Pospešeno odvodnjavanje celuloznih nanovlaken za proizvodnjo papirja

Sonikacija v kombinaciji z modifikacijo z mlečno kislino (LA) je okolju prijazen pristop za pospešitev odvodnjavanja celuloznih nanovlaken (CNF) za proizvodnjo papirja. Celulozna nanovlakna so znana po veliki sposobnosti zadrževanja vode, zaradi česar prihaja do znatnih zakasnitev pri odtekanju vode, ki je ključen korak pri pripravi nanopapirja in drugih uporabah nanoceluloze. Metoda z esterifikacijo hidroksilnih skupin celuloze z mlečno kislino med sonikacijo skrajša čas odtekanja vode za 75%, s 45 minut na 10 minut. Ta modifikacija tudi zmanjša viskoznost suspenzije in se izkazuje kot primerna za prenos na industrijsko merilo, kar ponuja praktično rešitev za povečanje učinkovitosti in hitrosti proizvodnje izdelkov na osnovi celuloznih nanovlaken.

Hitro odvodnjavanje celuloznih nanovlaken, modificiranih z mlečno kislino, med sonikacijo
(Študija in slika: ©Sethi et al., 2018)

Večja učinkovitost odvodnjavanja celuloznih nanovlaken z ultrazvočno modifikacijo z mlečno kislino

Celulozna nanovlakna (CNF) so cenjena zaradi številnih prednosti pri proizvodnji papirja, kot sta povečanje trdnosti in spreminjanje reologije. Vendar je ena od pomembnih slabosti pretirano dolg čas, potreben za odtekanje vode iz suspenzij celuloznih nanovlaken, kar je ključen korak pri pripravi nanopapirjev. Ta težava ne vpliva le na proizvodnjo nanopapirja, temveč ovira tudi industrijsko predelavo nanoceluloze v druge končne izdelke. Podaljšan čas odtekanja vode je predvsem posledica velike sposobnosti celuloznih nanovlaken za zadrževanje vode, kar predstavlja ozko grlo pri komercializaciji izdelkov iz celuloznih nanovlaken.
V nadaljevanju predstavljamo rezultate znanstvene študije Sethija in sodelavcev (2018), ki so razvili ultrazvočno podprto modifikacijo celuloznih nanovlaken z mlečno kislino, s katero se doseže za 75% hitrejše odvodnjavanje CNF in izboljšane funkcionalne lastnosti materiala.

Ultrazvočna modifikacija celuloznih nanovlaken z mlečno kislino

Za reševanje te težave je bil razvit okolju prijazen pristop na vodni osnovi, ki za modifikacijo površine celuloznih nanovlaken uporablja energijo sonikacije in mlečno kislino (LA). Ta metoda znatno pospeši odvodnjavanje in skrajša čas odtekanja vode za do 75%.
Postopek modifikacije vključuje redčenje suspenzij celuloznih nanovlaken do koncentracije 0,35 wt.% in dodajanje mlečne kisline v različnih količinah glede na vsebnost suhe snovi celuloznih nanovlaken (0,5-kratna, 1-kratna, 5-kratna in 10-kratna količina suhe snovi celuloznih nanovlaken v suspenziji). Nanovlakna, vodo in mlečno kislino 5 minut mešajo s hitrim mešalom pri 1500 rpm, nato pa jih sonikirajo s sonikatorjem Hielscher UP400S, opremljenim s titanovo konico (premera 22 mm). Sonikacijo izvajajo pri različnih ravneh energije, pri čemer največja vnesena energija znaša 600 J/ml, kar ustreza 10 minutam sonikacije.

Vpliv na čas odtekanja vode

Ultrazvočna modifikacija z mlečno kislino močno vpliva na čas odtekanja vode iz suspenzij celuloznih nanovlaken. Odvodnjavanje referenčne suspenzije traja približno 45 minut. Po modifikaciji z mlečno kislino ob podpori sonikacije se ta čas skrajša na 10 minut, kar predstavlja 75% izboljšanje. Tudi pri blagi sonikaciji (5 J/ml) se čas odtekanja vode prepolovi na 23 minut. Z naraščanjem energije sonikacije se čas odtekanja vode krajša, dokler se nazadnje ne ustali pri približno 10 minutah.
To izboljšanje pripisujejo zamenjavi hidrofilnih hidroksilnih skupin celuloze s hidrofobnimi deli mlečne kisline. Hidroksilne skupine so predvsem odgovorne za veliko sposobnost zadrževanja vode. Mlečna kislina lahko s svojo karboksilno skupino med sonikacijo sodeluje v reakciji esterifikacije s hidroksilnimi skupinami celuloze. Sonikacija v tekočem mediju ustvari drobne vakuumske votline, ki se sesedejo in ustvarijo ekstremne razmere (temperaturo 5000 K in tlak 1000 atm), zadostne za sprožitev kemijskih reakcij, vključno z esterifikacijo.

Energija sonikacije v odvisnosti od časa odtekanja vode (v minutah) pri pripravi nanopapirja (za vzorec CNF(1)LA).
Energija sonikacije 100 J/ml ustreza 100 sekundam sonikacije itd.
(Študija in slika: ©Sethi et al., 2018)

Zmanjšanje viskoznosti suspenzij celuloznih nanovlaken

Energija sonikacije prispeva tudi k zmanjšanju viskoznosti suspenzij celuloznih nanovlaken. Viskoznost je obratno sorazmerna z energijo sonikacije, pri čemer so najnižjo viskoznost opazili pri 600 J/ml, sledita pa 300 J/ml in 60 J/ml. To zmanjšanje viskoznosti dodatno pripomore k izboljšanju učinkovitosti odvodnjavanja.

Industrijski pomen ultrazvočne modifikacije celuloznih nanovlaken

Metoda ultrazvočne modifikacije z mlečno kislino ni le učinkovita, temveč je tudi združljiva z industrijskimi aplikacijami. Najsodobnejši sonikatorji Hielscher, ki omogočajo obdelavo velikih prostornin, lahko učinkovito opravijo to nalogo, zato je metoda primerna za uporabo v velikem merilu.
Poleg tega ta pristop omogoča vključitev do 10 wt.% celuloznih nanovlaken v papirne liste, pri čemer je odvodnjavanje končano v samo 2 minutah v primerjavi s 23 minutami pri nemodificiranih celuloznih nanovlaknih. To znatno izboljšanje lahko korenito spremeni uporabo celuloznih nanovlaken pri izdelavi papirja, saj odpravlja eno od glavnih ovir pri njihovi komercializaciji.

Sonikatorji za celulozna nanovlakna in proizvodnjo papirja

Spodnja tabela prikazuje približno zmogljivost obdelave naših sonikatorjev s sondo:

Načrtovanje, proizvodnja in svetovanje – kakovost, izdelana v Nemčiji

Ultrazvočne naprave Hielscher so dobro znane po svojih najvišjih standardih kakovosti in zasnove. Robustnost in preprosto upravljanje omogočata nemoteno vključitev naših ultrazvočnih naprav v industrijske obrate. Ultrazvočne naprave Hielscher zlahka obvladujejo težke razmere in zahtevna okolja.

Hielscher Ultrasonics je podjetje s certifikatom ISO in daje poseben poudarek visokozmogljivim ultrazvočnim napravam z najsodobnejšo tehnologijo in uporabniku prijaznim upravljanjem. Ultrazvočne naprave Hielscher so seveda skladne z zahtevami CE in izpolnjujejo zahteve UL, CSA in RoHs.