Zrýchlené odvodňovanie celulózových nanovlákien na výrobu papiera

Sonikácia v kombinácii s modifikáciou kyseliny mliečnej (LA) je ekologický prístup na urýchlenie procesu odvodňovania celulózových nanovlákien (CNF) na výrobu papiera. Celulózové nanovlákna sú známe svojou vysokou retenciou vody, čo spôsobuje značné oneskorenia v procese odvodnenia, čo je kritický krok pri príprave nanopapiera a iných nanocelulózových aplikácií. Metóda skracuje čas vypúšťania o 75 %, zo 45 minút na 10 minút, prostredníctvom esterifikácie celulózových hydroxylových skupín kyselinou mliečnou pri sonikácii. Táto úprava tiež znižuje viskozitu suspenzie a ukazuje sa ako priemyselne škálovateľná a ponúka praktické riešenie na zvýšenie účinnosti a rýchlosti výroby produktov na báze celulózových nanovlákien.

Rýchle odvodnenie celulózových nanovlákien modifikovaných kyselinou mliečnou pri sonikácii
(Štúdia a obrázok: ©Sethi et al., 2018)

Zvýšená účinnosť odvodňovania celulózových nanovlákien prostredníctvom ultrazvukovej modifikácie kyseliny mliečnej

Celulózové nanovlákna (CNF) sú oslavované pre svoje početné výhody pri výrobe papiera, ako je zvýšenie pevnosti a úprava reológie. Jednou z významných nevýhod je však nadmerné množstvo času potrebného na vypustenie vody z celulózových nanovlákenných suspenzií, čo je kritický krok pri príprave nanopapierov. Táto výzva má vplyv nielen na výrobu nanopapiera, ale tiež bráni priemyselnému spracovaniu nanocelulózy na iné hotové výrobky. Predĺžený čas odtoku je spôsobený predovšetkým vysokou retenciou vody celulózovými nanovláknami, čo je prekážkou pri komercializácii produktov odvodených z celulózových nanovlákien.
Nižšie vám predstavujeme výsledky vedeckej štúdie Sethi a kolegov (2018), ktorí vyvinuli ultrazvukom asistovanú modifikáciu celulózových nanovlákien kyselinou mliečnou, ktorá vedie k o 75% rýchlejšiemu odvodneniu CNF a zlepšeniu funkčnosti materiálu.

Ultrazvuková modifikácia celulózových nanovlákien kyselinou mliečnou

Na vyriešenie tohto problému bol vyvinutý ekologický prístup na báze vody zahŕňajúci sonikačnú energiu a kyselinu mliečnu (LA) na úpravu povrchu celulózových nanovlákien. Táto metóda výrazne urýchľuje proces odvodňovania a skracuje čas odtoku až o 75%.
Proces modifikácie zahŕňa zriedenie suspenzií celulózových nanovlákien na koncentráciu 0,35 hm. % a pridanie kyseliny mliečnej v rôznych množstvách v porovnaní s obsahom sušiny z celulózových nanovláken (0,5-krát, 1-krát, 5-krát a 10-násobok obsahu sušiny celulózových nanovlákien v suspenzii). Nanovlákiná, voda a kyselina mliečna sa miešajú pomocou vysokorýchlostného miešadla pri 1500 ot./min po dobu 5 minút a potom sa sonikujú pomocou sonnikátora Hielscher UP400S vybaveného titánovou špičkou (priemer 22 mm). Sonikacia sa vykonáva na rôznych energetických úrovniach, s maximálnou dodanou energiou 600 J/ml, čo zodpovedá 10 minútam sonikácie.

Vplyv na čas vypúšťania

Modifikácia kyseliny ultrazvukovej a mliečnej má hlboký vplyv na čas vypúšťania suspenzií celulózových nanovlákien. Odvodnenie referenčnej suspenzie trvá približne 45 minút. Po úprave kyseliny mliečnej pomocou sonikácie sa tento čas skráti na 10 minút, čo predstavuje zlepšenie o 75 %. Aj pri miernej sonikácii (5 J/ml) sa čas vypúšťania skráti na polovicu na 23 minút. Čas vypúšťania sa skracuje so zvyšujúcou sa sonikáciou a nakoniec dosiahne plošinu približne za 10 minút.
Toto zlepšenie sa pripisuje nahradeniu hydrofilných hydroxylových skupín celulózy hydrofóbnymi skupinami kyseliny mliečnej. Hydroxylové skupiny sú primárne zodpovedné za vysoké zadržiavanie vody. Kyselina mliečna so svojou karboxylovou skupinou sa môže podieľať na esterifikačnej reakcii s hydroxylovými skupinami celulózy pri sonikácii. Sonikácia vytvára v kvapalnom médiu nepatrné vákuové dutiny, ktoré sa zrútia a vytvoria extrémne podmienky (teplota 5000 K a tlak 1000 atm), dostatočné na vyvolanie chemických reakcií vrátane esterifikácie.

Energia sonikácie vs. čas vypúšťania (v minútach) na prípravu nanopapiera (zodpovedá vzorke CNF(1)LA).
100 J/ml sonikácie zodpovedá 100 sekundám sonikácie atď.
(Štúdia a obrázok: ©Sethi et al., 2018)

Zníženie viskozity celulózových nanovlákenných suspenzií

K zníženiu viskozity suspenzií celulózových nanovlákien prispieva aj sonikácia. Viskozita je nepriamo úmerná sonikačnej energii, pričom najnižšia viskozita je pozorovaná pri 600 J/ml, po ktorej nasleduje 300 J/ml a 60 J/ml. Toto zníženie viskozity ďalej pomáha zlepšovať účinnosť odvodňovania.

Priemyselný význam modifikácie ultrazvukových celulózových nanovlákien

Metóda modifikácie kyseliny ultrazvukovej a mliečnej je nielen účinná, ale aj kompatibilná s priemyselnými aplikáciami. Najmodernejšie ultrazvukové prístroje Hielscher schopné zvládnuť veľkoobjemové spracovanie môžu efektívne dokončiť úlohu, vďaka čomu je táto metóda vhodná pre rozsiahle operácie.
Okrem toho tento prístup umožňuje začlenenie až 10 hm. % celulózových nanovláken do listov papiera, pričom odvodnenie je dokončené len za 2 minúty, v porovnaní s 23 minútami v prípade nemodifikovaných celulózových nanovlákien. Toto významné zlepšenie môže spôsobiť revolúciu v používaní celulózových nanovlákien pri výrobe papiera a prekonať jednu z hlavných prekážok v ich komercializácii.

Sonikátory na výrobu celulózových nanovlákien a papiera

Nasledujúca tabuľka vám poskytuje približnú kapacitu spracovania našich sondových sonikátorov:

Dizajn, výroba a poradenstvo – Kvalita vyrobená v Nemecku

Ultrazvukové prístroje Hielscher sú známe svojou najvyššou kvalitou a dizajnovými štandardmi. Robustnosť a jednoduchá obsluha umožňujú bezproblémovú integráciu našich ultrazvukových prístrojov do priemyselných zariadení. Drsné podmienky a náročné prostredie ľahko zvládnu ultrazvukové prístroje Hielscher.

Hielscher Ultrasonics je spoločnosť s certifikáciou ISO a kladie osobitný dôraz na vysokovýkonné ultrazvukové prístroje s najmodernejšou technológiou a užívateľskou prívetivosťou. Ultrazvukové prístroje Hielscher sú samozrejme v súlade s CE a spĺňajú požiadavky UL, CSA a RoHs.