższa tabela przedstawia przybliżoną wydajność przetwarzania naszych sonikatorów:

Projektowanie, produkcja i doradztwo – Jakość Made in Germany

Ultradźwięki Hielscher są dobrze znane z najwyższej jakości i standardów projektowych. Solidność i łatwa obsługa pozwalają na płynną integrację naszych ultradźwiękowców z obiektami przemysłowymi. Trudne warunki i wymagające środowiska są łatwo obsługiwane przez ultradźwięki Hielscher.

Hielscher Ultrasonics jest firmą posiadającą certyfikat ISO i kładzie szczególny nacisk na wysokowydajne ultradźwięki z najnowocześniejszą technologią i łatwością obsługi. Oczywiście ultradźwięki Hielscher są zgodne z CE i spełniają wymagania UL, CSA i RoHs.