فرآوری فراصوتی الیاف شاهدانه
- رتینگ فراصوتی مواد لیفی مانند الیاف شاهدانه و کتان، اصلاح سریع و کارآمد الیاف را امکان‌پذیر می‌کند.
- الیاف پوست ساقه که با فراصوت فرآوری شده‌اند، فیبریله می‌شوند و سطح ویژهٔ به‌مراتب بیشتر، استحکام کششی بالاتر و انعطاف‌پذیری بیشتری دارند.
- فرآوری فراصوتی الیاف، فناوری فرآوری سریع و آسانی برای تولید صنعتی است.
رتینگ فراصوتی
رتینگ فراصوتی جایگزینی سریع، کارآمد و سازگار با محیط‌زیست برای رتینگ سنتی در آب یا با شبنم است. کاویتاسیون آکوستیکی که بر اثر فراصوت با شدت بالا و فرکانس پایین ایجاد می‌شود، ساختارهای سلولی مواد زیستی مانند الیاف گیاهی غیرچوبی را متلاشی می‌کند؛ این مواد شامل الیاف پوست ساقه مانند کتان، شاهدانه، گزنه، کاه گندم، کاه برنج و جوت، همچنین الیاف حاصل از برگ (مانند سیزال، شاهدانهٔ مانیل و آباکا) و الیاف حاصل از میوه، مانند الیاف پوستهٔ نارگیل، هستند.
بازکردن درهم‌تنیدگی الیاف با فراصوت، میکروالیاف (تقریباً 3–5µm) را به نانوالیاف (≥100nm) تبدیل می‌کند. افزون بر این، فرآوری فراصوتی باعث تجزیهٔ زایلوگلوکان و زایلان خالص در محلول شده است که توانایی فراصوت در تجزیهٔ همی‌سلولز را نشان می‌دهد.
اگرچه رتینگ فراصوتی عمدتاً در محلول آبی انجام می‌شود، می‌توان – بسته به مادهٔ اولیه و نتیجهٔ موردنظر – فرآیند فراصوتی را با تیمار قلیایی ترکیب کرد. محلول‌های NaOH، H2O2 و H2SO4 را می‌توان برای قلیایی‌سازی به کار برد تا نانوالیاف سلولزی در زمان فرآوری کوتاهی به دست آیند. با تیمار فراصوتی می‌توان به‌آسانی میکروالیاف سلولزی را فیبریله کرد. الیاف تولیدشده با فراصوت ریخت‌شناسی ویژه‌ای دارند که در آن نانوالیاف (≥ 100nm) در سراسر سطح میکروالیاف (3–5µm) توزیع شده‌اند.
بررسی الیاف کتان، شاهدانه و نارگیل با میکروسکوپ الکترونی روبشی، با و بدون فرآوری فراصوتی.
منبع: Renouard et al. 2014
UIP4000hdT (4kW) پردازشگر فراصوتی صنعتی برای فرآوری الیاف
فرآوری فراصوتی الیاف شاهدانه
با رشد بازار دانهٔ شاهدانه و فیتوکانابینوئیدها، تولید کاه شاهدانه نیز افزایش می‌یابد. کاه شاهدانه و الیاف آن، به‌عنوان محصول جانبی، عمدتاً برای تولید کاغذ یا ژئوتکستایل‌ها، تقویت مواد کامپوزیتی و نیز به‌عنوان مصالح ساختمانی استفاده می‌شوند.
کاه خشک‌شده و خردشدهٔ گیاهان دارای الیاف پوست ساقه را می‌توان به‌عنوان مادهٔ اولیه برای تیمار فراصوتی به کار برد؛ بااین‌حال، برای دستیابی به نتیجهٔ بهتر در فرآیند فراصوتی، استفاده از خرده‌های مغز چوبی که پوست آن‌ها (تا حدی) جدا شده است توصیه می‌شود. مواد پوست ساقه در آب (محلول آبی) خیسانده می‌شوند تا دوغابی قابل پمپاژ به دست آید که بتواند از سلول جریان فراصوتی عبور کند. فرآیند فراصوت‌دهی تنها مدت کوتاهی طول می‌کشد (تقریباً 30–60 sec.). پژوهش‌های علمی نشان داده‌اند که فراصوت‌دهی استخراج همی‌سلولز و لیگنین از مواد لیگنوسلولزی را بهبود می‌دهد. همچنین، فراصوت‌دهی سلولز و پکتین را تجزیه می‌کند. فرآوری فراصوتی شاهدانه و کتان، انعطاف‌پذیری و استحکام کششی الیاف را نیز بهبود می‌دهد؛ این ویژگی‌ها برای تولید منسوجات و کامپوزیت‌ها ارزشمند هستند.
- کاهش میزان لیگنین
- الیاف فیبریله‌شده در مقیاس میکرو و نانو
- افزایش انعطاف‌پذیری الیاف
- استحکام کششی بالاتر
- فرآیند سریع
- کاربری آسان
تیمار فراصوتی–قلیایی الیاف شاهدانه (Ferreira et al. 2019)
الیاف شاهدانهٔ اصلاح‌شده با فراصوت
الیاف پوست ساقه (مانند شاهدانه و کتان) که با فراصوت فیبریله شده‌اند، به‌ویژه برای تقویت رزین‌های پلیمری و کامپوزیت‌های گرمانرم و گرماسخت مناسب هستند.
الیاف پوست ساقهٔ شاهدانه منبع ارزشمندی برای استخراج نانوبلورهای سلولزی (CNCs) هستند. نانوبلورهای سلولزی با مساحت سطح زیاد و سفتی و استحکام کششی فوق‌العادهٔ خود شناخته می‌شوند. استحکام کششی CNCs از استحکام شیشه یا آلومینیوم بیشتر است. نانوبلورهای سلولزی نسبتاً ارزان هستند و ازاین‌رو، از نظر قیمت، دسترس‌پذیری، سمیت و نیز پایداری زیست‌محیطی، نانوافزودنی رقابت‌پذیری محسوب می‌شوند.
فراصوت‌دهی روشی با کاربری آسان، سریع و سازگار با محیط‌زیست است که تولید نانوبلورهای سلولزی باکیفیت را امکان‌پذیر می‌کند.
Sosiati et al. 2014 اثرات سودمند فراصوت‌دهی بر فرآوری الیاف را نشان می‌دهند.
دستگاه‌های فراصوت با عملکرد بالا برای فرآوری الیاف
Hielscher Ultrasonics تجهیزات فراصوتی با عملکرد بالا برای کاربردهای سنگین تولید می‌کند. سامانه‌های فراصوتی ما را می‌توان برای فرآوری ناپیوسته یا فرآوری پیوستهٔ درون‌خطی به کار برد. تمام پردازشگرهای فراصوتی صنعتی Hielscher قادر به تأمین دامنه‌های بسیار بالا هستند. دامنه‌های تا 200µm را می‌توان به‌آسانی و به‌طور پیوسته در کارکرد 24/7 به کار گرفت. برای دامنه‌های حتی بالاتر، سونوتْرودهای فراصوتی سفارشی در دسترس هستند. بااین‌حال، توانایی تأمین دامنه‌های بسیار بالا به‌تنهایی برای اجرای موفق فرآیند فراصوتی الیاف، مانند رتینگ یا فیبریلاسیون، کافی نیست. بسته به مادهٔ اولیه و نتیجهٔ موردنظر، پارامترهای فرآیند – یعنی دامنه، فشار، دما و زمان – باید به‌دقت قابل کنترل و تنظیم باشند.
پردازشگرهای فراصوتی دیجیتال Hielscher تمام داده‌های فرآیند را به‌طور خودکار روی یک کارت SD تعبیه‌شده در دستگاه ثبت می‌کنند تا نتایج فرآیند تکرارپذیر باشند. دامنه و شدت فرآوری را می‌توان از شرایط فراصوت‌دهی بسیار ملایم تا بسیار شدید، به‌دقت تنظیم و کنترل کرد. این قابلیت به شما امکان می‌دهد مواد مختلف را برای دستیابی به نتیجهٔ بهینه فرآوری کنید.
استحکام تجهیزات فراصوتی Hielscher امکان کارکرد 24/7 را تحت بار کاری سنگین و در محیط‌های سخت فراهم می‌کند.
جدول زیر نمایی از ظرفیت تقریبی فرآوری دستگاه‌های فراصوت ما ارائه می‌دهد:
| حجم هر بچ | دبی | دستگاه‌های پیشنهادی |
|---|---|---|
| 1 تا 500mL | 10 تا 200mL/min | UP100H |
| 10 تا 2000mL | 20 تا 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0٫1 تا 20L | 0٫2 تا 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 تا 100L | 2 تا 10L/min | UIP4000hdT |
| قابل اعمال نیست | 10 تا 100L/min | UIP16000 |
| قابل اعمال نیست | بیشتر | مجموعه‌ای از UIP16000 |
با ما تماس بگیرید! / از ما بپرسید!
پردازشگرهای فراصوتی پرتوان، از مقیاس آزمایشگاهی تا پایلوت و صنعتی.
منابع و مراجع
- 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.
دانستنی‌های مفید
الیاف شاهدانه
شاهدانه گیاهی چندمنظوره است که برای دانه و سپس روغن دانه، ترپنوئیدها و کانابینوئیدها (یعنی CBD، CBG و غیره) و کاه شاهدانه استفاده می‌شود؛ کاه آن را می‌توان به مواد لیفی ارزشمند تبدیل کرد. از نظر کیفیت الیاف شاهدانه، میان الیاف موسوم به «تاو»، یعنی دسته‌های کوتاه و ناهم‌راستای الیاف، و الیاف موسوم به «لاین»، یعنی الیاف بلند (هم‌راستا در جهت طولی)، تمایز قائل می‌شوند.
دسته‌های کوتاه الیاف، الیاف فنی نیز نامیده می‌شوند و عمدتاً در صنعت خودرو، تولید کاغذ و کامپوزیت‌های زیست‌پایه به کار می‌روند. الیاف بلند شاهدانه برای منسوجات و کاربردهای باارزش، مانند کامپوزیت‌های با عملکرد بالا و زیست‌کامپوزیت‌ها، استفاده می‌شوند.
تولید الیاف شاهدانه:
بهترین زمان برداشت شاهدانهٔ لیفی (شاهدانه‌ای که برای تولید الیاف کشت می‌شود)، پیش از گل‌دهی است. این برداشت زودهنگام کیفیت بالاتری برای الیاف به همراه دارد، زیرا اگر گیاه به مرحلهٔ گل‌دهی برسد، کیفیت کاهش می‌یابد. به‌طور معمول، شاهدانهٔ لیفی 70–90 روز پس از کاشت بذر برداشت می‌شود. برای برداشت شاهدانه، گیاهان در ارتفاع 2–3cm از سطح خاک بریده و سپس برای چند روز خشک می‌شوند. پس از برداشت، شاهدانه تحت رتینگ قرار می‌گیرد. رتینگ فرآیندی است که با استفاده از رطوبت و میکروب‌ها، پکتین‌های گیاهی را تجزیه می‌کند؛ این پکتین‌ها اجزای ساقهٔ شاهدانه را با پیوندهای شیمیایی کنار هم نگه می‌دارند. به‌طور سنتی، ساقه‌های شاهدانه پیش از جداسازی الیاف با کوبش، در آب یا با شبنم رتینگ می‌شدند. فرآیند رتینگ، جداسازی بعدی پوست ساقه از بخش موسوم به هِرد یا شیو شاهدانه (یعنی مغز چوبی ساقه‌های شاهدانه) را تسهیل می‌کند. پس از رتینگ، ساقه‌های شاهدانه خشک می‌شوند (تا رطوبت آن‌ها به کمتر از 15% برسد) و به‌صورت عدل بسته‌بندی می‌شوند.
برای به‌دست‌آوردن الیاف شاهدانهٔ قابل استفاده در تولید و به‌عنوان افزودنی، باید الیاف طی فرآیندی موسوم به «اسکاچینگ» یا جداسازی با کوبش جدا شوند. در فرآیند اسکاچینگ، کاه شاهدانه به‌صورت مکانیکی، برای مثال با استفاده از آسیاب چکشی، فرآوری می‌شود تا ساختار گیاه شاهدانه شکسته شود. در این فرآیند مکانیکی، شاهدانه به توری کوبیده می‌شود تا خرده‌های مغز چوبی، الیاف کوچک‌تر پوست ساقه و گردوغبار از توری عبور کنند. دستگاه‌های مدرن پوست‌گیری سینماتیکی با سرعت بالا قادرند شاهدانه را به سه جریان خروجی تفکیک کنند: الیاف پوست ساقه، مغز چوبی و میکروالیاف سبز.
میزان سلولز در شاهدانه تقریباً 70–77% است. الیاف شاهدانه جایگزینی عالی برای الیاف سلولزی چوب هستند.
مزایای الیاف شاهدانه
- مقرون‌به‌صرفه
- استحکام کششی و سفتی بالا
- بسیار مناسب برای محصولات بی‌بافت سوزن‌زنی‌شده
- جایگزینی مؤثر برای الیاف شیشه
- کاهش زمان قالب‌گیری
- کاهش وزن قطعهٔ نهایی
- فرآوری و بازیافت آسان
- قابل سفارشی‌سازی برای برآورده‌کردن مشخصات گوناگون و سازگاری با سامانه‌های مختلف تولید
- امکان حفظ کیفیت یکنواخت و تأمین مستمر
مواد زیستی لیفی
هنگام استخراج الیاف کاه از کاه کتان، بخش‌های غیرلیفی ساقه، به‌استثنای دانه، معمولاً شیو یا هِرد نامیده می‌شوند. برای مثال، در کتان روغنی، خرده‌های مغز چوبی تقریباً 70 – 85% از وزن کل کاه را تشکیل می‌دهند و به همین دلیل، محصول جانبی اصلی فرآوری کاه کتان هستند.
لیگنین نانوساختار تولیدشده با فراصوت برای ساخت پارچه‌های کتانی چندمنظوره به کار می‌رود. با آغشته‌سازی منسوجات کتانی به نانولیگنین به روش پدینگ، می‌توان منسوجات چندمنظوره تولید کرد. این منسوجات چندمنظوره خواص افزوده‌ای شامل محافظت در برابر UV، خواص ضدباکتریایی و خواص ضدالکتریسیتهٔ ساکن دارند.