Dewatering i përshpejtuar i nanofibrave celuloze për prodhimin e letrës

Sonicizimi i kombinuar me modifikimin e acidit laktik (LA) është një qasje miqësore me mjedisin për të përshpejtuar procesin e heqjes së ujit të nanofibrave celuloze (CNF) për prodhimin e letrës. Nanofibrat celuloze njihen për mbajtjen e tyre të lartë të ujit, duke shkaktuar vonesa të konsiderueshme në procesin e kullimit, një hap kritik në përgatitjen e nanoletrës dhe aplikime të tjera të nanocelulozës. Metoda zvogëlon kohën e kullimit me 75%, nga 45 minuta në 10 minuta, përmes esterifikimit të grupeve hidroksil të celulozës me acid laktik nën sonikacion. Ky modifikim ul gjithashtu viskozitetin e pezullimit dhe provon të jetë i shkallëzuar industrialisht, duke ofruar një zgjidhje praktike për të rritur efikasitetin dhe shkallën e prodhimit të produkteve me bazë nanofibra celuloze.

Dewatering i shpejtë i nanofibrave celuloze të modifikuara me acid laktik nën sonikacion
(Studimi dhe imazhi: ©Sethi et al., 2018)

Efikasiteti i përmirësuar i kullimit të nanofibrave celuloze nëpërmjet modifikimit tejzanor të acidit laktik

Nanofibrat celuloze (CNF) shquhen për përfitimet e tyre të shumta në prodhimin e letrës, të tilla si rritja e forcës dhe modifikimi i reologjisë. Megjithatë, një pengesë e rëndësishme është sasia e tepërt e kohës që kërkohet për të kulluar ujin nga suspensionet e nanofibrave celuloze, një hap kritik në përgatitjen e nanoletrave. Kjo sfidë jo vetëm që ndikon në prodhimin e nanoletër, por gjithashtu pengon përpunimin industrial të nanocelulozës në produkte të tjera të gatshme. Koha e zgjatur e kullimit është kryesisht për shkak të mbajtjes së lartë të ujit nga nanofibrat celuloze, e cila është një pengesë në komercializimin e produkteve me prejardhje nga nanofibra celuloze.
Më poshtë, ju paraqesim rezultatet e një studimi shkencor nga Sethi dhe kolegët (2018), të cilët zhvilluan një modifikim të acidit laktik të ndihmuar me ultratinguj të nanofibrave celuloze, i cili çon në një deujim 75% më të shpejtë të CNF-ve dhe në përmirësimin e funksioneve të materialit.

Modifikimi tejzanor i nanofibrave celuloze me acid laktik

Për të adresuar këtë çështje, është zhvilluar një qasje eko-miqësore, e bazuar në ujë, që përfshin energjinë e sonikimit dhe acidin laktik (LA) për të modifikuar sipërfaqen e nanofibrave celuloze. Kjo metodë përshpejton ndjeshëm procesin e heqjes së ujit, duke ulur kohën e kullimit deri në 75%.
Procesi i modifikimit përfshin hollimin e suspensioneve të nanofibrave celuloze në një përqendrim prej 0.35 wt.% dhe shtimin e acidit laktik në sasi të ndryshme në lidhje me përmbajtjen e thatë të nanofibrës celuloze (0.5 herë, 1 herë, 5 herë dhe 10 herë nga përmbajtja e thatë e nanofibrave celuloze në pezullim). Nanofibrat, uji dhe acidi laktik përzihen duke përdorur një përzierës me shpejtësi të lartë në 1500 rpm për 5 minuta dhe më pas sonikohen me një sonikator Hielscher UP400S të pajisur me një majë titani (22 mm në diametër). Sonicizimi kryhet në nivele të ndryshme energjie, me një energji maksimale të dhënë prej 600 J/ml, që korrespondon me 10 minuta sonikacion.

Ndikimi në kohën e kullimit

Modifikimi i acidit ultrasonik-laktik ka një ndikim të thellë në kohën e kullimit të pezullimeve të nanofibrave celuloze. Pezullimi i referencës merr afërsisht 45 minuta për heqjen e ujit. Pas modifikimit të acidit laktik me ndihmën e sonikimit, kjo kohë zvogëlohet në 10 minuta, duke përfaqësuar një përmirësim prej 75%. Edhe me sonikacion të lehtë (5 J/ml), koha e kullimit përgjysmohet në 23 minuta. Koha e kullimit zvogëlohet me rritjen e energjisë së sonikimit, duke arritur përfundimisht në një pllajë në rreth 10 minuta.
Ky përmirësim i atribuohet zëvendësimit të grupeve hidroksile hidrofile të celulozës me pjesë hidrofobike të acidit laktik. Grupet hidroksil janë kryesisht përgjegjës për mbajtjen e lartë të ujit. Acidi laktik, me grupin e tij karboksilik, mund të marrë pjesë në një reaksion esterifikimi me grupet hidroksil të celulozës nën sonikacion. Sonicizimi krijon zgavra të vogla vakumi në mjedisin e lëngshëm, të cilat shemben për të prodhuar kushte ekstreme (temperaturë 5000 K dhe presion 1000 atm), të mjaftueshme për të nxitur reaksione kimike, duke përfshirë esterifikimin.

Energjia e zërit kundrejt kohës së kullimit (në minuta) për përgatitjen e nanoletër (që korrespondon me kampionin CNF(1) LA).
100 J/ml energji sonike korrespondon me 100 sekonda sonikacion, etj.
(Studimi dhe imazhi: ©Sethi et al., 2018)

Reduktimi i viskozitetit të suspensioneve të nanofibrave celuloze

Energjia e sonikacionit gjithashtu kontribuon në një ulje të viskozitetit të pezullimeve të nanofibrave celuloze. Viskoziteti është në përpjesëtim të zhdrejtë me energjinë e sonikimit, me viskozitetin më të ulët të vërejtur në 600 J/ml, i ndjekur nga 300 J/ml dhe 60 J/ml. Ky reduktim i viskozitetit ndihmon më tej në përmirësimin e efikasitetit të shkarkimit të ujit.

Rëndësia industriale e modifikimit të nanofiberit të celulozës tejzanor

Metoda e modifikimit tejzanor-acid laktik është jo vetëm efektive, por edhe e pajtueshme me aplikimet industriale. Sonicers moderne Hielscher të aftë për të trajtuar përpunimin me vëllim të madh mund ta kryejnë me efikasitet detyrën, duke e bërë këtë metodë të përshtatshme për operacione në shkallë të gjerë.
Për më tepër, kjo qasje lejon përfshirjen e deri në 10 wt.% nanofibra celuloze në fletë letre, me deujim të përfunduar në vetëm 2 minuta, krahasuar me 23 minuta për nanofibrat celuloze të pamodifikuara. Ky përmirësim domethënës mund të revolucionarizojë përdorimin e nanofibrave celuloze në prodhimin e letrës, duke kapërcyer një nga pengesat kryesore në komercializimin e tyre.

Sonicators për nanofibrat celuloze dhe prodhimin e letrës

Tabela më poshtë ju jep një tregues të kapacitetit të përafërt përpunues të sonikatorëve tanë të tipit sonda:

Dizajn, Prodhim dhe Konsulencë – Cilësi e prodhuar në Gjermani

Ultrasonikët Hielscher janë të njohur për cilësinë e tyre më të lartë dhe standardet e dizajnit. Qëndrueshmëria dhe funksionimi i lehtë lejojnë integrimin e qetë të ultrasonikëve tanë në objektet industriale. Kushtet e vështira dhe mjediset kërkuese trajtohen lehtësisht nga ultrasonikët Hielscher.

Hielscher Ultrasonics është një kompani e certifikuar ISO dhe i kushton theks të veçantë ultratingujve me performancë të lartë që paraqesin teknologjinë më të fundit dhe lehtësinë ndaj përdorimit. Sigurisht, ultrasonikët Hielscher janë në përputhje me CE dhe plotësojnë kërkesat e UL, CSA dhe RoHs.