Ультразвуковое производство наноструктурированной целлюлозы

Наноцеллюлоза – замечательная высокоэффективная добавка, получившая широкое признание благодаря разнообразным применениям в качестве модификатора реологических свойств, армирующего агента и ключевого компонента различных современных материалов. Эти наноструктурированные фибриллы, получаемые из любого целлюлозосодержащего сырья, можно эффективно выделять посредством мощной ультразвуковой гомогенизации и измельчения. Этот процесс, известный как обработка ультразвуком, значительно усиливает фибрилляцию, повышая выход наноцеллюлозы и обеспечивая получение более мелких и тонких волокон. Ультразвуковая технология превосходит традиционные методы производства благодаря способности создавать чрезвычайно высокие кавитационные силы сдвига, что делает её исключительным инструментом для производства наноцеллюлозы.

Ультразвуковое производство наноцеллюлозы

Мощный ультразвук способствует извлечению и выделению микро- и наноцеллюлозы из различных целлюлозных материалов, таких как древесина, лигноцеллюлозные волокна (волокна целлюлозной массы) и целлюлозосодержащие остатки.
Для высвобождения растительных волокон из исходного материала ультразвуковые измельчение и гомогенизация являются мощным и надёжным методом, позволяющим обрабатывать очень большие объёмы. Целлюлозная масса подаётся в ультразвуковой реактор, встроенный в технологическую линию, где высокие силы сдвига, создаваемые ультразвуком, разрушают клеточную структуру биомассы, высвобождая волокнистый материал.

На рисунке 1 ниже показано изображение, полученное методом просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ), «никогда не высушивавшегося хлопка» (NDC), подвергнутого ферментативному гидролизу и обработанного ультразвуком с помощью ультразвукового аппарата Hielscher зондового типа UP400S в течение 20 минут.
[Bittencourt et al. 2008]

На рисунке 2 ниже показано изображение вискозной плёнки, полученное методом сканирующей электронной микроскопии (СЭМ), после ферментативного гидролиза и последующей обработки ультразвуком с помощью ультразвукового аппарата Hielscher модели UP400S.
[Bittencourt et al. 2008]

Ультразвуковую обработку наноцеллюлозы также можно успешно сочетать с обработкой волокон, окисленных с помощью TEMPO. В процессе TEMPO целлюлозные нановолокна получают с помощью окислительной системы, использующей 2,2,6,6-tetramethylpiperidinyl-1-oxyl (TEMPO) в качестве катализатора, а также бромид натрия (NaBr) и гипохлорит натрия (NaOCl). Исследования доказали, что эффективность окисления значительно повышается, если оно проводится под воздействием ультразвука.

Ультразвуковое диспергирование наноцеллюлозы

Дисперсии наноцеллюлозы демонстрируют необычное реологическое поведение благодаря высокой вязкости при низких концентрациях наноцеллюлозы. Это делает наноцеллюлозу весьма интересной добавкой в качестве модификатора реологических свойств, стабилизатора и гелеобразователя для различных применений, например в производстве покрытий, бумажной или пищевой промышленности. Для проявления своих уникальных свойств наноцеллюлоза должна быть
Ультразвуковое диспергирование – идеальный метод получения мелкодисперсной наноцеллюлозы с индивидуально диспергированными частицами. Поскольку вязкость наноцеллюлозы сильно снижается при сдвиге, мощный ультразвук является предпочтительной технологией приготовления наноцеллюлозных суспензий: передача мощной ультразвуковой энергии в жидкости создаёт чрезвычайно высокие силы сдвига.
Нажмите здесь, чтобы узнать больше об ультразвуковой кавитации в жидкостях!
После синтеза нанокристаллической целлюлозы наноцеллюлозу часто диспергируют ультразвуком в жидкой среде, например в неполярном или полярном растворителе, таком как диметилформамид (DMF), для получения конечного продукта (например, нанокомпозитов, модификатора реологических свойств и т. д.). Поскольку целлюлозные нановолокна (CNF) используются в качестве добавок в самых разных составах, надёжное диспергирование имеет решающее значение. Обработка ультразвуком позволяет получать стабильные и равномерно диспергированные фибриллы.

Ультразвуковая самосборка нанокристаллов целлюлозы

Обработка ультразвуком играет важную роль в обеспечении синтеза и обработки нанокристаллов целлюлозы (CNC), разрушая агрегаты, образовавшиеся при гидролизе, диспергируя пучки и создавая более однородные суспензии с воспроизводимыми взаимодействиями частиц. Хотя CNC обычно получают кислотным гидролизом, полученный материал часто содержит области скопления частиц, которые могут препятствовать надёжной самосборке и приводить к различиям реологических и оптических свойств между партиями. Применение контролируемой ультразвуковой энергии после синтеза улучшает качество диспергирования и помогает стандартизировать морфологию CNC, что имеет решающее значение для стабильного холестерического упорядочения, предсказуемого гелеобразования и масштабируемого производства функциональных материалов на основе CNC. Узнайте больше о самосборке CNC, стимулируемой ультразвуком!

Улучшение обезвоживания целлюлозных нановолокон с помощью ультразвука

Обезвоживание целлюлозных нановолокон с помощью ультразвука – передовая технология, которая значительно повышает эффективность удаления воды, делая целлюлозные нановолокна весьма привлекательной добавкой для производства нанобумаги. Волокна наноцеллюлозы обычно требуют длительного обезвоживания из-за высокой водоудерживающей способности. Применение ультразвуковых волн ускоряет этот процесс благодаря созданию интенсивных кавитационных сил, которые разрушают водную матрицу и способствуют более быстрому и равномерному удалению воды. Это не только сокращает время сушки, но и улучшает структурную целостность и механические свойства получаемых целлюлозных нановолокон, что делает данный метод высокоэффективным при производстве высококачественной нанобумаги и других наноматериалов.
Узнайте больше об ультразвуковом обезвоживании нанобумаги!

Промышленное производство наноцеллюлозы с использованием мощного ультразвука

Hielscher Ultrasonics предлагает широкий ассортимент мощных и надёжных ультразвуковых решений – от небольших лабораторных ультразвуковых аппаратов до крупных промышленных систем, идеально подходящих для коммерческой переработки наноцеллюлозы. Ключевое преимущество промышленных ультразвуковых аппаратов Hielscher зондового типа заключается в способности обеспечивать оптимальные условия ультразвуковой обработки благодаря проточным ультразвуковым реакторам различных размеров и геометрических форм. Эти реакторы обеспечивают стабильное и равномерное воздействие ультразвуковой энергии на целлюлозный материал, позволяя достигать превосходных результатов обработки.

Настольные ультразвуковые аппараты Hielscher, такие как UIP1000hdT, UIP2000hdT и UIP4000hdT, способны производить несколько килограммов наноцеллюлозы ежедневно, что делает их подходящими для производства среднего масштаба. Для крупномасштабного коммерческого производства промышленные установки, такие как UIP10000 и UIP16000hdT, могут обрабатывать большие массовые потоки, обеспечивая эффективное производство больших объёмов наноцеллюлозы.

Одно из наиболее значительных преимуществ ультразвуковых систем Hielscher – их линейная масштабируемость. Как настольные, так и промышленные ультразвуковые аппараты можно объединять в кластеры, обеспечивая практически неограниченную производительность обработки, что делает их идеальным выбором для производств, которым необходимы высокая производительность и надёжная работа при получении наноцеллюлозы.