Ultrazvukové zpracování konopných vláken
- Ultrazvukové máčení vláknitých materiálů, jako jsou konopná a lněná vlákna, umožňuje rychlou a efektivní modifikaci vláken.
- Ultrazvukem zpracovaná lýková vlákna jsou fibrilovaná a vykazují výrazně vyšší specifický povrch, zvýšenou pevnost v tahu a pružnost.
- Ultrazvukové zpracování vláken je rychlá a snadno použitelná technologie zpracování pro průmyslovou výrobu.
Ultrazvukové máčení
Ultrazvukové máčení je rychlá, účinná a ekologická alternativa k tradičnímu mokrému máčení nebo rosení. Akustická kavitace, generovaná ultrazvukem s vysokou intenzitou a nízkou frekvencí, rozbíjí buněčné struktury biomateriálů, jako jsou nedřevní vlákna, rostlinná vlákna, která zahrnují lýkové vlákno, jako je len, konopí, kopřiva, pšeničná sláma, rýžová sláma, juta, jakož i vlákna odvozená z listů (např. sisal, manilla konopí, abacá) a vláknina získaná z ovoce, jako je kokosové vlákno z kokosových skořápek.
Ultrazvukové rozpletení transformuje mikrovlákna (cca 3-5 μm) na nanovlákna (≥100 nm). Kromě toho ultrazvukové zpracování vyvolalo degradaci čistého xyloglukanu a xylanu v roztoku, což prokázalo schopnost ultrazvuku degradovat hemicelulózu.
Přestože se ultrazvukové máčení používá hlavně ve vodném roztoku, je možné – v závislosti na surovině a cílovém výsledku – kombinovat ultrazvukový proces s alkalickou úpravou. Roztoky NaOH, H2O2 a H2TAKŽE4 Lze použít k alkalizaci pro získání celulózových nanovláken v krátké době zpracování. Ultrazvukovým ošetřením lze snadno dosáhnout fibrilace celulózových mikrovláken. Ultrazvukem vyrobená vlákna vykazují specifickou morfologii, ve které jsou nanovlákna (≥ 100 nm) rozložena po celém povrchu mikrovláken (3-5 μm).
Analýza skenovací elektronovou mikroskopií na lněných, konopných a kokosových vláknech s ultrazvukovým zpracováním nebo bez něj.
UIP4000hdT (4kW) Průmyslový ultrazvukový procesor pro zpracování vláken
Ultrazvukové zpracování konopných vláken
S rostoucím trhem s konopnými semeny a fytokanabinoidy přichází rostoucí produkce konopné slámy. Jako vedlejší produkt se konopná sláma a její vlákna používají především k výrobě papíru nebo geotextilií, výztuže do kompozitních materiálů a také ke stavebnímu materiálu.
Sušená a řezaná lýková sláma může být použita jako surovina pro ultrazvukové ošetření, avšak pro vynikající výstup ultrazvukového procesu se doporučuje použití (částečně) dekortikovaných slápek. Lýkový materiál se navlhčí ve vodě (vodný roztok), aby se získala čerpatelná suspenze, která může procházet ultrazvukovou průtokovou buňkou. Proces sonikace trvá jen krátkou dobu (přibližně 30-60 sekund). Vědecký výzkum ukázal, že ultrazvuku zlepšuje extrakci hemicelulózy a ligninu z lignocelulózových materiálů. Kromě toho sonikace degraduje celulózu a pektin. Ultrazvukové zpracování konopí a lnu také zlepšuje pružnost a pevnost vláken v tahu, což jsou cenné vlastnosti pro textilní a kompozitní výrobu.
- snížení obsahu ligninu
- mikro- a nanofibrilová vlákna
- zvýšená flexibilita vláken
- vyšší pevnost v tahu
- Rychlý proces
- Snadná obsluha
Ultrazvukově-alkalické ošetření konopných vláken (Ferreira et al. 2019)
Ultrazvukem modifikované konopné vlákno
Ultrazvukem fibrilované lýkové vlákno (např. konopí, len) je zvláště vhodné jako výztuž pro polymerní pryskyřice, termoplastické a termosetové kompozity.
Konopná lýková vlákna jsou cenným zdrojem, ze kterého lze extrahovat nanokrystaly celulózy (CNC). Nanokrystaly celulózy se vyznačují vysokým povrchem a mimořádnou tuhostí a pevností v tahu. CNC stroje’ Pevnost v tahu převyšuje pevnost skla nebo hliníku. Nanokrystaly celulózy jsou poměrně levné, a proto jsou konkurenceschopnou nanopřísadou, pokud jde o cenu, dostupnost, toxicitu i udržitelnost.
Sonikace je snadno použitelná, rychlá a ekologická technika, která umožňuje vyrábět vysoce kvalitní nanokrystaly celulózy.
Sosiati et al. 2014 ukazují příznivé účinky sonikace na zpracování vláken.
Vysoce výkonné ultrasonicators pro zpracování vláken
Hielscher Ultrasonics vyrábí vysoce výkonné ultrazvukové zařízení pro náročné aplikace. Naše ultrazvukové systémy lze použít pro dávkové nebo kontinuální inline zpracování. Všechny průmyslové ultrazvukové procesory Hielscher mohou dodávat velmi vysoké amplitudy. Amplitudy až 200 μm lze snadno nepřetržitě provozovat v provozu 24/7. Pro ještě vyšší amplitudy jsou k dispozici přizpůsobené ultrazvukové sonotrody. Schopnost velmi vysokých amplitud však sama o sobě nestačí k úspěšnému provedení procesu ultrazvukových vláken, jako je retování nebo fibrilace. V závislosti na surovině a cílovém výsledku jsou parametry procesu – jmenovitě amplituda, tlak, teplota a čas – Musí být přesně ovladatelný a nastavitelný.
Hielscherovy digitální ultrazvukové procesory automaticky zaznamenávají všechna procesní data na integrovanou SD kartu, takže výsledky procesu jsou reprodukovatelné. Amplitudu a intenzitu zpracování lze přesně nastavit a řídit od velmi mírných až po vysoce intenzivní podmínky sonikace. To vám dává možnost zpracovávat různé materiály s optimálním výkonem.
Robustnost ultrazvukového zařízení Hielscher umožňuje provoz 24/7 při náročném provozu a v náročných prostředích.
Níže uvedená tabulka vám poskytuje přibližný přehled o zpracovatelské kapacitě našich ultrasonicators:
| Objem dávky | Průtok | Doporučená zařízení |
|---|---|---|
| 1 až 500 ml | 10 až 200 ml? min | UP100H |
| 10 až 2000 ml | 20 až 400 ml/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 až 20L | 0.2 až 4 l/min | UIP2000hdT |
| 10 až 100 l | 2 až 10 l/min | UIP4000hdT |
| Není k dispozici | 10 až 100 l? min | UIP16000 |
| Není k dispozici | větší | shluk UIP16000 |
Kontaktujte nás!? Zeptejte se nás!
Vysoce výkonné ultrazvukové procesory od laboratorního po pilotní a průmyslové měřítko.
Literatura/Odkazy
- Diana P.Ferreira, Juliana Cruz, Raul Fangueiro (2019): Kapitola 1 – Povrchová modifikace přírodních vláken v polymerních kompozitech. Zelené kompozity pro automobilové aplikace. Woodhead Publishing Series in Composites Science and Engineering 2019, strany 3-41.
- Sullivan Renouard, Christophe Hano, Joël Doussot, Jean-Philippe Blondeau, Eric Lainé (2014): Charakterizace ultrazvukového dopadu na kokosová vlákna, len a konopná vlákna. Materiály Dopisy 129, 2014. 137–141.
- H. Sosiati, M. Muhaimin, P. Abdilah, D. A. Wijayanti, Harsojo, K. Triyana (2014): Vliv chemického ošetření na
vlastnosti přírodní celulózy. Sborník z konference AIP 1617, 105 (2014). - M. Zimniewska , R. Kozłowski, J. Batog (2008): Nanoligninem modifikovaná lněná tkanina jako multifunkční produkt. Molekulární krystaly a tekuté krystaly sv. 484, číslo 1, 2008.
Fakta, která stojí za to vědět
Konopné vlákno
Konopí je víceúčelová plodina, která se používá pro konopná semínka a následně olej ze semen, terpenoidy a kanabinoidy (tj. CBD, CBG atd.) a konopnou slámu, kterou lze zpracovat na cenný vláknitý materiál. Z hlediska kvality konopných vláken se rozlišují tzv. tažná vlákna, což jsou nezarovnané, krátké svazky vláken a tzv. liniová vlákna, což jsou dlouhá (podélně zarovnaná) vlákna.
Krátké vláknité svazky se také nazývají technická vlákna a používají se hlavně v automobilovém průmyslu, pro výrobu papíru a pro kompozity na biologické bázi. Dlouhá konopná vlákna se používají pro textilní a vysoce hodnotné aplikace, jako jsou vysoce výkonné kompozity a biokompozity.
Produkce konopného vlákna:
Vláknité konopí (konopí, které se pěstuje pro výrobu vlákniny) se ideálně sklízí před květem. Toto časné ořezávání má za následek vyšší kvalitu vláken, protože kvalita klesá, pokud je povoleno kvetení. Obecně platí, že vláknité konopí se sklízí 70-90 dní po výsevu. Pro sklizeň konopí se rostliny seříznou 2-3 cm nad půdou a poté se několik dní suší. Po sklizni se konopí máčí. Namáčení je proces, který využívá vlhkost a mikroby k rozkladu rostlinných pektinů, které chemicky spojují stonek konopí dohromady. Tradičně by stonky konopí byly máčeny vodou nebo rosou předtím, než jsou vlákna potopena. Proces máčení usnadňuje následné oddělení lýka od tzv. konopného pazdeří neboli shiv (což je dřevnaté jádro konopných stonků). Po opětovném zasypání se stonky konopí suší (na obsah vlhkosti nižší než 15 %) a vypustí se.
Pro získání konopných vláken, která lze použít pro výrobu a jako přísady, musí být vlákna oddělena v procesu známém jako “Potopení”. Během procesu řezání se konopná sláma mechanicky zpracovává tak, aby se rostlina konopí zobákem, např. pomocí kladivového mlýna. Při tomto mechanickém procesu se konopí tluče proti sítu, dokud pazdeří, menší lýková vlákna a prach nepropadne sítem. Moderní vysokorychlostní kinematické dekortikační stroje jsou schopny rozdělit konopí do tří proudů; lýkové vlákno, pazdeří a zelené mikrovlákno.
Obsah celulózy v konopí je cca 70-77%. Konopná vlákna jsou vynikající náhradou dřevěných celulózových vláken
Výhody konopných vláken
- Rentabilní
- vysoká pevnost v tahu a tuhost
- Ideální pro vpichované netkané výrobky
- účinná náhrada skelných vláken
- Zkracuje dobu formování
- snížení hmotnosti hotového dílu
- Snadné zpracování a recyklace
- lze přizpůsobit tak, aby splňovaly různé specifikace a různé výrobní systémy
- je možná konzistentní kvalita a dostupnost dodávek
Vláknité biomateriály
Pokud se ze lněné slámy extrahují slámová vlákna, nevlákenné části stonku, s výjimkou semene, se obvykle označují jako pazdeří nebo pazdeří. Například u lnu olejnatého obsahuje šupinky přibližně 70 – 85 % celkové hmotnosti slámy, což z šuplíků dělá hlavní vedlejší produkt při zpracování lněné slámy.
Ultrazvukem vyráběný, nanostrukturovaný lignin se používá k výrobě multifunkčních lněných tkanin. Vycpávkou lněných textilií nanoligninem lze vytvořit multifunkční textilie. Tyto multifunkční textilie nabízejí další vlastnosti UV bariéry, antibakteriální a antistatické vlastnosti.