Urýchlené odvodňovanie celulózových nanovlákien na výrobu papiera

Sonikácia v kombinácii s modifikáciou kyselinou mliečnou (LA) je ekologický prístup k urýchleniu procesu odvodňovania celulózových nanovlákien (CNF) na výrobu papiera. Celulózové nanovlákna sú známe svojou vysokou schopnosťou zadržiavať vodu, čo spôsobuje výrazné predĺženie procesu odvodňovania, ktorý je kľúčovým krokom pri príprave nanopapiera a ďalších aplikáciách nanocelulózy. Táto metóda skracuje čas odvodňovania o 75%, zo 45 minút na 10 minút, prostredníctvom esterifikácie hydroxylových skupín celulózy kyselinou mliečnou pri sonikácii. Táto modifikácia tiež znižuje viskozitu suspenzie a preukazuje možnosť rozšírenia na priemyselné meradlo, čím ponúka praktické riešenie na zvýšenie efektívnosti a rýchlosti výroby produktov na báze celulózových nanovlákien.

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

Zvýšená účinnosť odvodňovania celulózových nanovlákien prostredníctvom ultrazvukovej modifikácie kyselinou mliečnou

Celulózové nanovlákna (CNF) sú oceňované pre svoje početné výhody pri výrobe papiera, ako je zvyšovanie pevnosti a úprava reológie. Jednou z významných nevýhod je však neúmerne dlhý čas potrebný na odvedenie vody zo suspenzií celulózových nanovlákien, čo je kľúčový krok pri príprave nanopapierov. Tento problém ovplyvňuje nielen výrobu nanopapiera, ale brzdí aj priemyselné spracovanie nanocelulózy na ďalšie hotové výrobky. Dlhý čas odvodňovania je spôsobený predovšetkým vysokou schopnosťou celulózových nanovlákien zadržiavať vodu, ktorá predstavuje úzke miesto pri komercializácii výrobkov z celulózových nanovlákien.
Nižšie vám predstavujeme výsledky vedeckej štúdie Sethiho a kolegov (2018), ktorí vyvinuli ultrazvukom podporovanú modifikáciu celulózových nanovlákien kyselinou mliečnou, ktorá vedie k o 75% rýchlejšiemu odvodňovaniu CNF a k zlepšeniu funkčných vlastností materiálu.

Ultrazvuková modifikácia celulózových nanovlákien kyselinou mliečnou

Na riešenie tohto problému bol vyvinutý ekologický prístup na báze vody, ktorý využíva energiu sonikácie a kyselinu mliečnu (LA) na modifikáciu povrchu celulózových nanovlákien. Táto metóda výrazne urýchľuje proces odvodňovania a skracuje čas odvodňovania až o 75%.
Proces modifikácie zahŕňa riedenie suspenzií celulózových nanovlákien na koncentráciu 0,35 hmotn.% a pridávanie kyseliny mliečnej v rôznych množstvách vzhľadom na obsah sušiny celulózových nanovlákien (0,5-násobok, 1-násobok, 5-násobok a 10-násobok obsahu sušiny celulózových nanovlákien v suspenzii). Nanovlákna, voda a kyselina mliečna sa miešajú vysokorýchlostným miešadlom pri 1500 ot./min počas 5 minút a potom sa sonikujú sonikátorom Hielscher UP400S vybaveným titánovým hrotom (s priemerom 22 mm). Sonikácia sa vykonáva pri rôznych úrovniach energie, pričom maximálna dodaná energia je 600 J/ml, čo zodpovedá 10 minútam sonikácie.

Vplyv na čas odvodňovania

Modifikácia kyselinou mliečnou za pôsobenia ultrazvuku má výrazný vplyv na čas odvodňovania suspenzií celulózových nanovlákien. Odvodnenie referenčnej suspenzie trvá približne 45 minút. Po modifikácii kyselinou mliečnou podporovanej sonikáciou sa tento čas skracuje na 10 minút, čo predstavuje zlepšenie o 75%. Aj pri miernej sonikácii (5 J/ml) sa čas odvodňovania skracuje na polovicu, na 23 minút. Čas odvodňovania sa s rastúcou energiou sonikácie skracuje, až sa napokon ustáli približne na 10 minútach.
Toto zlepšenie sa pripisuje nahradeniu hydrofilných hydroxylových skupín celulózy hydrofóbnymi časťami molekúl kyseliny mliečnej. Hydroxylové skupiny sú hlavnou príčinou vysokej schopnosti zadržiavať vodu. Kyselina mliečna sa vďaka svojej karboxylovej skupine môže pri sonikácii zúčastniť esterifikačnej reakcie s hydroxylovými skupinami celulózy. Sonikácia vytvára v kvapalnom prostredí nepatrné vákuové dutiny, ktoré pri kolapse vytvárajú extrémne podmienky (teplotu 5000 K a tlak 1000 atm), postačujúce na vyvolanie chemických reakcií vrátane esterifikácie.

Závislosť času odvodňovania (v minútach) od energie sonikácie pri príprave nanopapiera (zodpovedá vzorke CNF(1)LA).
Energia sonikácie 100 J/ml zodpovedá 100 sekundám sonikácie atď.
(Štúdia a obrázok: ©Sethi et al., 2018)

Zníženie viskozity suspenzií celulózových nanovlákien

Energia sonikácie prispieva aj k zníženiu viskozity suspenzií celulózových nanovlákien. Viskozita je nepriamo úmerná energii sonikácie, pričom najnižšia viskozita bola pozorovaná pri 600 J/ml, po ktorých nasledovali hodnoty pri 300 J/ml a 60 J/ml. Toto zníženie viskozity ďalej prispieva k zvýšeniu účinnosti odvodňovania.

Priemyselný význam ultrazvukovej modifikácie celulózových nanovlákien

Metóda modifikácie kyselinou mliečnou za pôsobenia ultrazvuku je nielen účinná, ale aj kompatibilná s priemyselnými aplikáciami. Najmodernejšie sonikátory Hielscher schopné spracúvať veľké objemy dokážu túto úlohu efektívne zvládnuť, vďaka čomu je táto metóda vhodná pre veľkokapacitnú prevádzku.
Tento prístup navyše umožňuje začleniť do papierových hárkov až 10 hmotn.% celulózových nanovlákien, pričom odvodnenie sa dokončí už za 2 minúty v porovnaní s 23 minútami pri nemodifikovaných celulózových nanovláknach. Toto výrazné zlepšenie môže priniesť revolúciu vo využívaní celulózových nanovlákien pri výrobe papiera a prekonať jednu z hlavných prekážok ich komercializácie.

Sonikátory na celulózové nanovlákna a výrobu papiera

Nasledujúca tabuľka uvádza orientačnú kapacitu spracovania našich sondových sonikátorov:

Návrh, výroba a poradenstvo – kvalita vyrobená v Nemecku

Ultrazvukové zariadenia Hielscher sú známe najvyššími štandardmi kvality a konštrukčného vyhotovenia. Robustnosť a jednoduchá obsluha umožňujú bezproblémovú integráciu našich ultrazvukových zariadení do priemyselných prevádzok. Ultrazvukové zariadenia Hielscher ľahko zvládajú drsné podmienky a náročné prostredia.

Hielscher Ultrasonics je spoločnosť s certifikáciou ISO a kladie osobitný dôraz na vysokovýkonné ultrazvukové zariadenia s najmodernejšou technológiou a jednoduchým používaním. Ultrazvukové zariadenia Hielscher samozrejme vyhovujú požiadavkám CE a spĺňajú požiadavky UL, CSA a RoHs.