Tăng tốc khử nước của sợi nano cellulose cho sản xuất giấy

Sonication kết hợp với sửa đổi axit lactic (LA) là một cách tiếp cận thân thiện với môi trường để đẩy nhanh quá trình khử nước của sợi nano cellulose (CNF) để sản xuất giấy. Sợi nano cellulose được biết đến với khả năng giữ nước cao, gây ra sự chậm trễ đáng kể trong quá trình thoát nước, một bước quan trọng trong việc chuẩn bị giấy nano và các ứng dụng nanocellulose khác. Phương pháp này làm giảm 75% thời gian thoát nước, từ 45 phút xuống còn 10 phút, thông qua quá trình este hóa các nhóm cellulose hydroxyl bằng axit lactic dưới sonication. Việc sửa đổi này cũng làm giảm độ nhớt của huyền phù và chứng tỏ khả năng mở rộng công nghiệp, cung cấp một giải pháp thiết thực để nâng cao hiệu quả và tỷ lệ sản xuất các sản phẩm dựa trên sợi nano cellulose.

Nhanh chóng khử nước của axit lactic biến đổi sợi nano cellulose dưới sonication
(Nghiên cứu và hình ảnh: ©Sethi et al., 2018)

Tăng cường hiệu quả khử nước của sợi nano cellulose thông qua sửa đổi axit lactic siêu âm

Sợi nano cellulose (CNF) được tôn vinh vì nhiều lợi ích của chúng trong sản xuất giấy, chẳng hạn như tăng cường sức mạnh và sửa đổi lưu biến. Tuy nhiên, một nhược điểm đáng kể là lượng thời gian cần thiết để thoát nước từ huyền phù sợi nano cellulose, một bước quan trọng trong việc chuẩn bị giấy nano. Thách thức này không chỉ tác động đến sản xuất giấy nano mà còn cản trở quá trình xử lý công nghiệp nanocellulose thành các thành phẩm khác. Thời gian thoát nước kéo dài chủ yếu là do khả năng giữ nước cao bởi sợi nano cellulose, đây là một nút thắt cổ chai trong việc thương mại hóa các sản phẩm có nguồn gốc từ sợi nano cellulose.
Dưới đây, chúng tôi trình bày cho bạn kết quả của một nghiên cứu khoa học của Sethi và các đồng nghiệp (2018), người đã phát triển một sửa đổi axit lactic hỗ trợ siêu âm của sợi nano cellulose, dẫn đến khử nước CNF nhanh hơn 75% và cải thiện chức năng vật liệu.

Sửa đổi siêu âm sợi nano cellulose với axit lactic

Để giải quyết vấn đề này, một cách tiếp cận thân thiện với môi trường, dựa trên nước liên quan đến năng lượng sonication và axit lactic (LA) đã được phát triển để sửa đổi bề mặt của sợi nano cellulose. Phương pháp này đẩy nhanh đáng kể quá trình khử nước, giảm thời gian thoát nước tới 75%.
Quá trình sửa đổi liên quan đến việc pha loãng huyền phù sợi nano cellulose đến nồng độ 0,35% trọng lượng và thêm axit lactic với số lượng khác nhau liên quan đến hàm lượng khô sợi nano cellulose (0,5 lần, 1 lần, 5 lần và 10 lần hàm lượng khô sợi nano cellulose trong huyền phù). Các sợi nano, nước và axit lactic được trộn bằng máy khuấy tốc độ cao ở tốc độ 1500 vòng / phút trong 5 phút và sau đó được sonicated bằng máy sonicator Hielscher UP400S được trang bị đầu titan (đường kính 22 mm). Việc sonication được tiến hành ở các mức năng lượng khác nhau, với năng lượng truyền tối đa là 600 J / ml, tương ứng với 10 phút sonication.

Tác động đến thời gian thoát nước

Việc sửa đổi axit siêu âm-lactic có tác động sâu sắc đến thời gian thoát nước của huyền phù sợi nano cellulose. Hệ thống treo tham chiếu mất khoảng 45 phút để khử nước. Sau khi sửa đổi axit lactic hỗ trợ sonication, thời gian này giảm xuống còn 10 phút, thể hiện sự cải thiện 75%. Ngay cả với sonication nhẹ (5 J / ml), thời gian thoát nước giảm một nửa xuống còn 23 phút. Thời gian thoát nước giảm khi tăng năng lượng sonication, cuối cùng đạt đến cao nguyên vào khoảng 10 phút.
Sự cải thiện này được cho là do sự thay thế các nhóm cellulose hydroxyl ưa nước bằng các moieties kỵ nước của axit lactic. Các nhóm hydroxyl chịu trách nhiệm chính cho việc giữ nước cao. Axit lactic, với nhóm cacboxylic của nó, có thể tham gia vào phản ứng este hóa với các nhóm hydroxyl của cellulose dưới sonication. Sonication tạo ra các khoang chân không cực nhỏ trong môi trường lỏng, sụp đổ để tạo ra các điều kiện khắc nghiệt (nhiệt độ 5000 K và áp suất 1000 atm), đủ để gây ra các phản ứng hóa học, bao gồm este hóa.

Năng lượng sonication so với thời gian xả (tính bằng phút) để chuẩn bị giấy nano (tương ứng với mẫu CNF (1) LA).
100 J / ml năng lượng sonication tương ứng với 100 giây sonication, v.v.
(Nghiên cứu và hình ảnh: ©Sethi et al., 2018)

Giảm độ nhớt của huyền phù sợi nano cellulose

Năng lượng sonication cũng góp phần làm giảm độ nhớt của huyền phù sợi nano cellulose. Độ nhớt tỷ lệ nghịch với năng lượng sonication, với độ nhớt thấp nhất quan sát được ở 600 J / ml, tiếp theo là 300 J / ml và 60 J / ml. Việc giảm độ nhớt này tiếp tục hỗ trợ cải thiện hiệu quả khử nước.

Sự liên quan công nghiệp của siêu âm Cellulose Nanofiber Modification

Phương pháp sửa đổi axit siêu âm-lactic không chỉ hiệu quả mà còn tương thích với các ứng dụng công nghiệp. Hielscher nhà nước-of-the-nghệ thuật sonicators có khả năng xử lý khối lượng lớn có thể hoàn thành hiệu quả nhiệm vụ, làm cho phương pháp này phù hợp cho các hoạt động quy mô lớn.
Ngoài ra, phương pháp này cho phép kết hợp tới 10% trọng lượng sợi nano cellulose trong các tờ giấy, với việc khử nước hoàn thành chỉ trong 2 phút, so với 23 phút đối với sợi nano cellulose chưa biến đổi. Cải tiến đáng kể này có thể cách mạng hóa việc sử dụng sợi nano cellulose trong sản xuất giấy, vượt qua một trong những rào cản lớn trong thương mại hóa của họ.

Sonicators cho sợi nano cellulose và sản xuất giấy

Bảng dưới đây cung cấp cho bạn một dấu hiệu về khả năng xử lý gần đúng của sonicators loại đầu dò của chúng tôi:

Thiết kế, sản xuất và tư vấn – Chất lượng Sản xuất tại Đức

Hielscher ultrasonicators nổi tiếng với chất lượng cao nhất và tiêu chuẩn thiết kế của họ. Mạnh mẽ và hoạt động dễ dàng cho phép tích hợp trơn tru của ultrasonicators của chúng tôi vào các cơ sở công nghiệp. Điều kiện khắc nghiệt và môi trường đòi hỏi dễ dàng được xử lý bởi Hielscher ultrasonicators.

Hielscher Ultrasonics là một công ty được chứng nhận ISO và đặc biệt nhấn mạnh vào ultrasonicators hiệu suất cao có công nghệ tiên tiến và thân thiện với người dùng. Tất nhiên, Hielscher ultrasonicators là CE tuân thủ và đáp ứng các yêu cầu của UL, CSA và RoHs.