Прискорене зневоднення целюлозних нановолокон для виробництва паперу

Ультразвукова обробка в поєднанні з модифікацією молочною кислотою (МК) є екологічно безпечним підходом до прискорення процесу зневоднення целюлозних нановолокон (ЦНВ) для виробництва паперу. Целюлозні нановолокна відомі своїм високим утриманням води, що спричиняє значні затримки в процесі дренажу, критичному етапі підготовки наноперу та інших застосувань нанотехнологій. Метод зменшує час дренажу на 75%, з 45 хвилин до 10 хвилин, завдяки естерифікації гідроксильних груп целюлози молочною кислотою під час ультразвукової обробки. Ця модифікація також знижує в’язкість суспензії та доводить свою промислову масштабованість, пропонуючи практичне рішення для підвищення ефективності та швидкості виробництва продуктів на основі целюлозних нановолокон.

Швидке зневоднення целюлозних нановолокон, модифікованих молочною кислотою, під час ультразвукової обробки
(Дослідження та зображення: ©Sethi et al., 2018)

Підвищена ефективність зневоднення целюлозних нановолокон завдяки ультразвуковій модифікації молочною кислотою

Целюлозні нановолокна (ЦНВ) цінуються за їх численні переваги у виробництві паперу, такі як підвищення міцності та модифікація реології. Однак одним із суттєвих недоліків є надмірна кількість часу, необхідного для дренажу води з суспензій целюлозних нановолокон, критичного етапу підготовки наноперу. Ця проблема не лише впливає на виробництво наноперу, але й перешкоджає промисловій переробці нанотехнологій у інші готові продукти. Тривалий час дренажу зумовлений переважно високим утриманням води целюлозними нановолокнами, що є вузьким місцем у комерціалізації продуктів, отриманих з целюлозних нановолокон.
Нижче ми представляємо вам результати наукового дослідження Sethi та колег (2018), які розробили ультразвукову модифікацію целюлозних нановолокон молочною кислотою, що призводить до прискорення зневоднення ЦНВ на 75% та покращення функціональних властивостей матеріалу.

Ультразвукова модифікація целюлозних нановолокон молочною кислотою

Для вирішення цієї проблеми було розроблено екологічно безпечний, водний підхід, що включає енергію ультразвукової обробки та молочну кислоту (МК), для модифікації поверхні целюлозних нановолокон. Цей метод значно прискорює процес зневоднення, зменшуючи час дренажу до 75%.
Процес модифікації включає розведення суспензій целюлозних нановолокон до концентрації 0,35 wt.% та додавання молочної кислоти в різних кількостях відносно сухої маси целюлозних нановолокон (0,5 рази, 1 раз, 5 разів та 10 разів сухої маси целюлозних нановолокон у суспензії). Нановолокна, вода та молочна кислота змішуються за допомогою високосхвильового мішалки при 1500 rpm протягом 5 хвилин, а потім обробляються ультразвуком за допомогою Hielscher UP400S з титановим наконечником (діаметром 22 mm). Ультразвукова обробка проводиться при різних рівнях енергії, з максимальною переданою енергією 600 J/ml, що відповідає 10 хвилинам ультразвукової обробки.

Вплив на час дренажу

Ультразвукова модифікація молочною кислотою має глибокий вплив на час дренажу суспензій целюлозних нановолокон. Референтна суспензія потребує приблизно 45 хвилин для зневоднення. Після модифікації молочною кислотою за допомогою ультразвукової обробки цей час зменшується до 10 хвилин, що представляє покращення на 75%. Навіть при м’якій ультразвуковій обробці (5 J/ml) час дренажу зменшується вдвічі до 23 хвилин. Час дренажу зменшується зі збільшенням енергії ультразвукової обробки, зрештою досягаючи плато приблизно на рівні 10 хвилин.
Це покращення пояснюється заміною гідрофільних гідроксильних груп целюлози на гідрофобні фрагменти молочної кислоти. Гідроксильні групи переважно відповідають за високе утримання води. Молочна кислота, зі своєю карбоксильною групою, може брати участь у реакції естерифікації з гідроксильними групами целюлози під час ультразвукової обробки. Ультразвукова обробка створює крихітні вакуумні порожнини в рідкому середовищі, які колапсують, створюючи екстремальні умови (температура 5000 K та тиск 1000 atm), достатні для ініціювання хімічних реакцій, включаючи естерифікацію.

Енергія ультразвукової обробки проти часу дренажу (в хвилинах) для підготовки наноперу (відповідає зразку CNF(1)LA).
100 J/ml енергії ультразвукової обробки відповідає 100 секундам ультразвукової обробки тощо.
(Дослідження та зображення: ©Sethi et al., 2018)

Зниження в’язкості суспензій целюлозних нановолокон

Енергія ультразвукової обробки також сприяє зниженню в’язкості суспензій целюлозних нановолокон. В’язкість обернено пропорційна енергії ультразвукової обробки, з найнижчою в’язкістю, спостережуваною при 600 J/ml, за якою йдуть 300 J/ml та 60 J/ml. Це зниження в’язкості додатково сприяє підвищенню ефективності зневоднення.

Промислова значущість ультразвукової модифікації целюлозних нановолокон

Метод ультразвукової модифікації молочною кислотою є не лише ефективним, але й сумісним з промисловими застосуваннями. Сучасні ультразвукові обробники Hielscher, здатні обробляти великі об’єми, можуть ефективно виконувати завдання, роблячи цей метод придатним для великомасштабних операцій.
Крім того, цей підхід дозволяє включати до 10 wt.% целюлозних нановолокон у паперові аркуші, з завершенням зневоднення лише за 2 хвилини, порівняно з 23 хвилинами для немодифікованих целюлозних нановолокон. Це значне покращення може революціонізувати використання целюлозних нановолокон у паперовому виробництві, подоланням однієї з основних перешкод у їх комерціалізації.

Ультразвукові обробники для целюлозних нановолокон та виробництва паперу

Нижче наведена таблиця дає вам уявлення про приблизну потужність обробки наших ультразвукових обробників зондового типу:

Дизайн, виробництво та консалтинг – якість, зроблена в Німеччині

Ультразвукові обробники Hielscher відомі своїми найвищими стандартами якості та дизайну. Міцність та легкість в експлуатації дозволяють плавно інтегрувати наші ультразвукові обробники у промислові об’єкти. Жорсткі умови та вимогливі середовища легко обробляються ультразвуковими обробниками Hielscher.

Hielscher Ultrasonics є компанією, сертифікованою за ISO, і приділяє особливу увагу високоефективним ультразвуковим обробникам, що мають передову технологію та зручність використання. Звичайно, ультразвукові обробники Hielscher відповідають вимогам CE та вимогам UL, CSA та RoHs.