Ultraljudsproduktion av nanostrukturerad cellulosa

Nanocellulosa, en anmärkningsvärd högpresterande tillsats, har fått en framträdande plats för sina mångsidiga tillämpningar som reologimodifierare, förstärkningsmedel och nyckelkomponent i olika avancerade material. Dessa nanostrukturerade fibriller, som härrör från vilken cellulosahaltig källa som helst, kan effektivt isoleras genom ultraljudshomogenisering och malning med hög effekt. Denna process, känd som ultraljudsbehandling, förbättrar flimmer avsevärt, vilket resulterar i ett högre utbyte av nanocellulosa och producerar finare, tunnare fibrer. Ultraljudsteknik överträffar konventionella tillverkningsmetoder, tack vare dess förmåga att generera extrema kavitationella höga skjuvkrafter, vilket gör det till ett exceptionellt verktyg för produktion av nanocellulosa.

Ultraljudstillverkning av nanocellulosa

Ultraljud med hög effekt bidrar till extraktion och isolering av mikro- och nanocellulosa från olika källor till cellulosamaterial som trä, lignocellulosafibrer (massafibrer) och cellulosahaltiga rester.
För att frigöra växtfibrerna från källmaterialet, ultraljud Malning och Homogenisering är en kraftfull och pålitlig metod som gör det möjligt att bearbeta mycket stora volymer. Massan matas in i en inline sonoreaktor, där ultraljudshöga skjuvkrafter bryter cellstrukturen i biomassan så att det fibrillösa materialet blir tillgängligt.

Figur 1 nedan visar en TEM-bild av “Aldrig torkad bomull” (NDC) som genomgår enzymatisk hydrolys och ultraljudsbehandlad med en Hielscher sond-typ sond typ sond sond UP400S i 20 minuter.
[Bittencourt et al. 2008]

Figur 2 nedan visar en SEM-bild av en film av viskos, som skickas till enzymatisk hydrolys, följt av ultraljudsbehandling med Hielscher sonikator modell UP400S.
[Bittencourt et al. 2008]

Ultraljud nanocellulosa bearbetning kan också framgångsrikt kombineras med TEMPO-oxiderad fiberbehandling. I TEMPO-processen produceras nanofibrer av cellulosa genom ett oxidationssystem med användning av 2,2,6,6-tetrametylpiperidinyl-1-oxyl (TEMPO) som katalysator, och natriumbromid (NaBr) och natriumhypoklorit (NaOCl). Forskning har visat att oxidationseffektiviteten förbättras avsevärt när oxidationen utförs under ultraljudsbestrålning.

Ultraljudsdispersion av nanocellulosa

Dispersioner av nanocellulosa uppvisar ett extraordinärt reologiskt beteende på grund av dess höga viskositet vid låga koncentrationer av nanocellulosa. Detta gör nanocellulosa till en mycket intressant tillsats som reologisk modifierare, stabilisator och geleringsmedel för olika applikationer, t.ex. inom bestryknings-, pappers- eller livsmedelsindustrin. För att uttrycka sina unika egenskaper måste nanocellulosa
Ultraljudsdispersion är den idealiska metoden för att erhålla finstor, enkeldispergerad nanocellulosa. Eftersom nanocellulosa är mycket skjuvförtunnande är kraftultraljud den föredragna tekniken för att formulera nanocellulosasuspensioner eftersom kopplingen av ultraljud med hög effekt till vätskor skapar extrema skjuvkrafter.
Klicka här för att lära dig mer om ultraljudskavitation i vätskor!
Efter syntesen av nanokristallin cellulosa dispergeras nanocellulosan ofta ultraljudsmässigt i ett flytande medium, t.ex. ett opolärt eller polärt lösningsmedel såsom dimetylformamid (DMF), för att formulera en slutprodukt (t.ex. nanokompositer, reologisk modifierare etc.) Eftersom CNF används som tillsatser i många formuleringar är en tillförlitlig dispergering avgörande. Ultraljud ger stabila och jämnt dispergerade fibriller.

Ultraljudsförbättrad avvattning av cellulosa nanofibrer

Ultraljudsförstärkt avvattning av cellulosananofibrer är en banbrytande teknik som avsevärt förbättrar effektiviteten vid vattenavlägsnande – vilket gör cellulosananofibrer till en mycket attraktiv tillsats för nanopappersproduktion. Nanocellulosafibrer kräver vanligtvis tidskrävande avvattning på grund av dess höga vattenhållande kapacitet. Genom att applicera ultraljudsvågor påskyndas denna process genom generering av intensiva kavitationskrafter, som stör vattenmatrisen och underlättar snabbare, mer enhetlig vattenutdrivning. Detta minskar inte bara torktiden utan förbättrar också den strukturella integriteten och de mekaniska egenskaperna hos de resulterande cellulosananofibrerna, vilket gör det till en mycket effektiv metod vid produktion av högkvalitativa nanopapper och andra nanomaterial.
Lär dig mer om ultraljudsavvattning av nanopapper!

Industriell produktion av nanocellulosa med hjälp av Power Ultrasound

Hielscher Ultrasonics erbjuder ett omfattande utbud av kraftfulla och pålitliga ultraljudslösningar, från små laboratorieskala ultraljudsapparater till storskaliga industriella system, idealiska för kommersiell bearbetning av nanocellulosa. Den viktigaste fördelen med Hielscher industriella sond-typ sonrikatorer ligger i deras förmåga att leverera optimala ultraljudsförhållanden genom sina genomflödessonorakter, som finns i olika storlekar och geometrier. Dessa reaktorer säkerställer att ultraljudsenergin appliceras konsekvent och enhetligt på cellulosamaterialet, vilket leder till överlägsna bearbetningsresultat.

Hielscher bänk sonikatorer, såsom UIP1000hdT, UIP2000hdT och UIP4000hdT, kan producera flera kilo nanocellulosa dagligen, vilket gör dem lämpliga för medelstora produktionsbehov. För storskalig kommersiell produktion kan kompletta industriella enheter som UIP10000 och UIP16000hdT hantera omfattande massflöden, vilket möjliggör effektiv produktion av stora volymer nanocellulosa.

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