Produção ultrassónica de celulose nanoestruturada

A nanocelulose, um notável aditivo de elevado desempenho, tem vindo a ganhar destaque pelas suas aplicações versáteis como modificador de reologia, agente de reforço e componente essencial em diversos materiais avançados. Estas fibrilas nanoestruturadas, derivadas de qualquer fonte que contenha celulose, podem ser isoladas de forma eficiente através de homogeneização e moagem ultrassónicas de alta potência. Este processo, conhecido como sonicação, melhora significativamente a fibrilação, proporcionando um maior rendimento de nanocelulose e produzindo fibras mais finas e delgadas. A tecnologia ultrassónica supera os métodos de fabrico convencionais graças à sua capacidade de gerar forças extremas de elevado cisalhamento por cavitação, o que a torna uma ferramenta excecional para a produção de nanocelulose.

Fabrico ultrassónico de nanocelulose

Os ultrassons de alta potência contribuem para a extração e o isolamento de microcelulose e nanocelulose a partir de diversas fontes de materiais celulósicos, como madeira, fibras lignocelulósicas (fibras de pasta de celulose) e resíduos que contêm celulose.
Para libertar as fibras vegetais do material de origem, a moagem e a homogeneização ultrassónicas constituem um método potente e fiável que permite processar volumes muito elevados. A pasta de celulose é alimentada a um sonorreator em linha, onde as forças ultrassónicas de elevado cisalhamento rompem a estrutura celular da biomassa, tornando a matéria fibrilar disponível.

A Figura 1 abaixo mostra uma imagem de microscopia eletrónica de transmissão (TEM) de «algodão nunca seco» (NDC), submetido a hidrólise enzimática e sonicado com um sonicador de sonda Hielscher UP400S durante 20 minutos.
[Bittencourt et al. 2008]

A Figura 2 abaixo mostra uma imagem de microscopia eletrónica de varrimento (SEM) de um filme de viscose, submetido a hidrólise enzimática, seguida de sonicação com o sonicador Hielscher modelo UP400S.
[Bittencourt et al. 2008]

O processamento ultrassónico de nanocelulose também pode ser combinado com êxito com o tratamento de fibras oxidadas por TEMPO. No processo TEMPO, as nanofibras de celulose são produzidas por um sistema de oxidação que utiliza 2,2,6,6-tetrametilpiperidinil-1-oxilo (TEMPO) como catalisador, bem como brometo de sódio (NaBr) e hipoclorito de sódio (NaOCl). A investigação demonstrou que a eficiência da oxidação melhora significativamente quando esta é realizada sob irradiação ultrassónica.

Dispersão ultrassónica de nanocelulose

As dispersões de nanocelulose apresentam um comportamento reológico extraordinário devido à sua elevada viscosidade a baixas concentrações de nanocelulose. Isto torna a nanocelulose um aditivo muito interessante como modificador de reologia, estabilizador e agente gelificante para diversas aplicações, por exemplo, nas indústrias de revestimentos, papel ou alimentar. Para manifestar as suas propriedades únicas, a nanocelulose tem de ser
A dispersão ultrassónica é o método ideal para obter nanocelulose de pequenas dimensões, dispersa em unidades individuais. Como a nanocelulose apresenta uma acentuada diminuição da viscosidade com o cisalhamento, os ultrassons de potência são a tecnologia preferível para formular suspensões de nanocelulose, uma vez que o acoplamento de ultrassons de alta potência aos líquidos cria forças extremas de cisalhamento.
Clique aqui para saber mais sobre a cavitação ultrassónica em líquidos!
Após a síntese de celulose nanocristalina, a nanocelulose é frequentemente dispersa por ultrassons num meio líquido, por exemplo, num solvente apolar ou polar, como a dimetilformamida (DMF), para formular um produto final (por exemplo, nanocompósitos, modificadores de reologia, etc.). Como as CNF são utilizadas como aditivos em múltiplas formulações, é crucial uma dispersão fiável. A sonicação produz fibrilas estáveis e uniformemente dispersas.

Auto-organização ultrassónica de nanocristais de celulose

A sonicação desempenha um papel facilitador importante na síntese e no processamento de nanocristais de celulose (CNC), ao desagregar agregados resultantes da hidrólise, dispersar feixes e produzir suspensões mais uniformes com interações reprodutíveis entre partículas. Embora os CNC sejam normalmente gerados por hidrólise ácida, o material resultante contém frequentemente domínios agrupados que podem dificultar uma auto-organização fiável e provocar variabilidade entre lotes na reologia e nas propriedades óticas. A aplicação de energia ultrassónica controlada após a síntese melhora a qualidade da dispersão e ajuda a padronizar a morfologia dos CNC, o que é fundamental para uma ordenação colestérica consistente, um comportamento de gelificação previsível e um fabrico escalável de materiais funcionais à base de CNC. Saiba mais sobre a auto-organização de CNC promovida por ultrassons!

Desidratação de nanofibras de celulose melhorada por ultrassons

A desidratação de nanofibras de celulose melhorada por ultrassons é uma técnica de vanguarda que aumenta significativamente a eficiência da remoção de água – tornando as nanofibras de celulose um aditivo altamente atrativo para a produção de nanopapel. As fibras de nanocelulose requerem normalmente uma desidratação demorada devido à sua elevada capacidade de retenção de água. A aplicação de ondas ultrassónicas acelera este processo através da geração de forças intensas de cavitação, que desestruturam a matriz de água e facilitam uma expulsão de água mais rápida e uniforme. Isto não só reduz o tempo de secagem, como também melhora a integridade estrutural e as propriedades mecânicas das nanofibras de celulose resultantes, tornando este método altamente eficaz na produção de nanopapéis de elevada qualidade e de outros nanomateriais.
Saiba mais sobre a desidratação ultrassónica de nanopapel!

Produção industrial de nanocelulose com ultrassons de potência

A Hielscher Ultrasonics oferece uma gama abrangente de soluções ultrassónicas potentes e fiáveis, desde pequenos sonicadores à escala laboratorial até sistemas industriais de grande escala, ideais para o processamento comercial de nanocelulose. A principal vantagem dos sonicadores industriais de sonda Hielscher reside na sua capacidade de proporcionar condições ultrassónicas ótimas através dos seus sonorreatores de fluxo contínuo, disponíveis em vários tamanhos e geometrias. Estes reatores asseguram que a energia ultrassónica é aplicada de forma consistente e uniforme ao material celulósico, conduzindo a resultados de processamento superiores.

Os sonicadores de bancada Hielscher, como o UIP1000hdT, o UIP2000hdT e o UIP4000hdT, são capazes de produzir vários quilogramas de nanocelulose por dia, sendo adequados às necessidades de produção de média escala. Para a produção comercial em grande escala, as unidades totalmente industriais, como o UIP10000 e o UIP16000hdT, podem processar caudais mássicos elevados, permitindo a produção eficiente de grandes volumes de nanocelulose.

Uma das vantagens mais significativas dos sistemas ultrassónicos Hielscher é a sua escalabilidade linear. Tanto os sonicadores de bancada como os industriais podem ser instalados em conjuntos, proporcionando uma capacidade de processamento praticamente ilimitada, o que os torna uma escolha ideal para operações que exigem elevada capacidade de processamento e desempenho fiável na produção de nanocelulose.