Snabbare avvattning av cellulosananofibrer för papperstillverkning

Ultraljudsbehandling i kombination med modifiering med mjölksyra (LA) är en miljövänlig metod för att påskynda avvattningen av cellulosananofibrer (CNF) för papperstillverkning. Cellulosananofibrer är kända för sin höga vattenhållande förmåga, som orsakar betydande fördröjningar i avvattningsprocessen, ett avgörande steg vid framställning av nanopapper och i andra nanocellulosatillämpningar. Metoden minskar avvattningstiden med 75%, från 45 minuter till 10 minuter, genom förestring av cellulosans hydroxylgrupper med mjölksyra under ultraljudsbehandling. Denna modifiering sänker också suspensionens viskositet och visar sig vara skalbar till industriell nivå, vilket erbjuder en praktisk lösning för att förbättra effektiviteten och öka produktionstakten för produkter baserade på cellulosananofibrer.

Snabb avvattning av mjölksyramodifierade cellulosananofibrer under ultraljudsbehandling
(Studie och bild: ©Sethi et al., 2018)

Effektivare avvattning av cellulosananofibrer genom ultraljudsassisterad mjölksyramodifiering

Cellulosananofibrer (CNF) är uppskattade för sina många fördelar vid papperstillverkning, såsom ökad styrka och modifierad reologi. En betydande nackdel är dock den orimligt långa tid som krävs för att avlägsna vatten från suspensioner av cellulosananofibrer, ett avgörande steg vid framställning av nanopapper. Denna utmaning påverkar inte bara produktionen av nanopapper utan hindrar också industriell bearbetning av nanocellulosa till andra färdiga produkter. Den långa avvattningstiden beror främst på cellulosananofibrernas höga vattenhållande förmåga, som utgör en flaskhals vid kommersialiseringen av produkter framställda av cellulosananofibrer.
Nedan presenterar vi resultaten från en vetenskaplig studie av Sethi och kollegor (2018), som utvecklade en ultraljudsassisterad mjölksyramodifiering av cellulosananofibrer som leder till 75% snabbare avvattning av CNF och förbättrade materialfunktioner.

Ultraljudsassisterad modifiering av cellulosananofibrer med mjölksyra

För att lösa detta problem har en miljövänlig, vattenbaserad metod med ultraljudsenergi och mjölksyra (LA) utvecklats för att modifiera cellulosananofibrernas yta. Denna metod påskyndar avvattningsprocessen avsevärt och minskar avvattningstiden med upp till 75%.
Modifieringsprocessen innebär att suspensioner av cellulosananofibrer späds till en koncentration på 0,35 viktprocent och att mjölksyra tillsätts i olika mängder i förhållande till cellulosananofibrernas torrsubstansmängd (0,5 gånger, 1 gång, 5 gånger och 10 gånger mängden torrsubstans av cellulosananofibrer i suspensionen). Nanofibrerna, vattnet och mjölksyran blandas med en höghastighetsomrörare vid 1500 rpm i 5 minuter och behandlas sedan med ultraljud med en Hielscher UP400S utrustad med en titanspets (22 mm i diameter). Ultraljudsbehandlingen utförs vid olika energinivåer, med en maximal tillförd energi på 600 J/ml, vilket motsvarar 10 minuters ultraljudsbehandling.

Inverkan på avvattningstiden

Den ultraljudsassisterade mjölksyramodifieringen har stor inverkan på avvattningstiden för suspensioner av cellulosananofibrer. Avvattningen av referenssuspensionen tar cirka 45 minuter. Efter ultraljudsassisterad mjölksyramodifiering minskar denna tid till 10 minuter, vilket innebär en förbättring på 75%. Även vid mild ultraljudsbehandling (5 J/ml) halveras avvattningstiden till 23 minuter. Avvattningstiden minskar med ökande ultraljudsenergi och planar så småningom ut vid cirka 10 minuter.
Denna förbättring tillskrivs att cellulosans hydrofila hydroxylgrupper ersätts med hydrofoba delar av mjölksyra. Hydroxylgrupperna är huvudsakligen ansvariga för den höga vattenhållande förmågan. Mjölksyra kan med sin karboxylgrupp delta i en förestringsreaktion med cellulosans hydroxylgrupper under ultraljudsbehandling. Ultraljudsbehandlingen skapar mycket små vakuumkaviteter i vätskemediet, vilka kollapsar och ger upphov till extrema förhållanden (en temperatur på 5000 K och ett tryck på 1000 atm), tillräckliga för att framkalla kemiska reaktioner, inklusive förestring.

Ultraljudsenergi i förhållande till avvattningstid (i minuter) vid framställning av nanopapper (motsvarande provet CNF(1)LA).
100 J/ml ultraljudsenergi motsvarar 100 sekunders ultraljudsbehandling osv.
(Studie och bild: ©Sethi et al., 2018)

Viskositetsminskning i suspensioner av cellulosananofibrer

Ultraljudsenergin bidrar också till en minskning av viskositeten hos suspensionerna av cellulosananofibrer. Viskositeten är omvänt proportionell mot ultraljudsenergin, med den lägsta viskositeten observerad vid 600 J/ml, följt av 300 J/ml och 60 J/ml. Denna viskositetsminskning bidrar ytterligare till att förbättra avvattningseffektiviteten.

Industriell relevans för ultraljudsassisterad modifiering av cellulosananofibrer

Metoden med ultraljudsassisterad mjölksyramodifiering är inte bara effektiv utan också förenlig med industriella tillämpningar. Hielschers toppmoderna ultraljudsapparater, som kan bearbeta stora volymer, kan effektivt utföra uppgiften, vilket gör metoden lämplig för storskalig drift.
Dessutom möjliggör denna metod inblandning av upp till 10 viktprocent cellulosananofibrer i pappersark, med avvattning slutförd på bara 2 minuter, jämfört med 23 minuter för omodifierade cellulosananofibrer. Denna betydande förbättring kan revolutionera användningen av cellulosananofibrer vid papperstillverkning genom att övervinna ett av de största hindren för deras kommersialisering.

Ultraljudsapparater för cellulosananofibrer och papperstillverkning

Tabellen nedan ger en uppfattning om den ungefärliga bearbetningskapaciteten hos våra ultraljudsapparater med sond:

Konstruktion, tillverkning och rådgivning – kvalitet tillverkad i Tyskland

Hielschers ultraljudsapparater är välkända för sina högsta kvalitets- och konstruktionsstandarder. Robusthet och enkel användning möjliggör smidig integration av våra ultraljudsapparater i industrianläggningar. Hielschers ultraljudsapparater klarar enkelt tuffa förhållanden och krävande miljöer.

Hielscher Ultrasonics är ett ISO-certifierat företag och lägger särskild vikt vid högpresterande ultraljudsapparater med toppmodern teknik och användarvänlighet. Självklart är Hielschers ultraljudsapparater CE-kompatibla och uppfyller kraven i UL, CSA och RoHs.