Убрзано одводњавање целулозних нановлакна за производњу папира

Соникација у комбинацији са модификацијом млечне киселине (ЛА) је еколошки прихватљив приступ за убрзавање процеса одводњавања целулозних нановлакна (ЦНФ) за производњу папира. Целулозна нановлакна су позната по великом задржавању воде, што узрокује значајна кашњења у процесу дренаже, што је критичан корак у припреми нанопапира и другим применама наноцелулозе. Метода смањује време дренирања за 75%, са 45 минута на 10 минута, кроз естерификацију целулозних хидроксилних група млечном киселином под соникацијом. Ова модификација такође смањује вискозитет суспензије и показује се као индустријски скалабилна, нудећи практично решење за побољшање ефикасности и стопе производње производа на бази целулозних нановлакна.

Брзо одводњавање целулозних нановлакна модификованих млечном киселином под соникацијом
(Студија и слика: ©Сетхи ет ал., 2018)

Повећана ефикасност одводњавања целулозних нановлакна путем ултразвучне модификације млечне киселине

Целулозна нановлакна (ЦНФ) се славе због својих бројних предности у производњи папира, као што су повећање чврстоће и модификовање реологије. Међутим, један значајан недостатак је превелика количина времена потребног за одвод воде из суспензија целулозних нановлакна, што је критичан корак у припреми нанопапира. Овај изазов не утиче само на производњу нанопапира већ и омета индустријску прераду наноцелулозе у друге готове производе. Продужено време дренаже је првенствено последица високог задржавања воде од стране целулозних нановлакна, што је уско грло у комерцијализацији производа добијених од целулозних нановлакна.
У наставку вам представљамо резултате научне студије Сетија и његових колега (2018), који су развили ултразвучну модификацију млечне киселине целулозних нановлакна, што доводи до 75% бржег одводњавања ЦНФ-а и побољшане функционалности материјала.

Ултразвучна модификација целулозних нановлакна са млечном киселином

Да би се решио овај проблем, развијен је еколошки приступ заснован на води који укључује енергију ултразвука и млечну киселину (ЛА) да би се модификовала површина целулозних нановлакна. Овај метод значајно убрзава процес одводњавања, смањујући време дренаже до 75%.
Процес модификације укључује разблаживање суспензије целулозних нановлакна до концентрације од 0,35 теж.% и додавање млечне киселине у различитим количинама у односу на садржај сувог нановлакна целулозе (0,5 пута, 1 пут, 5 пута и 10 пута од сувог садржаја нановлакна целулозе у суспензија). Нановлакна, вода и млечна киселина се мешају коришћењем мешалице велике брзине на 1500 о/мин током 5 минута, а затим се обрађују ултразвуком са соникатором Хиелсцхер УП400С опремљеним врхом од титанијума (22 мм у пречнику). Соникација се спроводи на различитим нивоима енергије, са максималном пренесеном енергијом од 600 Ј/мл, што одговара 10 минута соникације.

Утицај на време пражњења

Модификација ултразвучне млечне киселине има дубок утицај на време дренирања суспензија целулозних нановлакна. Референтној суспензији је потребно приближно 45 минута за одводњавање. Након модификације млечне киселине уз помоћ ултразвука, ово време се смањује на 10 минута, што представља побољшање од 75%. Чак и уз благу соникацију (5 Ј/мл), време пражњења је преполовљено на 23 минута. Време пражњења се смањује са повећањем енергије соникације, на крају достижући плато за око 10 минута.
Ово побољшање се приписује замени хидрофилних хидроксилних група целулозе са хидрофобним деловима млечне киселине. Хидроксилне групе су првенствено одговорне за високо задржавање воде. Млечна киселина, са својом карбоксилном групом, може да учествује у реакцији естерификације са хидроксилним групама целулозе под соникацијом. Соникација ствара мале вакуумске шупљине у течном медијуму, које колабирају да би произвеле екстремне услове (температура 5000 К и притисак од 1000 атм), довољне да изазову хемијске реакције, укључујући естерификацију.

Енергија ултразвука у односу на време дренирања (у минутама) за припрему нанопапира (одговара ЦНФ(1)ЛА узорку).
100 Ј/мл енергије соникације одговара 100 секунди соникације, итд.
(Студија и слика: ©Сетхи ет ал., 2018)

Смањење вискозитета суспензија целулозних нановлакна

Енергија соникације такође доприноси смањењу вискозитета суспензија целулозних нановлакна. Вискозитет је обрнуто пропорционалан енергији соникације, при чему је најнижи вискозитет примећен на 600 Ј/мл, а затим следе 300 Ј/мл и 60 Ј/мл. Ово смањење вискозитета додатно помаже у побољшању ефикасности одводњавања.

Индустријска релевантност ултразвучне модификације целулозних нановлакна

Метода ултразвучне модификације млечне киселине није само ефикасна већ је и компатибилна са индустријским применама. Хиелсцхер-ови најсавременији соникатори који су способни да обрађују велике количине могу ефикасно да заврше задатак, чинећи овај метод погодним за операције великих размера.
Поред тога, овај приступ омогућава уградњу до 10 теж.% целулозних нановлакна у папирне листове, при чему је одводњавање завршено за само 2 минута, у поређењу са 23 минута за немодификована целулозна нановлакна. Ово значајно побољшање може револуционисати употребу целулозних нановлакна у производњи папира, превазилазећи једну од главних препрека у њиховој комерцијализацији.

Соникатори за целулозна нановлакна и производњу папира

Табела испод даје вам индикацију приближног капацитета обраде наших соникатора типа сонде:

Дизајн, производња и консалтинг – Квалитет Маде ин Германи

Хиелсцхер ултрасоникатори су познати по свом највишем квалитету и стандардима дизајна. Робусност и једноставан рад омогућавају несметану интеграцију наших ултразвучних апарата у индустријске објекте. Хиелсцхер ултрасоникатори се лако носе са тешким условима и захтевним окружењима.

Хиелсцхер Ултрасоницс је ИСО сертификована компанија и ставља посебан нагласак на ултрасоникаторе високих перформанси са најсавременијом технологијом и једноставношћу за коришћење. Наравно, Хиелсцхер ултрасоникатори су усаглашени са ЦЕ и испуњавају захтеве УЛ, ЦСА и РоХ.