Desidratação acelerada de nanofibras de celulose para produção de papel

A sonicação em combinação com a modificação do ácido lático (LA) é uma abordagem ecológica para acelerar o processo de desidratação das nanofibras de celulose (CNFs) para a produção de papel. As nanofibras de celulose são conhecidas pela sua elevada retenção de água, causando atrasos significativos no processo de drenagem, uma etapa crítica na preparação de nanopapel e noutras aplicações de nanocelulose. O método reduz o tempo de drenagem em 75%, de 45 minutos para 10 minutos, através da esterificação dos grupos hidroxilo da celulose pelo ácido lático sob sonicação. Esta modificação também reduz a viscosidade da suspensão e revela-se industrialmente escalável, oferecendo uma solução prática para melhorar a eficiência e a taxa de produção de produtos à base de nanofibras de celulose.

Desidratação rápida de nanofibras de celulose modificadas com ácido lático sob sonicação
(Estudo e imagem: ©Sethi et al., 2018)

Eficiência de desidratação melhorada das nanofibras de celulose através da modificação ultra-sónica do ácido lático

As nanofibras de celulose (CNFs) são famosas pelos seus inúmeros benefícios na produção de papel, como o aumento da resistência e a modificação da reologia. No entanto, um inconveniente significativo é o tempo excessivo necessário para drenar a água das suspensões de nanofibras de celulose, uma etapa crítica na preparação de nanopapéis. Este desafio não só afecta a produção de nanopapéis, como também dificulta o processamento industrial da nanocelulose noutros produtos acabados. O tempo de drenagem prolongado deve-se principalmente à elevada retenção de água pelas nanofibras de celulose, o que constitui um estrangulamento na comercialização de produtos derivados de nanofibras de celulose.
Abaixo, apresentamos os resultados de um estudo científico de Sethi e colegas (2018), que desenvolveram uma modificação de ácido lático assistida por ultrassom de nanofibras de celulose, o que leva a uma desidratação 75% mais rápida de CNFs e funcionalidades materiais melhoradas.

Modificação ultra-sônica de nanofibras de celulose com ácido lático

Para resolver este problema, foi desenvolvida uma abordagem ecológica, à base de água, envolvendo energia de sonicação e ácido lático (LA) para modificar a superfície das nanofibras de celulose. Este método acelera significativamente o processo de desidratação, reduzindo o tempo de drenagem em até 75%.
O processo de modificação envolve a diluição de suspensões de nanofibras de celulose para uma concentração de 0,35 wt.% e a adição de ácido lático em várias quantidades relativas ao conteúdo seco de nanofibras de celulose (0,5 vezes, 1 vez, 5 vezes e 10 vezes do conteúdo seco de nanofibras de celulose em suspensão). As nanofibras, a água e o ácido lático são misturados utilizando um agitador de alta velocidade a 1500 rpm durante 5 minutos e, em seguida, sonicados com um sonicador Hielscher UP400S equipado com uma ponta de titânio (22 mm de diâmetro). A sonicação é realizada em vários níveis de energia, com uma energia máxima transmitida de 600 J/ml, correspondente a 10 minutos de sonicação.

Impacto no tempo de escoamento

A modificação ultra-sónica do ácido lático tem um impacto profundo no tempo de drenagem das suspensões de nanofibras de celulose. A suspensão de referência leva aproximadamente 45 minutos para desidratação. Após a modificação do ácido lático assistida por sonicação, este tempo é reduzido para 10 minutos, representando uma melhoria de 75%. Mesmo com uma sonicação suave (5 J/ml), o tempo de drenagem é reduzido para metade, para 23 minutos. O tempo de drenagem diminui com o aumento da energia de sonicação, acabando por atingir um patamar em cerca de 10 minutos.
Esta melhoria é atribuída à substituição dos grupos hidroxilo hidrofílicos da celulose por partes hidrofóbicas do ácido lático. Os grupos hidroxilo são os principais responsáveis pela elevada retenção de água. O ácido lático, com o seu grupo carboxílico, pode participar numa reação de esterificação com os grupos hidroxilo da celulose sob sonicação. A sonicação cria minúsculas cavidades de vácuo no meio líquido, que colapsam para produzir condições extremas (temperatura de 5000 K e pressão de 1000 atm), suficientes para induzir reacções químicas, incluindo a esterificação.

Energia de sonicação vs tempo de drenagem (em minutos) para a preparação de nanopapéis (correspondente à amostra CNF(1)LA).
100 J/ml de energia de sonicação correspondem a 100 segundos de sonicação, etc.
(Estudo e imagem: ©Sethi et al., 2018)

Redução da viscosidade de suspensões de nanofibras de celulose

A energia de sonicação também contribui para uma diminuição da viscosidade das suspensões de nanofibras de celulose. A viscosidade é inversamente proporcional à energia de sonicação, sendo a viscosidade mais baixa observada a 600 J/ml, seguida de 300 J/ml e 60 J/ml. Esta redução da viscosidade ajuda ainda mais a melhorar a eficiência da desidratação.

Relevância Industrial da Modificação Ultrassónica de Nanofibras de Celulose

O método de modificação do ácido lático por ultra-sons não só é eficaz como também é compatível com aplicações industriais. Os sonicadores de última geração da Hielscher, capazes de processar grandes volumes, podem concluir a tarefa de forma eficiente, tornando este método adequado para operações em grande escala.
Além disso, esta abordagem permite a incorporação de até 10 wt.% de nanofibras de celulose em folhas de papel, com desidratação concluída em apenas 2 minutos, em comparação com 23 minutos para nanofibras de celulose não modificadas. Esta melhoria significativa pode revolucionar a utilização de nanofibras de celulose no fabrico de papel, ultrapassando um dos maiores obstáculos à sua comercialização.

Sonicadores para nanofibras de celulose e produção de papel

O quadro seguinte dá-lhe uma indicação da capacidade de processamento aproximada dos nossos sonicadores de tipo sonda:

Conceção, fabrico e consultoria – Qualidade fabricada na Alemanha

Os ultrassons Hielscher são conhecidos pelos seus elevados padrões de qualidade e design. A robustez e a facilidade de operação permitem a integração harmoniosa dos nossos ultrassons nas instalações industriais. As condições difíceis e os ambientes exigentes são facilmente controlados pelos ultrassons Hielscher.

A Hielscher Ultrasonics é uma empresa certificada pela ISO e dá especial ênfase aos ultrassons de alto desempenho com tecnologia de ponta e facilidade de utilização. Naturalmente, os ultrassons da Hielscher estão em conformidade com a CE e cumprem os requisitos da UL, CSA e RoHs.