Tecnología de ultrasonido de Hielscher

Procesamiento ultrasónico de fibras de cáñamo

  • El enriamiento ultrasónico de materiales fibrosos como el cáñamo y las fibras de lino permite una modificación rápida y eficaz de las fibras.
  • Las fibras de líber procesadas por ultrasonidos están fibriladas y presentan una superficie específica significativamente mayor, mayor resistencia a la tracción y flexibilidad.
  • El procesamiento de fibras por ultrasonidos es una tecnología de procesamiento rápida y fácil de usar para la producción industrial.

 

Retinción por ultrasonidos

El enriamiento por ultrasonidos es una alternativa rápida, eficiente y ecológica al enriamiento por humedad o por rocío tradicional. La cavitación acústica, generada por ultrasonidos de alta intensidad y baja frecuencia, rompe las estructuras celulares de los biomateriales como las fibras vegetales no maderables, que incluyen fibras de líber como el lino, el cáñamo, la ortiga, la paja de trigo, la paja de arroz, el yute, así como las fibras derivadas de la hoja (por ejemplo, el sisal, el cáñamo de manila, el abacá) y las fibras derivadas de la fruta, como el coco de cáscara de coco.
El desenredado ultrasónico transforma las microfibras (aprox. 3-5µm) en nanofibras (≥100nm). Además, el procesamiento ultrasónico indujo la degradación del xiloglucano puro y del xilano en solución, demostrando la capacidad de los ultrasonidos para degradar la hemicelulosa.
Aunque el enriamiento por ultrasonidos se utiliza principalmente en una solución acuosa, es posible – dependiendo de la materia prima y del resultado deseado – para combinar el proceso ultrasónico con un tratamiento alcalino. Soluciones de NaOH, H2O2 y H2ASI QUE4 puede ser utilizado para la alcalinización para obtener nanofibras de celulosa en un corto tiempo de procesamiento. Mediante un tratamiento ultrasónico, se puede lograr fácilmente una fibrilación de microfibras de celulosa. Las fibras producidas ultrasónicamente muestran una morfología específica en la que las nanofibras (≥ 100nm) se distribuyen por toda la superficie de las microfibras (3-5µm).

Tratamiento ultrasónico de fibras de cáñamo, lino y coco.

Análisis por microscopía electrónica de barrido de fibras de lino, cáñamo y coco con o sin tratamiento ultrasónico.
fuente: Renouard et al. 2014

UIP4000hdT 4kW potente procesador ultrasónico para extracción

UIP4000hdT (4 kW) procesador ultrasónico industrial para el procesamiento de fibras

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Procesamiento ultrasónico de fibra de cáñamo

Con el creciente mercado de semillas de cáñamo y fitocanabinoides viene una creciente producción de paja de cáñamo. Como subproducto, la paja de cáñamo y sus fibras se utilizan principalmente para la producción de papel o geotextiles, el refuerzo en materiales compuestos y materiales de construcción.
La paja de líber seca y cortada se puede utilizar como materia prima para el tratamiento ultrasónico, sin embargo, para un rendimiento superior del proceso ultrasónico se recomienda el uso de agramizas (parcialmente) decorticadas. El material de líber se humedece en agua (solución acuosa) de modo que se obtiene una pasta bombeable que puede pasar por la celda de flujo ultrasónico. El proceso de sonicación dura poco tiempo (aprox. 30-60 seg.). 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 de cáñamo y lino también mejora la flexibilidad y la resistencia a la tracción de las fibras, que son características valiosas para la fabricación de textiles y compuestos.

Ventajas del procesamiento de fibra ultrasónico

  • reducción del contenido de lignina
  • fibras micro y nanofibriladas
  • mayor flexibilidad de las fibras
  • mayor resistencia a la tracción
  • proceso rápido
  • sencillo de manejar,
El tratamiento ultrasónico de las fibras de cáñamo...

Tratamiento ultrasónico y alcalino de la fibra de cáñamo (Ferreira et al. 2019)

Fibra de cáñamo modificada por ultrasonidos

La fibra de líber fibrilada por ultrasonidos (por ejemplo, cáñamo, lino) es particularmente adecuada como refuerzo para resinas poliméricas, termoplásticos y compuestos termoestables.
Las fibras de líber de cáñamo son una fuente valiosa de la que se pueden extraer nanocristales de celulosa (CNC). Los nanocristales de celulosa se caracterizan por su gran superficie y su extraordinaria rigidez y resistencia a la tracción. CNC’ la resistencia a la tracción supera a la del vidrio o aluminio. Los nanocristales de celulosa son bastante baratos y, por lo tanto, son un nano-aditivo competitivo en cuanto a precio, disponibilidad, toxicidad y sostenibilidad.
La sonicación es una técnica fácil de usar, rápida y ecológica, que permite producir nanocristales de celulosa de alta calidad.

Fibras de kenaf procesadas ultrasónicamente.

Sosiati et al. 2014 muestran los efectos beneficiosos de la sonicación en el procesamiento de fibras.

Ultrasonidos de alto rendimiento para el procesamiento de fibras

Hielscher Ultrasonics fabrica equipos de ultrasonidos de alto rendimiento para aplicaciones de alta resistencia. Nuestros sistemas de ultrasonidos pueden ser utilizados para el procesamiento por lotes o continuo en línea. Todos los procesadores industriales de ultrasonidos de Hielscher pueden ofrecer amplitudes muy altas. Amplitudes de hasta 200µm pueden ser fácilmente ejecutadas de forma continua en funcionamiento 24 horas al día, 7 días a la semana. Para amplitudes aún mayores, se dispone de sonotrodos ultrasónicos personalizados. Sin embargo, la capacidad de amplitudes muy altas por sí sola no es suficiente para ejecutar con éxito un proceso de fibra ultrasónica, como el enriamiento o la fibrilación. Dependiendo de la materia prima y del resultado deseado, los parámetros de proceso – es decir, amplitud, presión, temperatura y tiempo – debe ser exactamente controlable y ajustable.
Los procesadores ultrasónicos digitales de Hielscher registran automáticamente todos los datos del proceso en una tarjeta SD integrada, de forma que los resultados del proceso son reproducibles. La amplitud y la intensidad de procesamiento se pueden ajustar y controlar con precisión desde condiciones de sonicación muy leves hasta muy intensas. Esto le da la oportunidad de procesar varios materiales para obtener un rendimiento óptimo.
La robustez de equipos de ultrasonidos de Hielscher permite 24/7 operación en servicio pesado y en entornos exigentes.
En la siguiente tabla encontrará algunas indicaciones sobre la capacidad de procesamiento aproximada de nuestros sonicadores:

Volumen del lote Tasa de flujo Dispositivos 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 Grupo de UIP16000

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Hielscher Ultrasonics fabrica ultrasonidos de alto rendimiento para aplicaciones ecoquímicas.

Procesadores ultrasónicos de alta potencia desde laboratorio hasta escala piloto e industrial.

Literatura/Referencias

  • Diana P. Ferreira, Juliana Cruz, Raúl Fangueiro (2019): Capítulo 1 – Modificación superficial de fibras naturales en compuestos poliméricos. Compuestos ecológicos para aplicaciones automotrices. Woodhead Publishing Series in Composites Science and Engineering 2019, Pages 3-41.
  • Sullivan Renouard, Christophe Hano, Joël Doussot, Jean-Philippe Blondeau, Eric Lainé (2014): Caracterización del impacto ultrasónico en las fibras de coco, lino y cáñamo. Materiales Cartas 129, 2014. 137–141.
  • H. Sosiati, M. Muhaimin, P. Abdilah, D. A. Wijayanti, Harsojo, K. Triyana (2014): Efecto de los tratamientos químicos sobre la
    características de la celulosa natural. Actas de la Conferencia AIP 1617, 105 (2014).
  • M. Zimniewska, R. Kozłowski, J. Batog (2008): Tejido de lino modificado con nanolignina como producto multifuncional. Molecular Crystals and Liquid Crystals Vol. 484, Issue 1, 2008.


Información interesante

fibra de cáñamo

El cáñamo es un cultivo polivalente que se utiliza para las semillas de cáñamo y, posteriormente, para el aceite de semillas, los terpenoides y los cannabinoides (es decir, CBD, CBG, etc.) y la paja de cáñamo, que puede transformarse en material fibroso valioso. En cuanto a la calidad de la fibra de cáñamo, se distingue entre las llamadas fibras de torre, que no están alineadas, los haces cortos de fibra y las llamadas fibras de línea, que son fibras largas (alineadas longitudinalmente).
Los paquetes de fibras cortas también se denominan fibras técnicas y se utilizan principalmente en la industria automotriz, para la producción de papel y para compuestos a base de biocombustibles. Las fibras largas de cáñamo se utilizan para aplicaciones textiles y de alto valor, como compuestos de alto rendimiento y biocompuestos.
Producción de fibra de cáñamo:
El cáñamo de fibra (cáñamo que se cultiva para la producción de fibra) se cosecha idealmente antes de la floración. Esta cosecha temprana resulta en una mayor calidad de la fibra porque la calidad disminuye si se permite la floración. Generalmente, el cáñamo fibroso se cosecha 70-90 días después de la siembra. Para cosechar el cáñamo, las plantas se cortan a 2-3cm sobre el suelo y luego se secan durante unos días. Después de la cosecha, el cáñamo es enriado. El enriamiento es un proceso que utiliza la humedad y los microbios para descomponer las pectinas de la planta, que unen químicamente el tallo del cáñamo. Tradicionalmente, los tallos de cáñamo se secan con agua o rocío antes de que las fibras sean cosechadas. El proceso de enriamiento facilita la posterior separación del líber del llamado cañamazo o shiv (que es el núcleo leñoso de los tallos de cáñamo). Después del enriamiento, los tallos de cáñamo se secan (a un contenido de humedad de menos del 15% y se sacan.
Para obtener fibras de cáñamo, que pueden ser utilizadas para la fabricación y como aditivos, las fibras deben ser separadas en un proceso conocido como “escurridizo”. Durante el proceso de espadillado, la paja de cáñamo se procesa mecánicamente para perforar la planta de cáñamo, por ejemplo, utilizando un molino de martillos. En este proceso mecánico, el cáñamo es golpeado contra una malla hasta que caiga polvo y fibras de líber más pequeñas a través de la malla. Las modernas máquinas de decorticación cinemática de alta velocidad son capaces de separar el cáñamo en tres corrientes: fibra de líber, zanfona y microfibra verde.
El contenido de celulosa en el cáñamo es de aproximadamente 70-77%. Las fibras de cáñamo son un excelente sustituto de las fibras de celulosa de madera.

Ventajas de las fibras de cáñamo

  • económico
  • alta resistencia a la tracción y rigidez
  • ideal para productos no tejidos punzonados
  • sustitución efectiva de la fibra de vidrio
  • reduce el tiempo de moldeo
  • reducción de peso en la pieza acabada
  • fácil de procesar y reciclar
  • puede personalizarse para cumplir una variedad de especificaciones y diferentes sistemas de fabricación
  • es posible una calidad y una disponibilidad de suministro constantes

Bio-Materiales Fibrosos

Cuando las fibras de paja se extraen de la paja de lino, las partes no fibrosas del tallo, sin incluir la semilla, se denominan normalmente agramizas o hurdes. Por ejemplo, en el caso del lino oleaginoso, las agramizas comprenden aproximadamente un 70 – 85% del peso total de la paja, lo que convierte a la agramización en el principal subproducto de la transformación de la paja de lino.
La lignina, producida por ultrasonidos y nanoestructurada, se utiliza para fabricar tejidos de lino multifuncionales. Acolchando los tejidos de lino con nano-lignina, se pueden crear tejidos multifuncionales. Estos textiles multifuncionales ofrecen las propiedades adicionales de barrera UV, antibacterianas y antiestáticas.