Убрзано одводњавање целулозних нановлакана за производњу папира

Соникација у комбинацији са модификацијом млечном киселином (LA) представља еколошки прихватљив приступ убрзавању процеса одводњавања целулозних нановлакана (CNF) за производњу папира. Целулозна нановлакна су позната по великој способности задржавања воде, што знатно успорава оцеђивање, кључни корак у припреми нанопапира и другим применама наноцелулозе. Ова метода скраћује време оцеђивања за 75%, са 45 минута на 10 минута, естерификацијом хидроксилних група целулозе млечном киселином током соникације. Ова модификација такође смањује вискозност суспензије и показује се погодном за примену у индустријским размерама, нудећи практично решење за повећање ефикасности и брзине производње производа на бази целулозних нановлакана.

Брзо одводњавање целулозних нановлакана модификованих млечном киселином током соникације
(Студија и слика: ©Sethi и сар., 2018)

Повећана ефикасност одводњавања целулозних нановлакана ултразвучном модификацијом млечном киселином

Целулозна нановлакна (CNF) цењена су због бројних предности у производњи папира, као што су повећање чврстоће и модификација реологије. Међутим, један значајан недостатак је изузетно дуго време потребно за оцеђивање воде из суспензија целулозних нановлакана, што је кључни корак у припреми нанопапира. Овај изазов не утиче само на производњу нанопапира већ и отежава индустријску прераду наноцелулозе у друге готове производе. Продужено време оцеђивања првенствено је последица велике способности целулозних нановлакана да задржавају воду, што представља уско грло у комерцијализацији производа добијених од целулозних нановлакана.
У наставку представљамо резултате научне студије коју су спровели Sethi и сарадници (2018), који су развили модификацију целулозних нановлакана млечном киселином уз помоћ ултразвука, што доводи до 75% бржег одводњавања CNF и побољшаних функционалних својстава материјала.

Ултразвучна модификација целулозних нановлакана млечном киселином

Да би се овај проблем решио, развијен је еколошки прихватљив приступ на бази воде који користи енергију соникације и млечну киселину (LA) за модификацију површине целулозних нановлакана. Ова метода знатно убрзава процес одводњавања, скраћујући време оцеђивања до 75%.
Процес модификације обухвата разблаживање суспензија целулозних нановлакана до концентрације од 0,35 wt.% и додавање млечне киселине у различитим количинама у односу на садржај суве материје целулозних нановлакана (0,5 пута, 1 пут, 5 пута и 10 пута у односу на садржај суве материје целулозних нановлакана у суспензији). Нановлакна, вода и млечна киселина мешају се брзоходном мешалицом при 1500 rpm током 5 минута, а затим се соницирају соникатором Hielscher UP400S опремљеним титанијумским врхом (пречника 22 mm). Соникација се спроводи при различитим нивоима енергије, са максималном предатом енергијом од 600 J/ml, што одговара соникацији у трајању од 10 минута.

Утицај на време оцеђивања

Модификација млечном киселином уз примену ултразвука има снажан утицај на време оцеђивања суспензија целулозних нановлакана. За одводњавање референтне суспензије потребно је приближно 45 минута. Након модификације млечном киселином уз помоћ соникације, ово време се скраћује на 10 минута, што представља побољшање од 75%. Чак и при благој соникацији (5 J/ml), време оцеђивања се преполовљује на 23 минута. Време оцеђивања се скраћује са повећањем енергије соникације и на крају достиже плато на око 10 минута.
Ово побољшање приписује се замени хидрофилних хидроксилних група целулозе хидрофобним деловима молекула млечне киселине. Хидроксилне групе су првенствено одговорне за велико задржавање воде. Млечна киселина својом карбоксилном групом може да учествује у реакцији естерификације са хидроксилним групама целулозе током соникације. Соникација ствара сићушне вакуумске шупљине у течној средини, чијим колапсом настају екстремни услови (температура од 5000 K и притисак од 1000 atm), довољни за покретање хемијских реакција, укључујући естерификацију.

Енергија соникације у односу на време оцеђивања (у минутима) при припреми нанопапира (за узорак CNF(1)LA).
Енергија соникације од 100 J/ml одговара соникацији у трајању од 100 секунди итд.
(Студија и слика: ©Sethi и сар., 2018)

Смањење вискозности суспензија целулозних нановлакана

Енергија соникације такође доприноси смањењу вискозности суспензија целулозних нановлакана. Вискозност је обрнуто пропорционална енергији соникације, при чему је најнижа вискозност уочена при 600 J/ml, затим при 300 J/ml и 60 J/ml. Ово смањење вискозности додатно доприноси побољшању ефикасности одводњавања.

Индустријски значај ултразвучне модификације целулозних нановлакана

Метода модификације млечном киселином уз примену ултразвука није само ефикасна већ је и погодна за индустријску примену. Најсавременији соникатори Hielscher, способни за обраду великих запремина, могу ефикасно да обаве овај задатак, што ову методу чини погодном за рад у великим размерама.
Поред тога, овај приступ омогућава уградњу до 10 wt.% целулозних нановлакана у листове папира, при чему се одводњавање завршава за само 2 минута, у поређењу са 23 минута за немодификована целулозна нановлакна. Ово значајно побољшање може револуционисати употребу целулозних нановлакана у производњи папира, превазилазећи једну од главних препрека њиховој комерцијализацији.

Соникатори за целулозна нановлакна и производњу папира

Табела у наставку даје преглед приближног капацитета обраде наших соникатора са сондом:

Пројектовање, производња и саветовање – квалитет произведен у Немачкој

Ултразвучни уређаји Hielscher познати су по највишим стандардима квалитета и пројектовања. Робусност и једноставно руковање омогућавају несметану интеграцију наших ултразвучних уређаја у индустријска постројења. Ултразвучни уређаји Hielscher лако подносе сурове услове и захтевна радна окружења.

Hielscher Ultrasonics је компанија сертификована према ISO стандардима која посебан нагласак ставља на ултразвучне уређаје високих перформанси, са најсавременијом технологијом и једноставним коришћењем. Наравно, ултразвучни уређаји Hielscher усаглашени су са CE захтевима и испуњавају захтеве UL, CSA и RoHs.