Accelererad avvattning av cellulosananofibrer för pappersproduktion

Ultraljudsbehandling i kombination med mjölksyra (LA) modifiering är ett miljövänligt tillvägagångssätt för att påskynda avvattningsprocessen av cellulosa nanofibrer (CNF) för pappersproduktion. Nanofibrer av cellulosa är kända för sin höga vattenhållning, vilket orsakar betydande förseningar i dräneringsprocessen, ett kritiskt steg i beredningen av nanopapper och andra tillämpningar av nanocellulosa. Metoden minskar dräneringstiden med 75%, från 45 minuter till 10 minuter, genom förestring av cellulosahydroxylgrupper med mjölksyra under ultraljudsbehandling. Denna modifiering sänker också suspensionens viskositet och visar sig vara industriellt skalbar, vilket erbjuder en praktisk lösning för att förbättra effektiviteten och produktionshastigheten för cellulosananofiberbaserade produkter.

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

Förbättrad avvattningseffektivitet av cellulosa nanofibrer via ultraljud mjölksyramodifiering

Cellulosananofibrer (CNF) hyllas för sina många fördelar inom pappersproduktion, såsom att förbättra styrkan och modifiera reologin. En betydande nackdel är dock den orimliga mängd tid som krävs för att dränera vatten från cellulosananofibersuspensioner, ett kritiskt steg vid framställning av nanopapper. Denna utmaning påverkar inte bara produktionen av nanopapper utan hindrar också den industriella bearbetningen av nanocellulosa till andra färdiga produkter. Den förlängda dräneringstiden beror främst på den höga vattenretentionen av cellulosananofibrer, vilket är en flaskhals i kommersialiseringen av produkter som härrör från cellulosananofibrer.
Nedan presenterar vi resultaten av en vetenskaplig studie av Sethi och kollegor (2018), som utvecklade en ultraljudsassisterad mjölksyramodifiering av cellulosananofibrer, vilket leder till en 75 % snabbare avvattning av CNF och förbättrade materialfunktioner.

Ultraljudsmodifiering av cellulosa nanofibrer med mjölksyra

För att ta itu med denna fråga, en miljövänlig, vattenbaserad metod som involverar ultraljudsbehandling energi och mjölksyra (LA) har utvecklats för att modifiera ytan av cellulosa nanofibrer. Denna metod påskyndar avvattningsprocessen avsevärt och minskar dräneringstiden med upp till 75 %.
Modifieringsprocessen innebär att cellulosananofibersuspensioner späds ut till en koncentration av 0,35 viktprocent och att mjölksyra tillsätts i olika mängder i förhållande till torrinnehållet av cellulosananofiber (0,5 gånger, 1 gång, 5 gånger och 10 gånger av det torra innehållet av cellulosananofiber i suspension). Nanofibrerna, vatten och mjölksyra blandas med hjälp av en höghastighetsomrörare vid 1500 rpm i 5 minuter och sonikeras sedan med en Hielscher UP400S sonikator utrustad med en titanspets (22 mm i diameter). Ultraljudsbehandling utförs vid olika energinivåer, med en maximal överförd energi på 600 J / ml, vilket motsvarar 10 minuters ultraljudsbehandling.

Inverkan på tömningstiden

Ultraljuds-mjölksyramodifieringen har en djupgående inverkan på dräneringstiden för cellulosa nanofibersuspensioner. Referenssuspensionen tar cirka 45 minuter för avvattning. Efter ultraljudsbehandling assisterad mjölksyra modifiering, denna tid reduceras till 10 minuter, vilket motsvarar en 75% förbättring. Även med mild ultraljudsbehandling (5 J / ml) halveras dräneringstiden till 23 minuter. Dräneringstiden minskar med ökande ultraljudsbehandling energi, så småningom nå en platå på cirka 10 minuter.
Denna förbättring tillskrivs ersättningen av hydrofila hydroxylgrupper av cellulosa med hydrofoba delar av mjölksyra. Hydroxylgrupperna är främst ansvariga för hög vattenretention. Mjölksyra, med sin karboxylgrupp, kan delta i en förestringsreaktion med hydroxylgrupperna av cellulosa under ultraljudsbehandling. Ultraljudsbehandling skapar minimala vakuum håligheter i det flytande mediet, som kollapsar för att producera extrema förhållanden (5000 K temperatur och 1000 atm tryck), tillräckligt för att inducera kemiska reaktioner, inklusive förestring.

Ultraljudsbehandling energi vs dräneringstid (i minuter) för nanopapper beredning (motsvarande CNF (1) LA prov).
100 J/ml ultraljudsbehandling energi motsvarar 100 sekunders ultraljudsbehandling osv.
(Studie och bild: ©Sethi et al., 2018)

Viskositetsreduktion av cellulosa nanofibersuspensioner

Ultraljudsbehandling energi bidrar också till en minskning av viskositeten hos cellulosa nanofiber suspensioner. Viskositeten är omvänt proportionell mot ultraljudsbehandling energi, med den lägsta viskositeten observerad vid 600 J / ml, följt av 300 J / ml och 60 J / ml. Denna minskning av viskositeten bidrar ytterligare till att förbättra avvattningseffektiviteten.

Industriell relevans av ultraljudscellulosa nanofibermodifiering

Metoden för modifiering av ultraljudsmjölksyra är inte bara effektiv utan också kompatibel med industriella tillämpningar. Hielscher state-of-the-art sonikatorer som kan hantera bearbetning av stora volymer kan effektivt slutföra uppgiften, vilket gör denna metod lämplig för storskaliga operationer.
Dessutom möjliggör detta tillvägagångssätt inkorporering av upp till 10 viktprocent cellulosananofiber 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 och övervinna ett av de största hindren för deras kommersialisering.

Ultraljudsapparater för cellulosananofibrer och pappersproduktion

Tabellen nedan ger dig en indikation på den ungefärliga bearbetningskapaciteten för våra sond-typ sonikatorer:

Design, tillverkning och rådgivning – Kvalitet tillverkad i Tyskland

Hielscher ultraljudsapparater är välkända för sina högsta kvalitets- och designstandarder. Robusthet och enkel drift möjliggör en smidig integration av våra ultraljudsapparater i industriella anläggningar. Tuffa förhållanden och krävande miljöer hanteras enkelt av Hielscher ultraljudsapparater.

Hielscher Ultrasonics är ett ISO-certifierat företag och lägger särskild vikt vid högpresterande ultraljudsapparater med den senaste tekniken och användarvänligheten. Naturligtvis är Hielscher ultraljudsapparater CE-kompatibla och uppfyller kraven i UL, CSA och RoHs.