Sản xuất cellulose có cấu trúc nano bằng siêu âm

Nanocellulose, một phụ gia hiệu năng cao nổi bật, ngày càng được chú ý nhờ các ứng dụng đa dạng với vai trò là chất điều chỉnh lưu biến, chất gia cường và thành phần chủ chốt trong nhiều vật liệu tiên tiến. Các vi sợi có cấu trúc nano này, có nguồn gốc từ bất kỳ nguồn nguyên liệu nào chứa cellulose, có thể được phân lập hiệu quả thông qua quá trình đồng nhất hóa và nghiền bằng siêu âm công suất cao. Quá trình này, được gọi là xử lý siêu âm, tăng cường đáng kể sự tách vi sợi, giúp thu được nhiều nanocellulose hơn và tạo ra các sợi mịn hơn, mảnh hơn. Công nghệ siêu âm vượt trội hơn các phương pháp sản xuất thông thường nhờ khả năng tạo ra lực cắt cực mạnh do xâm thực, khiến công nghệ này trở thành một công cụ xuất sắc để sản xuất nanocellulose.

Sản xuất nanocellulose bằng siêu âm

Siêu âm công suất cao góp phần chiết xuất và phân lập cellulose kích thước micro và nano từ nhiều nguồn vật liệu chứa cellulose như gỗ, sợi lignocellulose (sợi bột giấy) và các phế liệu chứa cellulose.
Để giải phóng các sợi thực vật khỏi nguyên liệu nguồn, quá trình nghiền và đồng nhất hóa bằng siêu âm là một phương pháp mạnh mẽ và đáng tin cậy, cho phép xử lý những thể tích rất lớn. Bột giấy được cấp vào thiết bị phản ứng siêu âm trên đường ống, nơi lực cắt mạnh do siêu âm phá vỡ cấu trúc tế bào của sinh khối để giải phóng vật chất dạng vi sợi.

Hình 1 bên dưới cho thấy ảnh TEM của “Bông chưa từng được sấy khô” (NDC) đã được thủy phân bằng enzyme và xử lý siêu âm bằng máy siêu âm dạng đầu dò UP400S của Hielscher trong 20 phút.
[Bittencourt et al. 2008]

Hình 2 bên dưới cho thấy ảnh SEM của một màng viscose đã được thủy phân bằng enzyme, sau đó được xử lý siêu âm bằng máy siêu âm model UP400S của Hielscher.
[Bittencourt et al. 2008]

Quá trình xử lý nanocellulose bằng siêu âm cũng có thể được kết hợp thành công với quá trình xử lý sợi bằng oxy hóa TEMPO. Trong quy trình TEMPO, sợi nano cellulose được sản xuất bằng một hệ oxy hóa sử dụng 2,2,6,6-tetramethylpiperidinyl-1-oxyl (TEMPO) làm chất xúc tác, cùng với natri bromua (NaBr) và natri hypoclorit (NaOCl). Nghiên cứu đã chứng minh rằng hiệu suất oxy hóa được cải thiện đáng kể khi quá trình oxy hóa được tiến hành dưới tác động của siêu âm.

Phân tán nanocellulose bằng siêu âm

Các hệ phân tán nanocellulose thể hiện đặc tính lưu biến khác thường do có độ nhớt cao ở nồng độ nanocellulose thấp. Điều này khiến nanocellulose trở thành một phụ gia rất đáng quan tâm với vai trò là chất điều chỉnh lưu biến, chất ổn định và chất tạo gel cho nhiều ứng dụng, ví dụ trong ngành công nghiệp sơn phủ, giấy hoặc thực phẩm. Để thể hiện các đặc tính độc đáo của mình, nanocellulose phải được
Phân tán bằng siêu âm là phương pháp lý tưởng để thu được nanocellulose có kích thước nhỏ, phân tán thành từng sợi riêng lẻ. Do nanocellulose có đặc tính giảm độ nhớt khi chịu cắt rất rõ rệt, siêu âm công suất cao là công nghệ được ưu tiên để điều chế huyền phù nanocellulose, vì việc truyền năng lượng siêu âm công suất cao vào chất lỏng tạo ra lực cắt cực mạnh.
Nhấp vào đây để tìm hiểu thêm về hiện tượng xâm thực do siêu âm trong chất lỏng!
Sau khi tổng hợp cellulose tinh thể nano, nanocellulose thường được phân tán bằng siêu âm vào một môi trường lỏng, ví dụ dung môi không phân cực hoặc phân cực như dimethylformamide (DMF), để tạo công thức sản phẩm cuối cùng (ví dụ vật liệu composite nano, chất điều chỉnh lưu biến, v.v.). Vì CNF được sử dụng làm phụ gia trong nhiều công thức khác nhau, việc phân tán đáng tin cậy là hết sức quan trọng. Xử lý siêu âm tạo ra các vi sợi phân tán ổn định và đồng đều.

Tự lắp ráp tinh thể nano cellulose bằng siêu âm

Xử lý bằng siêu âm đóng vai trò hỗ trợ quan trọng trong quá trình tổng hợp và xử lý các tinh thể nano cellulose (CNC) bằng cách phá vỡ các khối kết tụ hình thành từ quá trình thủy phân, phân tán các bó tinh thể và tạo ra các huyền phù đồng đều hơn với tương tác giữa các hạt có khả năng tái lập. Mặc dù CNC thường được tạo ra bằng phương pháp thủy phân axit, vật liệu thu được thường chứa các vùng kết cụm có thể cản trở quá trình tự lắp ráp đáng tin cậy và dẫn đến sự biến thiên giữa các mẻ về tính chất lưu biến và quang học. Việc áp dụng năng lượng siêu âm có kiểm soát sau quá trình tổng hợp giúp cải thiện chất lượng phân tán và chuẩn hóa hình thái CNC, điều này rất quan trọng để đạt được trật tự cholesteric nhất quán, đặc tính tạo gel có thể dự đoán và khả năng mở rộng quy mô sản xuất các vật liệu chức năng dựa trên CNC. Tìm hiểu thêm về quá trình tự lắp ráp của CNC được thúc đẩy bằng siêu âm!

Cải thiện quá trình tách nước khỏi sợi nano cellulose bằng siêu âm

Tách nước khỏi sợi nano cellulose với sự hỗ trợ của siêu âm là một kỹ thuật tiên tiến giúp cải thiện đáng kể hiệu quả loại bỏ nước – khiến sợi nano cellulose trở thành một phụ gia rất hấp dẫn cho sản xuất giấy nano. Sợi nanocellulose thường đòi hỏi quá trình tách nước tốn nhiều thời gian do khả năng giữ nước cao. Khi áp dụng sóng siêu âm, quá trình này được đẩy nhanh nhờ sự hình thành các lực xâm thực mạnh, phá vỡ mạng lưới nước và giúp đẩy nước ra nhanh hơn, đồng đều hơn. Điều này không chỉ giảm thời gian sấy mà còn tăng cường tính toàn vẹn cấu trúc và các tính chất cơ học của sợi nano cellulose thu được, khiến đây trở thành một phương pháp có hiệu quả cao trong sản xuất giấy nano chất lượng cao và các vật liệu nano khác.
Tìm hiểu thêm về quá trình tách nước khỏi giấy nano bằng siêu âm!

Sản xuất nanocellulose ở quy mô công nghiệp bằng siêu âm công suất cao

Hielscher Ultrasonics cung cấp một danh mục toàn diện các giải pháp siêu âm mạnh mẽ và đáng tin cậy, từ các thiết bị siêu âm nhỏ ở quy mô phòng thí nghiệm đến các hệ thống công nghiệp quy mô lớn, lý tưởng cho việc xử lý nanocellulose ở quy mô thương mại. Ưu điểm chính của các thiết bị siêu âm dạng đầu dò công nghiệp của Hielscher nằm ở khả năng cung cấp các điều kiện siêu âm tối ưu thông qua các thiết bị phản ứng siêu âm dòng chảy liên tục, có nhiều kích thước và hình dạng khác nhau. Các thiết bị phản ứng này đảm bảo năng lượng siêu âm được truyền một cách nhất quán và đồng đều vào vật liệu cellulose, mang lại kết quả xử lý vượt trội.

Các thiết bị siêu âm để bàn của Hielscher, như UIP1000hdT, UIP2000hdT và UIP4000hdT, có khả năng sản xuất vài kilôgam nanocellulose mỗi ngày, phù hợp với nhu cầu sản xuất quy mô trung bình. Đối với sản xuất thương mại quy mô lớn, các thiết bị công nghiệp hoàn chỉnh như UIP10000 và UIP16000hdT có thể xử lý các dòng vật liệu có lưu lượng khối lượng lớn, cho phép sản xuất hiệu quả lượng lớn nanocellulose.

Một trong những ưu điểm nổi bật nhất của các hệ thống siêu âm Hielscher là khả năng mở rộng quy mô tuyến tính. Cả thiết bị siêu âm để bàn và thiết bị siêu âm công nghiệp đều có thể được lắp đặt thành cụm, cung cấp công suất xử lý gần như không giới hạn, khiến chúng trở thành lựa chọn lý tưởng cho các hoạt động đòi hỏi năng suất xử lý cao và hiệu suất đáng tin cậy trong sản xuất nanocellulose.