Ultrazvuková výroba nanoštruktúrovanej celulózy

Nanocelulóza, pozoruhodná vysokovýkonná prísada, sa dostala do popredia pre svoje všestranné aplikácie ako modifikátor reológie, výstužné činidlo a kľúčová zložka v rôznych pokročilých materiáloch. Tieto nanoštruktúrované fibrily, odvodené z akéhokoľvek zdroja obsahujúceho celulózu, je možné efektívne izolovať pomocou vysokovýkonnej ultrazvukovej homogenizácie a mletia. Tento proces, známy ako sonikácia, výrazne zvyšuje fibriláciu, čo vedie k vyššiemu výťažku nanocelulózy a vytvára jemnejšie a tenšie vlákna. Ultrazvuková technológia prekonáva konvenčné výrobné metódy vďaka svojej schopnosti generovať extrémne kavitačné vysoké šmykové sily, čo z nej robí výnimočný nástroj na výrobu nanocelulózy.

Ultrazvuková výroba nanocelulózy

Vysokovýkonné ultrazvuky prispievajú k extrakcii a izolácii mikro- a nanocelulózy z rôznych zdrojov celulózových materiálov, ako je drevo, lignocelulózové vlákna (vlákna buničiny) a zvyšky obsahujúce celulózu.
Na uvoľnenie rastlinných vlákien z východiskového materiálu sa ultrazvukom Brúsenie a homogenizácia je výkonná a spoľahlivá metóda, ktorá umožňuje spracovanie veľmi veľkých objemov. Buničina sa privádza do inline sonoreaktora, kde ultrazvukové šmykové sily rozbíjajú bunkovú štruktúru biomasy, takže fibrilná hmota je dostupná.

Na obrázku 1 nižšie je znázornený obrázok TEM “Nikdy nevysušená bavlna” (NDC) podrobené enzymatickej hydrolýze a sonikované Hielscherov sondový sonikátor UP400S po dobu 20 minút.
[Bittencourt et al. 2008]

Obrázok 2 nižšie zobrazuje SEM obraz filmu viskózy, ktorý je podrobený enzymatickej hydrolýze, po ktorom nasleduje sonikácia s Hielscher sonicator model UP400S.
[Bittencourt et al. 2008]

Ultrazvukové spracovanie nanocelulózy je možné úspešne kombinovať aj s úpravou oxidovaných vlákien TEMPO. V procese TEMPO sa celulózové nanovlákna vyrábajú oxidačným systémom s použitím 2,2,6,6-tetrametylpiperidinyl-1-oxylu (TEMPO) ako katalyzátora a bromidu sodného (NaBr) a chlórnanu sodného (NaOCl). Výskum dokázal, že oxidačná účinnosť sa výrazne zlepšuje, keď sa oxidácia uskutočňuje pod ultrazvukovým ožarovaním.

Ultrazvuková disperzia nanocelulózy

Disperzie nanocelulózy vykazujú mimoriadne reologické správanie vďaka svojej vysokej viskozite pri nízkych koncentráciách nanocelulózy. Vďaka tomu je nanocelulóza veľmi zaujímavou prísadou ako reologický modifikátor, stabilizátor a gelantum pre rôzne aplikácie, napr. v náterovnom, papierenskom alebo potravinárskom priemysle. Na vyjadrenie svojich jedinečných vlastností musí byť nanocelulóza
Ultrazvuková dispergácia je ideálnou metódou na získanie jemnej veľkosti jednodispergovanej nanocelulózy. Keďže nanocelulóza je vysoko šmykovo riediteľná, výkonový ultrazvuk je preferovanou technológiou na formuláciu nanocelulózových suspenzií, pretože spojenie 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 rozptýli do kvapalného média, napr. nepolárneho alebo polárneho rozpúšťadla, ako je dimetylformamid (DMF), aby sa vytvoril konečný produkt (napr. nanokompozity, reologický modifikátor atď.). Keďže CNF sa používajú ako prísady v rôznych formuláciách, spoľahlivé dispergovanie je rozhodujúce. Ultrazvukom vznikajú stabilné a rovnomerne rozptýlené fibrily.

Ultrazvukom vylepšené odvodnenie celulózových nanovlákien

Ultrazvukom vylepšené odvodňovanie celulózových nanovlákien je špičková technika, ktorá výrazne zlepšuje účinnosť odstraňovania vody – vďaka čomu sú celulózové nanovlákna vysoko atraktívnou prísadou na výrobu nanopapiera. Nanocelulózové vlákna zvyčajne vyžadujú časovo náročné odvodnenie kvôli svojej vysokej schopnosti zadržiavať vodu. Použitím ultrazvukových vĺn sa tento proces urýchľuje generovaním intenzívnych kavitačných síl, ktoré narúšajú vodnú matricu a uľahčujú rýchlejšie a rovnomernejšie vylučovanie vody. To nielen skracuje čas schnutia, ale tiež zvyšuje štrukturálnu integritu a mechanické vlastnosti výsledných celulózových nanovlákien, čo z neho robí vysoko účinnú metódu pri výrobe vysokokvalitných nanopapierov a iných nanomateriálov.
Zistite viac o ultrazvukovom odvodňovaní nanopapiera!

Priemyselná výroba nanocelulózy pomocou výkonového ultrazvuku

Spoločnosť Hielscher Ultrasonics ponúka komplexný rad výkonných a spoľahlivých ultrazvukových riešení, od malých laboratórnych ultrazvukov až po veľké priemyselné systémy, ideálne na komerčné spracovanie nanocelulózy. Kľúčová výhoda priemyselných sondových sonikátorov Hielscher spočíva v ich schopnosti poskytovať optimálne ultrazvukové podmienky prostredníctvom prietokových sonoreaktorov, ktoré sa dodávajú v rôznych veľkostiach a geometriách. Tieto reaktory zabezpečujú, že ultrazvuková energia je aplikovaná konzistentne a rovnomerne na celulózový materiál, čo vedie k vynikajúcim výsledkom spracovania.

Stolové sonikátory Hielscher, ako sú UIP1000hdT, UIP2000hdT a UIP4000hdT, sú schopné produkovať niekoľko kilogramov nanocelulózy denne, vďaka čomu sú vhodné pre potreby strednej výroby. Pre rozsiahlu komerčnú výrobu dokážu kompletné priemyselné jednotky, ako sú UIP10000 a UIP16000hdT, zvládnuť rozsiahle hromadné toky, čo umožňuje efektívnu výrobu veľkých objemov nanocelulózy.

Jednou z najvýznamnejších výhod ultrazvukových systémov Hielscher je ich lineárna škálovateľnosť. Stolové aj priemyselné ultrazvukové prístroje môžu byť inštalované v klastroch, čo poskytuje prakticky neobmedzenú kapacitu spracovania, čo z nich robí ideálnu voľbu pre operácie vyžadujúce vysokú priepustnosť a spoľahlivý výkon pri výrobe nanocelulózy.