Producția cu ultrasunete de celuloză nano-structurată

Nanoceluloza, un aditiv remarcabil de înaltă performanță, a câștigat proeminență pentru aplicațiile sale versatile ca modificator reologic, agent de armare și componentă cheie în diverse materiale avansate. Aceste fibrile nanostructurate, derivate 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, îmbunătățește semnificativ fibrilația, rezultând un randament mai mare de nanoceluloză și producând fibre mai fine și mai subțiri. Tehnologia cu ultrasunete depășește metodele convenționale de fabricație, datorită capacității sale de a genera forțe de forfecare cavitaționale extreme, făcându-l un instrument excepțional pentru producția de nanoceluloză.

Fabricarea cu ultrasunete de nanoceluloză

Ultrasonics de mare putere contribuie la extracția și izolarea micro- și nano-celuloză din diferite surse de materiale celulozice, ar fi lemn, fibre lignocelulozice (fibre de celuloză), și reziduuri care conțin celuloză.
Pentru a elibera fibrele vegetale din materialul sursă, ultrasunete Slefuire și Omogenizarea este o metodă puternică și fiabilă, care permite procesarea unor volume foarte mari. Pulpa este alimentată într-un sonoreactor inline, unde forțele de forfecare cu ultrasunete sparg structura celulară a biomasei, astfel încât materia fibrilară devine disponibilă.

Figura 1 de mai jos prezintă o imagine TEM a “Bumbac niciodată uscat” (NDC) supuse hidrolizei enzimatice și sonicate cu un Sonicator de tip 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 model UP400S.
[Bittencourt et al. 2008]

Prelucrarea nanocelulozei cu ultrasunete poate fi, de asemenea, combinată cu succes cu tratamentul cu fibre oxidate 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 și bromură de sodiu (NaBr) și hipoclorit de sodiu (NaOCl). Cercetările au dovedit că eficiența oxidării este îmbunătățită semnificativ atunci când oxidarea se desfășoară sub iradiere cu ultrasunete.

Dispersia cu ultrasunete a nanocelulozei

Dispersiile nanocelulozei demonstrează un comportament reologic extraordinar datorită vâscozității sale ridicate la concentrații scăzute de nanoceluloză. Acest lucru face ca nanoceluloza să fie un aditiv foarte interesant ca modificator reologic, stabilizator și gelifiant pentru diverse aplicații, de exemplu în industria de acoperire, hârtie sau alimentară. Pentru a-și exprima proprietățile unice, nanoceluloza trebuie să fie
Dispersarea cu ultrasunete este metoda ideală pentru a obține nanoceluloză de dimensiuni fine, dispersată singur. Deoarece nanoceluloza este foarte subțiată, ultrasunetele de putere sunt tehnologia preferabilă pentru a formula suspensii nanocelulozice, deoarece cuplarea ultrasunetelor de mare putere în lichide creează forțe extreme de forfecare.
Click aici pentru a afla mai multe despre cavitație cu ultrasunete 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, modificator reologic etc.) Deoarece CNF-urile sunt utilizate ca aditivi în formulările multiple, o dispersie fiabilă este crucială. Ultrasunetele produc fibrile stabile și uniform dispersate.

Deshidratarea îmbunătățită cu ultrasunete a nanofibrelor de celuloză

Deshidratarea îmbunătățită cu ultrasunete a nanofibrelor de celuloză este o tehnică de ultimă oră care îmbunătățește semnificativ eficiența eliminării apei – făcând din nanofibrele de celuloză un aditiv extrem de atractiv pentru producția de nanohârtie. Fibrele de nanoceluloză necesită de obicei o deshidratare intensivă din cauza capacității sale mari de retenție a apei. Prin aplicarea undelor ultrasonice, acest proces este accelerat prin generarea de forțe cavitaționale intense, care perturbă matricea apei și facilitează expulzarea 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, făcându-l o metodă extrem de eficientă în producția de nanohârtii de înaltă calitate și alte nanomateriale.
Aflați mai multe despre deshidratarea cu ultrasunete a nanohârtiei!

Producția industrială de nanoceluloză folosind ultrasunete de putere

Hielscher Ultrasonics oferă o gamă cuprinzătoare de soluții cu ultrasunete puternice și fiabile, de la ultrasunete la scară mică de laborator până la sisteme industriale la scară largă, ideale pentru prelucrarea comercială a nanocelulozei. Avantajul cheie al sonicatoarelor industriale Hielscher constă în capacitatea lor de a oferi condiții ultrasonice optime prin intermediul actorilor lor sonori, care vin în diferite dimensiuni și geometrii. Aceste reactoare asigură că energia ultrasunetelor este aplicată în mod constant și uniform materialului celulolic, ceea ce duce la rezultate superioare de procesare.

Sonicatoarele de laborator Hielscher, cum ar fi UIP1000hdT, UIP2000hdT și UIP4000hdT, sunt capabile să producă câteva kilograme de nanoceluloză zilnic, făcându-le potrivite pentru nevoile de producție la scară medie. Pentru producția comercială la scară largă, unitățile industriale complete, cum ar fi UIP10000 și UIP16000hdT, pot gestiona fluxuri de masă extinse, permițând producția eficientă de volume mari de nanoceluloză.

Unul dintre cele mai semnificative avantaje ale sistemelor cu ultrasunete Hielscher este scalabilitatea lor liniară. Atât ultrasonicatoarele de laborator, cât și cele industriale pot fi instalate în clustere, oferind o capacitate de procesare practic nelimitată, făcându-le o alegere ideală pentru operațiuni care necesită un randament ridicat și performanțe fiabile în producția de nanoceluloză.