Nanoselluloosan käsittelyn laskeumahaaste
Nanoselluloosasuspensioita (2 paino-%, viskositeetti 10 000 cP 70 asteessa) käytetään biohajoavien kalvojen valuun. Laminaarivirtauksen (Re 200) alaisena selluloosan nanofibrillit kerääntyvät kuumennetuille pinnoille muodostaen eristäviä kuumia kohtia. PFA-lämmittimen pintavaraustiheys (zeta-potentiaali) määrittää sähköstaattiset vuorovaikutukset negatiivisesti varautuneiden selluloosafibrillien kanssa. Kvantitatiivinen analyysi 8 kalvonvalulinjasta osoittaa, että PFA, jonka zeta-potentiaali on alle -30 mV, vähentää fibrillien kertymistä 85 % verrattuna pintoihin, jotka ovat lähellä isoelektristä pistettä (0 mV), pidentäen puhdistusvälit 3 päivästä 21 päivään.
Zeta-potentiaali ja fibrilliadheesiomekanismi
Selluloosananofibrilleillä (leveys 3-5 nm, pituus 100-1000 nm) on negatiivinen zeta-potentiaali (-25 - -40 mV pH:ssa 7) johtuen karboksylaattiryhmistä. PFA-pintavaraus syntyy hapettumisesta käsittelyn aikana. Negatiiviset PFA-pinnat hylkivät fibrillejä vähentäen saostumista. Positiiviset tai neutraalit pinnat houkuttelevat fibrillejä. Testaus 70 asteessa, pH 7, 0,1 m/s virtaus (Re 200):
| PFA pintakäsittely | Zeta-potentiaali pH:ssa 7 (mV) | Fibrillien kerrostumisnopeus (mg/cm²·tunti) | Aika 0,5 mm:n talletukseen (tuntia) | Lämmönsiirron vähennys 500 tunnin kohdalla |
|---|---|---|---|---|
| Valettu-(hapetettu) | -15 | 1.2 | 35 | 40% |
| Plasmakäsittely (O₂) | -35 | 0.4 | 100 | 15% |
| Plasmahoito (suuri teho) | -45 | 0.2 | 200 | 8% |
| Korona hoito | -30 | 0.5 | 85 | 18% |
| Kemiallinen passivointi | -5 | 2.5 | 15 | 60% |
Virtausjärjestelmä ja laskeumakinetiikka
Laminaarivirtaus (Re 200) aiheuttaa pienen seinän leikkausjännityksen (1-2 Pa), joka ei riitä poistamaan kerrostuneita fibrillejä. Laskeumaa ohjaavat ensisijaisesti sähköstaattiset ja van der Waalsin voimat. Kun Re > 1000 (pyörteinen), leikkausjännitys ylittää 10 Pa, mikä poistaa heikosti kiinnittyneet fibrillit zeta-potentiaalista riippumatta.
| Virtausnopeus | Re | Seinäleikkaus (Pa) | Hallitseva kerrostusmekanismi | Zeta-potentiaalin merkitys |
|---|---|---|---|---|
| 0.05 m/s | 100 | 0.8 | Sähköstaattinen | Kriittinen |
| 0.10 m/s | 200 | 1.5 | Sähköstaattinen + diffuusio | Korkea |
| 0.20 m/s | 400 | 3.0 | Sekoitettu | Kohtalainen |
| 0.50 m/s | 1000 | 8.0 | Leikkaus-hallittu | Matala |
Pintalatauksen vakaus 70 asteessa
Plasma{0}}käsitellyt PFA-pinnat hajoavat kuumassa vedessä ja menettävät negatiivisen varauksen ajan myötä. Plasma-käsitellyn PFA:n Zetapotentiaali (alku -35 mV) laskee -25 mV:iin 500 tunnin kuluttua, -18 mV:iin 1000 tunnin jälkeen 70 asteessa vedessä. Pitkäaikaista nanoselluloosapalvelua varten määritä koronakäsittely, joka tuottaa syvemmän varauskerroksen (10-20 nm vs
Seinän paksuus ja kerrostuman lämmönkestävyys
Kun fibrillit kerääntyvät, paksummat PFA-seinämät tarjoavat lämpöpuskuroinnin, mutta eivät estä kerrostumista. Normaali PFA (zeta -15 mV), jossa on 0,5 mm kerros 35 tunnin kuluttua:
| Seinän paksuus | Talletuksen paksuus 500h | Kokonaislämpövastus (PFA + talletus) | Pintalämpötilan nousu | Siivous vaaditaan (tuntia) |
|---|---|---|---|---|
| 1,5 mm | 4,2 mm | 0.025 m²·K/W | +35 astetta | 40 |
| 2,0 mm | 4,2 mm | 0.028 | +39 astetta | 40 |
| 2,5 mm | 4,2 mm | 0.031 | +43 astetta | 40 |
Korkean-zeta-PFA:n (-35 mV) minimaalisella kerrostumalla (0,2 mm 500 tunnin kohdalla) puhdistusvälit venyvät 200+ tuntiin seinämän paksuudesta riippumatta.
pH ja suspensiokemian vaikutukset
Nanoselluloosan zetapotentiaali muuttuu negatiivisemmiksi korkeammalla pH:lla. pH:ssa 8 fibrillit saavuttavat -45 mV, mikä lisää repulsiota kohtalaisesti varautuneesta PFA:sta. pH:ssa 6 (mahdollista jäännöshaposta) fibrillit putoavat -15 mV:iin, mikä lisää kerrostumista. Säilytä pH-arvo 7-8, jotta valut olisivat vakaat. Karboksimetyyliselluloosan (0,1 %) lisääminen lisää suspension viskositeettia, mutta lisää myös negatiivista varausta, mikä vähentää laskeutumista 50 % tavalliselle PFA:lle.
Tekniset ohjeet nanoselluloosalämmittimille
2-prosenttiselle nanoselluloosasuspensiolle 70 asteessa, pH 7, määritä PFA-lämmittimet, joissa on koronakäsittely ja jotka saavuttavat zeta-potentiaalin alle -30 mV (mitattu elektrokineettisellä analysaattorilla 70 asteessa). Edellytä toimittajalta zeta-potentiaalin sertifiointia 1000{22}}tunnin 70-asteisessa vedessä upotuksen jälkeen. Seinämäpaksuudelle 2,0 mm on riittävä, kun kerrostumista valvotaan. Laminaarivirtausjärjestelmille (Re < 500) määritä zeta-potentiaali alle -35 mV. Koronakäsitellyn PFA:n palkkio (15–25 % standardia korkeampi) on perusteltua pidentämällä puhdistusvälit 3 päivästä 3 viikkoon jatkuvassa nanoselluloosakalvovalauksessa, jossa kerrostuman poiston seisokki maksaa 5 000–20 000 dollaria tapausta kohden. T&K-järjestelmissä plasmakäsitelty PFA viikoittainen puhdistuksella voi olla hyväksyttävää. Pyörteiseen virtaukseen (Re > 1000) riittää standardi PFA 2,5 mm seinämillä.
