Ускоренное обезвоживание целлюлозных нановолокон для производства бумаги

Обработка ультразвуком в сочетании с модификацией молочной кислотой (LA) представляет собой экологически безопасный подход к ускорению обезвоживания целлюлозных нановолокон (CNF) для производства бумаги. Целлюлозные нановолокна известны своей высокой водоудерживающей способностью, которая значительно замедляет удаление воды – важнейший этап изготовления нанобумаги и других процессов с использованием наноцеллюлозы. Метод сокращает время удаления воды на 75%, с 45 минут до 10 минут, благодаря этерификации гидроксильных групп целлюлозы молочной кислотой при обработке ультразвуком. Такая модификация также снижает вязкость суспензии и допускает масштабирование до промышленного уровня, предлагая практическое решение для повышения эффективности и скорости производства изделий на основе целлюлозных нановолокон.

Быстрое обезвоживание целлюлозных нановолокон, модифицированных молочной кислотой при обработке ультразвуком
(Исследование и изображение: ©Sethi et al., 2018)

Повышение эффективности обезвоживания целлюлозных нановолокон посредством модификации молочной кислотой с применением ультразвука

Целлюлозные нановолокна (CNF) ценятся за многочисленные преимущества в производстве бумаги, такие как повышение прочности и изменение реологических свойств. Однако одним из существенных недостатков является чрезмерно длительное удаление воды из суспензий целлюлозных нановолокон – важнейший этап изготовления нанобумаги. Эта проблема влияет не только на производство нанобумаги, но и затрудняет промышленную переработку наноцеллюлозы в другие готовые изделия. Длительное удаление воды обусловлено прежде всего высокой водоудерживающей способностью целлюлозных нановолокон, которая становится узким местом при коммерциализации изделий на их основе.
Ниже мы представляем результаты научного исследования Sethi и коллег (2018), разработавших модификацию целлюлозных нановолокон молочной кислотой с применением ультразвука, которая обеспечивает обезвоживание CNF на 75% быстрее и улучшает функциональные свойства материала.

Модификация целлюлозных нановолокон молочной кислотой с применением ультразвука

Для решения этой проблемы был разработан экологически безопасный подход на водной основе, использующий энергию обработки ультразвуком и молочную кислоту (LA) для модификации поверхности целлюлозных нановолокон. Этот метод значительно ускоряет обезвоживание, сокращая время удаления воды на величину до 75%.
Процесс модификации включает разбавление суспензий целлюлозных нановолокон до концентрации 0,35 wt.% и добавление молочной кислоты в различных количествах относительно содержания сухих целлюлозных нановолокон (в количествах, равных 0,5-кратному, 1-кратному, 5-кратному и 10-кратному содержанию сухих целлюлозных нановолокон в суспензии). Нановолокна, воду и молочную кислоту смешивают высокоскоростной мешалкой при 1500 rpm в течение 5 минут, а затем обрабатывают ультразвуком с помощью аппарата Hielscher UP400S, оснащённого титановым наконечником диаметром 22 mm. Обработку ультразвуком проводят при различных уровнях энергии; максимальная переданная энергия составляет 600 J/ml, что соответствует 10 минутам обработки ультразвуком.

Влияние на время удаления воды

Модификация молочной кислотой с применением ультразвука оказывает значительное влияние на время удаления воды из суспензий целлюлозных нановолокон. Для обезвоживания контрольной суспензии требуется приблизительно 45 минут. После модификации молочной кислотой с применением ультразвука это время сокращается до 10 минут, что соответствует улучшению на 75%. Даже при мягкой обработке ультразвуком (5 J/ml) время удаления воды сокращается вдвое, до 23 минут. С увеличением энергии обработки ультразвуком время удаления воды уменьшается и в конечном итоге выходит на плато примерно на уровне 10 минут.
Это улучшение объясняется замещением гидрофильных гидроксильных групп целлюлозы гидрофобными фрагментами молочной кислоты. Именно гидроксильные группы в основном отвечают за высокую водоудерживающую способность. Молочная кислота благодаря своей карбоксильной группе может участвовать в реакции этерификации с гидроксильными группами целлюлозы при обработке ультразвуком. Обработка ультразвуком создаёт в жидкой среде мельчайшие вакуумные полости, схлопывание которых создаёт экстремальные условия (температуру 5000 K и давление 1000 atm), достаточные для инициирования химических реакций, включая этерификацию.

Зависимость времени удаления воды (в минутах) от энергии обработки ультразвуком при изготовлении нанобумаги (для образца CNF(1)LA).
Энергия обработки ультразвуком 100 J/ml соответствует 100 секундам обработки ультразвуком и т. д.
(Исследование и изображение: ©Sethi et al., 2018)

Снижение вязкости суспензий целлюлозных нановолокон

Энергия обработки ультразвуком также способствует снижению вязкости суспензий целлюлозных нановолокон. Вязкость обратно пропорциональна энергии обработки ультразвуком: наименьшая вязкость наблюдается при 600 J/ml, далее следуют 300 J/ml и 60 J/ml. Такое снижение вязкости дополнительно способствует повышению эффективности обезвоживания.

Промышленная значимость модификации целлюлозных нановолокон с применением ультразвука

Метод модификации молочной кислотой с применением ультразвука не только эффективен, но и пригоден для промышленного применения. Современные ультразвуковые аппараты Hielscher, способные обрабатывать большие объёмы, эффективно справляются с этой задачей, что делает метод подходящим для крупномасштабного производства.
Кроме того, этот подход позволяет вводить в бумажные листы до 10 wt.% целлюлозных нановолокон, причём обезвоживание завершается всего за 2 минуты по сравнению с 23 минутами для немодифицированных целлюлозных нановолокон. Это значительное улучшение может коренным образом изменить использование целлюлозных нановолокон в производстве бумаги, устранив одно из основных препятствий для их коммерциализации.

Ультразвуковые аппараты для целлюлозных нановолокон и производства бумаги

Приведённая ниже таблица даёт представление о приблизительной производительности наших ультразвуковых аппаратов зондового типа:

Проектирование, производство и консультирование – качество, произведённое в Германии

Ультразвуковые аппараты Hielscher широко известны высочайшими стандартами качества и проектирования. Прочность и простота эксплуатации позволяют без затруднений интегрировать наши ультразвуковые аппараты в промышленные установки. Ультразвуковые аппараты Hielscher легко справляются с тяжёлыми условиями эксплуатации и требовательной производственной средой.

Hielscher Ultrasonics – компания, сертифицированная по ISO, которая уделяет особое внимание высокопроизводительным ультразвуковым аппаратам, отличающимся самыми современными технологиями и удобством использования. Разумеется, ультразвуковые аппараты Hielscher соответствуют требованиям CE и отвечают требованиям UL, CSA и RoHs.