Producția cu ultrasunete a celulozei nanostructurate

Nanoceluloza, un aditiv remarcabil de înaltă performanță, a câștigat importanță datorită aplicațiilor sale versatile ca modificator de reologie, agent de ranforsare și componentă cheie în diverse materiale avansate. Aceste fibrile nanostructurate, obținute din orice sursă care conține celuloză, pot fi izolate eficient prin omogenizare și măcinare cu ultrasunete de mare putere. Acest proces, cunoscut sub numele de sonicare, intensifică semnificativ fibrilarea, ceea ce duce la un randament mai mare de nanoceluloză și produce fibre mai fine și mai subțiri. Tehnologia cu ultrasunete depășește metodele convenționale de fabricație datorită capacității sale de a genera forțe extreme de forfecare ridicată prin cavitație, ceea ce o face un instrument excepțional pentru producția de nanoceluloză.

Fabricarea nanocelulozei cu ultrasunete

Ultrasunetele de mare putere contribuie la extracția și izolarea micro- și nanocelulozei din diverse surse de materiale celulozice, cum ar fi lemnul, fibrele lignocelulozice (fibre de pastă celulozică) și reziduurile care conțin celuloză.
Pentru a elibera fibrele vegetale din materialul sursă, măcinarea și omogenizarea cu ultrasunete reprezintă o metodă puternică și fiabilă, care permite procesarea unor volume foarte mari. Pasta este introdusă într-un sonoreactor în linie, unde forțele de forfecare ridicată generate de ultrasunete distrug structura celulară a biomasei, astfel încât materialul fibrilar devine disponibil.

Figura 1 de mai jos prezintă o imagine TEM a bumbacului „Never Dried Cotton” (NDC) supus hidrolizei enzimatice și sonicat cu un sonicator cu sondă Hielscher UP400S timp de 20 de minute.
[Bittencourt et al. 2008]

Figura 2 de mai jos prezintă o imagine SEM a unui film de viscoză supus hidrolizei enzimatice, urmată de sonicare cu sonicatorul Hielscher, modelul UP400S.
[Bittencourt et al. 2008]

Procesarea nanocelulozei cu ultrasunete poate fi, de asemenea, combinată cu succes cu tratamentul fibrelor prin oxidare TEMPO. În procesul TEMPO, nanofibrele de celuloză sunt produse printr-un sistem de oxidare care utilizează 2,2,6,6-tetrametilpiperidinil-1-oxil (TEMPO) drept catalizator, precum și bromură de sodiu (NaBr) și hipoclorit de sodiu (NaOCl). Cercetările au demonstrat că eficiența oxidării este îmbunătățită semnificativ atunci când oxidarea se desfășoară sub iradiere cu ultrasunete.

Dispersarea nanocelulozei cu ultrasunete

Dispersiile de nanoceluloză prezintă un comportament reologic extraordinar datorită vâscozității ridicate la concentrații scăzute de nanoceluloză. Acest lucru face din nanoceluloză un aditiv foarte interesant ca modificator reologic, stabilizator și agent de gelifiere pentru diverse aplicații, de exemplu în industria acoperirilor, a hârtiei sau în industria alimentară. Pentru a-și manifesta proprietățile unice, nanoceluloza trebuie să fie
Dispersarea cu ultrasunete este metoda ideală pentru a obține nanoceluloză de dimensiuni fine, dispersată sub formă de unități individuale. Deoarece nanoceluloza prezintă o fluidizare pronunțată la forfecare, ultrasunetele de putere reprezintă tehnologia preferabilă pentru formularea suspensiilor nanocelulozice, deoarece cuplarea ultrasunetelor de mare putere în lichide creează forțe de forfecare extreme.
Faceți clic aici pentru a afla mai multe despre cavitația ultrasonică în lichide!
După sinteza celulozei nanocristaline, nanoceluloza este adesea dispersată cu ultrasunete într-un mediu lichid, de exemplu un solvent nepolar sau polar, cum ar fi dimetilformamida (DMF), pentru a formula un produs final (de exemplu nanocompozite, modificatori reologici etc.). Deoarece CNF sunt utilizate ca aditivi în numeroase formulări, o dispersare fiabilă este esențială. Ultrasonicarea produce fibrile stabile și dispersate uniform.

Autoasamblarea nanocristalelor de celuloză cu ajutorul ultrasunetelor

Ultrasonicarea joacă un rol important de facilitare în sinteza și procesarea nanocristalelor de celuloză (CNC), prin fragmentarea agregatelor rezultate din hidroliză, dispersarea mănunchiurilor și obținerea unor suspensii mai uniforme, cu interacțiuni reproductibile între particule. Deși CNC sunt obținute de obicei prin hidroliză acidă, materialul rezultat conține adesea domenii aglomerate care pot împiedica o autoasamblare fiabilă și pot duce la variabilitate de la lot la lot a reologiei și a proprietăților optice. Aplicarea controlată a energiei ultrasonice după sinteză îmbunătățește calitatea dispersiei și contribuie la standardizarea morfologiei CNC, aspect esențial pentru o ordonare colesterică consecventă, un comportament previzibil de gelifiere și o fabricație scalabilă a materialelor funcționale pe bază de CNC. Aflați mai multe despre autoasamblarea CNC promovată cu ultrasunete!

Deshidratarea îmbunătățită cu ultrasunete a nanofibrelor de celuloză

Deshidratarea intensificată cu ultrasunete a nanofibrelor de celuloză este o tehnică de ultimă generație care îmbunătățește semnificativ eficiența eliminării apei – ceea ce face din nanofibrele de celuloză un aditiv foarte atractiv pentru producția de nanohârtie. Fibrele de nanoceluloză necesită de obicei o deshidratare de durată, din cauza capacității lor ridicate de retenție a apei. Prin aplicarea undelor ultrasonice, acest proces este accelerat prin generarea unor forțe intense de cavitație, care perturbă matricea de apă și facilitează o eliminare mai rapidă și mai uniformă a apei. Acest lucru nu numai că reduce timpul de uscare, dar îmbunătățește și integritatea structurală și proprietățile mecanice ale nanofibrelor de celuloză rezultate, făcând din aceasta o metodă foarte eficientă în producția de nanohârtii de înaltă calitate și de alte nanomateriale.
Aflați mai multe despre deshidratarea nanohârtiei cu ultrasunete!

Producția industrială de nanoceluloză cu ultrasunete de putere

Hielscher Ultrasonics oferă o gamă completă de soluții ultrasonice puternice și fiabile, de la ultrasonicatoare mici, la scară de laborator, până la sisteme industriale de mare capacitate, ideale pentru procesarea comercială a nanocelulozei. Avantajul cheie al sonicatoarelor industriale cu sondă Hielscher constă în capacitatea lor de a asigura condiții ultrasonice optime prin intermediul sonoreactoarelor cu flux continuu, disponibile în diverse dimensiuni și geometrii. Aceste reactoare asigură aplicarea constantă și uniformă a energiei ultrasonice asupra materialului celulozic, ceea ce conduce la rezultate superioare ale procesării.

Sonicatoarele de banc Hielscher, precum UIP1000hdT, UIP2000hdT și UIP4000hdT, pot produce zilnic câteva kilograme de nanoceluloză, fiind potrivite pentru necesitățile de producție la scară medie. Pentru producția comercială la scară mare, unitățile industriale complete, precum UIP10000 și UIP16000hdT, pot gestiona fluxuri masice extinse, permițând producția eficientă a unor volume mari de nanoceluloză.

Unul dintre cele mai semnificative avantaje ale sistemelor ultrasonice Hielscher este scalabilitatea lor liniară. Atât ultrasonicatoarele de banc, cât și cele industriale pot fi instalate în clustere, oferind o capacitate de procesare practic nelimitată, ceea ce le face o alegere ideală pentru operațiunile care necesită un volum ridicat de procesare și performanțe fiabile în producția de nanoceluloză.