Ultraljudsbaserad framställning av nanostrukturerad cellulosa

Nanocellulosa, en anmärkningsvärd högpresterande tillsats, har fått en framträdande roll tack vare sina mångsidiga användningsområden som reologimodifierare, förstärkningsmedel och nyckelkomponent i olika avancerade material. Dessa nanostrukturerade fibriller, som kan härröra från vilken cellulosahaltig källa som helst, kan isoleras effektivt genom homogenisering och malning med högeffektsultraljud. Denna process, som kallas sonikering, förbättrar fibrilleringen avsevärt, vilket ger ett högre utbyte av nanocellulosa och finare, tunnare fibrer. Ultraljudsteknik överträffar konventionella tillverkningsmetoder tack vare sin förmåga att generera extremt höga skjuvkrafter genom kavitation, vilket gör den till ett exceptionellt verktyg för framställning av nanocellulosa.

Ultraljudsbaserad tillverkning av nanocellulosa

Högeffektsultraljud bidrar till extraktion och isolering av mikro- och nanocellulosa från olika cellulosahaltiga material såsom trä, lignocellulosafibrer (massafibrer) och cellulosahaltiga restprodukter.
För att frigöra växtfibrerna från ursprungsmaterialet är ultraljudsbaserad malning och homogenisering en kraftfull och tillförlitlig metod som gör det möjligt att bearbeta mycket stora volymer. Massan matas in i en inline-ultraljudsreaktor, där höga skjuvkrafter från ultraljud bryter sönder biomassans cellstruktur så att det fibrillära materialet blir tillgängligt.

Figur 1 nedan visar en TEM-bild av ”aldrig torkad bomull” (NDC) som har genomgått enzymatisk hydrolys och ultraljudsbehandlats med en sondultraljudsapparat UP400S från Hielscher i 20 minuter.
[Bittencourt et al. 2008]

Figur 2 nedan visar en SEM-bild av en viskosfilm som har genomgått enzymatisk hydrolys följt av ultraljudsbehandling med Hielschers ultraljudsapparat av modell UP400S.
[Bittencourt et al. 2008]

Ultraljudsbaserad bearbetning av nanocellulosa kan också framgångsrikt kombineras med behandling av TEMPO-oxiderade fibrer. I TEMPO-processen framställs cellulosananofibrer med ett oxidationssystem som använder 2,2,6,6-tetrametylpiperidinyl-1-oxyl (TEMPO) som katalysator samt natriumbromid (NaBr) och natriumhypoklorit (NaOCl). Forskning har visat att oxidationseffektiviteten förbättras avsevärt när oxidationen utförs under ultraljudsbestrålning.

Ultraljudsdispergering av nanocellulosa

Nanocellulosadispersioner uppvisar ett extraordinärt reologiskt beteende på grund av sin höga viskositet vid låga nanocellulosakoncentrationer. Detta gör nanocellulosa till en mycket intressant tillsats som reologimodifierare, stabiliseringsmedel och gelbildare för olika tillämpningar, t.ex. inom beläggnings-, pappers- eller livsmedelsindustrin. För att dess unika egenskaper ska komma till uttryck måste nanocellulosa vara
Ultraljudsdispergering är den idealiska metoden för att erhålla finfördelad nanocellulosa med individuellt dispergerade partiklar. Eftersom nanocellulosa är starkt skjuvförtunnande är högeffektsultraljud den föredragna tekniken för att formulera nanocellulosasuspensioner, eftersom inkopplingen av högeffektsultraljud i vätskor skapar extrema skjuvkrafter.
Klicka här för att läsa mer om ultraljudskavitation i vätskor!
Efter syntesen av nanokristallin cellulosa dispergeras nanocellulosan ofta med ultraljud i ett flytande medium, t.ex. ett opolärt eller polärt lösningsmedel såsom dimetylformamid (DMF), för att formulera en slutprodukt (t.ex. nanokompositer, reologimodifierare osv.). Eftersom CNF används som tillsats i en mängd olika formuleringar är tillförlitlig dispergering avgörande. Ultraljudsbehandling ger stabila och jämnt dispergerade fibriller.

Ultraljudsbaserad självorganisering av cellulosananokristaller

Ultraljudsbehandling spelar en viktig möjliggörande roll vid syntes och bearbetning av cellulosananokristaller (CNC) genom att bryta upp aggregat som bildats vid hydrolys, dispergera knippen och skapa mer enhetliga suspensioner med reproducerbara partikelinteraktioner. Även om CNC vanligtvis framställs genom syrahydrolys innehåller det resulterande materialet ofta klustrade domäner som kan hindra tillförlitlig självorganisering och leda till variationer i reologi och optiska egenskaper mellan satser. Tillförsel av kontrollerad ultraljudsenergi efter syntesen förbättrar dispersionskvaliteten och bidrar till att standardisera CNC-morfologin, vilket är avgörande för enhetlig kolesterisk ordning, förutsägbart gelningsbeteende och skalbar tillverkning av CNC-baserade funktionella material. Läs mer om ultraljudsfrämjad självorganisering av CNC!

Förbättrad avvattning av cellulosananofibrer med ultraljud

Ultraljudsförstärkt avvattning av cellulosananofibrer är en spjutspetsteknik som avsevärt effektiviserar vattenavlägsnandet – vilket gör cellulosananofibrer till en mycket attraktiv tillsats vid tillverkning av nanopapper. Nanocellulosafibrer kräver vanligtvis tidskrävande avvattning på grund av sin höga vattenhållande förmåga. Genom att tillföra ultraljudsvågor påskyndas denna process genom att intensiva kavitationskrafter genereras, vilka bryter upp vattenmatrisen och underlättar snabbare och mer enhetlig utdrivning av vatten. Detta minskar inte bara torktiden utan förbättrar även den strukturella integriteten och de mekaniska egenskaperna hos de resulterande cellulosananofibrerna, vilket gör det till en mycket effektiv metod vid tillverkning av högkvalitativa nanopapper och andra nanomaterial.
Läs mer om avvattning av nanopapper med ultraljud!

Industriell produktion av nanocellulosa med högeffektsultraljud

Hielscher Ultrasonics erbjuder ett omfattande sortiment av kraftfulla och tillförlitliga ultraljudslösningar, från små ultraljudsapparater i laboratorieskala till storskaliga industrisystem, som är idealiska för kommersiell bearbetning av nanocellulosa. Den främsta fördelen med Hielschers industriella ultraljudsapparater av sondtyp ligger i deras förmåga att ge optimala ultraljudsförhållanden genom sina genomströmningsreaktorer för ultraljud, som finns i olika storlekar och geometrier. Dessa reaktorer säkerställer att ultraljudsenergin tillförs cellulosamaterialet konsekvent och jämnt, vilket ger överlägsna bearbetningsresultat.

Hielschers ultraljudsapparater i bänkformat, såsom UIP1000hdT, UIP2000hdT och UIP4000hdT, kan producera flera kilogram nanocellulosa dagligen, vilket gör dem lämpliga för medelstora produktionsbehov. För storskalig kommersiell produktion kan de renodlade industrienheterna, såsom UIP10000 och UIP16000hdT, hantera stora massflöden, vilket möjliggör effektiv produktion av stora volymer nanocellulosa.

En av de mest betydande fördelarna med Hielschers ultraljudssystem är deras linjära skalbarhet. Både ultraljudsapparater i bänkformat och industriella ultraljudsapparater kan installeras i kluster, vilket ger praktiskt taget obegränsad bearbetningskapacitet och gör dem till ett idealiskt val för verksamheter som kräver hög genomströmning och tillförlitlig prestanda vid produktion av nanocellulosa.