Прискорене зневоднення целюлозних нановолокон для виробництва паперу

Ультразвук у поєднанні з модифікацією молочної кислоти (LA) є екологічним підходом для прискорення процесу зневоднення целюлозних нановолокон (CNF) для виробництва паперу. Целюлозні нановолокна відомі своїм високим утриманням води, що спричиняє значні затримки в процесі дренажу, що є критичним етапом у приготуванні нанопаперу та інших застосувань наноцелюлози. Метод скорочує час зливу на 75%, з 45 хвилин до 10 хвилин, за рахунок етерифікації гідроксильних груп целюлози молочною кислотою під ультразвуком. Ця модифікація також знижує в'язкість суспензії та доводить свою промислову масштабованість, пропонуючи практичне рішення для підвищення ефективності та швидкості виробництва продуктів на основі нановолокна целюлози.

Швидке зневоднення нановолокон целюлози, модифікованих молочною кислотою, при ультразвуку
(Дослідження та зображення: ©Sethi et al., 2018)

Підвищена ефективність зневоднення нановолокон целюлози за допомогою ультразвукової модифікації молочної кислоти

Целюлозні нановолокна (CNF) відомі своїми численними перевагами у виробництві паперу, такими як підвищення міцності та модифікація реології. Однак одним із суттєвих недоліків є надмірна кількість часу, необхідного для відведення води з суспензій целюлозних нановолокон, що є критично важливим етапом у підготовці нанопаперів. Ця проблема не тільки впливає на виробництво нанопаперу, але й перешкоджає промисловій переробці наноцелюлози в інші готові продукти. Тривалий час дренажу в першу чергу пов'язаний з високим утриманням води целюлозними нановолокнами, що є вузьким місцем у комерціалізації продуктів, отриманих з целюлозного нановолокна.
Нижче ми представляємо вам результати наукового дослідження Sethi та його колег (2018), які розробили модифікацію молочної кислоти целюлозних нановолокон за допомогою ультразвуку, що призводить до швидшого зневоднення CNF на 75% та покращення функціональних можливостей матеріалу.

Ультразвукова модифікація целюлозних нановолокон молочною кислотою

Щоб вирішити цю проблему, був розроблений екологічно чистий підхід на водній основі, що включає енергію ультразвуку та молочну кислоту (LA) для модифікації поверхні целюлозних нановолокон. Такий спосіб значно прискорює процес зневоднення, скорочуючи час дренажу до 75%.
Процес модифікації передбачає розведення суспензій нановолокна целюлози до концентрації 0,35 мас.% і додавання молочної кислоти в різних кількостях щодо вмісту нановолокна целюлози в сухому стані (0,5 рази, 1 раз, 5 разів і 10 разів від сухого вмісту нановолокна целюлози в суспензії). Нановолокна, воду та молочну кислоту змішують за допомогою високошвидкісної мішалки при 1500 об/хв протягом 5 хвилин, а потім ультразвукують за допомогою звукового апарату Hielscher UP400S, оснащеного титановим наконечником (діаметром 22 мм). Ультразвукове дослідження проводиться на різних енергетичних рівнях, з максимальною енергією 600 Дж/мл, що відповідає 10 хвилинам ультразвуку.

Вплив на час зливу

Модифікація ультразвуково-молочної кислоти має глибокий вплив на час дренування суспензій нановолокна целюлози. Для зневоднення еталонної суспензії потрібно приблизно 45 хвилин. Після модифікації молочної кислоти за допомогою ультразвуку цей час скорочується до 10 хвилин, що означає покращення на 75%. Навіть при легкій ультразвуковій діагностиці (5 Дж/мл) час зливання скорочується вдвічі до 23 хвилин. Час виснаження зменшується зі збільшенням енергії ультразвуку, в кінцевому підсумку досягаючи плато приблизно через 10 хвилин.
Це поліпшення пояснюється заміною гідрофільних гідроксильних груп целюлози на гідрофобні залишки молочної кислоти. Гідроксильні групи в першу чергу відповідають за високу затримку води. Молочна кислота зі своєю карбоксильною групою може брати участь в реакції етерифікації з гідроксильними групами целюлози при ультразвуковому дослідженні. Звуковий звук створює в рідкому середовищі крихітні вакуумні порожнини, які руйнуються, створюючи екстремальні умови (температура 5000 К і тиск 1000 атм), достатні для індукції хімічних реакцій, включаючи етерифікацію.

Енергія ультразвуку проти часу виснаження (у хвилинах) для приготування нанопаперу (що відповідає зразку CNF(1)LA).
100 Дж/мл енергії ультразвуку відповідає 100 секундам ультразвукового випромінювання тощо.
(Дослідження та зображення: ©Sethi et al., 2018)

Зниження в'язкості суспензій нановолокна целюлози

Енергія ультразвуку також сприяє зниженню в'язкості суспензій целюлозних нановолокон. В'язкість обернено пропорційна енергії звукового звуку, причому найнижча в'язкість спостерігається при 600 Дж/мл, за якою слідують 300 Дж/мл і 60 Дж/мл. Це зниження в'язкості додатково сприяє підвищенню ефективності зневоднення.

Промислова значимість модифікації ультразвукового целюлозного нановолокна

Метод модифікації ультразвуково-молочної кислоти не тільки ефективний, але і сумісний з промисловим застосуванням. Сучасні ультразвукові апарати Hielscher, здатні обробляти великі обсяги, можуть ефективно виконати поставлене завдання, що робить цей метод придатним для великомасштабних операцій.
Крім того, цей підхід дозволяє включати до 10 мас.% целюлозного нановолокна в паперові листи, при цьому зневоднення виконується всього за 2 хвилини, порівняно з 23 хвилинами для немодифікованих целюлозних нановолокон. Це значне вдосконалення може революціонізувати використання нановолокон целюлози у виробництві паперу, подолавши одну з основних перешкод на шляху їх комерціалізації.

Ультразвукові апарати для целюлозних нановолокон і виробництва паперу

Наведена нижче таблиця дає уявлення про приблизну продуктивність обробки наших зондових магнітофонів:

Проектування, виробництво та консалтинг – Якість зроблено в Німеччині

Ультразвукові апарати Hielscher добре відомі своїми найвищими стандартами якості та дизайну. Надійність і простота експлуатації дозволяють плавно інтегрувати наші ультразвукові апарати в промислові об'єкти. З важкими умовами та вимогливими умовами легко справляються ультразвукові апарати Hielscher.

Hielscher Ultrasonics є сертифікованою компанією ISO і приділяє особливу увагу високопродуктивним ультразвуковим апаратам, які відрізняються найсучаснішими технологіями та зручністю для використання. Звичайно, ультразвукові апарати Hielscher відповідають вимогам CE та відповідають вимогам UL, CSA та RoHs.