Ultrazvučna obrada konopljinih vlakana
- Ultrazvučno močenje vlaknastih materijala, kao što su vlakna konoplje i lana, omogućava brzu i efikasnu modifikaciju vlakana.
- Ultrazvučno obrađena lička vlakna su fibrilirana i imaju znatno veću specifičnu površinu, povećanu zateznu čvrstoću i fleksibilnost.
- Ultrazvučna obrada vlakana brza je i jednostavna za korištenje tehnologija obrade za industrijsku proizvodnju.
Ultrazvučno močenje
Ultrazvučno močenje je brza, efikasna i ekološka alternativa tradicionalnom močenju u vodi ili na rosi. Akustična kavitacija, koju stvara ultrazvuk visokog intenziteta i niske frekvencije, razbija ćelijske strukture biomaterijala kao što su nedrvna biljna vlakna, među koja spadaju lička vlakna poput lana, konoplje, koprive, pšenične slame, slame riže i jute, kao i vlakna dobivena iz lišća (npr. sisal, manilska konoplja, abaka) te vlakna dobivena iz plodova, poput kokosovih vlakana (coir) iz kokosovih ljuski.
Ultrazvučno razvlačenje pretvara mikrovlakna (približno 3-5µm) u nanovlakna (≥100nm). Osim toga, ultrazvučna obrada izazvala je razgradnju čistog ksiloglukana i ksilana u otopini, što pokazuje sposobnost ultrazvuka da razgrađuje hemicelulozu.
Iako se ultrazvučno močenje uglavnom koristi u vodenoj otopini, moguće je – ovisno o sirovini i ciljanom ishodu – kombinirati ultrazvučni proces s alkalnim tretmanom. Otopine NaOH, H2O2 i H2SO4 mogu se koristiti za alkalizaciju radi dobivanja celuloznih nanovlakana u kratkom vremenu obrade. Ultrazvučnom obradom se fibrilacija celuloznih mikrovlakana može lako postići. Ultrazvučno proizvedena vlakna pokazuju specifičnu morfologiju u kojoj su nanovlakna (≥ 100nm) raspoređena po cijeloj površini mikrovlakana (3-5µm).
Analiza vlakana lana, konoplje i kokosa (coir) skenirajućom elektronskom mikroskopijom, sa ultrazvučnom obradom i bez nje.
izvor: Renouard et al. 2014
UIP4000hdT (4kW) industrijski ultrazvučni procesor za obradu vlakana
Ultrazvučna obrada konopljinih vlakana
Uz rastuće tržište sjemenki konoplje i fitokanabinoida dolazi i sve veća proizvodnja konopljine slame. Kao nusproizvod, konopljina slama i njena vlakna uglavnom se koriste za proizvodnju papira ili geotekstila, kao ojačanje u kompozitnim materijalima te kao građevinski materijal.
Suha i narezana lička slama može se koristiti kao sirovina za ultrazvučnu obradu, međutim, za bolji ishod ultrazvučnog procesa preporučuje se upotreba (djelomično) dekortikiranih pozderica (shives). Lički materijal se navlaži u vodi (vodenoj otopini) tako da se dobije kaša koja se može pumpati i koja može proći kroz ultrazvučnu protočnu ćeliju. Proces ultrazvučne obrade (sonikacije) traje samo kratko vrijeme (približno 30-60 s). Naučna istraživanja su pokazala da ultrazvučna obrada poboljšava ekstrakciju hemiceluloze i lignina iz lignoceluloznih materijala. Osim toga, ultrazvučna obrada razgrađuje celulozu i pektin. Ultrazvučna obrada konoplje i lana također poboljšava fleksibilnost i zateznu čvrstoću vlakana, što su vrijedne karakteristike za proizvodnju tekstila i kompozita.
- smanjenje sadržaja lignina
- mikro- i nanofibrilirana vlakna
- povećana fleksibilnost vlakana
- veća zatezna čvrstoća
- brz proces
- jednostavno rukovanje
Ultrazvučno-alkalni tretman konopljinih vlakana (Ferreira et al. 2019)
Ultrazvučno modificirana konopljina vlakna
Ultrazvučno fibrilirano lično vlakno (npr. konoplje, lana) posebno je pogodno kao ojačanje za polimerne smole, termoplastične i termoreaktivne kompozite.
Lička vlakna konoplje vrijedan su izvor iz kojeg se mogu izdvojiti celulozni nanokristali (CNC). Celulozni nanokristali odlikuju se velikom površinom te izuzetnom krutošću i zateznom čvrstoćom. Zatezna čvrstoća CNC-a premašuje čvrstoću stakla ili aluminija. Celulozni nanokristali su prilično jeftini i stoga su konkurentan nanoaditiv kada je riječ o cijeni, dostupnosti, toksičnosti kao i održivosti.
Ultrazvučna obrada (sonikacija) je jednostavna za korištenje, brza i ekološka tehnika koja omogućava proizvodnju visokokvalitetnih celuloznih nanokristala.
Sosiati et al. 2014 pokazuju povoljne učinke ultrazvučne obrade (sonikacije) na obradu vlakana.
Visokoučinkoviti ultrazvučni uređaji za obradu vlakana
Hielscher Ultrasonics proizvodi visokoučinkovitu ultrazvučnu opremu za zahtjevne primjene. Naši ultrazvučni sistemi mogu se koristiti za šaržnu ili kontinuiranu inline obradu. Svi Hielscher industrijski ultrazvučni procesori mogu isporučiti vrlo visoke amplitude. Amplitude do 200µm mogu se lako kontinuirano koristiti u radu 24/7. Za još više amplitude dostupne su prilagođene ultrazvučne sonotrode. Međutim, sposobnost postizanja vrlo visokih amplituda sama nije dovoljna za provođenje uspješnog ultrazvučnog procesa obrade vlakana, kao što su močenje ili fibrilacija. Ovisno o sirovini i ciljanom ishodu, procesni parametri – naime amplituda, pritisak, temperatura i vrijeme – moraju se moći precizno kontrolirati i podešavati.
Hielscher digitalni ultrazvučni procesori automatski bilježe sve procesne podatke na integriranu SD-karticu, tako da su rezultati procesa ponovljivi. Amplituda i intenzitet obrade mogu se precizno podešavati i kontrolirati, od vrlo blagih do veoma intenzivnih uvjeta ultrazvučne obrade (sonikacije). To vam daje mogućnost da različite materijale obradite do optimalnog ishoda.
Robusnost Hielscher ultrazvučne opreme omogućava rad 24/7 pri velikom opterećenju i u zahtjevnim okruženjima.
Tabela ispod daje vam okvirnu informaciju o približnom kapacitetu obrade naših ultrazvučnih uređaja:
| Zapremina šarže | Protok | Preporučeni uređaji |
|---|---|---|
| 1 do 500mL | 10 do 200mL/min | UP100H |
| 10 do 2000mL | 20 do 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 do 20L | 0,2 do 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 do 100L | 2 do 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 do 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | veći | klaster UIP16000 |
Kontaktirajte nas! / Pitajte nas!
Ultrazvučni procesori velike snage od laboratorijske do pilot i industrijske skale.
Literatura/reference
- 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.
Činjenice koje vrijedi znati
Konopljino vlakno
Konoplja je višenamjenska kultura koja se koristi za sjemenke konoplje i potom ulje iz sjemenki, terpenoide i kanabinoide (tj. CBD, CBG itd.) te konopljinu slamu, koja se može preraditi u vrijedan vlaknasti materijal. Što se tiče kvaliteta konopljinih vlakana, razlikuju se takozvana kratka vlakna (tow), koja su neporavnati, kratki snopovi vlakana, i takozvana duga vlakna (line), koja su duga (uzdužno poravnata) vlakna.
Kratki snopovi vlakana nazivaju se i tehničko vlakno i uglavnom se koriste u automobilskoj industriji, za proizvodnju papira i za kompozite na biološkoj osnovi. Duga konopljina vlakna koriste se za tekstil i visokovrijedne primjene, kao što su visokoučinkoviti kompoziti i biokompoziti.
Proizvodnja konopljinih vlakana:
Vlaknasta konoplja (konoplja koja se uzgaja za proizvodnju vlakana) idealno se bere prije cvjetanja. Ova rana žetva daje vlakna višeg kvaliteta jer kvalitet opada ako se dopusti cvjetanje. Općenito, vlaknasta konoplja se bere 70-90 dana nakon sjetve. Za žetvu konoplje biljke se režu 2-3cm iznad tla, a zatim se nekoliko dana suše. Nakon žetve konoplja se močи. Močenje je proces koji koristi vlagu i mikrobe za razgradnju biljnih pektina, koji hemijski povezuju stabljiku konoplje. Tradicionalno su se konopljine stabljike močile u vodi ili na rosi prije nego što bi se vlakna trlila. Proces močenja olakšava naknadno odvajanje ličja od takozvane konopljine pozderice (hurd) ili shiv (a to je drvenasta jezgra konopljinih stabljika). Nakon močenja konopljine stabljike se suše (do sadržaja vlage manjeg od 15% i balirају.
Da bi se dobila konopljina vlakna, koja se mogu koristiti za proizvodnju i kao aditivi, vlakna se moraju odvojiti u procesu poznatom kao „trlјenje“ (scutching). Tokom procesa trlјenja konopljina slama se mehanički obrađuje kako bi se razbila biljka konoplje, npr. pomoću čekićara. U ovom mehaničkom procesu konoplja se udara o sito sve dok pozderica, sitnija lička vlakna i prašina ne propadnu kroz sito. Moderne brze kinematičke mašine za dekortikaciju mogu razdvojiti konoplju na tri toka: lično vlakno, pozdericu i zelena mikrovlakna.
Sadržaj celuloze u konoplji iznosi približno 70-77%. Konopljina vlakna su odlična zamjena za celulozna vlakna iz drveta.
Prednosti konopljinih vlakana
- isplativost
- visoka zatezna čvrstoća i krutost
- idealno prikladna za igličane netkane proizvode
- efikasna zamjena za staklena vlakna
- skraćuje vrijeme kalupljenja
- smanjenje težine gotovog dijela
- jednostavna obrada i reciklaža
- mogu se prilagoditi kako bi zadovoljila različite specifikacije i različite proizvodne sisteme
- moguć je dosljedan kvalitet i dostupnost isporuke
Vlaknasti biomaterijali
Kada se slamnata vlakna izdvajaju iz lanene slame, nevlaknasti dijelovi stabljike, osim sjemena, obično se nazivaju pozderica (shives) ili hurds. Na primjer, kod lana za ulje pozderica čini približno 70 – 85% ukupne težine slame, zbog čega je pozderica glavni nusproizvod prerade lanene slame.
Ultrazvučno proizvedeni, nanostrukturirani lignin koristi se za izradu višefunkcionalnih lanenih tkanina. Impregniranjem lanenih tekstilija nanoligninom mogu se stvoriti višefunkcionalni tekstili. Ti višefunkcionalni tekstili nude dodatna svojstva UV barijere te antibakterijska i antistatička svojstva.