Ултразвукова обработка на конопени влакна
- Ултразвуковото мочене на влакнести материали като конопени и ленени влакна позволява бързо и ефективно модифициране на влакната.
- Обработените с ултразвук ликови влакна са фибрилирани и показват значително по-голяма специфична повърхност, повишена якост на опън и гъвкавост.
- Ултразвуковата обработка на влакна е бърза и лесна за използване технология за промишлено производство.
Ултразвуково мочене
Ултразвуковото мочене е бърза, ефективна и екологична алтернатива на традиционното водно или росно мочене. Акустичната кавитация, генерирана от високоинтензивен нискочестотен ултразвук, разрушава клетъчните структури на биоматериали като недървесни растителни влакна, които включват ликови влакна като лен, коноп, коприва, пшенична слама, оризова слама и юта, както и влакна от листа (напр. сизал, манилски коноп, абака) и влакна от плодове като кокосовите влакна от обвивките на кокосовите орехи.
Ултразвуковото разделяне на влакната преобразува микровлакната (прибл. 3–5µm) в нановлакна (≥100nm). Освен това ултразвуковата обработка предизвиква разграждане на чисти ксилоглюкан и ксилан в разтвор, което демонстрира способността на ултразвука да разгражда хемицелулозата.
Въпреки че ултразвуковото мочене се извършва предимно във воден разтвор, е възможно – в зависимост от суровината и желания резултат – ултразвуковият процес да се комбинира с алкална обработка. Разтвори на NaOH, H2O2 и H2SO4 могат да се използват за алкализиране с цел получаване на целулозни нановлакна за кратко време на обработка. Чрез ултразвукова обработка лесно може да се постигне фибрилиране на целулозните микровлакна. Получените чрез ултразвук влакна показват специфична морфология, при която нановлакната (≥ 100nm) са разпределени по цялата повърхност на микровлакната (3–5µm).
Анализ чрез сканираща електронна микроскопия на ленени, конопени и кокосови влакна със или без ултразвукова обработка.
източник: Renouard et al. 2014
UIP4000hdT (4kW) промишлен ултразвуков процесор за обработка на влакна
Ултразвукова обработка на конопени влакна
С разрастването на пазара за конопени семена и фитоканабиноиди нараства и производството на конопена слама. Като страничен продукт конопената слама и нейните влакна се използват основно за производство на хартия или геотекстил, за армиране на композитни материали, както и като строителен материал.
Изсушената и нарязана слама от ликови растения може да се използва като суровина за ултразвукова обработка, но за по-добри резултати от ултразвуковия процес се препоръчва използването на (частично) декортикирана костра. Ликовият материал се навлажнява с вода (воден разтвор), така че да се получи суспензия, която може да се изпомпва и да преминава през ултразвуковата проточна клетка. Процесът на ултразвукова обработка отнема само кратко време (прибл. 30–60 сек.). Научни изследвания показват, че ултразвуковата обработка подобрява извличането на хемицелулоза и лигнин от лигноцелулозни материали. Освен това ултразвуковата обработка разгражда целулозата и пектина. Ултразвуковата обработка на коноп и лен подобрява също гъвкавостта и якостта на опън на влакната, които са ценни характеристики за производството на текстил и композити.
- намаляване на съдържанието на лигнин
- микро- и нанофибрилирани влакна
- повишена гъвкавост на влакната
- по-висока якост на опън
- бърз процес
- лесна работа
Ултразвуково-алкална обработка на конопени влакна (Ferreira et al. 2019)
Конопени влакна, модифицирани с ултразвук
Фибрилираните с ултразвук ликови влакна (напр. коноп, лен) са особено подходящи за армиране на полимерни смоли, термопластични и термореактивни композити.
Конопените ликови влакна са ценен източник, от който могат да се извличат целулозни нанокристали (CNCs). Целулозните нанокристали се характеризират с голяма повърхност и изключителна коравина и якост на опън. Якостта на опън на CNCs надвишава тази на стъклото или алуминия. Целулозните нанокристали са доста евтини и поради това са конкурентна нанодобавка по отношение на цената, наличността, токсичността и устойчивостта.
Ултразвуковата обработка е лесна за използване, бърза и екологична техника, която позволява производството на висококачествени целулозни нанокристали.
Sosiati et al. 2014 показват благоприятните ефекти на ултразвуковата обработка върху обработването на влакна.
Високопроизводителни ултразвукови устройства за обработка на влакна
Hielscher Ultrasonics произвежда високопроизводително ултразвуково оборудване за приложения с голямо натоварване. Нашите ултразвукови системи могат да се използват за партидна или непрекъсната обработка в поточна линия. Всички промишлени ултразвукови процесори на Hielscher могат да осигуряват много високи амплитуди. Амплитуди до 200µm могат лесно да се поддържат непрекъснато при работа 24/7. За още по-високи амплитуди се предлагат ултразвукови сонотроди, изработени по поръчка. Самата възможност за много високи амплитуди обаче не е достатъчна за успешното провеждане на ултразвуков процес за обработка на влакна, като мочене или фибрилиране. В зависимост от суровината и желания резултат параметрите на процеса – а именно амплитуда, налягане, температура и време – трябва да могат да се контролират и регулират точно.
Цифровите ултразвукови процесори на Hielscher автоматично записват всички данни за процеса на вградена SD карта, така че резултатите от процеса да са възпроизводими. Амплитудата и интензивността на обработката могат да се регулират и контролират прецизно – от много меки до силно интензивни условия на ултразвукова обработка. Това ви дава възможност да обработвате различни материали с оптимални резултати.
Здравината на ултразвуковото оборудване на Hielscher позволява работа 24/7 при голямо натоварване и в тежки условия.
Таблицата по-долу дава представа за приблизителния капацитет за обработка на нашите ултразвукови устройства:
| Обем на партидата | Дебит | Препоръчителни устройства |
|---|---|---|
| 1 до 500mL | 10 до 200mL/min | UP100H |
| 10 до 2000mL | 20 до 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 до 20L | 0,2 до 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 до 100L | 2 до 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 до 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | по-голям | група от UIP16000 |
Свържете се с нас! / Попитайте ни!
Ултразвукови процесори с висока мощност за лабораторен, пилотен и промишлен мащаб.
Литература/Източници
- Diana P.Ferreira, Juliana Cruz, Raul Fangueiro (2019): Chapter 1 – Surface modification of natural fibers in polymer composites. Green Composites for Automotive Applications. Woodhead Publishing Series in Composites Science and Engineering 2019, Pages 3–41.
- Sullivan Renouard, Christophe Hano, Joël Doussot, Jean-Philippe Blondeau, Eric Lainé (2014): Characterization of ultrasonic impact on coir, flax and hemp fibers. Materials Letters 129, 2014. 137–141.
- H. Sosiati, M. Muhaimin, P. Abdilah, D. A. Wijayanti, Harsojo, K. Triyana (2014): Effect of the chemical treatments on the
characteristics of natural cellulose. AIP Conference Proceedings 1617, 105 (2014). - M. Zimniewska , R. Kozłowski, J. Batog (2008): Nanolignin Modified Linen Fabric as a Multifunctional Product. Molecular Crystals and Liquid Crystals Vol. 484, Issue 1, 2008.
Полезни факти
Конопени влакна
Конопът е многофункционална култура, използвана за получаване на конопени семена и впоследствие масло от семената, терпеноиди и канабиноиди (т.е. CBD, CBG и др.), както и конопена слама, която може да се преработва в ценен влакнест материал. По отношение на качеството на конопените влакна се прави разграничение между т.нар. кълчищни влакна, които представляват неподредени къси снопове влакна, и т.нар. дълги влакна, които са дълги (надлъжно подредени) влакна.
Късите снопове влакна се наричат също технически влакна и се използват основно в автомобилната промишленост, за производство на хартия и за композити на биологична основа. Дългите конопени влакна се използват за текстил и приложения с висока добавена стойност, като високоефективни композити и биокомпозити.
Производство на конопени влакна:
Конопът за влакна (коноп, отглеждан за производство на влакна) в идеалния случай се прибира преди цъфтежа. Това ранно прибиране води до по-високо качество на влакната, тъй като качеството се влошава, ако се допусне цъфтеж. Обикновено конопът за влакна се прибира 70–90 дни след сеитбата. За прибирането на конопа растенията се отрязват на 2–3cm над почвата и след това се сушат няколко дни. След прибирането конопът се подлага на мочене. Моченето е процес, при който се използват влага и микроорганизми за разграждане на растителните пектини, които химически свързват частите на конопеното стъбло. Традиционно конопените стъбла се подлагат на водно или росно мочене, преди влакната да се отделят чрез трепане. Процесът на мочене улеснява последващото отделяне на лика от т.нар. конопена костра (която представлява дървесната сърцевина на конопените стъбла). След моченето конопените стъбла се изсушават (до съдържание на влага под 15%) и се балират.
За да се получат конопени влакна, които могат да се използват в производството и като добавки, влакната трябва да се отделят чрез процес, известен като „трепане“. По време на трепането конопената слама се обработва механично, за да се раздроби конопеното растение, напр. с чукова мелница. При този механичен процес конопът се удря в сито, докато кострата, по-малките ликови влакна и прахът преминат през ситото. Съвременните високоскоростни кинематични декортикационни машини могат да разделят конопа на три потока: ликови влакна, костра и зелени микровлакна.
Съдържанието на целулоза в конопа е прибл. 70–77%. Конопените влакна са отличен заместител на дървесните целулозни влакна
Предимства на конопените влакна
- икономически изгодни
- висока якост на опън и коравина
- идеално подходящи за иглонабити нетъкани изделия
- ефективен заместител на стъклените влакна
- намаляват времето за формоване
- намаляване на теглото на готовия детайл
- лесни за обработка и рециклиране
- могат да бъдат адаптирани към разнообразни спецификации и различни производствени системи
- възможни са постоянно качество и наличност за доставки
Влакнести биоматериали
Когато от ленената слама се извличат влакна, невлакнестите части на стъблото, без семената, обикновено се наричат костра. Например при маслодайния лен кострата съставлява прибл. 70 – 85% от общото тегло на сламата, което я прави основния страничен продукт от преработката на ленена слама.
Полученият чрез ултразвук наноструктуриран лигнин се използва за изработване на многофункционални ленени тъкани. Чрез импрегниране на ленен текстил с нанолигнин посредством фулардиране могат да се създават многофункционални текстилни материали. Тези многофункционални текстилни материали предлагат допълнителни свойства: защита от UV лъчение, антибактериални и антистатични свойства.