Wyzwanie osadzania w przetwarzaniu nanocelulozy
Zawiesiny nanocelulozy (2% wag., lepkość 10 000 cP w temperaturze 70 stopni) stosuje się do odlewania folii biodegradowalnych. Podczas przepływu laminarnego (Re 200) nanofibryle celulozy osadzają się na nagrzanych powierzchniach, tworząc izolujące gorące punkty. Gęstość ładunku powierzchniowego grzejnika PFA (potencjał zeta) określa oddziaływania elektrostatyczne z ujemnie naładowanymi włókienkami celulozy. Analiza ilościowa z 8 linii odlewania folii pokazuje, że PFA o potencjale zeta poniżej -30 mV zmniejsza osadzanie się włókienek o 85% w porównaniu do powierzchni w pobliżu punktu izoelektrycznego (0 mV), wydłużając okresy czyszczenia z 3 dni do 21 dni.
Potencjał Zeta i mechanizm adhezji włókienek
Nanofibryle celulozy (szerokość 3-5 nm, długość 100-1000 nm) mają ujemny potencjał zeta (od -25 do -40 mV przy pH 7) ze względu na grupy karboksylanowe. Ładunek powierzchniowy PFA powstaje w wyniku utleniania podczas przetwarzania. Ujemne powierzchnie PFA odpychają włókienka, zmniejszając osadzanie się. Powierzchnie dodatnie lub neutralne przyciągają włókienka. Badanie w temperaturze 70 stopni, pH 7, przepływ 0,1 m/s (Re 200):
| Obróbka powierzchni PFA | Potencjał Zeta przy pH 7 (mV) | Szybkość osadzania włókienek (mg/cm²·godzina) | Czas do osadzania 0,5 mm (godziny) | Redukcja przenoszenia ciepła po 500 godz |
|---|---|---|---|---|
| W stanie-uformowanym (utlenionym) | -15 | 1.2 | 35 | 40% |
| Obróbka plazmowa (O₂) | -35 | 0.4 | 100 | 15% |
| Obróbka plazmowa (wysoka moc) | -45 | 0.2 | 200 | 8% |
| Leczenie koronowe | -30 | 0.5 | 85 | 18% |
| Pasywacja chemiczna | -5 | 2.5 | 15 | 60% |
Reżim przepływu i kinetyka osadzania
Przepływ laminarny (Re 200) wytwarza niskie naprężenia ścinające ścianki (1-2 Pa), niewystarczające do usunięcia osadzonych włókienek. Osadzanie jest kontrolowane głównie przez siły elektrostatyczne i siły van der Waalsa. Przy Re > 1000 (turbulentny) naprężenie ścinające przekracza 10 Pa, usuwając słabo przylegające włókienka niezależnie od potencjału zeta.
| Prędkość przepływu | Odnośnie | Ścinanie ściany (Pa) | Dominujący mechanizm osadzania | Potencjalne znaczenie Zeta |
|---|---|---|---|---|
| 0.05 m/s | 100 | 0.8 | Elektrostatyczny | Krytyczny |
| 0.10 m/s | 200 | 1.5 | Elektrostatyczne + dyfuzyjne | Wysoki |
| 0.20 m/s | 400 | 3.0 | Mieszany | Umiarkowany |
| 0.50 m/s | 1000 | 8.0 | Ścinanie-kontrolowane | Niski |
Stabilność ładunku powierzchniowego w temperaturze 70 stopni
Powierzchnie PFA poddane obróbce plazmowej- ulegają degradacji w gorącej wodzie, z czasem tracąc ładunek ujemny. Potencjał Zeta PFA poddanego-plazmie (początkowe -35 mV) spada do -25 mV po 500 godzinach, -18 mV po 1000 godzinach w wodzie o temperaturze 70 stopni. W przypadku długoterminowej usługi nanocelulozowej należy określić obróbkę koronową, która wytwarza głębszą warstwę ładunku (10–20 nm w porównaniu z. 2-5 nm dla plazmy), utrzymując -30 mV przez 2000+ godzin.
Grubość ścianki i opór cieplny osadu
Po osadzeniu włókienek grubsze ścianki PFA zapewniają bufor termiczny, ale nie zapobiegają osadzaniu się. Dla standardowego PFA (zeta -15 mV) z osadem 0,5 mm po 35 godzinach:
| Grubość ścianki | Grubość osadu po 500 godz | Całkowity opór cieplny (PFA + osad) | Wzrost temperatury powierzchni | Wymagane czyszczenie (godziny) |
|---|---|---|---|---|
| 1,5 mm | 4,2 mm | 0.025 m²·K/W | +35 stopień | 40 |
| 2,0 mm | 4,2 mm | 0.028 | +39 stopień | 40 |
| 2,5 mm | 4,2 mm | 0.031 | +43 stopień | 40 |
W przypadku PFA o wysokiej-zeta (-35 mV) z minimalnym osadem (0,2 mm po 500 godz.) okresy czyszczenia wydłużają się do 200+ godzin, niezależnie od grubości ścianki.
Efekty pH i chemii zawiesiny
Potencjał zeta nanocelulozy staje się bardziej ujemny przy wyższym pH. Przy pH 8 fibryle osiągają -45 mV, zwiększając odpychanie od średnio naładowanych PFA. Przy pH 6 (możliwym z pozostałości kwasu) włókienka spadają do -15 mV, zwiększając osadzanie. Aby zapewnić stabilne operacje odlewania, utrzymuj pH 7-8. Dodatek karboksymetylocelulozy (0,1%) zwiększa lepkość zawiesiny, ale także zwiększa ładunek ujemny, zmniejszając osadzanie się o 50% w przypadku standardowego PFA.
Wytyczne dotyczące specyfikacji grzejników nanocelulozowych
W przypadku 2% zawiesiny nanocelulozy o temperaturze 70 stopni i pH 7 należy określić grzejniki PFA poddane obróbce koronowej, osiągające potencjał zeta poniżej -30 mV (mierzony analizatorem elektrokinetycznym w temperaturze 70 stopni). Wymagaj od dostawcy certyfikatu potencjału zeta po 10007godzinach zanurzenia w wodzie o temperaturze 70 stopni. W przypadku grubości ścianki odpowiednia jest grubość 2,0 mm, jeśli osadzanie jest kontrolowane. W przypadku systemów z przepływem laminarnym (Re < 500) należy określić potencjał zeta poniżej -35 mV. Premia za PFA poddane obróbce koronowej (15–25% powyżej normy) jest uzasadniona wydłużeniem odstępów między czyszczeniami z 3 dni do 3 tygodni w przypadku ciągłego odlewania folii nanocelulozowej, gdzie przestój w celu usunięcia osadów kosztuje 5 000–20 000 USD na incydent. W przypadku systemów badawczo-rozwojowych dopuszczalne mogą być PFA poddane obróbce plazmowej i cotygodniowemu czyszczeniu. W przypadku przepływu turbulentnego (Re > 1000) wystarczy standardowy PFA o ściankach 2,5 mm.
