Kağıt Üretimi için Selüloz Nanoliflerin Hızlandırılmış Susuzlaştırılması

Laktik asit (LA) modifikasyonu ile birlikte sonikasyon, kağıt üretimi için selüloz nanofiberlerin (CNF'ler) susuzlaştırma sürecini hızlandırmak için çevre dostu bir yaklaşımdır. Selüloz nanofiberler, nanokağıt hazırlama ve diğer nanoselüloz uygulamalarında kritik bir adım olan drenaj işleminde önemli gecikmelere neden olan yüksek su tutma özellikleri ile bilinir. Yöntem, selüloz hidroksil gruplarının sonikasyon altında laktik asit ile esterleştirilmesi yoluyla boşaltma süresini% 75, 45 dakikadan 10 dakikaya düşürür. Bu modifikasyon aynı zamanda süspansiyon viskozitesini düşürür ve endüstriyel olarak ölçeklenebilir olduğunu kanıtlayarak selüloz nanofiber bazlı ürünlerin verimliliğini ve üretim oranını artırmak için pratik bir çözüm sunar.

Sonikasyon altında laktik asit modifiye selüloz nanofiberlerin hızlı susuzlaştırılması
(Çalışma ve görsel: ©Sethi ve ark., 2018)

Ultrasonik Laktik Asit Modifikasyonu ile Selüloz Nanofiberlerin Geliştirilmiş Susuzlaştırma Verimliliği

Selüloz nanofiberler (CNF'ler), kağıt üretiminde, mukavemeti arttırma ve reolojiyi değiştirme gibi sayısız faydaları nedeniyle kutlanmaktadır. Bununla birlikte, önemli bir dezavantaj, nano kağıtların hazırlanmasında kritik bir adım olan selüloz nanofiber süspansiyonlardan suyu tahliye etmek için gereken aşırı süredir. Bu zorluk sadece nano kağıt üretimini etkilemekle kalmaz, aynı zamanda nanoselülozun diğer bitmiş ürünlere endüstriyel olarak işlenmesini de engeller. Uzun drenaj süresi, esas olarak, selüloz nanolif türevi ürünlerin ticarileştirilmesinde bir darboğaz olan selüloz nanoliflerinin yüksek su tutma özelliğinden kaynaklanmaktadır.
Aşağıda, selüloz nanofiberlerin ultrasonik destekli laktik asit modifikasyonunu geliştiren Sethi ve meslektaşları (2018) tarafından yapılan bilimsel bir çalışmanın sonuçlarını sunuyoruz, bu da CNF'lerin u daha hızlı susuzlaştırılmasına ve malzeme işlevlerinin iyileştirilmesine yol açıyor.

Selüloz Nanoliflerin Laktik Asit ile Ultrasonik Modifikasyonu

Bu sorunu ele almak için, selüloz nanofiberlerin yüzeyini değiştirmek için sonikasyon enerjisi ve laktik asit (LA) içeren çevre dostu, su bazlı bir yaklaşım geliştirilmiştir. Bu yöntem, susuzlaştırma işlemini önemli ölçüde hızlandırarak drenaj süresini% 75'e kadar azaltır.
Modifikasyon işlemi, selüloz nanofiber süspansiyonlarının ağırlıkça% 0.35'lik bir konsantrasyona seyreltilmesini ve selüloz nanofiber kuru içeriğine göre çeşitli miktarlarda laktik asit eklenmesini içerir (süspansiyondaki selüloz nanofiber kuru içeriğinin 0.5 katı, 1 kez, 5 katı ve 10 katı). Nanolifler, su ve laktik asit, 5 dakika boyunca 1500 rpm'de yüksek hızlı bir karıştırıcı kullanılarak karıştırılır ve daha sonra bir titanyum uç (22 mm çapında) ile donatılmış bir Hielscher UP400S sonikatör ile sonikleştirilir. Sonikasyon, 10 dakikalık sonikasyona karşılık gelen maksimum 600 J / ml verilen enerji ile çeşitli enerji seviyelerinde gerçekleştirilir.

Boşaltma süresi üzerindeki etkisi

Ultrasonik-laktik asit modifikasyonu, selüloz nanofiber süspansiyonların boşaltma süresi üzerinde derin bir etkiye sahiptir. Referans süspansiyonun susuzlaştırılması yaklaşık 45 dakika sürer. Sonikasyon destekli laktik asit modifikasyonundan sonra, bu süre% 75'lik bir iyileşmeyi temsil eden 10 dakikaya düşürülür. Hafif sonikasyonla (5 J / ml) bile, boşaltma süresi 23 dakikaya kadar yarıya indirilir. Boşaltma süresi, artan sonikasyon enerjisi ile azalır ve sonunda yaklaşık 10 dakikada bir platoya ulaşır.
Bu gelişme, selülozun hidrofilik hidroksil gruplarının hidrofobik laktik asit kısımları ile değiştirilmesine bağlanmaktadır. Hidroksil grupları öncelikle yüksek su tutulmasından sorumludur. Laktik asit, karboksilik grubu ile, sonikasyon altında selülozun hidroksil grupları ile bir esterleşme reaksiyonuna katılabilir. Sonikasyon, sıvı ortamda, esterleştirme de dahil olmak üzere kimyasal reaksiyonları indüklemek için yeterli olan aşırı koşullar (5000 K sıcaklık ve 1000 atm basınç) üretmek için çöken küçük vakum boşlukları oluşturur.

Nanopaper hazırlama için sonikasyon enerjisine karşı boşaltma süresi (dakika cinsinden) (CNF (1) LA örneğine karşılık gelir).
100 J / ml sonikasyon enerjisi, 100 saniyelik sonikasyona vb. karşılık gelir.
(Çalışma ve görsel: ©Sethi ve ark., 2018)

Selüloz Nanofiber Süspansiyonlarının Viskozite Azaltımı

Sonikasyon enerjisi ayrıca selüloz nanofiber süspansiyonlarının viskozitesinde bir azalmaya katkıda bulunur. Viskozite, sonikasyon enerjisi ile ters orantılıdır, en düşük viskozite 600 J / ml'de gözlenir, bunu 300 J / ml ve 60 J / ml takip eder. Viskozitedeki bu azalma, susuzlaştırma verimliliğinin iyileştirilmesine daha da yardımcı olur.

Ultrasonik Selüloz Nanofiber Modifikasyonunun Endüstriyel Önemi

Ultrasonik-laktik asit modifikasyon yöntemi sadece etkili değil, aynı zamanda endüstriyel uygulamalarla da uyumludur. Hielscher büyük hacimli işlemeyi idare edebilen son teknoloji sonicators, görevi verimli bir şekilde tamamlayabilir ve bu yöntemi büyük ölçekli işlemler için uygun hale getirebilir.
Ek olarak, bu yaklaşım, değiştirilmemiş selüloz nanofiberler için 23 dakikaya kıyasla, susuzlaştırma sadece 2 dakikada tamamlanarak, kağıt tabakalara ağırlıkça 'a kadar selüloz nanofiberin dahil edilmesine izin verir. Bu önemli gelişme, selüloz nanofiberlerin kağıt yapımında kullanımında devrim yaratabilir ve ticarileşmelerindeki en büyük engellerden birinin üstesinden gelebilir.

Selüloz Nanolifleri ve Kağıt Üretimi için Sonikatörler

Aşağıdaki tablo size prob tipi sonikatörlerimizin yaklaşık işleme kapasitesinin bir göstergesini vermektedir:

Tasarım, İmalat ve Danışmanlık – Almanya'da Üretilen Kalite

Hielscher ultrasonicators en yüksek kalite ve tasarım standartları için iyi bilinir. Sağlamlık ve kolay kullanım, ultrasonicators'ımızın endüstriyel tesislere sorunsuz bir şekilde entegre edilmesini sağlar. Zorlu koşullar ve zorlu ortamlar Hielscher ultrasonicators tarafından kolayca ele alınır.

Hielscher Ultrasonics, ISO sertifikalı bir şirkettir ve en son teknoloji ve kullanıcı dostu özelliklere sahip yüksek performanslı ultrasonicators'a özel önem vermektedir. Tabii ki, Hielscher ultrasonicators CE uyumludur ve UL, CSA ve RoHs gereksinimlerini karşılar.