Deshidratarea accelerată a nanofibrelor de celuloză pentru producția de hârtie

Sonicare în combinație cu acid lactic (LA) modificarea este o abordare ecologică pentru a accelera procesul de deshidratare a nanofibrelor de celuloză (CNF) pentru producția de hârtie. Nanofibrele de celuloză sunt cunoscute pentru retenția lor ridicată de apă, provocând întârzieri semnificative în procesul de drenaj, un pas critic în prepararea nanohârtiei și alte aplicații de nanoceluloză. Metoda reduce timpul de scurgere cu 75%, de la 45 minute la 10 minute, prin esterificarea grupărilor hidroxil celuloză de acid lactic sub sonicare. Această modificare reduce, de asemenea, vâscozitatea suspensiei și se dovedește a fi scalabilă industrial, oferind o soluție practică pentru a spori eficiența și rata de producție a produselor pe bază de nanofibre de celuloză.

Deshidratarea rapidă a nanofibrelor de celuloză modificate cu acid lactic sub sonicare
(Studiu și imagine: ©Sethi și colab., 2018)

Eficiență îmbunătățită de deshidratare a nanofibrelor de celuloză prin modificarea cu ultrasunete a acidului lactic

Nanofibrele de celuloză (CNF) sunt celebrate pentru numeroasele lor beneficii în producția de hârtie, cum ar fi îmbunătățirea rezistenței și modificarea reologiei. Cu toate acestea, un dezavantaj semnificativ este cantitatea excesivă de timp necesară pentru scurgerea apei din suspensiile de nanofibre de celuloză, un pas critic în pregătirea nanolucrărilor. Această provocare nu numai că afectează producția de nanohârtie, ci și împiedică prelucrarea industrială a nanocelulozei în alte produse finite. Timpul prelungit de drenaj se datorează în primul rând retenției ridicate de apă de către nanofibrele de celuloză, care reprezintă un blocaj în comercializarea produselor derivate din nanofibre de celuloză.
Mai jos, vă prezentăm rezultatele unui studiu științific realizat de Sethi și colegii săi (2018), care au dezvoltat o modificare a acidului lactic asistat ultrasonically a nanofibrelor de celuloză, ceea ce duce la o deshidratare cu 75% mai rapidă a CNF-urilor și la îmbunătățirea funcționalităților materialelor.

Modificarea cu ultrasunete a nanofibrelor de celuloză cu acid lactic

Pentru a aborda această problemă, o abordare ecologică, pe bază de apă, care implică energia sonicare și acidul lactic (LA) a fost dezvoltat pentru a modifica suprafața nanofibrelor de celuloză. Această metodă accelerează semnificativ procesul de deshidratare, reducând timpul de drenaj cu până la 75%.
Procesul de modificare implică diluarea suspensiilor de nanofibre de celuloză la o concentrație de 0,35% în greutate și adăugarea de acid lactic în diferite cantități în raport cu conținutul uscat de nanofibre de celuloză (de 0,5 ori, 1 dată, de 5 ori și de 10 ori din conținutul uscat de nanofibre de celuloză în suspensie). Nanofibrele, apă și acid lactic sunt amestecate folosind un agitator de mare viteză la 1500 rpm timp de 5 minute și apoi sonicated cu un sonicator Hielscher UP400S echipat cu un vârf de titan (22 mm în diametru). Sonicare se desfășoară la diferite niveluri de energie, cu o energie maximă împărtășită de 600 J / ml, corespunzând la 10 minute de sonicare.

Impactul asupra timpului de scurgere

Modificarea cu ultrasunete-acid lactic are un impact profund asupra timpului de scurgere a suspensiilor de nanofibre de celuloză. Suspensia de referință durează aproximativ 45 de minute pentru deshidratare. După modificarea acidului lactic asistat sonicare, acest timp este redus la 10 minute, reprezentând o îmbunătățire de 75%. Chiar și cu sonicare ușoară (5 J / ml), timpul de scurgere este redus la jumătate la 23 de minute. Timpul de scurgere scade cu creșterea energiei sonicare, ajungând în cele din urmă la un platou la aproximativ 10 minute.
Această îmbunătățire este atribuită înlocuirii grupărilor hidroxil hidrofile de celuloză cu fracțiuni hidrofobe de acid lactic. Grupările hidroxil sunt în primul rând responsabile pentru retenția ridicată a apei. Acidul lactic, cu gruparea sa carboxilică, poate participa la o reacție de esterificare cu grupările hidroxil de celuloză sub sonicare. Sonicare creează cavități minuscule de vid în mediul lichid, care se prăbușesc pentru a produce condiții extreme (temperatura 5000 K și presiunea de 1000 atm), suficient pentru a induce reacții chimice, inclusiv esterificare.

Energia sonicare vs timpul de scurgere (în minute) pentru prepararea nanohârtiei (corespunzătoare probei CNF (1) LA).
100 J / ml de energie sonicare corespunde la 100 secunde de sonicare, etc.
(Studiu și imagine: ©Sethi și colab., 2018)

Reducerea vâscozității suspensiilor de nanofibre de celuloză

Energia sonicare contribuie, de asemenea, la o scădere a vâscozității suspensiilor de nanofibre de celuloză. Vâscozitatea este invers proporțională cu energia sonicare, cu cea mai mică vâscozitate observată la 600 J / ml, urmată de 300 J / ml și 60 J / ml. Această reducere a vâscozității ajută în continuare la îmbunătățirea eficienței de deshidratare.

Relevanța industrială a modificării nanofibrelor de celuloză cu ultrasunete

Metoda de modificare a acidului lactic cu ultrasunete nu este numai eficientă, ci și compatibilă cu aplicațiile industriale. Hielscher sonicators de ultimă generație capabil să manipuleze procesarea cu volum mare poate finaliza eficient sarcina, făcând această metodă potrivită pentru operațiuni la scară largă.
În plus, această abordare permite încorporarea a până la 10% wt.% nanofibră de celuloză în foi de hârtie, cu deshidratarea finalizată în doar 2 minute, comparativ cu 23 de minute pentru nanofibrele de celuloză nemodificate. Această îmbunătățire semnificativă poate revoluționa utilizarea nanofibrelor de celuloză în fabricarea hârtiei, depășind unul dintre obstacolele majore în comercializarea lor.

Sonicatoare pentru nanofibre de celuloză și producția de hârtie

Tabelul de mai jos vă oferă o indicație a capacității aproximative de procesare a sonicatoarelor noastre de tip sondă:

Proiectare, fabricație și consultanță – Calitate Made in Germany

Hielscher ultrasonicators sunt bine-cunoscute pentru cele mai înalte standarde de calitate și design. Robustețea și funcționarea ușoară permit integrarea fără probleme a ultrasonicators noastre în instalații industriale. Condiții dure și medii solicitante sunt ușor de manipulat de ultrasonicators Hielscher.

Hielscher Ultrasonics este o companie certificată ISO și pune un accent deosebit pe ultrasonicators de înaltă performanță cu tehnologie de ultimă oră și ușurință în utilizare. Desigur, ultrasonicators Hielscher sunt conforme CE și îndeplinesc cerințele UL, CSA și RoHs.