Ускоренное обезвоживание нановолокон целлюлозы для производства бумаги

Ультразвук в сочетании с модификацией молочной кислотой (ЛК) является экологически чистым подходом к ускорению процесса обезвоживания нановолокон целлюлозы (КНФ) для производства бумаги. Нановолокна целлюлозы известны своей высокой водоудерживающей способностью, что приводит к значительным задержкам в процессе дренажа, что является критическим этапом в приготовлении нанобумаги и других применениях наноцеллюлозы. Метод сокращает время дренирования на 75%, с 45 минут до 10 минут, за счет этерификации гидроксильных групп целлюлозы молочной кислотой под ультразвуковой обработкой. Эта модификация также снижает вязкость суспензии и оказывается промышленно масштабируемой, предлагая практическое решение для повышения эффективности и скорости производства продуктов на основе целлюлозного нановолокна.

Быстрое обезвоживание нановолокон молочной кислоты из модифицированной целлюлозы под давлением ультразвука
(Исследование и изображение: ©Sethi et al., 2018)

Повышенная эффективность обезвоживания нановолокон целлюлозы за счет ультразвуковой модификации молочной кислотой

Нановолокна целлюлозы (CNF) известны своими многочисленными преимуществами в производстве бумаги, такими как повышение прочности и изменение реологии. Тем не менее, одним существенным недостатком является чрезмерное количество времени, необходимое для слива воды из суспензий нановолокон целлюлозы, что является критическим этапом в подготовке нанобумаги. Эта проблема не только влияет на производство нанобумаги, но и препятствует промышленной переработке наноцеллюлозы в другие готовые продукты. Длительное время дренажа в первую очередь связано с высокой способностью нановолокон целлюлозы удерживать воду, что является узким местом в коммерциализации продуктов, полученных из нановолокон целлюлозы.
Ниже мы представляем вам результаты научного исследования Sethi и коллег (2018), которые разработали ультразвуковую модификацию нановолокон целлюлозы на основе молочной кислоты, которая приводит к более быстрому обезвоживанию CNF на 75% и улучшению функциональности материала.

Ультразвуковая модификация нановолокон целлюлозы молочной кислотой

Для решения этой проблемы был разработан экологически чистый подход на водной основе, включающий энергию ультразвука и молочную кислоту (ЛК) для изменения поверхности нановолокон целлюлозы. Этот метод значительно ускоряет процесс обезвоживания, сокращая время дренажа до 75%.
Процесс модификации включает разбавление суспензий нановолокна целлюлозы до концентрации 0,35 мас.% и добавление молочной кислоты в различных количествах относительно сухого содержания нановолокна целлюлозы (в 0,5 раза, в 1, 5 и в 10 раз от сухого содержания нановолокна целлюлозы в суспензии). Нановолокна, воду и молочную кислоту смешивают с помощью высокоскоростной мешалки при 1500 об/мин в течение 5 минут, а затем обрабатывают ультразвуком с помощью ультразвукового аппарата Hielscher UP400S, оснащенного титановым наконечником (диаметром 22 мм). Ультразвуковая обработка проводится на различных энергетических уровнях, с максимальной подаваемой энергией 600 Дж/мл, что соответствует 10 минутам ультразвуковой обработки.

Влияние на время осушения

Модификация ультразвуковой молочной кислотой оказывает глубокое влияние на время дренирования суспензий нановолокна целлюлозы. Обезвоживание эталонной суспензии занимает около 45 минут. После модификации молочной кислоты с помощью ультразвука это время сокращается до 10 минут, что представляет собой улучшение на 75%. Даже при слабой ультразвуковой обработке (5 Дж/мл) время слива сокращается вдвое до 23 минут. Время осушения уменьшается с увеличением энергии ультразвука, в конечном итоге достигая плато примерно через 10 минут.
Это улучшение связано с заменой гидрофильных гидроксильных групп целлюлозы на гидрофобные фрагменты молочной кислоты. Гидроксильные группы в первую очередь отвечают за высокую задержку воды. Молочная кислота со своей карбоновой группой может участвовать в реакции этерификации с гидроксильными группами целлюлозы при ультразвуковой обработке. Ультразвуковая обработка создает мельчайшие вакуумные полости в жидкой среде, которые разрушаются, создавая экстремальные условия (температура 5000 К и давление 1000 атм), достаточные для индуцирования химических реакций, включая этерификацию.

Зависимость энергии ультразвука от времени стекания (в минутах) для подготовки нанобумаги (соответствует образцу CNF(1)LA).
100 Дж/мл энергии ультразвуковой обработки соответствует 100 секундам ультразвуковой обработки и т.д.
(Исследование и изображение: ©Sethi et al., 2018)

Снижение вязкости суспензий нановолокон целлюлозы

Энергия ультразвука также способствует снижению вязкости суспензий нановолокон целлюлозы. Вязкость обратно пропорциональна энергии ультразвука, при этом самая низкая вязкость наблюдается на уровне 600 Дж/мл, за ней следуют 300 Дж/мл и 60 Дж/мл. Такое снижение вязкости способствует повышению эффективности обезвоживания.

Промышленная значимость ультразвуковой модификации нановолокна целлюлозы

Метод ультразвуковой модификации молочной кислотой не только эффективен, но и совместим с промышленным применением. Современные ультразвуковые аппараты Hielscher, способные обрабатывать большие объемы данных, могут эффективно справиться с этой задачей, что делает этот метод подходящим для крупномасштабных операций.
Кроме того, этот подход позволяет добавлять до 10 мас.% целлюлозного нановолокна в бумажные листы, при этом обезвоживание завершается всего за 2 минуты, по сравнению с 23 минутами для немодифицированных целлюлозных нановолокон. Это значительное усовершенствование может произвести революцию в использовании целлюлозных нановолокон в производстве бумаги, преодолев одно из основных препятствий на пути их коммерциализации.

Ультразвуковые аппараты для производства нановолокон целлюлозы и бумаги

В таблице ниже приведена приблизительная вычислительная мощность наших ультразвуковых аппаратов зондового типа:

Проектирование, производство и консалтинг – Качество «Сделано в Германии»

Ультразвуковые аппараты Hielscher хорошо известны своими высочайшими стандартами качества и дизайна. Надежность и простота в эксплуатации позволяют без проблем интегрировать наши ультразвуковые аппараты в промышленные объекты. Ультразвуковые аппараты Hielscher легко справляются с суровыми условиями и требовательными условиями окружающей среды.

Hielscher Ultrasonics является компанией, сертифицированной по стандарту ISO, и уделяет особое внимание высокопроизводительным ультразвуковым аппаратам, отличающимся самыми современными технологиями и удобством в использовании. Конечно, ультразвуковые аппараты Hielscher соответствуют требованиям CE и соответствуют требованиям UL, CSA и RoHs.