Ultrazvočna proizvodnja nanostrukturirane celuloze

Nanoceluloza, izjemen visokozmogljiv dodatek, je postala pomembna zaradi svoje vsestranske uporabe kot modifikator reoloških lastnosti, ojačitveno sredstvo in ključna sestavina različnih naprednih materialov. Te nanostrukturirane fibrile, pridobljene iz katerega koli vira, ki vsebuje celulozo, je mogoče učinkovito izolirati z visokozmogljivo ultrazvočno homogenizacijo in mletjem. Ta postopek, znan kot sonikacija, znatno izboljša fibrilacijo, kar omogoča večji izkoristek nanoceluloze ter nastanek finejših, tanjših vlaken. Ultrazvočna tehnologija presega običajne proizvodne metode zaradi svoje sposobnosti ustvarjanja izjemno velikih kavitacijskih strižnih sil, zato je izredno učinkovito orodje za proizvodnjo nanoceluloze.

Ultrazvočna proizvodnja nanoceluloze

Visokozmogljiv ultrazvok prispeva k ekstrakciji in izolaciji mikroceluloze in nanoceluloze iz različnih virov celuloznih materialov, kot so les, lignocelulozna vlakna (vlakna celulozne pulpe) in ostanki, ki vsebujejo celulozo.
Za sproščanje rastlinskih vlaken iz izvornega materiala sta ultrazvočno mletje in homogenizacija zmogljivi in zanesljivi metodi, ki omogočata obdelavo zelo velikih količin. Pulpa se dovaja v sonokemični reaktor, vgrajen v pretočni vod, kjer velike ultrazvočne strižne sile razgradijo celično strukturo biomase, tako da postane vlaknasta snov dostopna.

Slika 1 spodaj prikazuje posnetek »nikoli sušenega bombaža« (NDC), pridobljen s transmisijsko elektronsko mikroskopijo (TEM), po encimski hidrolizi in sonikaciji s sonikatorjem Hielscher UP400S s sondo 20 minut.
[Bittencourt et al. 2008]

Slika 2 spodaj prikazuje posnetek viskoznega filma, pridobljen z vrstično elektronsko mikroskopijo (SEM), po encimski hidrolizi in naknadni sonikaciji s sonikatorjem Hielscher modela UP400S.
[Bittencourt et al. 2008]

Ultrazvočno obdelavo nanoceluloze je mogoče uspešno kombinirati tudi z obdelavo vlaken, oksidiranih s TEMPO. V postopku TEMPO se celulozna nanovlakna proizvajajo z oksidacijskim sistemom, ki uporablja 2,2,6,6-tetramethylpiperidinyl-1-oxyl (TEMPO) kot katalizator ter natrijev bromid (NaBr) in natrijev hipoklorit (NaOCl). Raziskave so dokazale, da se učinkovitost oksidacije znatno izboljša, kadar oksidacija poteka ob ultrazvočnem obsevanju.

Ultrazvočno dispergiranje nanoceluloze

Disperzije nanoceluloze kažejo izjemno reološko vedenje zaradi svoje visoke viskoznosti pri nizkih koncentracijah nanoceluloze. Zato je nanoceluloza zelo zanimiv dodatek kot modifikator reoloških lastnosti, stabilizator in želirno sredstvo za različne uporabe, npr. v industriji premazov, papirni ali živilski industriji. Da bi izrazila svoje edinstvene lastnosti, mora biti nanoceluloza
Ultrazvočno dispergiranje je idealna metoda za pridobivanje nanoceluloze z majhnimi, posamično dispergiranimi delci. Ker se viskoznost nanoceluloze s strigom močno zmanjšuje, je visokozmogljiv ultrazvok prednostna tehnologija za pripravo nanoceluloznih suspenzij, saj sklopitev visokozmogljivega ultrazvoka s tekočinami ustvarja izjemno velike strižne sile.
Kliknite tukaj in izvedite več o ultrazvočni kavitaciji v tekočinah!
Po sintezi nanokristalinične celuloze se nanoceluloza pogosto ultrazvočno dispergira v tekočem mediju, npr. v nepolarnem ali polarnem topilu, kot je dimetilformamid (DMF), za pripravo končnega izdelka (npr. nanokompozitov, modifikatorja reoloških lastnosti itd.). Ker se CNF uporabljajo kot dodatki v številnih formulacijah, je zanesljivo dispergiranje ključnega pomena. Sonikacija ustvarja stabilne in enakomerno dispergirane fibrile.

Ultrazvočno samourejanje celuloznih nanokristalov

Sonikacija ima pomembno vlogo pri omogočanju sinteze in obdelave celuloznih nanokristalov (CNC), saj razbija agregate, nastale pri hidrolizi, dispergira snope in ustvarja enakomernejše suspenzije s ponovljivimi interakcijami med delci. Čeprav se CNC običajno pridobivajo s kislinsko hidrolizo, nastali material pogosto vsebuje območja z združenimi delci, ki lahko ovirajo zanesljivo samourejanje ter povzročajo razlike v reoloških in optičnih lastnostih med šaržami. Dovajanje nadzorovane ultrazvočne energije po sintezi izboljša kakovost disperzije in pomaga standardizirati morfologijo CNC, kar je ključno za dosledno holesterično urejanje, predvidljivo vedenje pri geliranju in proizvodnjo funkcionalnih materialov na osnovi CNC, ki jo je mogoče povečati na večje merilo. Izvedite več o ultrazvočno spodbujenem samourejanju CNC!

Ultrazvočno izboljšano odvodnjavanje celuloznih nanovlaken

Ultrazvočno izboljšano odvodnjavanje celuloznih nanovlaken je najsodobnejša tehnika, ki znatno izboljša učinkovitost odstranjevanja vode – zaradi česar so celulozna nanovlakna zelo privlačen dodatek za proizvodnjo nanopapirja. Nanocelulozna vlakna zaradi svoje velike sposobnosti zadrževanja vode običajno zahtevajo dolgotrajno odvodnjavanje. Z uporabo ultrazvočnih valov se ta postopek pospeši z ustvarjanjem močnih kavitacijskih sil, ki porušijo vodno matrico in omogočijo hitrejše, enakomernejše izločanje vode. To ne le skrajša čas sušenja, temveč tudi izboljša strukturno celovitost in mehanske lastnosti nastalih celuloznih nanovlaken, zato je ta metoda zelo učinkovita pri proizvodnji visokokakovostnega nanopapirja in drugih nanomaterialov.
Izvedite več o ultrazvočnem odvodnjavanju nanopapirja!

Industrijska proizvodnja nanoceluloze z visokozmogljivim ultrazvokom

Hielscher Ultrasonics ponuja obsežen nabor zmogljivih in zanesljivih ultrazvočnih rešitev, od majhnih laboratorijskih ultrazvočnih naprav do obsežnih industrijskih sistemov, idealnih za komercialno obdelavo nanoceluloze. Ključna prednost industrijskih sonikatorjev Hielscher s sondo je njihova sposobnost zagotavljanja optimalnih ultrazvočnih pogojev s pretočnimi sonokemičnimi reaktorji, ki so na voljo v različnih velikostih in geometrijah. Ti reaktorji zagotavljajo dosledno in enakomerno dovajanje ultrazvočne energije celuloznemu materialu, kar omogoča vrhunske rezultate obdelave.

Namizni sonikatorji Hielscher, kot so UIP1000hdT, UIP2000hdT in UIP4000hdT, lahko dnevno proizvedejo več kilogramov nanoceluloze, zato so primerni za potrebe proizvodnje v srednjem merilu. Za obsežno komercialno proizvodnjo lahko povsem industrijske enote, kot sta UIP10000 in UIP16000hdT, obdelujejo velike masne tokove in omogočajo učinkovito proizvodnjo velikih količin nanoceluloze.

Ena najpomembnejših prednosti ultrazvočnih sistemov Hielscher je možnost linearnega povečevanja merila. Tako namizne kot industrijske ultrazvočne naprave je mogoče namestiti v skupine, kar zagotavlja praktično neomejeno zmogljivost obdelave in jih naredi idealno izbiro za postopke, ki zahtevajo veliko zmogljivost obdelave in zanesljivo delovanje pri proizvodnji nanoceluloze.