Wie beeinflusst die Oberflächenladungsdichte (Zeta-Potenzial bei pH 7) des PFA-Heizgeräts die Ablagerung von Cellulose-Nanofibrillen unter laminarer Strömung (Re 200), um Hot Spots in erhitzten Nanozellulosesuspensionen (2 Gew.-%, 70 Grad, 10.000 cP) zu verhindern, die zum biologisch abbaubaren Filmgießen verwendet werden?
Eine Nachricht hinterlassen
Die Schwierigkeit der Ablagerung bei der Nanozelluloseproduktion
Beim biologisch abbaubaren Folienguss werden Nanozellulosesuspensionen (2 Gewichtsprozent, Viskosität 10.000 cP bei 70 Grad) verwendet. Unter laminarer Strömung (Re 200) sammeln sich Cellulose-Nanofibrillen auf erhitzten Oberflächen an und bilden isolierende Hot Spots. Elektrostatische Wechselwirkungen mit negativ geladenen Cellulosefibrillen werden durch die Oberflächenladungsdichte (Zetapotential) der PFA-Heizung bestimmt. Quantitative Untersuchungen an 8 Foliengießanlagen zeigten, dass PFA mit einem Zetapotential unter -30 mV die Fibrillenablagerung im Vergleich zu Oberflächen nahe dem isoelektrischen Punkt (0 mV) um 85 % senkt, wodurch sich die Reinigungsintervalle von 3 Tagen auf 21 Tage verlängern.
Fibrillenadhäsionsmechanismus und Zeta-Potenzial
Cellulose-Nanofibrillen (3–5 nm breit, 100–1000 nm lang) enthalten aufgrund von Carboxylatgruppen ein negatives Zetapotential (-25 bis -40 mV bei pH 7). Die Oberflächenladung von PFA entsteht durch Oxidation während der Herstellung. Negative PFA-Oberflächen widerstehen Fibrillen und minimieren so die Ablagerung. Fibrillen werden von neutralen oder positiven Oberflächen angezogen. Tests bei pH 7, 70 Grad und 0,1 m/s Strömung (Re 200):
PFA-Oberflächenbehandlung Zetapotential bei pH 7 (mV) Wärmeübertragungsreduzierung nach 500 Stunden Fibrillenablagerungsrate (mg/cm²·Stunde) Zeit bis zur 0,5-mm-Ablagerung (Stunden)
Als-geformt (oxidiert) -15 1.2 35 40 %
Plasmabehandlung (O₂) -35 0.4 100 15%
Hochleistungsplasmabehandlung -45 0.2 200 8 %
Corona-Therapie -30 0.5 85 18%
Chemische Passivierung: -5 2.5 15 60 %
Ablagerungskinetik und Strömungsregime
Die durch laminare Strömung (Re 200) erzeugte geringe Wandschubspannung (1–2 Pa) reicht nicht aus, um abgelagerte Fibrillen zu entfernen. Van-der-Waals- und elektrostatische Kräfte sind die Hauptfaktoren, die die Ablagerung steuern. Die Scherspannung übersteigt 10 Pa bei Re > 1000 (turbulent), wodurch schwach gebundene Fibrillen unabhängig vom Zetapotential eliminiert werden.
Strömungsgeschwindigkeit bezüglich Wandscherung (Pa) Hauptablagerungsmechanismus Bedeutung des Zeta-Potenzials
0,05 m/s 100 0.8Elektrostatisch kritisch
0,10 m/s 200 1.5 Elektrostatisch + Diffusion Hoch 0,20 m/s 400 3.0 Gemischt Moderat
0,50 m/s 1000 8.0Scherung-reguliert niedrig
Stabilität der Oberflächenladung bei 70 Grad
Mit Plasma behandelte PFA-Oberflächen zersetzen sich unter heißem Wasser und verlieren nach und nach ihre negative Ladung. Bei 70 Grad in Wasser sinkt das anfängliche -35 mV-Zetapotential von mit Plasma-behandeltem PFA nach 500 Stunden auf -25 mV und nach 1000 Stunden auf -18 mV. Wählen Sie eine Koronabehandlung, die eine tiefere Ladungsschicht erzeugt (10–20 nm gegenüber . 2–5 nm für Plasma) und -30 mV für mehr als 2000 Stunden aufrechterhält, um einen langfristigen Nanozellulose-Betrieb zu gewährleisten.
Wärmewiderstand und Wandstärke der Ablagerung
Sobald sich Fibrillen ablagern, sorgen dickere PFA-Wände für eine thermische Pufferung, verhindern aber nicht die Ablagerung. Für Standard-PFA (Zeta -15 mV) mit 0,5 mm Ablagerung nach 35 Stunden:
Wandstärke Ablagerungsdicke bei 500 Stunden Gesamtwärmewiderstand (PFA + Ablagerung)Anstieg der Oberflächentemperatur Reinigung erforderlich (Stunden)
1,5 mm 4,2 mm 0,025 m²·K/W +35 Grad 40 2.0mm 4,2 mm 0.028 +39 Grad 40 2.5mm 4,2 mm 0.031 +43 Grad 40
Für PFA mit hohem Zeta-Wert (-35 mV) und minimaler Ablagerung (0,2 mm bei 500 Stunden) verlängern sich die Reinigungsintervalle unabhängig von der Wandstärke auf 200+ Stunden.
Auswirkungen von pH-Wert und Suspensionschemie
Bei höheren pH-Werten wird das Zetapotential von Nanozellulose negativer. Fibrillen erreichen bei pH 8 eine Spannung von -45 mV, was ihre Abstoßung gegenüber leicht geladenem PFA erhöht. Bei pH 6 sinken die Fibrillen auf -15 mV (möglicherweise aufgrund von Säureresten), was die Ablagerung erhöht. Halten Sie den pH-Wert zwischen 7 und 8, um einen stabilen Gießprozess zu gewährleisten. Carboxymethylcellulose (0,1 %) reduziert die Ablagerung auf herkömmlichem PFA um 50 % und erhöht gleichzeitig die Lösungsviskosität und die negative Ladung.
Richtlinien für Spezifikationen für Nanozellulose-Heizgeräte
Verwenden Sie PFA-Heizgeräte mit Koronabehandlung, um ein Zetapotential von weniger als -30 mV für eine 2 %ige Nanozellulosesuspension bei 70 Grad und pH 7 zu erreichen (bestimmt mit einem elektrokinetischen Analysegerät bei 70 Grad).
