Ultraheli kanepikiu töötlus
- Kiudmaterjalide, näiteks kanepi- ja linakiudude ultrahelimardutamine võimaldab kiudu kiiresti ja tõhusalt modifitseerida.
- Ultraheliga töödeldud niinekiud fibrilleeruvad ning neil on märkimisväärselt suurem eripind, suurem tõmbetugevus ja painduvus.
- Ultraheliga kiudude töötlus on kiire ja lihtsasti kasutatav töötlustehnoloogia tööstuslikuks tootmiseks.
Ultraheliga mardutamine
Ultraheliga mardutamine on kiire, tõhus ja keskkonnasõbralik alternatiiv traditsioonilisele vesi- või kastemardutamisele. Akustiline kavitatsioon, mida tekitab suure intensiivsusega madalsageduslik ultraheli, lõhub biomaterjalide rakustruktuure, näiteks mittepuidulisi taimekiude, sealhulgas niinekiude nagu lina, kanep, nõges, nisuõled, riisiõled ja džuut, samuti lehtedest pärinevaid kiude (nt sisal, manilla kanep, abaka) ning viljadest pärinevaid kiude, näiteks kookospähkli kestadest saadavat kookoskiudu (koir).
Ultraheliga lahtikedrumine muudab mikrokiud (ligikaudu 3–5µm) nanokiududeks (≥100nm). Lisaks põhjustas ultraheli töötlus puhta ksüloglükaani ja ksülaani lagunemise lahuses, mis näitab ultraheli võimet hemitselluloosi lagundada.
Kuigi ultraheliga mardutamist kasutatakse peamiselt vesilahuses, on võimalik – sõltuvalt toormaterjalist ja soovitud tulemusest – kombineerida ultraheliprotsessi leelisega töötlemisega. Leelistamiseks saab kasutada NaOH, H2O2 ja H2SO4 lahuseid, et saada tselluloosi nanokiude lühikese töötlusajaga. Ultraheli töötlusega on tselluloosi mikrokiudude fibrillatsiooni lihtne saavutada. Ultraheliga toodetud kiududel on spetsiifiline morfoloogia, kus nanokiud (≥ 100nm) on jaotunud mikrokiudude (3–5µm) kogu pinnale.
Lina-, kanepi- ja kookoskiudude skaneeriva elektronmikroskoopia analüüs koos ultraheli töötlusega või ilma.
allikas: Renouard et al. 2014
UIP4000hdT (4kW) tööstuslik ultraheliprotsessor kiudude töötluseks
Kanepikiudude ultraheli töötlus
Kanepiseemnete ja fütokannabinoidide turu kasvuga kaasneb kanepiõlgede tootmise suurenemine. Kõrvalsaadusena kasutatakse kanepiõlgi ja nende kiude peamiselt paberi või geotekstiilide tootmiseks, komposiitmaterjalide tugevdamiseks ning ehitusmaterjalina.
Kuivatatud ja lõigatud niinekiuga õlgi saab kasutada ultraheli töötluse toormaterjalina, kuid ultraheliprotsessi parema tulemuse saavutamiseks soovitatakse kasutada (osaliselt) dekortikeeritud puitunud südamikuosakesi (shives). Niinematerjal niisutatakse vees (vesilahuses) nii, et saadakse pumbatav suspensioon, mis suudab läbida ultraheli läbivoolukambri. Sonikeerimine võtab aega vaid lühikese aja (ligikaudu 30–60 sek.). Teadusuuringud on näidanud, et ultraheli töötlus parandab hemitselluloosi ja ligniini ekstraheerimist lignotselluloosmaterjalidest. Lisaks lagundab sonikeerimine tselluloosi ja pektiini. Kanepi ja lina ultraheli töötlus parandab ka kiudude painduvust ja tõmbetugevust, mis on tekstiili- ja komposiittoodete valmistamisel väärtuslikud omadused.
- ligniinisisalduse vähenemine
- mikro- ja nanofibrilleeritud kiud
- suurenenud kiu painduvus
- suurem tõmbetugevus
- kiire protsess
- lihtne käsitseda
Kanepikiu ultraheli-leelistöötlus (Ferreira et al. 2019)
Ultraheliga modifitseeritud kanepikiud
Ultraheli abil fibrilleeritud niinekiud (nt kanep, lina) sobib eriti hästi polümeersete vaikude, termoplastsete ja termoreaktiivsete komposiitide armeeringuks.
Kanepi niinekiud on väärtuslik allikas, millest saab eraldada tselluloosi nanokristalle (CNC). Tselluloosi nanokristalle iseloomustavad suur eripind ning erakordne jäikus ja tõmbetugevus. CNC-de tõmbetugevus ületab klaasi või alumiiniumi tugevuse. Tselluloosi nanokristallid on üsna odavad ning seetõttu hinna, kättesaadavuse, toksilisuse ja jätkusuutlikkuse poolest konkurentsivõimeline nanolisand.
Ultraheli töötlus (sonikeerimine) on lihtsasti kasutatav, kiire ja keskkonnasäästlik tehnika, mis võimaldab toota kvaliteetseid tselluloosi nanokristalle.
Sosiati jt 2014 näitavad sonikeerimise kasulikku mõju kiudude töötlemisele.
Suure jõudlusega ultraheli seadmed kiudude töötlemiseks
Hielscher Ultrasonics toodab suure jõudlusega ultraheliseadmeid nõudlikeks rakendusteks. Meie ultraheli süsteeme saab kasutada partiitöötluseks või pidevaks in-line töötluseks. Kõik Hielscheri tööstuslikud ultraheli protsessorid suudavad pakkuda väga suuri amplituude. Kuni 200µm amplituude saab hõlpsasti pidevalt kasutada ööpäevaringses 24/7 töös. Veelgi suuremate amplituudide jaoks on saadaval kohandatud ultraheli sonotroodid. Väga suurte amplituudide võimekusest üksi aga ei piisa edukaks ultraheli kiudude töötlemise protsessiks, näiteks leotuseks (retting) või fibrillatsiooniks. Olenevalt toorainest ja soovitud tulemusest peavad protsessi parameetrid – nimelt amplituud, rõhk, temperatuur ja aeg – olema täpselt kontrollitavad ja reguleeritavad.
Hielscheri digitaalsed ultraheli protsessorid salvestavad kõik protsessiandmed automaatselt integreeritud SD-kaardile, nii et protsessi tulemused on reprodutseeritavad. Amplituudi ja töötlusintensiivsust saab täpselt reguleerida ja kontrollida väga leebetest kuni väga intensiivsete sonikeerimistingimusteni. See annab võimaluse töödelda erinevaid materjale optimaalse tulemuseni.
Hielscheri ultraheliseadmete töökindlus võimaldab 24/7 töötamist raskes koormuses ja nõudlikes keskkondades.
Alljärgnev tabel annab ülevaate meie ultraheli seadmete ligikaudsest töötlusvõimsusest:
| Partii maht | Vooluhulk | Soovitatavad seadmed |
|---|---|---|
| 1 kuni 500mL | 10 kuni 200mL/min | UP100H |
| 10 kuni 2000mL | 20 kuni 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 kuni 20L | 0,2 kuni 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 kuni 100L | 2 kuni 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 kuni 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | suurem | klaster seadmetest UIP16000 |
Võtke meiega ühendust! / Küsige meilt!
Suure võimsusega ultraheli protsessorid laborist pilootmastaabini ja tööstusliku mastaabini.
Kirjandus ja viited
- 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.
Teada väärt fakte
Kanepikiud
Kanep on mitmeotstarbeline kultuurtaim, mida kasvatatakse kanepiseemnete ja seejärel seemneõli, terpenoidide ja kannabinoidide (nt CBD, CBG jne) saamiseks ning kanepikõrre jaoks, mida saab töödelda väärtuslikuks kiudmaterjaliks. Kanepikiu kvaliteedi osas eristatakse nn takukiude, mis on korrastamata, lühikesed kiudkimbud, ja nn pikkkiude (line fibers), mis on pikad (pikisuunas joondunud) kiud.
Lühikesi kiudkimpe nimetatakse ka tehniliseks kiuks ning neid kasutatakse peamiselt autotööstuses, paberi tootmiseks ja biopõhistes komposiitides. Pikki kanepikiude kasutatakse tekstiilis ja kõrge lisandväärtusega rakendustes, nagu suure jõudlusega komposiidid ja biokomposiidid.
Kanepikiu tootmine:
Kiukanep (kiu tootmiseks kasvatatav kanep) on ideaaljuhul koristatud enne õitsemist. Selline varane koristus annab parema kiukvaliteedi, sest kvaliteet langeb, kui lubada õitsemist. Üldjuhul koristatakse kiukanep 70–90 päeva pärast külvi. Kanepi koristamiseks lõigatakse taimed 2–3cm kõrguselt mullapinnast ning kuivatatakse seejärel mõne päeva jooksul. Pärast koristust kanep leotatakse (retting). Leotamine on protsess, mis kasutab niiskust ja mikroobe, et lagundada taimepektiine, mis seovad kanepivarre keemiliselt kokku. Traditsiooniliselt leotati kanepivarsi vees või kaste käigus enne kiudude pehmendamist (scutching). Leotamisprotsess hõlbustab hilisemat niinekoore eraldamist nn kanepiparrast ehk -kondist (mis on kanepivarte puitunud tuum). Pärast leotamist kuivatatakse kanepivarred (niiskusesisalduseni alla 15% ning pakitakse ballidesse.
Kanepikiudude saamiseks, mida saab kasutada tootmises ja lisaainetena, tuleb kiud eraldada protsessis, mida tuntakse nimetusega „scutching“. Pehmendamise (scutching) käigus töödeldakse kanepikõrt mehaaniliselt, et kanepitaim purustada, nt haamriveski abil. Selles mehaanilises protsessis lüüakse kanepit vastu sõela, kuni parred, väiksemad niinekiud ja tolm kukuvad läbi sõela. Kaasaegsed kiired kinemaatilised dekortikatsioonimasinad suudavad kanepi eraldada kolmeks vooks: niinekiud, parred ja roheline mikrokiud.
Tselluloosisisaldus kanepis on ligikaudu 70–77%. Kanepikiud on suurepärane asendaja puidust tselluloosikiududele
Kanepikiudude eelised
- kulutõhus
- suur tõmbetugevus ja jäikus
- sobib ideaalselt nõelpistel mittekootud toodetele
- tõhus klaaskiu asendaja
- lühendab vormimisaega
- valmisdetaili massi vähenemine
- lihtne töödelda ja ringlusse võtta
- saab kohandada mitmesugustele spetsifikatsioonidele ja erinevatele tootmissüsteemidele
- stabiilne kvaliteet ja tarnekindlus on võimalik
Kiudsed biomaterjalid
Kui õlekiud eraldatakse linaõlest, nimetatakse varre mittekiudseid osi, v.a seeme, tavaliselt parreks ehk kondiks (shives või hurds). Näiteks õlilinas moodustavad parred ligikaudu 70–85% õle kogumassist, mistõttu on parred linaõle töötlemise peamine kõrvalsaadus.
Ultraheliga toodetud nanostruktuurset ligniini kasutatakse multifunktsionaalsete linakangaste valmistamiseks. Linatekstiilide immutamisel (padding) nanoligniiniga saab luua multifunktsionaalseid tekstiile. Need multifunktsionaalsed tekstiilid pakuvad lisaomadustena UV-kaitset ning antibakteriaalseid ja antistaatilisi omadusi.