Produção ultrassônica de celulose nanoestruturada
A nanocelulose, um notável aditivo de alto desempenho, ganhou destaque por suas aplicações versáteis como modificador de reologia, agente de reforço e componente-chave em vários materiais avançados. Essas fibrilas nanoestruturadas, derivadas de qualquer fonte contendo celulose, podem ser isoladas com eficiência por meio de homogeneização e moagem ultrassônica de alta potência. Esse processo, conhecido como sonicação, aumenta significativamente a fibrilação, resultando em um maior rendimento de nanocelulose e produzindo fibras mais finas e finas. A tecnologia ultrassônica supera os métodos convencionais de fabricação, graças à sua capacidade de gerar altas forças de cisalhamento cavitacionais extremas, tornando-a uma ferramenta excepcional para a produção de nanocelulose.
Fabricação ultrassônica de nanocelulose
O ultrassom de alta potência contribui para a extração e isolamento de micro e nanocelulose de várias fontes de materiais celulósicos, como madeira, fibras lignocelulósicas (fibras de celulose) e resíduos contendo celulose.
Para liberar as fibras vegetais do material de origem, ultrassônico Esmerilhação e homogeneização é um método poderoso e confiável, que permite processar volumes muito grandes. A polpa é alimentada em um sonorreator em linha, onde as forças ultrassônicas de alto cisalhamento quebram a estrutura celular da biomassa para que a matéria fibrilosa fique disponível.
[Bittencourt et al. 2008]
A Figura 2 abaixo mostra uma imagem de MEV de um filme de viscose, submetido à hidrólise enzimática, seguida de sonicação com o sonicador Hielscher modelo UP400S.
[Bittencourt et al. 2008]
O processamento ultrassônico de nanocelulose também pode ser combinado com sucesso com o tratamento de fibra oxidada TEMPO. No processo TEMPO, as nanofibras de celulose são produzidas por um sistema de oxidação usando 2,2,6,6-tetrametilpiperidinil-1-oxil (TEMPO) como catalisador, e brometo de sódio (NaBr) e hipoclorito de sódio (NaOCl). A pesquisa provou que a eficiência da oxidação é significativamente melhorada quando a oxidação é conduzida sob irradiação ultrassônica.
Dispersão ultrassônica de nanocelulose
As dispersões de nanocelulose demonstram um comportamento reológico extraordinário devido à sua alta viscosidade em baixas concentrações de nanocelulose. Isso torna a nanocelulose um aditivo muito interessante como modificador reológico, estabilizador e gelante para várias aplicações, por exemplo, na indústria de revestimentos, papel ou alimentos. Para expressar suas propriedades únicas, a nanocelulose deve ser
A dispersão ultrassônica é o método ideal para obter nanocelulose de tamanho fino e dispersão única. Como a nanocelulose é altamente diluída, o ultrassom de potência é a tecnologia preferida para formular suspensões nanocelulósicas, pois o acoplamento do ultrassom de alta potência em líquidos cria forças de cisalhamento extremas.
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Após a síntese da celulose nanocristalina, a nanocelulose é frequentemente dispersa por ultrassom em um meio líquido, por exemplo, um solvente apolar ou polar, como a dimetilformamida (DMF), para formular um produto final (por exemplo, nanocompósitos, modificador reológico, etc.) Como os CNFs são usados como aditivos em formulações múltiplas, uma dispersão confiável é crucial. A ultrassonografia produz fibrilas estáveis e uniformemente dispersas.
Desidratação Ultrassonicamente Melhorada de Nanofibras de Celulose
A desidratação ultrassonicamente aprimorada de nanofibras de celulose é uma técnica de ponta que melhora significativamente a eficiência da remoção de água – tornando as nanofibras de celulose um aditivo altamente atraente para a produção de nanopapers. As fibras de nanocelulose normalmente requerem desidratação demorada devido à sua alta capacidade de retenção de água. Ao aplicar ondas ultrassônicas, esse processo é acelerado por meio da geração de intensas forças cavitacionais, que rompem a matriz hídrica e facilitam a expulsão de água mais rápida e uniforme. Isso não apenas reduz o tempo de secagem, mas também aumenta a integridade estrutural e as propriedades mecânicas das nanofibras de celulose resultantes, tornando-o um método altamente eficaz na produção de nanopapéis de alta qualidade e outros nanomateriais.
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Produção Industrial de Nanocelulose usando Ultrassom de Potência
A Hielscher Ultrasonics oferece uma gama abrangente de soluções ultrassônicas poderosas e confiáveis, desde pequenos ultrassônicos em escala laboratorial até sistemas industriais de grande escala, ideais para o processamento comercial de nanocelulose. A principal vantagem dos sonicadores industriais do tipo sonda Hielscher reside em sua capacidade de fornecer condições ultrassônicas ideais por meio de seus sonorreatores de fluxo, que vêm em vários tamanhos e geometrias. Esses reatores garantem que a energia do ultrassom seja aplicada de forma consistente e uniforme ao material de celulose, levando a resultados de processamento superiores.
Os sonicadores de bancada Hielscher, como o UIP1000hdT, UIP2000hdT e UIP4000hdT, são capazes de produzir vários quilos de nanocelulose diariamente, tornando-os adequados para necessidades de produção de médio porte. Para produção comercial em larga escala, as unidades industriais completas, como o UIP10000 e o UIP16000hdT, podem lidar com extensos fluxos de massa, permitindo a produção eficiente de grandes volumes de nanocelulose.
Uma das vantagens mais significativas dos sistemas ultrassônicos Hielscher é sua escalabilidade linear. Os ultrassônicos de bancada e industriais podem ser instalados em clusters, fornecendo capacidade de processamento virtualmente ilimitada, tornando-os a escolha ideal para operações que exigem alto rendimento e desempenho confiável na produção de nanocelulose.
- alto grau de fibrilação
- alto rendimento de nanocelulose
- fibras finas
- Fibras desembaraçadas
A tabela abaixo fornece uma indicação da capacidade aproximada de processamento de nossos ultrassônicos:
Volume do lote | Vazão | Dispositivos recomendados |
---|---|---|
0.5 a 1,5mL | n.a. | VialTweeter |
1 a 500mL | 10 a 200mL/min | UP100H |
10 a 2000mL | 20 a 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
0.1 a 20L | 0.2 a 4L/min | UIP2000hdT |
10 a 100L | 2 a 10L/min | UIP4000hdT |
15 a 150L | 3 a 15L/min | UIP6000hdT |
n.a. | 10 a 100L/min | UIP16000 |
n.a. | maior | cluster de UIP16000 |
O que é Nanocelulose?
A nanocelulose inclui diferentes tipos de nanofibras de celulose (CNF), que podem ser distinguidas em celulose microfibrilada (MFC), celulose nanocristalina (NCC) e nanocelulose bacteriana. Este último refere-se à celulose nanoestruturada produzida por bactérias.
A nanocelulose apresenta excelentes propriedades, como resistência e rigidez extraordinárias, alta cristalinidade, tixotropia, bem como uma alta concentração de grupo hidroxila em sua superfície. Muitas das características de alto desempenho da nanocelulose são causadas por sua alta relação superfície/massa.
As nanoceluloses são amplamente utilizadas em medicamentos e produtos farmacêuticos, eletrônicos, membranas, materiais porosos, papel e alimentos devido à sua disponibilidade, biocompatibilidade, degradabilidade biológica e sustentabilidade. Devido às suas características de alto desempenho, a nanocelulose é um material interessante para o reforço de plásticos, a melhoria das propriedades mecânicas de, por exemplo, resinas termoendurecíveis, matrizes à base de amido, proteína de soja, látex de borracha ou poli (lactídeo). Para aplicações compostas, a nanocelulose é usada para revestimentos e filmes, tintas, espumas, embalagens. Além disso, a nanocelulose é um componente promissor para a fabricação de aerogéis e espumas, seja em formulações homogêneas ou em compósitos.
Abreviações:
Celulose Nanocristalina (NCC)
Nanofibras de celulose (CNF)
Celulose Microfibrilada (MFC)
Bigodes de nanocelulose (NCW)
Nanocristais de celulose (CNC)
Literatura / Referências
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- E. Bittencourt, M. de Camargo (2011): Preliminary Studies on the Production of Nanofibrils of Cellulose from Never Dried Cotton, using Eco-friendly Enzymatic Hydrolysis and High-energy Sonication. 3rd Int’l. Workshop: Advances in Cleaner Production. Sao Paulo, Brazil, May 18th – 20th 2011.
- L. S. Blachechen, J. P. de Mesquita, E. L. de Paula, F. V. Pereira, D. F. S. Petri (2013): Interplay of colloidal stability of cellulose nanocrystals and their dispersibility in cellulose acetate butyrate matrix. Cellulose 2013.
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- http://en.wikipedia.org/wiki/Nanocellulose