Ultrazvočna proizvodnja nanostrukturirane celuloze

Nanoceluloza, izjemen visoko zmogljiv dodatek, je postala pomembna zaradi svoje vsestranske uporabe kot modifikator reologije, ojačevalno sredstvo in ključna komponenta v različnih naprednih materialih. Te nano-strukturirane vlakna, pridobljene iz katerega koli vira, ki vsebuje celulozo, je mogoče učinkovito izolirati z visoko zmogljivim ultrazvočnim homogenizacijo in mletjem. Ta proces, znan kot ultrazvočna obdelava, znatno poveča fibrilacijo, kar ima za posledico večji donos nanoceluloze in proizvodnjo finejših, tanjših vlaken. Ultrazvočna tehnologija presega konvencionalne proizvodne metode, zahvaljujoč svoji sposobnosti ustvarjanja ekstremnih kavitacijskih visokih strižnih sil, zaradi česar je izjemno orodje za proizvodnjo nanoceluloze.

Ultrazvočna proizvodnja nanoceluloze

Ultrazvok visoke moči prispeva k ekstrakciji in izolaciji mikro- in nanoceluloze iz različnih virov celuloznih materialov, kot so les, lignocelulozna vlakna (celuloza) in ostanki, ki vsebujejo celulozo.
Za sprostitev rastlinskih vlaken iz izvornega materiala ultrazvočni mletje in Homogenizacijo je močna in zanesljiva metoda, ki omogoča obdelavo zelo velikih količin. Celuloza se donaša v inline sonoreaktor, kjer ultrazvočne sile z visokim strižjem razbijejo celično strukturo biomase, tako da postane fibrilna snov na voljo.

Slika 1 spodaj prikazuje sliko TEM “Nikoli posušen bombaž” (NDC), podvržen encimski hidrolizi in sonikiran z Hielscherjev sondni sondni zvočnik UP400S za 20 minut.
[Bittencourt et al. 2008]

Slika 2 spodaj prikazuje SEM sliko filma viskoze, ki je bil podvržen encimski hidrolizi, čemur sledi ultrazvočno razbijanje z Hielscher sonicator model UP400S.
[Bittencourt et al. 2008]

Ultrazvočna obdelava nanoceluloze se lahko uspešno kombinira tudi z obdelavo TEMPO-oksidiranih vlaken. V procesu TEMPO se celulozna nanovlakna proizvajajo z oksidacijskim sistemom, pri čemer se kot katalizator uporablja 2,2,6,6-tetrametilpiperidinil-1-oksil (TEMPO) ter natrijev bromid (NaBr) in natrijev hipoklorit (NaOCl). Raziskave so dokazale, da se učinkovitost oksidacije bistveno izboljša, če se oksidacija izvaja pod ultrazvočnim obsevanjem.

Ultrazvočna disperzija nanoceluloze

Nanocelulozne disperzije kažejo izjemno reološko obnašanje zaradi visoke viskoznosti pri nizkih koncentracijah nanoceluloze. Zaradi tega je nanoceluloza zelo zanimiv dodatek kot reološki modifikator, stabilizator in gelant za različne aplikacije, npr. v premazni, papirni ali živilski industriji. Da bi izrazili svoje edinstvene lastnosti, mora biti nanoceluloza
Ultrazvočna disperzija je idealna metoda za pridobivanje fine velikosti, enojno dispergirane nanoceluloze. Ker je nanoceluloza zelo strižna, je ultrazvok moči najprimernejša tehnologija za oblikovanje nanoceluloznih suspenzij, saj spajanje ultrazvoka visoke moči v tekočine ustvarja ekstremne strižne sile.
Kliknite tukaj, če želite izvedeti več o ultrazvočni kavitaciji v tekočinah!
Po sintezi nanokristalne celuloze se nanoceluloza pogosto ultrazvočno razprši v tekoči medij, npr. nepolarno ali polarno topilo, kot je dimetilformamid (DMF), da se oblikuje končni izdelek (npr. nanokompoziti, reološki modifikator itd.). Ker se CNF uporabljajo kot dodatki v različnih formulacijah, je zanesljivo razprševanje ključnega pomena. Ultrasonication proizvaja stabilne in enakomerno razpršene vlakna.

Ultrazvočno izboljšano odvodnjavanje celuloznih nanovlaken

Ultrazvočno izboljšano odvodnjavanje celuloznih nanovlaken je najsodobnejša tehnika, ki bistveno izboljša učinkovitost odstranjevanja vode – zaradi česar so celulozna nanovlakna zelo privlačen dodatek za proizvodnjo nanopapirja. Nanocelulozna vlakna običajno zahtevajo časovno intenzivno odvodnjavanje zaradi visoke sposobnosti zadrževanja vode. Z uporabo ultrazvočnih valov se ta proces pospeši z ustvarjanjem intenzivnih kavitacijskih sil, ki motijo vodno matrico in omogočajo hitrejši in bolj enakomeren izgon vode. To ne le skrajša čas sušenja, temveč tudi izboljša strukturno celovitost in mehanske lastnosti nastalih celuloznih nanovlaken, zaradi česar je zelo učinkovita metoda pri proizvodnji visokokakovostnih nanopapirjev in drugih nanomaterialov.
Preberite več o ultrazvočnem odvodnjavanju nanopapirja!

Industrijska proizvodnja nanoceluloze z uporabo močnega ultrazvoka

Hielscher Ultrasonics ponuja celovito paleto zmogljivih in zanesljivih ultrazvočnih rešitev, od majhnih laboratorijskih ultrazvočnih aparatov do velikih industrijskih sistemov, idealnih za komercialno predelavo nanoceluloze. Ključna prednost Hielscherjevih soničnih zvočnih sond je v njihovi sposobnosti, da zagotovijo optimalne ultrazvočne pogoje s svojimi pretočnimi sonoreaktorji, ki so na voljo v različnih velikostih in geometrijah. Ti reaktorji zagotavljajo, da se ultrazvočna energija dosledno in enakomerno uporablja na celulozni material, kar vodi do boljših rezultatov obdelave.

Hielscher namizni sonikatorji, kot so UIP1000hdT, UIP2000hdT in UIP4000hdT, lahko dnevno proizvedejo več kilogramov nanoceluloze, zaradi česar so primerni za srednje proizvodne potrebe. Za obsežno komercialno proizvodnjo lahko celotne industrijske enote, kot sta UIP10000 in UIP16000hdT, prenesejo obsežne množične tokove, kar omogoča učinkovito proizvodnjo velikih količin nanoceluloze.

Ena najpomembnejših prednosti Hielscher ultrazvočnih sistemov je njihova linearna razširljivost. Tako namizni kot industrijski ultrazvočni aparati se lahko namestijo v grozde, kar zagotavlja praktično neomejeno zmogljivost obdelave, zaradi česar so idealna izbira za operacije, ki zahtevajo visoko prepustnost in zanesljivo delovanje pri proizvodnji nanoceluloze.