За предотвратяване на горещи точки в нагрети наноцелулозни суспензии (2 тегл.%, 70 градуса, 10 000 cP), използвани за отливане на биоразградими филми, как плътността на повърхностния заряд на PFA нагревателя (дзета потенциал при pH 7) влияе върху отлагането на целулозни нанофибрили при ламинарен поток (Re 200)?

Трудността на отлагането при производството на наноцелулоза
Отливането на биоразградим филм използва наноцелулозни суспензии (2 тегловни процента, вискозитет 10 000 cP при 70 градуса). При ламинарен поток (Re 200) целулозните нанофибрили се натрупват върху нагрети повърхности, образувайки изолиращи горещи точки. Електростатичните взаимодействия с отрицателно заредени целулозни фибрили се определят от повърхностната плътност на заряда (зета потенциал) на PFA нагревателя. Количествено изследване от 8 линии за леене на филм показа, че PFA с зета потенциал под -30 mV намалява отлагането на фибрили с 85% в сравнение с повърхности близо до изоелектрична точка (0 mV), увеличавайки интервалите на почистване от 3 дни на 21 дни.

Механизъм на адхезия на фибрилите и зета потенциал
Целулозните нанофибрили (3-5 nm широки, 100-1000 nm дълги) съдържат отрицателен зета потенциал (-25 до -40 mV при pH 7) поради карбоксилатни групи. PFA повърхностният заряд произтича от окисляване по време на производството. Отрицателните PFA повърхности са устойчиви на фибрили, минимизирайки отлагането. Фибрилите се привличат към повърхности, които са неутрални или положителни. Тестване при pH 7, 70 градуса и 0,1 m/s поток (Re 200):

PFA повърхностна обработка Zeta потенциал при pH 7 (mV) Намаляване на преноса на топлина при 500 часа Скорост на отлагане на фибрили (mg/cm²·час) Време до 0,5 mm отлагане (часове)
Както-отлят (оксидиран) -15 1.2 35 40%
Плазмено третиране (O₂) -35 0.4 100 15%
Високомощна плазмена обработка -45 0.2 200 8%
Коронатерапия -30 0.5 85 18%
Химическа пасивация: -5 2.5 15 60%
Кинетика на отлагането и режим на потока
Ниското напрежение на срязване на стената (1-2 Pa), произведено от ламинарен поток (Re 200), е недостатъчно за елиминиране на отложените фибрили. Ван дер Ваалс и електростатичните сили са основните фактори, контролиращи отлагането. Напрежението на срязване надвишава 10 Pa при Re > 1000 (турбулентно), елиминирайки слабо прикрепени фибрили, независимо от зета потенциала.

Скорост на потока Re Срязване на стената (Pa) Основен механизъм на отлагане Значение на Zeta потенциала
0,05 m/s 100 0.8Електростатично критично
0,10 m/s 200 1.5 Електростатично + дифузия Висока 0,20 m/s 400 3.0 Смесено Умерено
0,50 m/s 1000 8.0Срязване-регулирано Ниско
Стабилност на повърхностния заряд при 70 градуса
PFA повърхностите, обработени с плазма, се влошават под гореща вода, като постепенно губят своя отрицателен заряд. При 70 градуса във вода първоначалният -35 mV зета потенциал на плазмено-третирания PFA пада до -25 mV след 500 часа и -18 mV след 1000 часа. Изберете обработка с корона, която създава по-дълбок слой на заряда (10–20 nm срещу . 2–5 nm за плазмата) и поддържа -30 mV за повече от 2000 часа за дългосрочно обслужване на наноцелулоза.

Термична устойчивост и дебелина на стената на депозита
След като фибрилите се отложат, по-дебелите PFA стени осигуряват термично буфериране, но не предотвратяват отлагането. За стандартен PFA (зета -15 mV) с 0,5 mm депозит след 35 часа:

Дебелина на стената Дебелина на отлагания при 500h Обща термична устойчивост (PFA + отлагане) Необходимо е почистване при повишаване на температурата на повърхността (часове)
1,5 mm 4,2 mm 0,025 m²·K/W +35 степен 40 2.0 mm 4,2 mm 0.028 +39 степен 40 2.5 mm 4,2 mm 0.031 +43 степен 40
За високо-зета PFA (-35 mV) с минимално отлагане (0,2 mm при 500 часа), интервалите на почистване се удължават до 200+ часа независимо от дебелината на стената.

Ефекти на рН и химия на суспензията
При по-високи нива на pH зета потенциалът на наноцелулозата става по-отрицателен. Фибрилите достигат -45 mV при pH 8, което увеличава тяхното отблъскване срещу PFA, който е леко зареден. Фибрилите намаляват до -15 mV при pH 6 (вероятно поради остатъчна киселина), което увеличава отлагането. Поддържайте pH между 7 и 8 за стабилни процеси на леене. Карбоксиметилцелулозата (0,1%) намалява отлагането върху конвенционалния PFA с 50%, като същевременно увеличава вискозитета на разтвора и отрицателния заряд.

Указания за спецификациите на наноцелулозния нагревател
Използвайте PFA нагреватели с коронна обработка, за да постигнете зета потенциал по-малък от -30 mV за 2% наноцелулозна суспензия при 70 градуса и pH 7 (както е определено от електрокинетичен анализатор при 70 градуса).