pospešeno odvodnjavanje celuloznih nanovlaken za proizvodnjo papirja

Sonication v kombinaciji z modifikacijo mlečne kisline (LA) je okolju prijazen pristop za pospešitev procesa odvodnjavanja celuloznih nanovlaken (CNF) za proizvodnjo papirja. Celulozna nanovlakna so znana po visokem zadrževanju vode, kar povzroča znatne zamude v procesu drenaže, kar je kritični korak pri pripravi nanopapirja in drugih nanoceluloznih aplikacijah. Metoda zmanjša čas odvajanja za 75%, s 45 minut na 10 minut, z esterifikacijo celuloznih hidroksilnih skupin z mlečno kislino pod ultrazvočnim razbijanjem. Ta sprememba prav tako znižuje viskoznost suspenzije in se izkaže za industrijsko razširljivo, saj ponuja praktično rešitev za povečanje učinkovitosti in hitrosti proizvodnje izdelkov na osnovi celuloznih nanovlaken.

Hitro odvodnjavanje mlečnokislinsko modificiranih celuloznih nanovlaken s ultrazvočnim razbijanjem
(Študija in slika: ©Sethi et al., 2018)

Povečana učinkovitost odvodnjavanja celuloznih nanovlaken z ultrazvočno modifikacijo mlečne kisline

Celulozna nanovlakna (CNF) so znana zaradi številnih prednosti pri proizvodnji papirja, kot so povečanje trdnosti in spreminjanje reologije. Vendar pa je ena pomembna pomanjkljivost pretirana količina časa, potrebnega za odvajanje vode iz suspenzij celuloznih nanovlaken, kar je kritičen korak pri pripravi nanopapirjev. Ta izziv ne vpliva le na proizvodnjo nanopapirja, temveč ovira tudi industrijsko predelavo nanoceluloze v druge končne izdelke. Podaljšan čas drenaže je predvsem posledica visokega zadrževanja vode s celuloznimi nanovlakni, kar je ozko grlo pri komercializaciji izdelkov, pridobljenih iz celuloznih nanovlaken.
Spodaj vam predstavljamo rezultate znanstvene študije Sethija in sodelavcev (2018), ki so razvili ultrazvočno podprto modifikacijo mlečne kisline celuloznih nanovlaken, kar vodi do 75% hitrejšega odvajanja CNF in izboljšanih funkcionalnosti materialov.

Ultrazvočna modifikacija celuloznih nanovlaken z mlečno kislino

Za rešitev tega vprašanja je bil razvit okolju prijazen pristop na vodni osnovi, ki vključuje ultrazvočno energijo in mlečno kislino (LA) za spreminjanje površine celuloznih nanovlaken. Ta metoda bistveno pospeši postopek odvodnjavanja, kar zmanjša čas drenaže do 75%.
Postopek modifikacije vključuje razredčenje suspenzij celuloznih nanovlaken do koncentracije 0,35 mas. % in dodajanje mlečne kisline v različnih količinah glede na vsebnost suhih celuloznih nanovlaken (0,5-krat, 1-krat, 5-krat in 10-krat suhe vsebnosti celuloznih nanovlaken v suspenziji). Nanovlakna, voda in mlečna kislina se mešajo z mešalnikom z visoko hitrostjo pri 1500 vrtljajih na minuto 5 minut in nato sonikirajo s sonikatorjem Hielscher UP400S, opremljenim s titanovo konico (premera 22 mm). Ultrazvočno razbijanje poteka na različnih energijskih ravneh, z največjo preneseno energijo 600 J / ml, kar ustreza 10 minutam ultrazvočnega razbijanja.

Vpliv na čas praznjenja

Modifikacija ultrazvočne mlečne kisline ima velik vpliv na čas odvajanja suspenzij celuloznih nanovlaken. Izsušitev referenčne suspenzije traja približno 45 minut. Po modifikaciji mlečne kisline, ki jo podpira ultrazvočno razbijanje, se ta čas skrajša na 10 minut, kar predstavlja 75% izboljšanje. Tudi pri blagi ultrazvočni obdelavi (5 J / ml) se čas odvajanja prepolovi na 23 minut. Čas odvajanja se zmanjšuje z naraščajočo energijo ultrazvočne razbijanje in sčasoma doseže plato približno 10 minut.
To izboljšanje pripisujemo zamenjavi hidrofilnih hidroksilnih skupin celuloze s hidrofobnimi deli mlečne kisline. Hidroksilne skupine so v prvi vrsti odgovorne za visoko zadrževanje vode. Mlečna kislina s svojo karboksilno skupino lahko sodeluje v reakciji esterifikacije s hidroksilnimi skupinami celuloze pod ultrazvočnim razbijanjem. Sonication ustvarja majhne vakuumske votline v tekočem mediju, ki se zrušijo in povzročijo ekstremne pogoje (temperatura 5000 K in tlak 1000 atm), ki zadostujejo za sprožitev kemičnih reakcij, vključno z esterifikacijo.

Energija ultrazvočnega razbijanja v primerjavi s časom odvajanja (v minutah) za pripravo nanopapirja (ustreza vzorcu CNF(1)LA).
100 J / ml ultrazvočne energije ustreza 100 sekundam ultrazvočnega razbijanja itd.
(Študija in slika: ©Sethi et al., 2018)

Zmanjšanje viskoznosti suspenzij celuloznih nanovlaken

Ultrazvočna energija prispeva tudi k zmanjšanju viskoznosti suspenzij celuloznih nanovlaken. Viskoznost je obratno sorazmerna z energijo ultrazvočnega razbijanja, pri čemer je najnižja viskoznost opažena pri 600 J/ml, ki ji sledita 300 J/ml in 60 J/ml. To zmanjšanje viskoznosti še dodatno pomaga izboljšati učinkovitost odvodnjavanja.

Industrijski pomen ultrazvočne celulozne modifikacije nanovlaken

Metoda modifikacije ultrazvočne mlečne kisline ni le učinkovita, ampak tudi združljiva z industrijskimi aplikacijami. Hielscher najsodobnejši zvočniki, ki so sposobni obdelati velike količine, lahko učinkovito opravijo nalogo, zaradi česar je ta metoda primerna za obsežne operacije.
Poleg tega ta pristop omogoča vključitev do 10 mas.% celuloznih nanovlaken v papirne liste, pri čemer se odvodnjavanje zaključi v samo 2 minutah, v primerjavi s 23 minutami za nemodificirana celulozna nanovlakna. Ta pomembna izboljšava lahko revolucionira uporabo celuloznih nanovlaken pri izdelavi papirja in premaga eno glavnih ovir pri njihovi komercializaciji.

Sonikatorji za proizvodnjo celuloznih nanovlaken in papirja

Spodnja tabela vam prikazuje približno zmogljivost obdelave naših sondnih sonikatorjev:

Projektiranje, izdelava in svetovanje – Kakovost izdelana v Nemčiji

Hielscher ultrazvočni aparati so znani po svojih najvišjih standardih kakovosti in oblikovanja. Robustnost in enostavno upravljanje omogočata nemoteno integracijo naših ultrazvočnih aparatov v industrijske objekte. Težke pogoje in zahtevna okolja zlahka obvladajo Hielscher ultrasonicatorji.

Hielscher Ultrasonics je podjetje s certifikatom ISO in daje poseben poudarek visoko zmogljivim ultrazvočnim aparatom z najsodobnejšo tehnologijo in prijaznostjo do uporabnika. Seveda so Hielscher ultrazvočni aparati skladni s CE in izpolnjujejo zahteve UL, CSA in RoHs.