Επεξεργασία ινών κάνναβης με υπερήχους
- Η εμβροχή ινωδών υλικών, όπως οι ίνες κάνναβης και λιναριού, με υπερήχους επιτρέπει τη γρήγορη και αποτελεσματική τροποποίηση των ινών.
- Οι ίνες φλοιού που υποβάλλονται σε επεξεργασία με υπερήχους ινιδιώνονται και παρουσιάζουν σημαντικά μεγαλύτερη ειδική επιφάνεια, αυξημένη αντοχή σε εφελκυσμό και ευκαμψία.
- Η επεξεργασία ινών με υπερήχους είναι μια γρήγορη και εύχρηστη τεχνολογία επεξεργασίας για τη βιομηχανική παραγωγή.
Εμβροχή με υπερήχους
Η εμβροχή με υπερήχους αποτελεί μια γρήγορη, αποτελεσματική και φιλική προς το περιβάλλον εναλλακτική λύση έναντι της παραδοσιακής εμβροχής σε νερό ή με δρόσο. Η ακουστική σπηλαίωση, που παράγεται από υπερήχους υψηλής έντασης και χαμηλής συχνότητας, διασπά τις κυτταρικές δομές βιοϋλικών, όπως οι μη ξυλώδεις φυτικές ίνες, στις οποίες περιλαμβάνονται ίνες φλοιού όπως το λινάρι, η κάνναβη, η τσουκνίδα, το άχυρο σιταριού, το άχυρο ρυζιού και η γιούτα, καθώς και ίνες που προέρχονται από φύλλα (π.χ. σιζάλ, κάνναβη της Μανίλας, αμπακά) και ίνες που προέρχονται από καρπούς, όπως οι ίνες κοκοφοίνικα από κελύφη καρύδας.
Η απομπλοκή με υπερήχους μετατρέπει τις μικροΐνες (περίπου 3–5µm) σε νανοΐνες (≥100nm). Επιπλέον, η επεξεργασία με υπερήχους προκάλεσε αποδόμηση καθαρής ξυλογλυκάνης και ξυλάνης σε διάλυμα, καταδεικνύοντας την ικανότητα των υπερήχων να αποδομούν την ημικυτταρίνη.
Παρόλο που η εμβροχή με υπερήχους πραγματοποιείται κυρίως σε υδατικό διάλυμα, είναι δυνατόν – ανάλογα με την πρώτη ύλη και το επιδιωκόμενο αποτέλεσμα – να συνδυαστεί η διεργασία υπερήχων με αλκαλική κατεργασία. Διαλύματα NaOH, H2O2 και H2SO4 μπορούν να χρησιμοποιηθούν για αλκαλοποίηση, ώστε να ληφθούν νανοΐνες κυτταρίνης σε σύντομο χρόνο επεξεργασίας. Με κατεργασία με υπερήχους μπορεί να επιτευχθεί εύκολα ινιδίωση των μικροϊνών κυτταρίνης. Οι ίνες που παράγονται με υπερήχους παρουσιάζουν μια συγκεκριμένη μορφολογία, στην οποία οι νανοΐνες (≥ 100nm) κατανέμονται σε ολόκληρη την επιφάνεια των μικροϊνών (3–5µm).
Ανάλυση με ηλεκτρονική μικροσκοπία σάρωσης σε ίνες λιναριού, κάνναβης και κοκοφοίνικα με ή χωρίς επεξεργασία με υπερήχους.
πηγή: Renouard et al. 2014
UIP4000hdT (4kW) βιομηχανικός επεξεργαστής υπερήχων για την επεξεργασία ινών
Επεξεργασία ινών κάνναβης με υπερήχους
Η ανάπτυξη της αγοράς σπόρων κάνναβης και φυτοκανναβινοειδών συνοδεύεται από αύξηση της παραγωγής άχυρου κάνναβης. Ως παραπροϊόν, το άχυρο κάνναβης και οι ίνες του χρησιμοποιούνται κυρίως για την παραγωγή χαρτιού ή γεωυφασμάτων, ως ενίσχυση σε σύνθετα υλικά, καθώς και ως δομικό υλικό.
Αποξηραμένο και τεμαχισμένο άχυρο φυτών με ίνες φλοιού μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως πρώτη ύλη για κατεργασία με υπερήχους. Ωστόσο, για ανώτερη απόδοση της διεργασίας υπερήχων συνιστάται η χρήση (μερικώς) αποφλοιωμένων τεμαχιδίων του ξυλώδους πυρήνα. Το υλικό του φλοιού διαβρέχεται σε νερό (υδατικό διάλυμα), ώστε να προκύψει ένα αντλήσιμο αιώρημα που μπορεί να διέλθει από την κυψελίδα συνεχούς ροής υπερήχων. Η διεργασία κατεργασίας με υπερήχους διαρκεί μόνο σύντομο χρονικό διάστημα (περίπου 30–60 sec.). Επιστημονικές έρευνες έχουν δείξει ότι η κατεργασία με υπερήχους βελτιώνει την εκχύλιση ημικυτταρίνης και λιγνίνης από λιγνοκυτταρινούχα υλικά. Επιπλέον, η κατεργασία με υπερήχους αποδομεί την κυτταρίνη και την πηκτίνη. Η επεξεργασία κάνναβης και λιναριού με υπερήχους βελτιώνει επίσης την ευκαμψία και την αντοχή σε εφελκυσμό των ινών, χαρακτηριστικά πολύτιμα για την παραγωγή κλωστοϋφαντουργικών προϊόντων και σύνθετων υλικών.
- μείωση της περιεκτικότητας σε λιγνίνη
- ίνες με μικροϊνιδίωση και νανοϊνιδίωση
- αυξημένη ευκαμψία των ινών
- υψηλότερη αντοχή σε εφελκυσμό
- ταχεία διεργασία
- εύκολος χειρισμός
Αλκαλική κατεργασία ινών κάνναβης με υπερήχους (Ferreira et al. 2019)
Ίνες κάνναβης τροποποιημένες με υπερήχους
Οι λιβεριανές ίνες που έχουν υποστεί ινιδιοποίηση με υπερήχους (π.χ. κάνναβης, λιναριού) είναι ιδιαίτερα κατάλληλες ως ενισχυτικό υλικό για πολυμερικές ρητίνες, θερμοπλαστικά και θερμοσκληρυνόμενα σύνθετα υλικά.
Οι λιβεριανές ίνες κάνναβης αποτελούν πολύτιμη πηγή από την οποία μπορούν να εξαχθούν νανοκρύσταλλοι κυτταρίνης (CNCs). Οι νανοκρύσταλλοι κυτταρίνης χαρακτηρίζονται από τη μεγάλη επιφάνειά τους και την εξαιρετική ακαμψία και αντοχή τους σε εφελκυσμό. Η αντοχή των CNCs σε εφελκυσμό υπερβαίνει την αντοχή του γυαλιού ή του αλουμινίου. Οι νανοκρύσταλλοι κυτταρίνης είναι αρκετά φθηνοί και, ως εκ τούτου, αποτελούν ανταγωνιστικό νανοπρόσθετο όσον αφορά την τιμή, τη διαθεσιμότητα, την τοξικότητα και τη βιωσιμότητα.
Η κατεργασία με υπερήχους είναι μια εύχρηστη, γρήγορη και φιλική προς το περιβάλλον τεχνική, η οποία επιτρέπει την παραγωγή νανοκρυστάλλων κυτταρίνης υψηλής ποιότητας.
Οι Sosiati et al. 2014 παρουσιάζουν τις ευεργετικές επιδράσεις της κατεργασίας με υπερήχους στην επεξεργασία ινών.
Συσκευές υπερήχων υψηλών επιδόσεων για την επεξεργασία ινών
Η Hielscher Ultrasonics κατασκευάζει εξοπλισμό υπερήχων υψηλών επιδόσεων για εφαρμογές βαρέως τύπου. Τα συστήματα υπερήχων μας μπορούν να χρησιμοποιηθούν για επεξεργασία κατά παρτίδες ή για συνεχή επεξεργασία εντός γραμμής. Όλοι οι βιομηχανικοί επεξεργαστές υπερήχων της Hielscher μπορούν να παρέχουν πολύ υψηλά πλάτη ταλάντωσης. Πλάτη ταλάντωσης έως και 200µm μπορούν εύκολα να διατηρούνται συνεχώς σε λειτουργία 24/7. Για ακόμη υψηλότερα πλάτη ταλάντωσης, διατίθενται ειδικά προσαρμοσμένα ηχοτρόδια υπερήχων. Ωστόσο, η δυνατότητα επίτευξης πολύ υψηλών πλατών ταλάντωσης από μόνη της δεν αρκεί για την επιτυχή διεξαγωγή μιας διεργασίας επεξεργασίας ινών με υπερήχους, όπως η αποκομμίωση ή η ινιδιοποίηση. Ανάλογα με την πρώτη ύλη και το επιδιωκόμενο αποτέλεσμα, οι παράμετροι της διεργασίας – συγκεκριμένα, το πλάτος ταλάντωσης, η πίεση, η θερμοκρασία και ο χρόνος – πρέπει να μπορούν να ελέγχονται και να ρυθμίζονται με ακρίβεια.
Οι ψηφιακοί επεξεργαστές υπερήχων της Hielscher καταγράφουν αυτόματα όλα τα δεδομένα της διεργασίας σε ενσωματωμένη κάρτα SD, ώστε τα αποτελέσματα της διεργασίας να είναι αναπαραγώγιμα. Το πλάτος ταλάντωσης και η ένταση επεξεργασίας μπορούν να ρυθμίζονται και να ελέγχονται με ακρίβεια, από πολύ ήπιες έως ιδιαίτερα έντονες συνθήκες κατεργασίας με υπερήχους. Αυτό σας δίνει τη δυνατότητα να επεξεργάζεστε διάφορα υλικά επιτυγχάνοντας το βέλτιστο αποτέλεσμα.
Η ανθεκτικότητα του εξοπλισμού υπερήχων της Hielscher επιτρέπει τη λειτουργία 24/7 υπό συνθήκες βαριάς καταπόνησης και σε απαιτητικά περιβάλλοντα.
Ο παρακάτω πίνακας σας δίνει μια ένδειξη της κατά προσέγγιση δυναμικότητας επεξεργασίας των συσκευών υπερήχων μας:
| Όγκος παρτίδας | Παροχή | Συνιστώμενες συσκευές |
|---|---|---|
| 1 έως 500mL | 10 έως 200mL/min | UP100H |
| 10 έως 2000mL | 20 έως 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 έως 20L | 0,2 έως 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 έως 100L | 2 έως 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 έως 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | μεγαλύτερη | συστοιχία συσκευών UIP16000 |
Επικοινωνήστε μαζί μας! / Ρωτήστε μας!
Επεξεργαστές υπερήχων υψηλής ισχύος από την εργαστηριακή έως την πιλοτική και τη βιομηχανική κλίμακα.
Βιβλιογραφία/Παραπομπές
- Diana P.Ferreira, Juliana Cruz, Raul Fangueiro (2019): Κεφάλαιο 1 – Επιφανειακή τροποποίηση φυσικών ινών σε πολυμερικά σύνθετα υλικά. Πράσινα σύνθετα υλικά για εφαρμογές στην αυτοκινητοβιομηχανία. Woodhead Publishing Series in Composites Science and Engineering 2019, Σελίδες 3–41.
- Sullivan Renouard, Christophe Hano, Joël Doussot, Jean-Philippe Blondeau, Eric Lainé (2014): Χαρακτηρισμός της επίδρασης των υπερήχων σε ίνες κοκοφοίνικα, λιναριού και κάνναβης. Materials Letters 129, 2014. 137–141.
- H. Sosiati, M. Muhaimin, P. Abdilah, D. A. Wijayanti, Harsojo, K. Triyana (2014): Επίδραση των χημικών κατεργασιών στα
χαρακτηριστικά της φυσικής κυτταρίνης. AIP Conference Proceedings 1617, 105 (2014). - M. Zimniewska , R. Kozłowski, J. Batog (2008): Λινό ύφασμα τροποποιημένο με νανολιγνίνη ως πολυλειτουργικό προϊόν. Molecular Crystals and Liquid Crystals Τόμ. 484, Τεύχος 1, 2008.
Χρήσιμες πληροφορίες
Ίνες κάνναβης
Η κάνναβη είναι μια καλλιέργεια πολλαπλών χρήσεων που αξιοποιείται για τους σπόρους της και, στη συνέχεια, για το σπορέλαιο, τα τερπενοειδή και τα κανναβινοειδή (δηλ. CBD, CBG κ.λπ.), καθώς και για το άχυρο κάνναβης, το οποίο μπορεί να μεταποιηθεί σε πολύτιμο ινώδες υλικό. Όσον αφορά την ποιότητα των ινών κάνναβης, γίνεται διάκριση μεταξύ των λεγόμενων ινών στουπιού, οι οποίες είναι κοντές, μη ευθυγραμμισμένες δέσμες ινών, και των λεγόμενων μακριών ινών, οι οποίες είναι ίνες μεγάλου μήκους, ευθυγραμμισμένες κατά τη διαμήκη διεύθυνση.
Οι κοντές δέσμες ινών ονομάζονται επίσης τεχνικές ίνες και χρησιμοποιούνται κυρίως στην αυτοκινητοβιομηχανία, στην παραγωγή χαρτιού και σε σύνθετα υλικά βιολογικής προέλευσης. Οι μακριές ίνες κάνναβης χρησιμοποιούνται στην κλωστοϋφαντουργία και σε εφαρμογές υψηλής αξίας, όπως τα σύνθετα υλικά υψηλών επιδόσεων και τα βιοσύνθετα υλικά.
Παραγωγή ινών κάνναβης:
Η κλωστική κάνναβη (κάνναβη που καλλιεργείται για την παραγωγή ινών) συγκομίζεται ιδανικά πριν από την ανθοφορία. Αυτή η πρώιμη συγκομιδή εξασφαλίζει υψηλότερη ποιότητα ινών, επειδή η ποιότητα υποβαθμίζεται εάν αφεθεί το φυτό να ανθίσει. Γενικά, η κλωστική κάνναβη συγκομίζεται 70–90 ημέρες μετά τη σπορά. Για τη συγκομιδή της κάνναβης, τα φυτά κόβονται 2–3cm πάνω από το έδαφος και στη συνέχεια ξηραίνονται για λίγες ημέρες. Μετά τη συγκομιδή, η κάνναβη υποβάλλεται σε διαβροχή. Η διαβροχή είναι μια διεργασία που χρησιμοποιεί υγρασία και μικροοργανισμούς για τη διάσπαση των φυτικών πηκτινών, οι οποίες συγκρατούν χημικά τα συστατικά του στελέχους της κάνναβης. Παραδοσιακά, τα στελέχη κάνναβης υποβάλλονταν σε διαβροχή με νερό ή δρόσο πριν από τη σπάθιση των ινών. Η διεργασία διαβροχής διευκολύνει τον επακόλουθο διαχωρισμό του φλοιώδους ινώδους τμήματος από το λεγόμενο κανναβόξυλο ή τα ξυλώδη θραύσματα (που αποτελούν τον ξυλώδη πυρήνα των στελεχών κάνναβης). Μετά τη διαβροχή, τα στελέχη κάνναβης ξηραίνονται (σε περιεκτικότητα υγρασίας μικρότερη από 15%) και δεματοποιούνται.
Για να ληφθούν ίνες κάνναβης που μπορούν να χρησιμοποιηθούν στην παραγωγή προϊόντων και ως πρόσθετα, οι ίνες πρέπει να διαχωριστούν με μια διεργασία γνωστή ως «σπάθιση». Κατά τη σπάθιση, το άχυρο κάνναβης υφίσταται μηχανική επεξεργασία για τη διάσπαση του φυτού κάνναβης, π.χ. με τη χρήση σφυρόμυλου. Σε αυτή τη μηχανική διεργασία, η κάνναβη κρούεται πάνω σε κόσκινο έως ότου το κανναβόξυλο, οι μικρότερες ίνες του φλοιού και η σκόνη περάσουν μέσα από το κόσκινο. Οι σύγχρονες κινηματικές μηχανές αποφλοίωσης υψηλής ταχύτητας μπορούν να διαχωρίζουν την κάνναβη σε τρία ρεύματα: ίνες του φλοιού, κανναβόξυλο και πράσινη μικροΐνα.
Η περιεκτικότητα της κάνναβης σε κυτταρίνη είναι περίπου 70–77%. Οι ίνες κάνναβης αποτελούν εξαιρετικό υποκατάστατο των ινών κυτταρίνης ξύλου
Πλεονεκτήματα των ινών κάνναβης
- οικονομικά αποδοτικές
- υψηλή αντοχή σε εφελκυσμό και ακαμψία
- ιδανικά κατάλληλες για μη υφασμένα προϊόντα που παράγονται με βελονοδιάτρηση
- αποτελεσματικό υποκατάστατο των ινών γυαλιού
- μείωση του χρόνου μορφοποίησης
- μείωση του βάρους του τελικού εξαρτήματος
- εύκολες στην επεξεργασία και την ανακύκλωση
- μπορούν να προσαρμοστούν ώστε να ανταποκρίνονται σε ποικίλες προδιαγραφές και διαφορετικά συστήματα παραγωγής
- είναι δυνατή η εξασφάλιση σταθερής ποιότητας και διαθεσιμότητας εφοδιασμού
Ινώδη βιοϋλικά
Όταν εξάγονται ίνες από άχυρο λιναριού, τα μη ινώδη μέρη του στελέχους, εξαιρουμένου του σπόρου, αναφέρονται συνήθως ως ξυλώδη θραύσματα ή ξυλώδης εντεριώνη. Για παράδειγμα, στο ελαιοδοτικό λινάρι, τα ξυλώδη θραύσματα αποτελούν περίπου το 70 – 85% του συνολικού βάρους του άχυρου, γεγονός που τα καθιστά το κύριο παραπροϊόν της επεξεργασίας του άχυρου λιναριού.
Η νανοδομημένη λιγνίνη που παράγεται με υπερήχους χρησιμοποιείται για την κατασκευή πολυλειτουργικών λινών υφασμάτων. Με τον εμποτισμό λινών υφασμάτων με νανολιγνίνη μπορούν να δημιουργηθούν πολυλειτουργικά υφάσματα. Αυτά τα πολυλειτουργικά υφάσματα προσφέρουν τις πρόσθετες ιδιότητες φραγμού στην υπεριώδη ακτινοβολία, αντιβακτηριακής δράσης και αντιστατικής συμπεριφοράς.