Deshidratarea accelerată a nanofibrelor de celuloză pentru producția de hârtie

Sonicarea în combinație cu modificarea cu acid lactic (LA) este o abordare ecologică pentru accelerarea procesului de deshidratare a nanofibrelor de celuloză (CNF) pentru producția de hârtie. Nanofibrele de celuloză sunt cunoscute pentru retenția lor ridicată de apă, care provoacă întârzieri semnificative în procesul de drenare, o etapă critică în prepararea nanohârtiei și în alte aplicații ale nanocelulozei. Metoda reduce timpul de drenare cu 75%, de la 45 de minute la 10 minute, prin esterificarea grupărilor hidroxil ale celulozei de către acidul lactic sub sonicare. Această modificare reduce, de asemenea, vâscozitatea suspensiei și se dovedește a fi scalabilă la nivel industrial, oferind o soluție practică pentru creșterea eficienței și a ratei 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 et al., 2018)

Eficiență îmbunătățită a deshidratării nanofibrelor de celuloză prin modificare ultrasonică cu acid lactic

Nanofibrele de celuloză (CNF) sunt apreciate pentru numeroasele lor beneficii în producția de hârtie, cum ar fi creșterea rezistenței și modificarea reologiei. Totuși, un dezavantaj semnificativ este timpul excesiv necesar pentru drenarea apei din suspensiile de nanofibre de celuloză, o etapă critică în prepararea nanohârtiilor. Această provocare nu afectează doar producția de nanohârtie, ci împiedică și procesarea industrială a nanocelulozei în alte produse finite. Timpul prelungit de drenare se datorează în principal retenției ridicate de apă a nanofibrelor 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 colaboratorii săi (2018), care au dezvoltat o modificare cu acid lactic asistată de ultrasunete a nanofibrelor de celuloză, ce conduce la o deshidratare cu 75% mai rapidă a CNF și la funcționalități îmbunătățite ale materialului.

Modificarea ultrasonică a nanofibrelor de celuloză cu acid lactic

Pentru a rezolva această problemă, a fost dezvoltată o abordare ecologică, pe bază de apă, care implică energie de sonicare și acid lactic (LA), pentru modificarea suprafeței nanofibrelor de celuloză. Această metodă accelerează semnificativ procesul de deshidratare, reducând timpul de drenare cu până la 75%.
Procesul de modificare implică diluarea suspensiilor de nanofibre de celuloză până la o concentrație de 0,35% în greutate și adăugarea de acid lactic în diverse cantități raportate la conținutul uscat de nanofibre de celuloză (de 0,5 ori, 1 dată, de 5 ori și de 10 ori conținutul uscat de nanofibre de celuloză din suspensie). Nanofibrele, apa și acidul lactic sunt amestecate cu un agitator de mare viteză la 1500 rpm timp de 5 minute și apoi sonicate cu un sonicator Hielscher UP400S echipat cu un vârf din titan (22 mm în diametru). Sonicarea se efectuează la diferite niveluri de energie, cu o energie maximă transmisă de 600 J/ml, corespunzătoare unei durate de sonicare de 10 minute.

Impactul asupra timpului de drenare

Modificarea cu ultrasunete și acid lactic are un impact profund asupra timpului de drenare al suspensiilor de nanofibre de celuloză. Suspensia de referință necesită aproximativ 45 de minute pentru deshidratare. După modificarea cu acid lactic asistată de sonicare, acest timp se reduce la 10 minute, ceea ce reprezintă o îmbunătățire de 75%. Chiar și cu o sonicare blândă (5 J/ml), timpul de drenare se înjumătățește, ajungând la 23 de minute. Timpul de drenare scade odată cu creșterea energiei de sonicare, atingând în cele din urmă un platou la aproximativ 10 minute.
Această îmbunătățire este atribuită înlocuirii grupărilor hidroxil hidrofile ale celulozei cu fragmente hidrofobe ale acidului lactic. Grupările hidroxil sunt principalele responsabile pentru retenția ridicată a apei. Acidul lactic, prin gruparea sa carboxil, poate participa la o reacție de esterificare cu grupările hidroxil ale celulozei sub sonicare. Sonicarea creează cavități de vid minuscule în mediul lichid, care colapsează producând condiții extreme (temperatură de 5000 K și presiune de 1000 atm), suficiente pentru a induce reacții chimice, inclusiv esterificarea.

Energia de sonicare în raport cu timpul de drenare (în minute) pentru prepararea nanohârtiei (corespunzător probei CNF(1)LA).
100 J/ml de energie de sonicare corespund unei sonicări de 100 de secunde etc.
(Studiu și imagine: ©Sethi et al., 2018)

Reducerea vâscozității suspensiilor de nanofibre de celuloză

Energia de sonicare contribuie, de asemenea, la scăderea vâscozității suspensiilor de nanofibre de celuloză. Vâscozitatea este invers proporțională cu energia de sonicare, cea mai scăzută vâscozitate fiind observată la 600 J/ml, urmată de 300 J/ml și 60 J/ml. Această reducere a vâscozității contribuie suplimentar la îmbunătățirea eficienței deshidratării.

Relevanța industrială a modificării ultrasonice a nanofibrelor de celuloză

Metoda de modificare cu ultrasunete și acid lactic nu este doar eficientă, ci și compatibilă cu aplicațiile industriale. Sonicatoarele Hielscher de ultimă generație, capabile să gestioneze procesarea unor volume mari, pot îndeplini eficient această sarcină, ceea ce face ca metoda să fie potrivită pentru operațiuni la scară largă.
În plus, această abordare permite încorporarea a până la 10% în greutate nanofibre de celuloză în foile de hârtie, deshidratarea fiind 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 calea comercializării lor.

Sonicatoare pentru nanofibre de celuloză și producția de hârtie

Tabelul de mai jos vă oferă o indicație privind capacitatea aproximativă de procesare a sonicatoarelor noastre cu sondă:

Proiectare, fabricație și consultanță – Calitate Made in Germany

Ultrasonicatoarele Hielscher sunt bine cunoscute pentru cele mai înalte standarde de calitate și design. Robustețea și operarea ușoară permit integrarea fără probleme a ultrasonicatoarelor noastre în instalațiile industriale. Condițiile dificile și mediile solicitante sunt gestionate cu ușurință de ultrasonicatoarele Hielscher.

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