معالجة ألياف القنب بالموجات فوق الصوتية
- يتيح تعطين المواد الليفية، مثل ألياف القنب والكتان، بالموجات فوق الصوتية تعديل الألياف بسرعة وكفاءة.
- تتليّف الألياف اللحائية المعالجة بالموجات فوق الصوتية وتُظهر مساحة سطح نوعية أعلى بكثير، وزيادة في مقاومة الشد والمرونة.
- معالجة الألياف بالموجات فوق الصوتية تقنية معالجة سريعة وسهلة الاستخدام للإنتاج الصناعي.
التعطين بالموجات فوق الصوتية
التعطين بالموجات فوق الصوتية بديل سريع وفعال وصديق للبيئة للتعطين التقليدي بالماء أو الندى. يعمل التجويف الصوتي، الناتج عن موجات فوق صوتية عالية الشدة ومنخفضة التردد، على تفكيك البنى الخلوية للمواد الحيوية، مثل الألياف النباتية غير الخشبية التي تشمل الألياف اللحائية، مثل الكتان والقنب والقراص وقش القمح وقش الأرز والجوت، وكذلك الألياف المشتقة من الأوراق (مثل السيزال وقنب مانيلا والأباكا) والألياف المشتقة من الثمار، مثل ألياف جوز الهند المستخرجة من قشوره.
يحوّل فك تشابك الألياف بالموجات فوق الصوتية الألياف الدقيقة (نحو 3–5µm) إلى ألياف نانوية (≥100nm). علاوة على ذلك، أحدثت المعالجة بالموجات فوق الصوتية تحللًا للزيلوغلوكان والزيلان النقيين في المحلول، مما يبيّن قدرة الموجات فوق الصوتية على تحليل الهيميسليلوز.
على الرغم من أن التعطين بالموجات فوق الصوتية يُستخدم أساسًا في محلول مائي، فمن الممكن – اعتمادًا على المادة الخام والنتيجة المستهدفة – الجمع بين العملية بالموجات فوق الصوتية والمعالجة القلوية. يمكن استخدام محاليل NaOH وH2O2 وH2SO4 للقلونة بهدف الحصول على ألياف سليلوز نانوية خلال زمن معالجة قصير. ويمكن تحقيق تلييف ألياف السليلوز الدقيقة بسهولة من خلال المعالجة بالموجات فوق الصوتية. وتُظهر الألياف المنتجة بالموجات فوق الصوتية بنية شكلية محددة تتوزع فيها الألياف النانوية (≥ 100nm) على كامل سطح الألياف الدقيقة (3–5µm).
تحليل ألياف الكتان والقنب وجوز الهند بالمجهر الإلكتروني الماسح، مع المعالجة بالموجات فوق الصوتية أو بدونها.
المصدر: Renouard وآخرون، 2014
UIP4000hdT (4kW) جهاز صناعي للمعالجة بالموجات فوق الصوتية لمعالجة الألياف
معالجة ألياف القنب بالموجات فوق الصوتية
يترافق نمو سوق بذور القنب والقنبيات النباتية مع زيادة إنتاج قش القنب. ويُستخدم قش القنب وأليافه، بوصفهما منتجًا ثانويًا، أساسًا في إنتاج الورق أو المنسوجات الأرضية، وفي تدعيم المواد المركبة، وكذلك بوصفهما مادة بناء.
يمكن استخدام قش الألياف اللحائية المجفف والمقطّع بوصفه مادة خام للمعالجة بالموجات فوق الصوتية، إلا أنه يُوصى باستخدام شظايا اللب الخشبي المنزوعة القشرة (جزئيًا) للحصول على نتائج أفضل للعملية بالموجات فوق الصوتية. وتُبلّل المادة اللحائية بالماء (محلول مائي) للحصول على معلق قابل للضخ يمكنه المرور عبر خلية التدفق للمعالجة بالموجات فوق الصوتية. ولا تستغرق عملية المعالجة بالموجات فوق الصوتية سوى وقت قصير (نحو 30–60 sec.). وقد أظهرت الأبحاث العلمية أن المعالجة بالموجات فوق الصوتية تحسّن استخلاص الهيميسليلوز واللجنين من المواد اللجنوسليلوزية. إضافة إلى ذلك، تحلّل المعالجة بالموجات فوق الصوتية السليلوز والبكتين. كما تحسّن معالجة القنب والكتان بالموجات فوق الصوتية مرونة الألياف ومقاومتها للشد، وهما خاصيتان قيّمتان لصناعة المنسوجات والمواد المركبة.
- خفض محتوى اللجنين
- ألياف مفلّفة على المستويين الدقيق والنانوي
- زيادة مرونة الألياف
- مقاومة شد أعلى
- عملية سريعة
- سهولة التشغيل
المعالجة القلوية بالموجات فوق الصوتية لألياف القنب (Ferreira وآخرون، 2019)
ألياف القنب المعدّلة بالموجات فوق الصوتية
تُعد الألياف اللحائية المفلّفة بالموجات فوق الصوتية (مثل القنب والكتان) مناسبة بوجه خاص لتدعيم الراتنجات البوليمرية والمواد المركبة اللدنة حراريًا والمتصلدة حراريًا.
تُعد ألياف القنب اللحائية مصدرًا قيّمًا يمكن استخلاص بلورات السليلوز النانوية (CNCs) منه. وتتميز بلورات السليلوز النانوية بمساحة سطحها الكبيرة وصلابتها ومقاومتها للشد الاستثنائيتين. وتفوق مقاومة الشد لدى CNCs مقاومة الزجاج أو الألومنيوم. وبلورات السليلوز النانوية منخفضة التكلفة إلى حد كبير، ولذلك تُعد مادة مضافة نانوية تنافسية من حيث السعر والتوافر والسمّية والاستدامة.
المعالجة بالموجات فوق الصوتية تقنية سهلة الاستخدام وسريعة وصديقة للبيئة، تتيح إنتاج بلورات سليلوز نانوية عالية الجودة.
يوضح Sosiati وآخرون، 2014، الآثار المفيدة للمعالجة بالموجات فوق الصوتية في معالجة الألياف.
أجهزة معالجة بالموجات فوق الصوتية عالية الأداء لمعالجة الألياف
تصنّع Hielscher Ultrasonics معدات عالية الأداء تعمل بالموجات فوق الصوتية للتطبيقات الشاقة. ويمكن استخدام أنظمتنا بالموجات فوق الصوتية للمعالجة على دفعات أو للمعالجة المستمرة ضمن خط الإنتاج. وتستطيع جميع أجهزة Hielscher الصناعية للمعالجة بالموجات فوق الصوتية توفير سعات اهتزاز عالية جدًا. ويمكن التشغيل المستمر بسهولة بسعات اهتزاز تصل إلى 200µm على مدار 24/7. وللحصول على سعات اهتزاز أعلى، تتوفر سونوترودات مخصصة للموجات فوق الصوتية. ومع ذلك، فإن القدرة على توفير سعات اهتزاز عالية جدًا وحدها لا تكفي لإنجاح عملية معالجة الألياف بالموجات فوق الصوتية، مثل التعطين أو التلييف. واعتمادًا على المادة الخام والنتيجة المستهدفة، يجب أن تكون معلمات العملية – وهي سعة الاهتزاز والضغط ودرجة الحرارة والزمن – قابلة للتحكم والضبط بدقة.
تسجّل أجهزة Hielscher الرقمية للمعالجة بالموجات فوق الصوتية جميع بيانات العملية تلقائيًا على بطاقة SD مدمجة، بحيث يمكن إعادة إنتاج نتائج العملية. ويمكن ضبط سعة الاهتزاز وشدة المعالجة والتحكم فيهما بدقة، بدءًا من ظروف المعالجة بالموجات فوق الصوتية اللطيفة جدًا وصولًا إلى الظروف شديدة الكثافة. ويتيح لك ذلك معالجة مواد متنوعة لتحقيق النتائج المثلى.
تتيح متانة معدات Hielscher بالموجات فوق الصوتية التشغيل على مدار 24/7 في ظروف العمل الشاقة والبيئات الصعبة.
يعطيك الجدول أدناه مؤشرًا على القدرة التقريبية للمعالجة لدى أجهزتنا للمعالجة بالموجات فوق الصوتية:
| حجم الدفعة | معدل التدفق | الأجهزة الموصى بها |
|---|---|---|
| 1 إلى 500mL | 10 إلى 200mL/min | UP100H |
| 10 إلى 2000mL | 20 إلى 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 إلى 20L | 0.2 إلى 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 إلى 100L | 2 إلى 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 إلى 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | أعلى | مجموعة من UIP16000 |
اتصل بنا! / اسألنا!
أجهزة معالجة بالموجات فوق الصوتية عالية القدرة، من النطاق المختبري إلى النطاق التجريبي والصناعي.
المصادر والمراجع
- Diana P.Ferreira, Juliana Cruz, Raul Fangueiro (2019): الفصل 1 – تعديل سطح الألياف الطبيعية في المواد المركبة البوليمرية. المواد المركبة الصديقة للبيئة لتطبيقات السيارات. Woodhead Publishing Series in Composites Science and Engineering 2019، الصفحات 3–41.
- Sullivan Renouard, Christophe Hano, Joël Doussot, Jean-Philippe Blondeau, Eric Lainé (2014): توصيف تأثير الموجات فوق الصوتية في ألياف جوز الهند والكتان والقنب. Materials Letters 129, 2014. 137–141.
- H. Sosiati, M. Muhaimin, P. Abdilah, D. A. Wijayanti, Harsojo, K. Triyana (2014): تأثير المعالجات الكيميائية في
خصائص السليلوز الطبيعي. AIP Conference Proceedings 1617, 105 (2014). - M. Zimniewska , R. Kozłowski, J. Batog (2008): نسيج الكتان المعدّل باللجنين النانوي بوصفه منتجًا متعدد الوظائف. Molecular Crystals and Liquid Crystals، المجلد 484، العدد 1، 2008.
حقائق جديرة بالمعرفة
ألياف القنب
القنب محصول متعدد الأغراض يُستخدم للحصول على بذور القنب، ومن ثم زيت البذور، والتربينويدات والقنبيات (أي CBD وCBG وغيرهما)، وكذلك قش القنب الذي يمكن تحويله إلى مادة ليفية قيّمة. وفيما يتعلق بجودة ألياف القنب، يُميَّز بين ما يُسمى ألياف المشاقة، وهي حزم ألياف قصيرة غير متراصفة، وما يُسمى الألياف الطويلة، وهي ألياف طويلة متراصفة طوليًا.
تُسمى حزم الألياف القصيرة أيضًا أليافًا تقنية، وتُستخدم أساسًا في صناعة السيارات وإنتاج الورق والمواد المركبة ذات الأساس الحيوي. أما ألياف القنب الطويلة فتُستخدم في المنسوجات والتطبيقات عالية القيمة، مثل المواد المركبة عالية الأداء والمواد المركبة الحيوية.
إنتاج ألياف القنب:
يُفضّل حصاد قنب الألياف (القنب المزروع لإنتاج الألياف) قبل الإزهار. ويؤدي هذا الحصاد المبكر إلى جودة ألياف أعلى، لأن الجودة تنخفض إذا تُرك النبات ليزهر. وعادةً ما يُحصد قنب الألياف بعد 70–90 يومًا من البذر. ولحصاد القنب، تُقطع النباتات على ارتفاع 2–3cm فوق التربة، ثم تُجفف لبضعة أيام. وبعد الحصاد، يُعطّن القنب. والتعطين عملية تستخدم الرطوبة والميكروبات لتحليل البكتينات النباتية التي تربط أجزاء ساق القنب بعضها ببعض كيميائيًا. وتقليديًا، تُعطّن سيقان القنب بالماء أو الندى قبل تنفيض الألياف. وتسهّل عملية التعطين فصل اللحاء لاحقًا عن ما يُسمى شظايا اللب الخشبي للقنب (وهي اللب الخشبي لسيقان القنب). وبعد التعطين، تُجفف سيقان القنب (إلى محتوى رطوبة أقل من 15%) وتُجمع في بالات.
للحصول على ألياف القنب التي يمكن استخدامها في التصنيع وبوصفها مواد مضافة، يجب فصل الألياف في عملية تُعرف باسم «التنفيض». وخلال عملية التنفيض، يُعالج قش القنب ميكانيكيًا لتفتيت نبات القنب، مثلًا باستخدام مطحنة مطارق. وفي هذه العملية الميكانيكية، يُضرب القنب على غربال حتى تمر شظايا اللب الخشبي والألياف اللحائية الأصغر والغبار عبر الغربال. وتستطيع آلات نزع القشرة الحركية الحديثة عالية السرعة فصل القنب إلى ثلاثة تيارات: الألياف اللحائية، وشظايا اللب الخشبي، والألياف الدقيقة الخضراء.
يبلغ محتوى السليلوز في القنب نحو 70–77%. وتُعد ألياف القنب بديلًا ممتازًا لألياف السليلوز الخشبية
مزايا ألياف القنب
- مجدية اقتصاديًا
- مقاومة شد وصلابة عاليتان
- مناسبة تمامًا للمنتجات غير المنسوجة المثقوبة بالإبر
- بديل فعال للألياف الزجاجية
- تقلّل زمن القولبة
- تخفض وزن القطعة النهائية
- سهلة المعالجة وإعادة التدوير
- يمكن تخصيصها لتلبية مجموعة متنوعة من المواصفات وأنظمة التصنيع المختلفة
- يمكن تحقيق جودة ثابتة وتوافر الإمدادات
المواد الحيوية الليفية
عند استخلاص الألياف من قش الكتان، يُشار عادةً إلى الأجزاء غير الليفية من الساق، باستثناء البذور، باسم شظايا اللب الخشبي. فعلى سبيل المثال، تشكّل شظايا اللب الخشبي في كتان البذور الزيتية نحو 70 – 85% من الوزن الإجمالي للقش، مما يجعلها المنتج الثانوي الرئيسي لمعالجة قش الكتان.
يُستخدم اللجنين ذو البنية النانوية المنتج بالموجات فوق الصوتية لصنع أقمشة كتان متعددة الوظائف. ويمكن إنتاج منسوجات متعددة الوظائف من خلال تشريب منسوجات الكتان باللجنين النانوي بالعصر بين الأسطوانات. وتوفر هذه المنسوجات متعددة الوظائف خصائص إضافية تتمثل في حجب الأشعة فوق البنفسجية ومقاومة البكتيريا والكهرباء الساكنة.