Procesamiento ultrasónico de fibras de cáñamo
- El enriado ultrasónico de materiales fibrosos, como las fibras de cáñamo y lino, permite modificar las fibras de forma rápida y eficiente.
- Las fibras liberianas procesadas por ultrasonidos se fibrilan y presentan una superficie específica significativamente mayor, así como una mayor resistencia a la tracción y flexibilidad.
- El procesamiento ultrasónico de fibras es una tecnología rápida y fácil de utilizar para la producción industrial.
Enriado ultrasónico
El enriado ultrasónico es una alternativa rápida, eficiente y ecológica al enriado tradicional en agua o al rocío. La cavitación acústica, generada por ultrasonidos de alta intensidad y baja frecuencia, rompe las estructuras celulares de biomateriales como las fibras vegetales no madereras, que incluyen fibras liberianas como el lino, el cáñamo, la ortiga, la paja de trigo, la paja de arroz y el yute, así como fibras procedentes de hojas (p. ej., sisal, cáñamo de Manila, abacá) y fibras procedentes de frutos, como la fibra de coco obtenida de las cáscaras de coco.
El desenmarañado ultrasónico transforma las microfibras (aprox. 3-5 µm) en nanofibras (≥100 nm). Además, el procesamiento ultrasónico indujo la degradación de xiloglucano y xilano puros en solución, lo que demuestra la capacidad de los ultrasonidos para degradar la hemicelulosa.
Aunque el enriado ultrasónico se realiza principalmente en una solución acuosa, es posible –en función de la materia prima y del resultado deseado– combinar el proceso ultrasónico con un tratamiento alcalino. Pueden utilizarse soluciones de NaOH, H2O2 y H2SO4 para la alcalinización y obtener nanofibras de celulosa en un tiempo de procesamiento breve. Mediante el tratamiento ultrasónico, puede lograrse fácilmente la fibrilación de las microfibras de celulosa. Las fibras producidas por ultrasonidos presentan una morfología específica en la que las nanofibras (≥ 100 nm) se distribuyen por toda la superficie de las microfibras (3-5 µm).
Análisis mediante microscopía electrónica de barrido de fibras de lino, cáñamo y coco con y sin procesamiento ultrasónico.
fuente: Renouard et al. 2014
UIP4000hdT (4 kW) procesador ultrasónico industrial para el procesamiento de fibras
Procesamiento ultrasónico de fibras de cáñamo
El crecimiento del mercado de las semillas de cáñamo y los fitocannabinoides conlleva un aumento de la producción de paja de cáñamo. Como subproducto, la paja de cáñamo y sus fibras se utilizan principalmente para producir papel o geotextiles, como refuerzo en materiales compuestos y como material de construcción.
La paja de plantas de fibra liberiana, seca y cortada, puede utilizarse como materia prima para el tratamiento ultrasónico; sin embargo, para obtener mejores resultados del proceso ultrasónico, se recomienda utilizar fragmentos leñosos (parcialmente) decorticados. El material liberiano se humedece en agua (solución acuosa) para obtener una suspensión bombeable que pueda pasar por la celda de flujo ultrasónica. El proceso de sonicación requiere poco tiempo (aprox. 30-60 sec.). La investigación científica ha demostrado que la ultrasonicación mejora la extracción de hemicelulosa y lignina de los materiales lignocelulósicos. Además, la sonicación degrada la celulosa y la pectina. El procesamiento ultrasónico del cáñamo y el lino también mejora la flexibilidad y la resistencia a la tracción de las fibras, características valiosas para la fabricación de textiles y materiales compuestos.
- reducción del contenido de lignina
- fibras microfibriladas y nanofibriladas
- mayor flexibilidad de las fibras
- mayor resistencia a la tracción
- proceso rápido
- fácil de utilizar
Tratamiento ultrasónico y alcalino de la fibra de cáñamo (Ferreira et al. 2019)
Fibra de cáñamo modificada por ultrasonidos
La fibra liberiana fibrilada por ultrasonidos (p. ej., cáñamo, lino) es especialmente adecuada como refuerzo para resinas poliméricas y materiales compuestos termoplásticos y termoestables.
Las fibras liberianas de cáñamo son una valiosa fuente de la que pueden extraerse nanocristales de celulosa (CNCs). Los nanocristales de celulosa se caracterizan por su elevada superficie y su extraordinaria rigidez y resistencia a la tracción. La resistencia a la tracción de los CNCs supera la del vidrio o el aluminio. Los nanocristales de celulosa son bastante económicos y, por tanto, constituyen un nanoaditivo competitivo en cuanto a precio, disponibilidad, toxicidad y sostenibilidad.
La sonicación es una técnica fácil de utilizar, rápida y ecológica que permite producir nanocristales de celulosa de alta calidad.
Sosiati et al. 2014 muestran los efectos beneficiosos de la sonicación en el procesamiento de fibras.
Sonicadores de alto rendimiento para el procesamiento de fibras
Hielscher Ultrasonics fabrica equipos ultrasónicos de alto rendimiento para aplicaciones exigentes. Nuestros sistemas ultrasónicos pueden utilizarse para el procesamiento por lotes o continuo en línea. Todos los procesadores ultrasónicos industriales de Hielscher pueden proporcionar amplitudes muy elevadas. Se puede trabajar fácilmente con amplitudes de hasta 200 µm de forma continua en funcionamiento 24/7. Para amplitudes aún mayores, se ofrecen sonotrodos ultrasónicos personalizados. Sin embargo, la capacidad de proporcionar amplitudes muy elevadas por sí sola no basta para realizar con éxito un proceso ultrasónico de fibras, como el enriado o la fibrilación. En función de la materia prima y del resultado deseado, los parámetros del proceso –es decir, amplitud, presión, temperatura y tiempo– deben poder controlarse y ajustarse con exactitud.
Los procesadores ultrasónicos digitales de Hielscher registran automáticamente todos los datos del proceso en una tarjeta SD integrada, de modo que los resultados del proceso sean reproducibles. La amplitud y la intensidad del procesamiento pueden ajustarse y controlarse con precisión, desde condiciones de sonicación muy suaves hasta muy intensas. Esto permite procesar diversos materiales para obtener resultados óptimos.
La robustez de los equipos ultrasónicos de Hielscher permite el funcionamiento 24/7 en condiciones de trabajo intensivo y en entornos exigentes.
La siguiente tabla ofrece una orientación sobre la capacidad aproximada de procesamiento de nuestros sonicadores:
| Volumen del lote | Caudal | Equipos recomendados |
|---|---|---|
| 1 a 500 mL | 10 a 200 mL/min | UP100H |
| 10 a 2000 mL | 20 a 400 mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 a 20 L | 0,2 a 4 L/min | UIP2000hdT |
| 10 a 100 L | 2 a 10 L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 a 100 L/min | UIP16000 |
| n.a. | mayor | conjunto de UIP16000 |
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Procesadores ultrasónicos de alta potencia para escalas de laboratorio, piloto e industrial.
Bibliografía y referencias
- 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.
Información de interés
Fibra de cáñamo
El cáñamo es un cultivo de múltiples usos que se aprovecha por sus semillas y, posteriormente, por el aceite de estas, los terpenoides y los cannabinoides (es decir, CBD, CBG, etc.), así como por la paja de cáñamo, que puede transformarse en un valioso material fibroso. En cuanto a la calidad de la fibra de cáñamo, se distingue entre las denominadas fibras de estopa, que son haces de fibras cortas sin alinear, y las denominadas fibras largas, alineadas longitudinalmente.
Los haces de fibras cortas también se denominan fibra técnica y se utilizan principalmente en la industria del automóvil, en la producción de papel y en materiales compuestos de base biológica. Las fibras largas de cáñamo se utilizan en textiles y aplicaciones de alto valor, como materiales compuestos de alto rendimiento y biocompuestos.
Producción de fibra de cáñamo:
El cáñamo para fibra (cáñamo cultivado para producir fibra) se cosecha idealmente antes de la floración. Esta cosecha temprana proporciona una fibra de mayor calidad, ya que la calidad disminuye si se permite la floración. Por lo general, el cáñamo para fibra se cosecha 70-90 días después de la siembra. Para cosechar el cáñamo, las plantas se cortan a 2-3 cm del suelo y después se secan durante unos días. Tras la cosecha, el cáñamo se somete a enriado. El enriado es un proceso que utiliza la humedad y los microorganismos para descomponer las pectinas vegetales, que mantienen unido el tallo del cáñamo mediante enlaces químicos. Tradicionalmente, los tallos de cáñamo se enriaban en agua o al rocío antes de espadar las fibras. El proceso de enriado facilita la posterior separación de la fibra liberiana de la denominada agramiza o cañamiza del cáñamo (que es el núcleo leñoso de los tallos de cáñamo). Tras el enriado, los tallos de cáñamo se secan hasta alcanzar un contenido de humedad inferior al 15% y se empacan en balas.
Para obtener fibras de cáñamo que puedan utilizarse en la fabricación y como aditivos, las fibras deben separarse mediante un proceso conocido como «espadado». Durante el espadado, la paja de cáñamo se procesa mecánicamente para disgregar la planta de cáñamo, por ejemplo, mediante un molino de martillos. En este proceso mecánico, el cáñamo se golpea contra un tamiz hasta que la cañamiza, las fibras liberianas más pequeñas y el polvo pasan a través de él. Las modernas máquinas de decorticación cinemática de alta velocidad pueden separar el cáñamo en tres corrientes: fibra liberiana, cañamiza y microfibra verde.
El contenido de celulosa del cáñamo es de aprox. 70-77%. Las fibras de cáñamo son un excelente sustituto de las fibras de celulosa de madera
Ventajas de las fibras de cáñamo
- económicas
- elevada resistencia a la tracción y rigidez
- ideales para productos no tejidos punzonados con agujas
- sustituto eficaz de la fibra de vidrio
- reducen el tiempo de moldeo
- reducción del peso de la pieza acabada
- fáciles de procesar y reciclar
- pueden adaptarse para cumplir diversas especificaciones y adecuarse a distintos sistemas de fabricación
- es posible mantener una calidad constante y la disponibilidad del suministro
Biomateriales fibrosos
Cuando se extraen las fibras de la paja de lino, las partes no fibrosas del tallo, sin incluir la semilla, suelen denominarse agramiza o fragmentos leñosos. Por ejemplo, en el lino oleaginoso, la agramiza constituye aprox. el 70 – 85% del peso total de la paja, lo que la convierte en el principal subproducto del procesamiento de la paja de lino.
La lignina nanoestructurada producida por ultrasonidos se utiliza para fabricar tejidos de lino multifuncionales. Mediante la impregnación por foulard de textiles de lino con nanolignina, pueden crearse textiles multifuncionales. Estos textiles ofrecen propiedades adicionales de barrera frente a la radiación UV, antibacterianas y antiestáticas.