Ultrazvukové zpracování konopných vláken
- Ultrazvukové máčení vláknitých materiálů, jako jsou konopná a lněná vlákna, umožňuje rychlou a účinnou modifikaci vláken.
- Ultrazvukem zpracovaná lýková vlákna jsou fibrilovaná a vykazují výrazně větší specifický povrch, zvýšenou pevnost v tahu a ohebnost.
- Ultrazvukové zpracování vláken je rychlá a snadno použitelná technologie pro průmyslovou výrobu.
Ultrazvukové máčení
Ultrazvukové máčení je rychlou, účinnou a ekologickou alternativou k tradičnímu máčení ve vodě nebo rosení. Akustická kavitace generovaná vysoce intenzivním nízkofrekvenčním ultrazvukem rozrušuje buněčné struktury biomateriálů, jako jsou nedřevní rostlinná vlákna, mezi něž patří lýková vlákna, jako je len, konopí, kopřiva, pšeničná sláma, rýžová sláma, juta, dále vlákna získávaná z listů (např. sisal, manilské konopí, abacá) a vlákna získávaná z plodů, jako je kokosové vlákno ze skořápek kokosových ořechů.
Ultrazvukové rozvláknění přeměňuje mikrovlákna (cca 3–5µm) na nanovlákna (≥100nm). Ultrazvukové zpracování navíc vyvolalo degradaci čistého xyloglukanu a xylanu v roztoku, což prokazuje schopnost ultrazvuku degradovat hemicelulózu.
Přestože se ultrazvukové máčení používá především ve vodném roztoku, je možné – v závislosti na surovině a cílovém výsledku – kombinovat ultrazvukový proces s alkalickou úpravou. Roztoky NaOH, H2O2 a H2SO4 lze použít k alkalizaci a získat tak celulózová nanovlákna během krátké doby zpracování. Ultrazvukovou úpravou lze snadno dosáhnout fibrilace celulózových mikrovláken. Ultrazvukem vyrobená vlákna vykazují specifickou morfologii, při níž jsou nanovlákna (≥ 100nm) rozložena po celém povrchu mikrovláken (3–5µm).
Analýza lněných, konopných a kokosových vláken rastrovací elektronovou mikroskopií s ultrazvukovým zpracováním a bez něj.
zdroj: Renouard et al. 2014
UIP4000hdT (4kW) průmyslový ultrazvukový procesor pro zpracování vláken
Ultrazvukové zpracování konopných vláken
S rostoucím trhem s konopnými semeny a fytokanabinoidy roste i produkce konopné slámy. Jako vedlejší produkt se konopná sláma a její vlákna používají především k výrobě papíru nebo geotextilií, k vyztužování kompozitních materiálů a také jako stavební materiál.
Jako surovinu pro ultrazvukovou úpravu lze použít sušenou a nařezanou lýkovou slámu, pro dosažení vynikajících výsledků ultrazvukového procesu se však doporučuje použít (částečně) dekortikované pazdeří. Lýkový materiál se namočí ve vodě (vodný roztok) tak, aby vznikla čerpatelná suspenze, která může procházet ultrazvukovou průtokovou celou. Proces sonikace trvá jen krátkou dobu (cca 30–60 s). Vědecký výzkum prokázal, že sonikace zlepšuje extrakci hemicelulózy a ligninu z lignocelulózových materiálů. Sonikace navíc degraduje celulózu a pektin. Ultrazvukové zpracování konopí a lnu rovněž zlepšuje ohebnost a pevnost vláken v tahu, což jsou cenné vlastnosti pro výrobu textilií a kompozitů.
- snížení obsahu ligninu
- mikrofibrilovaná a nanofibrilovaná vlákna
- zvýšená ohebnost vláken
- vyšší pevnost v tahu
- rychlý proces
- snadná obsluha
Ultrazvuková alkalická úprava konopného vlákna (Ferreira et al. 2019)
Ultrazvukem modifikované konopné vlákno
Ultrazvukem fibrilovaná lýková vlákna (např. konopí, len) jsou obzvláště vhodná jako výztuž polymerních pryskyřic, termoplastických a termosetových kompozitů.
Konopná lýková vlákna jsou cenným zdrojem, z něhož lze extrahovat celulózové nanokrystaly (CNC). Celulózové nanokrystaly se vyznačují velkou plochou povrchu a mimořádnou tuhostí a pevností v tahu. Pevnost CNC v tahu převyšuje pevnost skla nebo hliníku. Celulózové nanokrystaly jsou poměrně levné, a jsou tak konkurenceschopným nanoaditivem z hlediska ceny, dostupnosti, toxicity i udržitelnosti.
Sonikace je snadno použitelná, rychlá a ekologická technika, která umožňuje vyrábět vysoce kvalitní celulózové nanokrystaly.
Sosiati et al. 2014 ukazují příznivé účinky sonikace na zpracování vláken.
Vysoce výkonné ultrazvukové přístroje pro zpracování vláken
Hielscher Ultrasonics vyrábí vysoce výkonná ultrazvuková zařízení pro náročné aplikace. Naše ultrazvukové systémy lze použít pro vsádkové nebo kontinuální průtokové (inline) zpracování. Všechny průmyslové ultrazvukové procesory Hielscher dokážou dodávat velmi vysoké amplitudy. Amplitudy až 200µm lze snadno udržovat kontinuálně v provozu 24/7. Pro ještě vyšší amplitudy jsou k dispozici zakázkové ultrazvukové sonotrody. Samotná schopnost dosahovat velmi vysokých amplitud však nestačí k úspěšnému provedení ultrazvukového procesu zpracování vláken, jako je máčení nebo fibrilace. V závislosti na surovině a cílovém výsledku musí být procesní parametry – konkrétně amplituda, tlak, teplota a čas – přesně řiditelné a nastavitelné.
Digitální ultrazvukové procesory Hielscher automaticky zaznamenávají veškerá 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 výsledkem.
Robustnost ultrazvukových zařízení Hielscher umožňuje provoz 24/7 při vysokém zatížení a v náročných prostředích.
Níže uvedená tabulka uvádí orientační přibližnou zpracovatelskou kapacitu našich ultrazvukových přístrojů:
| Objem vsádky | Průtok | Doporučená zařízení |
|---|---|---|
| 1 až 500mL | 10 až 200mL/min | UP100H |
| 10 až 2000mL | 20 až 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 až 20L | 0,2 až 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 až 100L | 2 až 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 až 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | větší | klastr zařízení UIP16000 |
Kontaktujte nás! / Zeptejte se nás!
Vysoce výkonné ultrazvukové procesory od laboratorního přes poloprovozní až po průmyslové měřítko.
Literatura a 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.
Užitečná fakta
Konopné vlákno
Konopí je víceúčelová plodina využívaná pro konopná semena a z nich následně získávaný olej ze semen, terpenoidy a kanabinoidy (tj. CBD, CBG atd.) a pro konopnou slámu, kterou lze zpracovat na cenný vláknitý materiál. Z hlediska kvality konopných vláken se rozlišuje mezi tzv. koudelí (tow fibers), což jsou neuspořádané krátké svazky vláken, a tzv. dlouhými vlákny (line fibers), což jsou dlouhá (podélně uspořádaná) vlákna.
Krátké svazky vláken se také nazývají technická vlákna a používají se především v automobilovém průmyslu, k výrobě papíru a pro biokompozity. Dlouhá konopná vlákna se používají pro textilie a aplikace s vysokou přidanou hodnotou, jako jsou vysoce výkonné kompozity a biokompozity.
Výroba konopných vláken:
Přadné konopí (konopí pěstované pro výrobu vláken) se ideálně sklízí před květem. Tato časná sklizeň vede k vyšší kvalitě vláken, protože pokud se rostlina nechá vykvést, kvalita klesá. Obecně se přadné konopí sklízí 70–90 dní po výsevu. Při sklizni se rostliny seřezávají 2–3cm nad zemí a poté se několik dní suší. Po sklizni se konopí máčí. Máčení je proces, který využívá vlhkost a mikroby k rozkladu rostlinných pektinů, které chemicky spojují konopný stonek dohromady. Tradičně se konopné stonky před potěráním vláken máčely ve vodě nebo rosily. Proces máčení usnadňuje následné oddělení lýka od tzv. konopného pazdeří (hurd či shiv), což je dřevnaté jádro konopných stonků. Po máčení se konopné stonky suší (na obsah vlhkosti nižší než 15%) a lisují do balíků.
Aby bylo možné získat konopná vlákna použitelná ve výrobě a jako aditiva, musí se vlákna oddělit procesem známým jako „potěrání“. Během potěrání se konopná sláma mechanicky zpracovává tak, aby se konopná rostlina rozrušila, např. pomocí kladivového mlýna. Při tomto mechanickém procesu je konopí tlučeno o síto, dokud pazdeří, menší lýková vlákna a prach nepropadnou sítem. Moderní vysokorychlostní kinematické dekortikační stroje dokážou rozdělit konopí do tří proudů: lýková vlákna, pazdeří a zelená mikrovlákna.
Obsah celulózy v konopí je cca 70–77%. Konopná vlákna jsou vynikající náhražkou dřevných celulózových vláken
Výhody konopných vláken
- nákladově efektivní
- vysoká pevnost v tahu a tuhost
- ideálně vhodná pro vpichované netkané textilie
- účinná náhrada skleněných vláken
- zkracuje dobu lisování
- snížení hmotnosti hotového dílu
- snadné zpracování a recyklace
- lze je přizpůsobit různým specifikacím a různým výrobním systémům
- je možná konzistentní kvalita a dostupnost dodávek
Vláknité biomateriály
Při získávání vláken ze lněné slámy se nevláknité části stonku, kromě semen, obvykle označují jako pazdeří (shives či hurds). Například u olejného lnu tvoří pazdeří cca 70–85% celkové hmotnosti slámy, což z něj činí hlavní vedlejší produkt zpracování lněné slámy.
Nanostrukturovaný lignin vyrobený ultrazvukem se používá k výrobě multifunkčních lněných tkanin. Foulardováním lněných textilií nanoligninem lze vytvořit multifunkční textilie. Tyto multifunkční textilie nabízejí dodatečné vlastnosti v podobě UV bariéry a antibakteriálních a antistatických vlastností.