Ultradźwiękowa produkcja celulozy nanostrukturalnej

Nanoceluloza, wyjątkowy dodatek o wysokich parametrach użytkowych, zyskała na znaczeniu dzięki wszechstronnym zastosowaniom jako modyfikator właściwości reologicznych, środek wzmacniający i kluczowy składnik różnych zaawansowanych materiałów. Te nanostrukturalne fibryle, pozyskiwane z dowolnego źródła zawierającego celulozę, można skutecznie izolować poprzez homogenizację i mielenie z użyciem ultradźwięków o dużej mocy. Proces ten, znany jako sonikacja, znacznie intensyfikuje fibrylację, zwiększając uzysk nanocelulozy i umożliwiając otrzymywanie drobniejszych, cieńszych włókien. Technologia ultradźwiękowa przewyższa konwencjonalne metody wytwarzania dzięki zdolności do generowania niezwykle dużych sił ścinających wskutek kawitacji, co czyni ją wyjątkowym narzędziem do produkcji nanocelulozy.

Ultradźwiękowe wytwarzanie nanocelulozy

Ultradźwięki o dużej mocy wspomagają ekstrakcję i izolację mikrocelulozy i nanocelulozy z różnych źródeł materiałów celulozowych, takich jak drewno, włókna lignocelulozowe (włókna masy celulozowej) oraz pozostałości zawierające celulozę.
Do uwalniania włókien roślinnych z materiału źródłowego ultradźwiękowe mielenie oraz homogenizacja ultradźwiękowa stanowią skuteczną i niezawodną metodę, która umożliwia przetwarzanie bardzo dużych objętości. Masa celulozowa jest podawana do sonoreaktora pracującego w linii procesowej, gdzie duże siły ścinające wywoływane przez ultradźwięki rozbijają strukturę komórkową biomasy, udostępniając materiał włóknisty.

Rysunek 1 poniżej przedstawia obraz TEM „bawełny nigdy niesuszonej” (NDC), poddanej hydrolizie enzymatycznej i sonikacji za pomocą sonikatora sondowego Hielscher UP400S przez 20 minut.
[Bittencourt et al. 2008]

Rysunek 2 poniżej przedstawia obraz SEM folii wiskozowej, poddanej hydrolizie enzymatycznej, a następnie sonikacji za pomocą sonikatora Hielscher model UP400S.
[Bittencourt et al. 2008]

Ultradźwiękowe przetwarzanie nanocelulozy można również z powodzeniem łączyć z obróbką włókien utlenionych z użyciem TEMPO. W procesie TEMPO nanowłókna celulozowe wytwarza się w układzie utleniającym wykorzystującym 2,2,6,6-tetrametylopiperydynyl-1-oksyl (TEMPO) jako katalizator oraz bromek sodu (NaBr) i podchloryn sodu (NaOCl). Badania wykazały, że wydajność utleniania znacznie wzrasta, gdy utlenianie prowadzi się pod działaniem ultradźwięków.

Ultradźwiękowe dyspergowanie nanocelulozy

Dyspersje nanocelulozy wykazują niezwykłe właściwości reologiczne ze względu na wysoką lepkość przy niskich stężeniach nanocelulozy. Dzięki temu nanoceluloza jest bardzo interesującym dodatkiem pełniącym funkcję modyfikatora właściwości reologicznych, stabilizatora i środka żelującego w różnych zastosowaniach, np. w przemyśle powłokowym, papierniczym lub spożywczym. Aby ujawnić swoje wyjątkowe właściwości, nanoceluloza musi być
Dyspergowanie ultradźwiękowe jest idealną metodą otrzymywania nanocelulozy o drobnych, indywidualnie zdyspergowanych cząstkach. Ponieważ nanoceluloza wykazuje silne rozrzedzanie pod wpływem ścinania, ultradźwięki o dużej mocy są preferowaną technologią sporządzania zawiesin nanocelulozowych, gdyż sprzężenie energii ultradźwiękowej o dużej mocy z cieczami generuje niezwykle duże siły ścinające.
Kliknij tutaj, aby dowiedzieć się więcej o kawitacji ultradźwiękowej w cieczach!
Po syntezie celulozy nanokrystalicznej nanocelulozę często dysperguje się ultradźwiękowo w ciekłym ośrodku, np. w rozpuszczalniku niepolarnym lub polarnym, takim jak dimetyloformamid (DMF), w celu sporządzenia produktu końcowego (np. nanokompozytów, modyfikatora właściwości reologicznych itp.). Ponieważ nanowłókna celulozowe (CNF) są stosowane jako dodatki w licznych formulacjach, niezawodne dyspergowanie ma kluczowe znaczenie. Sonikacja pozwala uzyskać stabilne i równomiernie zdyspergowane fibryle.

Ultradźwiękowa samoorganizacja nanokryształów celulozy

Sonikacja odgrywa ważną rolę w umożliwianiu syntezy i przetwarzania nanokryształów celulozy (CNC) poprzez rozbijanie agregatów powstałych w wyniku hydrolizy, dyspergowanie wiązek i wytwarzanie bardziej jednorodnych zawiesin o powtarzalnych oddziaływaniach między cząstkami. Chociaż CNC zazwyczaj otrzymuje się poprzez hydrolizę kwasową, uzyskany materiał często zawiera skupione domeny, które mogą utrudniać niezawodną samoorganizację i prowadzić do zmienności właściwości reologicznych i optycznych między partiami. Zastosowanie kontrolowanej energii ultradźwiękowej po syntezie poprawia jakość dyspersji i pomaga ujednolicić morfologię CNC, co ma kluczowe znaczenie dla powtarzalnego uporządkowania cholesterycznego, przewidywalnego przebiegu żelowania oraz skalowalnego wytwarzania materiałów funkcjonalnych na bazie CNC. Dowiedz się więcej o samoorganizacji CNC wspomaganej ultradźwiękami!

Usprawnione ultradźwiękowo odwadnianie nanowłókien celulozowych

Odwadnianie nanowłókien celulozowych wspomagane ultradźwiękami jest najnowocześniejszą techniką, która znacznie zwiększa efektywność usuwania wody – czyniąc nanowłókna celulozowe bardzo atrakcyjnym dodatkiem do produkcji nanopapieru. Włókna nanocelulozowe zazwyczaj wymagają czasochłonnego odwadniania ze względu na wysoką zdolność zatrzymywania wody. Zastosowanie fal ultradźwiękowych przyspiesza ten proces poprzez generowanie intensywnych sił kawitacyjnych, które zaburzają matrycę wodną i ułatwiają szybsze, bardziej równomierne usuwanie wody. Nie tylko skraca to czas suszenia, lecz także poprawia integralność strukturalną i właściwości mechaniczne otrzymanych nanowłókien celulozowych, dzięki czemu metoda ta jest wysoce skuteczna w produkcji wysokiej jakości nanopapierów i innych nanomateriałów.
Dowiedz się więcej o ultradźwiękowym odwadnianiu nanopapieru!

Przemysłowa produkcja nanocelulozy z użyciem ultradźwięków o dużej mocy

Hielscher Ultrasonics oferuje kompleksowy wybór wydajnych i niezawodnych rozwiązań ultradźwiękowych, od małych sonikatorów laboratoryjnych po wielkoskalowe systemy przemysłowe, idealnych do komercyjnego przetwarzania nanocelulozy. Kluczową zaletą przemysłowych sonikatorów sondowych Hielscher jest zdolność zapewniania optymalnych warunków ultradźwiękowych dzięki sonoreaktorom przepływowym dostępnym w różnych rozmiarach i geometriach. Reaktory te zapewniają stałe i równomierne doprowadzanie energii ultradźwiękowej do materiału celulozowego, co przekłada się na doskonałe wyniki przetwarzania.

Sonikatory stołowe Hielscher, takie jak UIP1000hdT, UIP2000hdT i UIP4000hdT, mogą produkować kilka kilogramów nanocelulozy dziennie, dzięki czemu nadają się do produkcji na średnią skalę. W przypadku wielkoskalowej produkcji komercyjnej urządzenia w pełni przemysłowe, takie jak UIP10000 i UIP16000hdT, mogą przetwarzać duże strumienie masowe, umożliwiając wydajną produkcję dużych ilości nanocelulozy.

Jedną z najważniejszych zalet systemów ultradźwiękowych Hielscher jest ich liniowa skalowalność. Zarówno sonikatory stołowe, jak i przemysłowe można instalować w klastrach, zapewniając praktycznie nieograniczoną zdolność przetwarzania, co czyni je idealnym wyborem dla procesów wymagających wysokiej wydajności przetwarzania i niezawodnego działania przy produkcji nanocelulozy.