Ultralydsbehandling af hampfibre
- Ultralydsrødning af fiberholdige materialer såsom hamp- og hørfibre muliggør hurtig og effektiv fibermodifikation.
- Ultralydsbehandlede bastfibre er fibrillerede og udviser et betydeligt større specifikt overfladeareal samt øget trækstyrke og fleksibilitet.
- Ultralydsbehandling af fibre er en hurtig og brugervenlig behandlingsteknologi til industriel produktion.
Ultralydsrødning
Ultralydsrødning er et hurtigt, effektivt og grønt alternativ til traditionel vand- eller dugrødning. Akustisk kavitation, som genereres af ultralyd med høj intensitet og lav frekvens, nedbryder cellestrukturer i biomaterialer såsom plantefibre, der ikke stammer fra træ. Disse omfatter bastfibre såsom hør, hamp, nælde, hvedehalm, rishalm og jute samt fibre fra blade (f.eks. sisal, manilahamp og abacá) og fibre fra frugter såsom kokosfibre fra kokosskaller.
Adskillelse ved hjælp af ultralyd omdanner mikrofibre (ca. 3–5µm) til nanofibre (≥100nm). Desuden medførte ultralydsbehandling nedbrydning af rent xyloglucan og xylan i opløsning, hvilket demonstrerer ultralydens evne til at nedbryde hemicellulose.
Selvom ultralydsrødning hovedsageligt anvendes i en vandig opløsning, er det muligt – afhængigt af råmaterialet og det ønskede resultat – at kombinere ultralydsprocessen med en alkalibehandling. Opløsninger af NaOH, H2O2 og H2SO4 kan anvendes til alkalisering for at opnå cellulosenanofibre på kort behandlingstid. Med ultralydsbehandling kan fibrillering af cellulosemikrofibre let opnås. De ultralydsfremstillede fibre udviser en specifik morfologi, hvor nanofibrene (≥ 100nm) er fordelt over hele overfladen af mikrofibrene (3–5µm).
Analyse med scanningelektronmikroskopi af hør-, hamp- og kokosfibre med eller uden ultralydsbehandling.
kilde: Renouard et al. 2014
UIP4000hdT (4kW) industriel ultralydsprocessor til fiberbehandling
Ultralydsbehandling af hampfibre
Det voksende marked for hampefrø og fytocannabinoider medfører en stigende produktion af hampehalm. Som biprodukt anvendes hampehalm og dens fibre hovedsageligt til produktion af papir eller geotekstiler, som forstærkning i kompositmaterialer samt som byggemateriale.
Tørrede og skårne baststrå kan anvendes som råmateriale til ultralydsbehandling, men for at opnå et bedre resultat af ultralydsprocessen anbefales det at anvende (delvist) afbarkede skæver. Bastmaterialet befugtes i vand (vandig opløsning), så der opnås en pumpbar opslæmning, som kan passere gennem ultralydsgennemstrømningscellen. Sonikeringsprocessen tager kun kort tid (ca. 30–60 sek.). Videnskabelig forskning har vist, at ultralydsbehandling forbedrer ekstraktionen af hemicellulose og lignin fra lignocelluloseholdige materialer. Desuden nedbryder sonikering cellulose og pektin. Ultralydsbehandling af hamp og hør forbedrer også fibrenes fleksibilitet og trækstyrke, som er værdifulde egenskaber ved fremstilling af tekstiler og kompositter.
- reduktion af ligninindholdet
- mikro- og nanofibrillerede fibre
- øget fiberfleksibilitet
- højere trækstyrke
- hurtig proces
- nem at betjene
Kombineret ultralyds- og alkalibehandling af hampfibre (Ferreira et al. 2019)
Ultralydsmodificerede hampfibre
Ultralydsfibrillerede bastfibre (f.eks. hamp og hør) er særligt velegnede som forstærkning i polymerharpikser samt termoplastiske og hærdeplastbaserede kompositter.
Hampens bastfibre er en værdifuld kilde, hvorfra cellulosenanokrystaller (CNC’er) kan ekstraheres. Cellulosenanokrystaller er kendetegnet ved deres store overfladeareal og deres ekstraordinære stivhed og trækstyrke. CNC’ernes trækstyrke overstiger styrken af glas eller aluminium. Cellulosenanokrystaller er ganske billige og er dermed et konkurrencedygtigt nanoadditiv med hensyn til pris, tilgængelighed, toksicitet samt bæredygtighed.
Sonikering er en brugervenlig, hurtig og grøn teknik, som gør det muligt at fremstille cellulosenanokrystaller af høj kvalitet.
Sosiati et al. 2014 viser de gavnlige virkninger af sonikering på fiberbehandling.
Højtydende ultralydsapparater til fiberbehandling
Hielscher Ultrasonics fremstiller højtydende ultralydsudstyr til krævende anvendelser. Vores ultralydssystemer kan anvendes til batchbehandling eller kontinuerlig inlinebehandling. Alle industrielle ultralydsprocessorer fra Hielscher kan levere meget høje amplituder. Amplituder på op til 200µm kan let opretholdes kontinuerligt i 24/7-drift. Til endnu højere amplituder fås specialtilpassede ultralydssonotroder. Evnen til at levere meget høje amplituder er dog ikke i sig selv tilstrækkelig til at gennemføre en vellykket ultralydsproces til fiberbehandling såsom rødning eller fibrillering. Afhængigt af råmaterialet og det ønskede resultat skal procesparametrene – dvs. amplitude, tryk, temperatur og tid – kunne styres og justeres præcist.
Hielschers digitale ultralydsprocessorer registrerer automatisk alle procesdata på et integreret SD-kort, så procesresultaterne er reproducerbare. Amplitude og behandlingsintensitet kan justeres og styres præcist fra meget milde til meget intensive sonikeringsbetingelser. Dette giver dig mulighed for at behandle forskellige materialer med henblik på et optimalt resultat.
Robustheden af Hielschers ultralydsudstyr muliggør 24/7-drift ved høj belastning og i krævende miljøer.
Tabellen nedenfor giver dig en indikation af vores ultralydsapparaters omtrentlige behandlingskapacitet:
| Batchvolumen | Volumenstrøm | Anbefalede apparater |
|---|---|---|
| 1 til 500mL | 10 til 200mL/min | UP100H |
| 10 til 2000mL | 20 til 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 til 20L | 0,2 til 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 til 100L | 2 til 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 til 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | større | klynge af UIP16000 |
Kontakt os! / Spørg os!
Ultralydsprocessorer med høj effekt fra laboratorie- til pilot- og industriskala.
Litteratur/referencer
- Diana P.Ferreira, Juliana Cruz, Raul Fangueiro (2019): Kapitel 1 – Overflademodifikation af naturfibre i polymerkompositter. Grønne kompositter til anvendelser i bilindustrien. Woodhead Publishings serie om kompositvidenskab og -teknik 2019, sider 3–41.
- Sullivan Renouard, Christophe Hano, Joël Doussot, Jean-Philippe Blondeau, Eric Lainé (2014): Karakterisering af ultralydens påvirkning af kokos-, hør- og hampfibre. Materials Letters 129, 2014. 137–141.
- H. Sosiati, M. Muhaimin, P. Abdilah, D. A. Wijayanti, Harsojo, K. Triyana (2014): Virkningen af de kemiske behandlinger på
naturlig celluloses egenskaber. AIP Conference Proceedings 1617, 105 (2014). - M. Zimniewska , R. Kozłowski, J. Batog (2008): Hørstof modificeret med nanolignin som et multifunktionelt produkt. Molecular Crystals and Liquid Crystals bind 484, nr. 1, 2008.
Værd at vide
Hampfibre
Hamp er en alsidig afgrøde, der anvendes til hampefrø og efterfølgende frøolie, terpenoider og cannabinoider (dvs. CBD, CBG osv.) samt hampehalm, som kan forarbejdes til værdifuldt fibermateriale. Med hensyn til hampfibrenes kvalitet skelnes der mellem de såkaldte blårfibre, som er korte fiberbundter uden ensartet orientering, og de såkaldte langfibre, som er lange fibre orienteret i længderetningen.
De korte fiberbundter kaldes også tekniske fibre og anvendes hovedsageligt i bilindustrien, til produktion af papir og til biobaserede kompositter. Lange hampfibre anvendes til tekstiler og anvendelser med høj værdi såsom højtydende kompositter og biokompositter.
Produktion af hampfibre:
Fiberhamp (hamp, der dyrkes til fiberproduktion) høstes ideelt set før blomstring. Denne tidlige høst giver højere fiberkvalitet, fordi kvaliteten falder, hvis planterne får lov til at blomstre. Generelt høstes fiberhamp 70–90 dage efter såning. Ved høst af hamp skæres planterne 2–3cm over jorden og tørres derefter i nogle dage. Efter høsten rødnes hampen. Rødning er en proces, der anvender fugt og mikroorganismer til at nedbryde plantens pektiner, som binder hampestænglen sammen kemisk. Traditionelt vandrødnes eller dugrødnes hampestænglerne, før fibrene skættes. Rødningsprocessen letter den efterfølgende adskillelse af basten fra de såkaldte hampeskæver (som er hampestænglernes træagtige kerne). Efter rødningen tørres hampestænglerne (til et fugtindhold på mindre end 15%) og presses til baller.
For at opnå hampfibre, der kan anvendes til fremstilling og som tilsætningsstoffer, skal fibrene adskilles i en proces, der kaldes “skætning”. Under skætningsprocessen behandles hampehalmen mekanisk for at nedbryde hampeplanten, f.eks. ved hjælp af en hammermølle. I denne mekaniske proces slås hampen mod en sigte, indtil skæver, mindre bastfibre og støv falder gennem sigten. Moderne kinematiske afbarkningsmaskiner med høj hastighed kan adskille hamp i tre strømme: bastfibre, skæver og grønne mikrofibre.
Celluloseindholdet i hamp er ca. 70–77%. Hampfibre er en fremragende erstatning for cellulosefibre fra træ
Fordele ved hampfibre
- omkostningseffektive
- høj trækstyrke og stivhed
- ideelt egnede til nålefiltede nonwovenprodukter
- effektiv erstatning for glasfibre
- reducerer formningstiden
- vægtreduktion i den færdige del
- nemme at forarbejde og genanvende
- kan tilpasses til en række specifikationer og forskellige fremstillingssystemer
- ensartet kvalitet og forsyningssikkerhed er mulig
Fiberholdige biomaterialer
Når halmfibre udvindes fra hørhalm, betegnes de dele af stænglen, der ikke er fibre, eksklusive frøene, normalt som skæver. I oliehør udgør skæverne eksempelvis ca. 70 – 85% af halmens samlede vægt, hvilket gør skæver til det primære biprodukt ved forarbejdning af hørhalm.
Ultralydsfremstillet, nanostruktureret lignin anvendes til at fremstille multifunktionelle hørstoffer. Ved at imprægnere hørtekstiler med nanolignin gennem en foulardproces kan der fremstilles multifunktionelle tekstiler. Disse multifunktionelle tekstiler har yderligere egenskaber i form af en UV-barriere samt antibakterielle og antistatiske egenskaber.