Kağıt Üretimi için Selüloz Nanoliflerinin Hızlandırılmış Susuzlaştırılması

Laktik asit (LA) modifikasyonuyla birlikte sonikasyon, kağıt üretimi için selüloz nanoliflerinin (CNF’ler) susuzlaştırma sürecini hızlandırmaya yönelik çevre dostu bir yaklaşımdır. Selüloz nanolifleri, yüksek su tutma kapasiteleriyle bilinir; bu özellik, nanokağıt hazırlamada ve diğer nanoselüloz uygulamalarında kritik bir adım olan suyun süzülmesi sürecinde önemli gecikmelere neden olur. Bu yöntem, sonikasyon altında selülozun hidroksil gruplarının laktik asitle esterleştirilmesi yoluyla süzülme süresini %75 azaltarak 45 dakikadan 10 dakikaya indirir. Bu modifikasyon aynı zamanda süspansiyon viskozitesini düşürür ve endüstriyel ölçeğe taşınabilir olduğunu göstererek selüloz nanolifi bazlı ürünlerin verimliliğini ve üretim hızını artırmak için pratik bir çözüm sunar.

Sonikasyon altında laktik asitle modifiye edilmiş selüloz nanoliflerinin hızlı susuzlaştırılması
(Çalışma ve görsel: ©Sethi et al., 2018)

Ultrasonik Laktik Asit Modifikasyonuyla Selüloz Nanoliflerinin Susuzlaştırma Verimliliğinin Artırılması

Selüloz nanolifleri (CNF’ler), dayanımı artırma ve reolojiyi değiştirme gibi kağıt üretimindeki çok sayıda faydalarıyla öne çıkar. Ancak önemli bir dezavantaj, nanokağıtların hazırlanmasında kritik bir adım olan selüloz nanolifi süspansiyonlarından suyun süzülmesi için gereken aşırı uzun süredir. Bu zorluk yalnızca nanokağıt üretimini etkilemekle kalmaz, aynı zamanda nanoselülozun diğer nihai ürünlere endüstriyel olarak işlenmesini de engeller. Uzun süzülme süresi esas olarak selüloz nanoliflerinin yüksek su tutma kapasitesinden kaynaklanır; bu durum, selüloz nanoliflerinden elde edilen ürünlerin ticarileştirilmesinde bir darboğaz oluşturur.
Aşağıda, selüloz nanolifleri için ultrasonik destekli bir laktik asit modifikasyonu geliştiren Sethi ve çalışma arkadaşlarının (2018) bilimsel çalışmasının sonuçlarını sunuyoruz. Bu modifikasyon, CNF’lerin %75 daha hızlı susuzlaştırılmasını ve malzemenin işlevsel özelliklerinin iyileştirilmesini sağlar.

Selüloz Nanoliflerinin Laktik Asitle Ultrasonik Modifikasyonu

Bu sorunu çözmek için selüloz nanoliflerinin yüzeyini modifiye etmeye yönelik, sonikasyon enerjisi ve laktik asit (LA) içeren çevre dostu, su bazlı bir yaklaşım geliştirilmiştir. Bu yöntem, susuzlaştırma sürecini önemli ölçüde hızlandırarak süzülme süresini %75’e kadar azaltır.
Modifikasyon süreci, selüloz nanolifi süspansiyonlarının 0,35 wt.% konsantrasyona kadar seyreltilmesini ve selüloz nanoliflerinin kuru madde miktarına göre çeşitli miktarlarda laktik asit eklenmesini içerir (süspansiyondaki selüloz nanoliflerinin kuru madde miktarının 0,5 katı, 1 katı, 5 katı ve 10 katı). Nanolifler, su ve laktik asit, yüksek hızlı bir karıştırıcıyla 1500 rpm hızında 5 dakika karıştırılır ve ardından titanyum uçla (22 mm çapında) donatılmış bir Hielscher UP400S sonikatörüyle sonikasyona tabi tutulur. Sonikasyon çeşitli enerji seviyelerinde gerçekleştirilir; aktarılan maksimum enerji, 10 dakikalık sonikasyona karşılık gelen 600 J/ml’dir.

Süzülme Süresine Etkisi

Ultrasonik laktik asit modifikasyonu, selüloz nanolifi süspansiyonlarının süzülme süresi üzerinde büyük bir etkiye sahiptir. Referans süspansiyonun susuzlaştırılması yaklaşık 45 dakika sürer. Sonikasyon destekli laktik asit modifikasyonundan sonra bu süre 10 dakikaya iner; bu, %75’lik bir iyileşmeyi temsil eder. Hafif sonikasyonla (5 J/ml) bile süzülme süresi yarıya inerek 23 dakikaya düşer. Süzülme süresi, sonikasyon enerjisi arttıkça azalır ve sonunda yaklaşık 10 dakikada bir platoya ulaşır.
Bu iyileşme, selülozun hidrofilik hidroksil gruplarının laktik asidin hidrofobik kısımlarıyla yer değiştirmesine bağlanır. Yüksek su tutma kapasitesinden esas olarak hidroksil grupları sorumludur. Laktik asit, karboksil grubuyla, sonikasyon altında selülozun hidroksil gruplarıyla bir esterleşme reaksiyonuna katılabilir. Sonikasyon, sıvı ortamda çok küçük vakum boşlukları oluşturur; bu boşluklar çökerek esterleşme dahil kimyasal reaksiyonları başlatmaya yeterli aşırı koşullar (5000 K sıcaklık ve 1000 atm basınç) meydana getirir.

Nanokağıt hazırlama için sonikasyon enerjisine karşı süzülme süresi (dakika cinsinden) (CNF(1)LA numunesine karşılık gelir).
100 J/ml sonikasyon enerjisi, 100 saniyelik sonikasyona karşılık gelir ve diğer değerler de aynı şekilde karşılık bulur.
(Çalışma ve görsel: ©Sethi et al., 2018)

Selüloz Nanolifi Süspansiyonlarının Viskozitesinin Azaltılması

Sonikasyon enerjisi, selüloz nanolifi süspansiyonlarının viskozitesinin azalmasına da katkıda bulunur. Viskozite, sonikasyon enerjisiyle ters orantılıdır; en düşük viskozite 600 J/ml’de gözlenir, bunu 300 J/ml ve 60 J/ml izler. Viskozitedeki bu azalma, susuzlaştırma verimliliğinin artırılmasına ayrıca yardımcı olur.

Ultrasonik Selüloz Nanolifi Modifikasyonunun Endüstriyel Önemi

Ultrasonik laktik asit modifikasyonu yöntemi yalnızca etkili olmakla kalmaz, aynı zamanda endüstriyel uygulamalarla da uyumludur. Büyük hacimli işleme yapabilen, en son teknolojiye sahip Hielscher sonikatörleri bu işlemi verimli biçimde tamamlayabilir ve bu yöntemi büyük ölçekli operasyonlar için uygun hale getirir.
Ayrıca bu yaklaşım, kağıt tabakalarına 10 wt.%’ye kadar selüloz nanolifi katılmasına olanak tanır; modifiye edilmemiş selüloz nanoliflerinde susuzlaştırma 23 dakika sürerken bu yaklaşımla yalnızca 2 dakikada tamamlanır. Bu önemli iyileşme, selüloz nanoliflerinin ticarileştirilmesindeki başlıca engellerden birini aşarak kağıt yapımında kullanımlarında devrim yaratabilir.

Selüloz Nanolifleri ve Kağıt Üretimi için Sonikatörler

Aşağıdaki tablo, prob tipi sonikatörlerimizin yaklaşık işleme kapasitesi hakkında bir fikir verir:

Tasarım, Üretim ve Danışmanlık – Almanya’da Üretilen Kalite

Hielscher ultrasonikatörleri, en yüksek kalite ve tasarım standartlarıyla tanınır. Sağlamlık ve kolay kullanım, ultrasonikatörlerimizin endüstriyel tesislere sorunsuz biçimde entegre edilmesini sağlar. Hielscher ultrasonikatörleri, zorlu koşulların ve yüksek talepler içeren ortamların kolaylıkla üstesinden gelir.

Hielscher Ultrasonics, ISO sertifikalı bir şirkettir ve en son teknolojiye ve kullanıcı dostu özelliklere sahip yüksek performanslı ultrasonikatörlere özel önem verir. Elbette Hielscher ultrasonikatörleri CE uyumludur ve UL, CSA ve RoHs gerekliliklerini karşılar.