การผลิตอัลตราโซนิกของเซลลูโลสโครงสร้างนาโน
นาโนเซลลูโลส ซึ่งเป็นสารเติมแต่งประสิทธิภาพสูงที่โดดเด่น ได้รับความโดดเด่นจากการใช้งานที่หลากหลายในฐานะตัวดัดแปลงรีโอโลยี สารเสริมแรง และส่วนประกอบสําคัญในวัสดุขั้นสูงต่างๆ เส้นใยที่มีโครงสร้างนาโนเหล่านี้ได้มาจากแหล่งที่มีเซลลูโลสสามารถแยกได้อย่างมีประสิทธิภาพผ่านการทําให้เป็นเนื้อเดียวกันและกัดด้วยอัลตราโซนิกกําลังสูง กระบวนการนี้เรียกว่า sonication ช่วยเพิ่มการเกิดการสั่นสะเทือนอย่างมีนัยสําคัญส่งผลให้ผลผลิตของนาโนเซลลูโลสสูงขึ้นและผลิตเส้นใยที่ละเอียดและบางกว่า เทคโนโลยีอัลตราโซนิกเหนือกว่าวิธีการผลิตทั่วไปด้วยความสามารถในการสร้างแรงเฉือนสูงของโพรงอากาศทําให้เป็นเครื่องมือพิเศษสําหรับการผลิตนาโนเซลลูโลส
การผลิตอัลตราโซนิกของนาโนเซลลูโลส
อัลตราโซนิกกําลังสูงมีส่วนช่วยในการสกัดและแยกไมโครเซลลูโลสและนาโนเซลลูโลสจากแหล่งวัสดุเซลลูโลสต่างๆ เช่น ไม้ เส้นใยลิกโนเซลลูโลส (เส้นใยเยื่อกระดาษ) และเซลลูโลสที่มีสารตกค้าง
ในการปล่อยเส้นใยพืชออกจากวัสดุต้นทางอัลตราโซนิก บด และ การทําให้เป็นเนื้อเดียวกัน เป็นวิธีที่มีประสิทธิภาพและเชื่อถือได้ซึ่งช่วยให้สามารถประมวลผลปริมาณมากได้ เยื่อกระดาษจะถูกป้อนเข้าไปในเครื่องปฏิกรณ์โซโนริออนด์แบบอินไลน์ซึ่งแรงเฉือนสูงแบบอัลตราโซนิกจะทําลายโครงสร้างเซลล์ของชีวมวลเพื่อให้สสารเส้นใยพร้อมใช้งาน

สารละลายนาโนเซลลูโลสจะกระจายตัวอย่างน่าเชื่อถือโดยใช้อัลตราโซนิก ภาพแสดงเครื่องสะท้อนเสียงประสิทธิภาพสูง UIP2000hdT ในการตั้งค่าแบทช์
[Bittencourt et al. 2008]

ภาพ TEM ของ “ผ้าฝ้ายไม่เคยแห้ง” (NDC) ส่งให้ไฮโดรไลซิสด้วยเอนไซม์และโซนิกด้วย เครื่องสะท้อนเสียง Hielscher UP400S เป็นเวลา 20 นาที [Bittencourt et al. 2008]
รูปที่ 2 ด้านล่างแสดงภาพ SEM ของฟิล์มลาย้เหนียวที่ส่งไปยังการไฮโดรไลซิสของเอนไซม์ตามด้วยการ sonication ด้วย เครื่องสะท้อนเสียง Hielscher รุ่น UP400S.
[Bittencourt et al. 2008]

ภาพ SEM ของฟิล์มลาย้เหนียวส่งไปยังการไฮโดรไลซิสของเอนไซม์ตามด้วยการ sonication ด้วย UP400S [Bittencourt et al. 2008]
การประมวลผลนาโนเซลลูโลสอัลตราโซนิกยังสามารถรวมกับการบําบัดด้วยเส้นใยออกซิไดซ์ TEMPO ได้สําเร็จ ในกระบวนการ TEMPO เส้นใยนาโนเซลลูโลสผลิตโดยระบบออกซิเดชันโดยใช้ 2,2,6,6-tetramethylpiperidinyl-1-oxyl (TEMPO) เป็นตัวเร่งปฏิกิริยา และโซเดียมโบรไมด์ (NaBr) และโซเดียมไฮโปคลอไรต์ (NaOCl) การวิจัยได้พิสูจน์แล้วว่าประสิทธิภาพการเกิดออกซิเดชันจะดีขึ้นอย่างมีนัยสําคัญเมื่อออกซิเดชันดําเนินการภายใต้การฉายรังสีอัลตราโซนิก
การกระจายอัลตราโซนิกของนาโนเซลลูโลส
การกระจายตัวของนาโนเซลลูโลสแสดงให้เห็นถึงพฤติกรรมการไหลเวียนที่ไม่ธรรมดาเนื่องจากมีความหนืดสูงที่ความเข้มข้นของนาโนเซลลูโลสต่ํา สิ่งนี้ทําให้นาโนเซลลูโลสเป็นสารเติมแต่งที่น่าสนใจมากในฐานะตัวดัดแปลงรีโอโลยี สารทําให้คงตัว และเจลแลนท์สําหรับการใช้งานต่างๆ เช่น ในอุตสาหกรรมการเคลือบ กระดาษ หรืออาหาร เพื่อแสดงคุณสมบัติที่เป็นเอกลักษณ์นาโนเซลลูโลสจะต้องเป็น
การกระจายอัลตราโซนิกเป็นวิธีที่เหมาะอย่างยิ่งในการได้นาโนเซลลูโลสแบบกระจายตัวเดี่ยวขนาดละเอียด เนื่องจากนาโนเซลลูโลสเป็นแรงเฉือนที่บางลงสูงอัลตราซาวนด์กําลังจึงเป็นเทคโนโลยีที่ต้องการในการกําหนดสารแขวนลอยนาโนเซลลูโลสเนื่องจากการมีเพศสัมพันธ์ของอัลตราซาวนด์กําลังสูงเป็นของเหลวจะสร้างแรงเฉือนที่รุนแรง
คลิกที่นี่เพื่อเรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับโพรงอากาศอัลตราโซนิกในของเหลว!
หลังจากการสังเคราะห์เซลลูโลสนาโนคริสตัลไลน์นาโนเซลลูโลสมักจะกระจายตัวด้วยอัลตราโซนิกลงในตัวกลางที่เป็นของเหลวเช่นตัวทําละลายที่ไม่มีขั้วหรือขั้วเช่นไดเมทิลฟอร์มาไมด์ (DMF) เพื่อกําหนดผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้าย (เช่นนาโนคอมโพสิตตัวดัดแปลงรีโอโลยี ฯลฯ ) เนื่องจาก CNF ถูกใช้เป็นสารเติมแต่งในสูตรท่อร่วมการกระจายตัวที่เชื่อถือได้จึงเป็นสิ่งสําคัญ อัลตราโซนิกสร้างเส้นใยที่เสถียรและกระจายอย่างสม่ําเสมอ
การแยกน้ําออกจากเส้นใยนาโนเซลลูโลสที่ได้รับการปรับปรุงด้วยอัลตราโซนิก
การแยกน้ําออกจากเส้นใยนาโนเซลลูโลสที่ได้รับการปรับปรุงด้วยอัลตราโซนิกเป็นเทคนิคล้ําสมัยที่ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการกําจัดน้ําได้อย่างมาก – ทําให้เส้นใยนาโนเซลลูโลสเป็นสารเติมแต่งที่น่าสนใจอย่างมากสําหรับการผลิตกระดาษนาโน เส้นใยนาโนเซลลูโลสมักต้องการการแยกน้ําที่ใช้เวลานานเนื่องจากความสามารถในการกักเก็บน้ําสูง ด้วยการใช้คลื่นอัลตราโซนิกกระบวนการนี้จะถูกเร่งขึ้นผ่านการสร้างแรงโพรงอากาศที่รุนแรงซึ่งขัดขวางเมทริกซ์ของน้ําและอํานวยความสะดวกในการขับน้ําได้เร็วขึ้นและสม่ําเสมอมากขึ้น สิ่งนี้ไม่เพียงแต่ช่วยลดเวลาในการอบแห้ง แต่ยังช่วยเพิ่มความสมบูรณ์ของโครงสร้างและคุณสมบัติทางกลของเส้นใยนาโนเซลลูโลสที่ได้ทําให้เป็นวิธีที่มีประสิทธิภาพสูงในการผลิตกระดาษนาโนคุณภาพสูงและวัสดุนาโนอื่นๆ
เรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับการแยกน้ําด้วยอัลตราโซนิกของกระดาษนาโน!
การผลิตนาโนเซลลูโลสอุตสาหกรรมโดยใช้อัลตราซาวนด์พลังงาน
Hielscher Ultrasonics นําเสนอโซลูชั่นอัลตราโซนิกที่มีประสิทธิภาพและเชื่อถือได้ตั้งแต่เครื่องอัลตราโซนิกขนาดเล็กในห้องปฏิบัติการไปจนถึงระบบอุตสาหกรรมขนาดใหญ่เหมาะสําหรับการแปรรูปนาโนเซลลูโลสในเชิงพาณิชย์ ข้อได้เปรียบที่สําคัญของเครื่องสะท้อนเสียงชนิดโพรบอุตสาหกรรม Hielscher อยู่ที่ความสามารถในการส่งมอบสภาวะอัลตราโซนิกที่เหมาะสมผ่านเครื่องปฏิกรณ์โซโนเสาร์แบบไหลผ่านซึ่งมีขนาดและรูปทรงต่างๆ เครื่องปฏิกรณ์เหล่านี้ช่วยให้มั่นใจได้ว่าพลังงานอัลตราซาวนด์จะถูกนําไปใช้อย่างสม่ําเสมอและสม่ําเสมอกับวัสดุเซลลูโลส ซึ่งนําไปสู่ผลลัพธ์การประมวลผลที่เหนือกว่า
เครื่องสะท้อนเสียงแบบตั้งโต๊ะของ Hielscher เช่น UIP1000hdT, UIP2000hdT และ UIP4000hdT สามารถผลิตนาโนเซลลูโลสได้หลายกิโลกรัมต่อวัน สําหรับการผลิตเชิงพาณิชย์ขนาดใหญ่หน่วยอุตสาหกรรมเต็มรูปแบบเช่น UIP10000 และ UIP16000hdT สามารถรองรับกระแสมวลที่กว้างขวางทําให้สามารถผลิตนาโนเซลลูโลสในปริมาณมากได้อย่างมีประสิทธิภาพ
ข้อได้เปรียบที่สําคัญที่สุดอย่างหนึ่งของระบบอัลตราโซนิก Hielscher คือความสามารถในการปรับขนาดเชิงเส้น สามารถติดตั้งเครื่องอัลตราโซนิกทั้งแบบตั้งโต๊ะและแบบอุตสาหกรรมเป็นกลุ่มได้ทําให้มีความสามารถในการประมวลผลแทบไม่ จํากัด ทําให้เป็นตัวเลือกที่เหมาะสําหรับการดําเนินงานที่ต้องการปริมาณงานสูงและประสิทธิภาพที่เชื่อถือได้ในการผลิตนาโนเซลลูโลส
- การเกิดการสั่นสะเทือนในระดับสูง
- ผลผลิตนาโนเซลลูโลสสูง
- เส้นใยบาง
- เส้นใยแก้พันกัน

เครื่องอัลตราโซนิกในห้องปฏิบัติการของ Hielscher ยูพี 400 เอส (400 วัตต์, 24 กิโลเฮิรตซ์)
ตารางด้านล่างให้ข้อบ่งชี้ถึงความสามารถในการประมวลผลโดยประมาณของเครื่องอัลตราโซนิกของเรา:
ปริมาณแบทช์ | อัตราการไหล | อุปกรณ์ที่แนะนํา |
---|---|---|
0.5 ถึง 1.5 มล. | ไม่ | ไวอัลทวีตเตอร์ |
1 ถึง 500 มล. | 10 ถึง 200 มล.? นาที | UP100H |
10 ถึง 2000 มล. | 20 ถึง 400 มล.? นาที | UP200 ฮิต, UP400ST |
0.1 ถึง 20L | 0.2 ถึง 4L? นาที | UIP2000hdt |
10 ถึง 100L | 2 ถึง 10L? นาที | UIP4000hdT |
15 ถึง 150L | 3 ถึง 15 ลิตร? นาที | UIP6000hdT |
ไม่ | 10 ถึง 100L? นาที | UIP16000 |
ไม่ | ขนาด ใหญ่ | คลัสเตอร์ของ UIP16000 |
นาโนเซลลูโลสคืออะไร?
นาโนเซลลูโลสประกอบด้วยเส้นใยนาโนเซลลูโลส (CNF) ประเภทต่างๆ ซึ่งสามารถแยกแยะได้ในไมโครไฟบิลเลตเซลลูโลส (MFC) นาโนคริสตัลไลน์เซลลูโลส (NCC) และนาโนเซลลูโลสจากแบคทีเรีย หลังหมายถึงเซลลูโลสโครงสร้างนาโนที่ผลิตโดยแบคทีเรีย
นาโนเซลลูโลสมีคุณสมบัติที่โดดเด่น เช่น ความแข็งแรงและความแข็งที่ไม่ธรรมดา ความเป็นผลึกสูง thixotropy ตลอดจนกลุ่มไฮดรอกซิลที่มีความเข้มข้นสูงบนพื้นผิว ลักษณะประสิทธิภาพสูงหลายประการของนาโนเซลลูโลสเกิดจากอัตราส่วนพื้นผิว/มวลที่สูง
นาโนเซลลูโลสถูกนํามาใช้กันอย่างแพร่หลายในยาและยาอิเล็กทรอนิกส์เมมเบรนวัสดุที่มีรูพรุนกระดาษและอาหารเนื่องจากความพร้อมใช้งานความเข้ากันได้ทางชีวภาพความสามารถในการย่อยสลายทางชีวภาพและความยั่งยืน เนื่องจากคุณสมบัติที่มีประสิทธิภาพสูงนาโนเซลลูโลสจึงเป็นวัสดุที่น่าสนใจสําหรับการเสริมพลาสติกการปรับปรุงคุณสมบัติทางกลของเช่นเรซินเทอร์โมเซตติงเมทริกซ์จากแป้งโปรตีนถั่วเหลืองน้ํายางหรือโพลี (แลคไทด์) สําหรับการใช้งานคอมโพสิตนาโนเซลลูโลสใช้สําหรับการเคลือบและฟิล์มสีโฟมบรรจุภัณฑ์ นอกจากนี้ นาโนเซลลูโลสยังเป็นส่วนประกอบที่มีแนวโน้มในการผลิตแอโรเจลและโฟม ไม่ว่าจะในสูตรที่เป็นเนื้อเดียวกันหรือในคอมโพสิต
การแยก:
นาโนคริสตัลไลน์เซลลูโลส (NCC)
เซลลูโลสนาโนไฟเบอร์ (CNF)
ไมโครไฟบริลเลตเซลลูโลส (MFC)
หนวดนาโนเซลลูโลส (NCW)
เซลลูโลสนาโนคริสตัล (CNC)
วรรณกรรม? อ้างอิง
- E. Abraham, B. Deep, L.A. Pothan, M. Jacob, S. Thomas, U. Cvelbar, R. Anandjiwala (2011): Extraction of nanocellulose fibrils from lignocellulosic fibres: A novel approach. Carbohydrate Polymers 86, 2011. 1468–1475.
- E. Bittencourt, M. de Camargo (2011): Preliminary Studies on the Production of Nanofibrils of Cellulose from Never Dried Cotton, using Eco-friendly Enzymatic Hydrolysis and High-energy Sonication. 3rd Int’l. Workshop: Advances in Cleaner Production. Sao Paulo, Brazil, May 18th – 20th 2011.
- L. S. Blachechen, J. P. de Mesquita, E. L. de Paula, F. V. Pereira, D. F. S. Petri (2013): Interplay of colloidal stability of cellulose nanocrystals and their dispersibility in cellulose acetate butyrate matrix. Cellulose 2013.
- A. Dufresne (2012): Nanocellulose: From Nature to High Performance Tailored Materials. Walter de Gruyter, 2012.
- M. A. Hubbe; O. J. Rojas; L. A. Lucia, M. Sain (2008): Cellulosic Nanocomposites: A Review. BioResources 3/3, 2008. 929-980.
- S. P. Mishra, A.-S. Manent, B. Chabot, C. Daneault (2012): Production of Nanocellulose from Native Cellulose – Various Options using Ultrasound. BioResources 7/1, 2012. 422-436.
- Matjaž Kunaver, Alojz Anžlovar, Ema Žagar (2016): The fast and effective isolation of nanocellulose from selected cellulosic feedstocks. Carbohydrate Polymers, Volume 148, 2016. 251-258.
- http://en.wikipedia.org/wiki/Nanocellulose