Ultrazvuková výroba nanoštruktúrovanej celulózy

Nanocelulóza, pozoruhodná vysokofunkčná prísada, si získala významné postavenie vďaka všestrannému využitiu ako modifikátor reológie, vystužujúce činidlo a kľúčová zložka rôznych pokročilých materiálov. Tieto nanoštruktúrované fibrily, získavané z akéhokoľvek zdroja obsahujúceho celulózu, možno účinne izolovať ultrazvukovou homogenizáciou a mletím s vysokým výkonom. Tento proces, známy ako sonikácia, výrazne zlepšuje fibriláciu, čím zvyšuje výťažok nanocelulózy a vytvára jemnejšie a tenšie vlákna. Ultrazvuková technológia prekonáva konvenčné výrobné metódy vďaka schopnosti vytvárať extrémne vysoké šmykové sily vyvolané kavitáciou, čo z nej robí výnimočný nástroj na výrobu nanocelulózy.

Ultrazvuková výroba nanocelulózy

Vysokovýkonný ultrazvuk prispieva k extrakcii a izolácii mikrocelulózy a nanocelulózy z rôznych zdrojov celulózových materiálov, ako sú drevo, lignocelulózové vlákna (vlákna buničiny) a zvyšky obsahujúce celulózu.
Na uvoľnenie rastlinných vlákien z východiskového materiálu predstavujú ultrazvukové mletie a homogenizácia výkonnú a spoľahlivú metódu, ktorá umožňuje spracúvať veľmi veľké objemy. Buničina sa privádza do sonoreaktora zaradeného priamo do toku materiálu, kde vysoké šmykové sily vyvolané ultrazvukom narúšajú bunkovú štruktúru biomasy, čím sa sprístupňuje fibrilárna hmota.

Na obrázku 1 nižšie je snímka z transmisného elektrónového mikroskopu (TEM) zobrazujúca „nikdy nesušenú bavlnu“ (NDC) podrobenú enzymatickej hydrolýze a sonikovanú pomocou sonikátora Hielscher UP400S so sondou počas 20 minút.
[Bittencourt et al. 2008]

Na obrázku 2 nižšie je snímka z rastrovacieho elektrónového mikroskopu (SEM) zobrazujúca viskózový film podrobený enzymatickej hydrolýze a následne sonikácii pomocou sonikátora Hielscher, model UP400S.
[Bittencourt et al. 2008]

Ultrazvukové spracovanie nanocelulózy možno úspešne kombinovať aj s úpravou vlákien oxidovaných pomocou TEMPO. V procese TEMPO sa celulózové nanovlákna vyrábajú pomocou oxidačného systému využívajúceho 2,2,6,6-tetrametylpiperidinyl-1-oxyl (TEMPO) ako katalyzátor, bromid sodný (NaBr) a chlórnan sodný (NaOCl). Výskum preukázal, že účinnosť oxidácie sa výrazne zvyšuje, keď oxidácia prebieha pri pôsobení ultrazvuku.

Ultrazvukové dispergovanie nanocelulózy

Disperzie nanocelulózy vykazujú mimoriadne reologické správanie vďaka svojej vysokej viskozite pri nízkych koncentráciách nanocelulózy. Vďaka tomu je nanocelulóza veľmi zaujímavou prísadou slúžiacou ako modifikátor reológie, stabilizátor a gélotvorné činidlo na rôzne použitia, napr. v priemysle náterových hmôt, papierenskom alebo potravinárskom priemysle. Aby sa prejavili jej jedinečné vlastnosti, nanocelulóza musí byť
Ultrazvukové dispergovanie je ideálnou metódou na získanie jemnej, jednotlivo dispergovanej nanocelulózy. Keďže nanocelulóza pri šmykovom namáhaní vykazuje výrazný pokles viskozity, výkonový ultrazvuk je uprednostňovanou technológiou na prípravu nanocelulózových suspenzií, pretože prenos vysokovýkonného ultrazvuku do kvapalín vytvára extrémne šmykové sily.
Kliknite sem a dozviete sa viac o ultrazvukovej kavitácii v kvapalinách!
Po syntéze nanokryštalickej celulózy sa nanocelulóza často ultrazvukovo disperguje do kvapalného média, napr. nepolárneho alebo polárneho rozpúšťadla, ako je dimetylformamid (DMF), na prípravu konečného produktu (napr. nanokompozitov, modifikátora reológie atď.). Keďže celulózové nanovlákna (CNF) sa používajú ako prísady v rozmanitých formuláciách, spoľahlivé dispergovanie je kľúčové. Pôsobením ultrazvuku vznikajú stabilné a rovnomerne dispergované fibrily.

Ultrazvukom podporované samousporiadanie celulózových nanokryštálov

Ultrazvukové spracovanie zohráva dôležitú úlohu pri syntéze a spracovaní nanokryštálov celulózy (CNC) tým, že rozrušuje agregáty vzniknuté pri hydrolýze, disperguje zväzky a vytvára rovnomernejšie suspenzie s reprodukovateľnými interakciami medzi časticami. Hoci sa CNC zvyčajne získavajú kyslou hydrolýzou, výsledný materiál často obsahuje zhluky, ktoré môžu brániť spoľahlivému samousporiadaniu a viesť k rozdielom v reológii a optických vlastnostiach medzi jednotlivými šaržami. Aplikácia kontrolovanej ultrazvukovej energie po syntéze zlepšuje kvalitu disperzie a pomáha štandardizovať morfológiu CNC, čo je zásadné pre konzistentné cholesterické usporiadanie, predvídateľné gélovatenie a škálovateľnú výrobu funkčných materiálov na báze CNC. Zistite viac o samousporiadaní CNC podporovanom ultrazvukom!

Odvodňovanie celulózových nanovlákien zlepšené ultrazvukom

Odvodňovanie celulózových nanovlákien podporované ultrazvukom je špičková technika, ktorá výrazne zvyšuje účinnosť odstraňovania vody – vďaka čomu sú celulózové nanovlákna veľmi atraktívnou prísadou pri výrobe nanopapiera. Nanocelulózové vlákna zvyčajne vyžadujú časovo náročné odvodňovanie pre svoju vysokú schopnosť zadržiavať vodu. Pôsobenie ultrazvukových vĺn urýchľuje tento proces vytváraním intenzívnych kavitačných síl, ktoré narúšajú vodnú matricu a uľahčujú rýchlejšie a rovnomernejšie vytláčanie vody. Tým sa nielen skracuje čas sušenia, ale zlepšuje sa aj štruktúrna integrita a mechanické vlastnosti výsledných celulózových nanovlákien, vďaka čomu ide o vysoko účinnú metódu pri výrobe vysokokvalitných nanopapierov a ďalších nanomateriálov.
Zistite viac o ultrazvukovom odvodňovaní nanopapiera!

Priemyselná výroba nanocelulózy pomocou výkonového ultrazvuku

Hielscher Ultrasonics ponúka komplexný sortiment výkonných a spoľahlivých ultrazvukových riešení, od malých laboratórnych ultrazvukových zariadení až po veľké priemyselné systémy, ktoré sú ideálne na komerčné spracovanie nanocelulózy. Kľúčová výhoda priemyselných sondových sonikátorov Hielscher spočíva v ich schopnosti zabezpečiť optimálne ultrazvukové podmienky prostredníctvom prietokových sonoreaktorov, ktoré sú dostupné v rôznych veľkostiach a geometrických vyhotoveniach. Tieto reaktory zabezpečujú konzistentný a rovnomerný prenos ultrazvukovej energie do celulózového materiálu, čo vedie k vynikajúcim výsledkom spracovania.

Stolové sonikátory Hielscher, ako sú UIP1000hdT, UIP2000hdT a UIP4000hdT, dokážu denne vyrobiť niekoľko kilogramov nanocelulózy, vďaka čomu sú vhodné na výrobu v strednom rozsahu. Pri veľkokapacitnej komerčnej výrobe dokážu plne priemyselné zariadenia, ako sú UIP10000 a UIP16000hdT, spracovať veľké hmotnostné toky, čím umožňujú efektívnu výrobu veľkých objemov nanocelulózy.

Jednou z najvýznamnejších výhod ultrazvukových systémov Hielscher je ich lineárna škálovateľnosť. Stolové aj priemyselné ultrazvukové zariadenia možno inštalovať do zoskupení, ktoré poskytujú prakticky neobmedzenú spracovateľskú kapacitu, vďaka čomu sú ideálnou voľbou pre prevádzky vyžadujúce vysokú kapacitu spracovania a spoľahlivý výkon pri výrobe nanocelulózy.