Hamppukuitujen ultraäänikäsittely

• Kuitumaisten materiaalien, kuten hamppu- ja pellavakuitujen, ultraääniliotus mahdollistaa kuitujen nopean ja tehokkaan muokkauksen.
• Ultraäänellä käsitellyt niinikuidut ovat fibrilloituneita, ja niiden ominaispinta-ala on huomattavasti suurempi sekä vetolujuus ja joustavuus parempia.
• Kuitujen ultraäänikäsittely on nopea ja helppokäyttöinen käsittelytekniikka teolliseen tuotantoon.

Ultraääniliotus

Ultraääniliotus on nopea, tehokas ja ympäristöystävällinen vaihtoehto perinteiselle vesi- tai kasteliotukselle. Voimakkaan, matalataajuisen ultraäänen synnyttämä akustinen kavitaatio hajottaa biomateriaalien solurakenteita. Tällaisia biomateriaaleja ovat esimerkiksi muut kuin puuperäiset kasvikuidut, joihin kuuluvat niinikuidut, kuten pellava, hamppu, nokkonen, vehnänolki, riisinolki ja juutti, sekä lehdistä saatavat kuidut (esim. sisal, manillahamppu ja abaka) ja hedelmistä saatavat kuidut, kuten kookospähkinän kuorista saatava kookoskuitu.
Ultraäänellä tapahtuva kuitujen erottelu muuntaa mikrokuidut (noin 3–5 µm) nanokuiduiksi (≥100 nm). Lisäksi ultraäänikäsittely aiheutti puhtaan ksyloglukaanin ja ksylaanin hajoamista liuoksessa, mikä osoittaa ultraäänen kyvyn hajottaa hemiselluloosaa.
Vaikka ultraääniliotus tehdään pääasiassa vesiliuoksessa, ultraääniprosessi voidaan yhdistää alkalikäsittelyyn – raaka-aineesta ja tavoitellusta lopputuloksesta riippuen. NaOH-, H₂O₂ – ja H₂SO₄ -liuoksia voidaan käyttää alkalisointiin selluloosananokuitujen saamiseksi lyhyessä käsittelyajassa. Selluloosamikrokuitujen fibrillointi onnistuu helposti ultraäänikäsittelyllä. Ultraäänellä tuotetuilla kuiduilla on erityinen morfologia, jossa nanokuidut (≥ 100 nm) jakautuvat mikrokuitujen (3–5 µm) koko pinnalle.

Pellava-, hamppu- ja kookoskuitujen pyyhkäisyelektronimikroskooppinen analyysi ultraäänikäsittelyn kanssa tai ilman sitä.
lähde: Renouard et al. 2014

Hamppukuitujen ultraäänikäsittely

Hampunsiementen ja fytokannabinoidien markkinoiden kasvu lisää hamppukorsien tuotantoa. Sivutuotteena syntyviä hamppukorsia ja niiden kuituja käytetään pääasiassa paperin tai geotekstiilien valmistukseen, komposiittimateriaalien lujitteina sekä rakennusmateriaalina.
Kuivattuja ja leikattuja niinikuitupitoisia korsia voidaan käyttää ultraäänikäsittelyn raaka-aineena, mutta paremman ultraääniprosessin tuloksen saavuttamiseksi suositellaan (osittain) kuorittujen päistäreiden käyttöä. Niinimateriaali kostutetaan vedessä (vesiliuoksessa), jolloin saadaan pumpattava liete, joka voi kulkea ultraäänivirtauskennon läpi. Ultraäänikäsittely kestää vain lyhyen ajan (noin 30–60 s). Tieteelliset tutkimukset ovat osoittaneet, että ultraäänikäsittely tehostaa hemiselluloosan ja ligniinin uuttamista lignoselluloosamateriaaleista. Lisäksi ultraäänikäsittely hajottaa selluloosaa ja pektiiniä. Hampun ja pellavan ultraäänikäsittely parantaa myös kuitujen joustavuutta ja vetolujuutta, jotka ovat arvokkaita ominaisuuksia tekstiilien ja komposiittien valmistuksessa.

Hamppukuidun ultraääni-alkalikäsittely (Ferreira et al. 2019)

Ultraäänellä muokattu hamppukuitu

Ultraäänellä fibrilloitu niinikuitu (esim. hamppu ja pellava) soveltuu erityisen hyvin polymeerihartsien sekä kestomuovi- ja kertamuovikomposiittien lujitteeksi.
Hampun niinikuidut ovat arvokas raaka-aine, josta voidaan uuttaa selluloosananokiteitä (CNC). Selluloosananokiteille ovat ominaisia suuri pinta-ala sekä poikkeuksellinen jäykkyys ja vetolujuus. Selluloosananokiteiden vetolujuus ylittää lasin tai alumiinin lujuuden. Selluloosananokiteet ovat melko edullisia ja siten kilpailukykyinen nanolisäaine hinnan, saatavuuden, myrkyllisyyden ja kestävyyden kannalta.
Ultraäänikäsittely on helppokäyttöinen, nopea ja ympäristöystävällinen tekniikka, joka mahdollistaa korkealaatuisten selluloosananokiteiden tuotannon.

Tehokkaat ultraäänilaitteet kuitujen käsittelyyn

Hielscher Ultrasonics valmistaa tehokkaita ultraäänilaitteita vaativiin käyttökohteisiin. Ultraäänijärjestelmiämme voidaan käyttää eräkäsittelyyn tai jatkuvaan käsittelyyn suoraan prosessilinjassa. Kaikki Hielscherin teolliset ultraääniprosessorit pystyvät tuottamaan erittäin suuria amplitudeja. Jopa 200 µm:n amplitudeja voidaan helposti käyttää jatkuvasti ympärivuorokautisessa 24/7-käytössä. Vielä suurempia amplitudeja varten on saatavilla räätälöityjä ultraäänisonotrodeja. Pelkkä kyky tuottaa erittäin suuria amplitudeja ei kuitenkaan riitä onnistuneeseen kuitujen ultraääniprosessiin, kuten liotukseen tai fibrillointiin. Raaka-aineesta ja tavoitellusta lopputuloksesta riippuen prosessiparametrien – eli amplitudin, paineen, lämpötilan ja ajan – on oltava tarkasti hallittavissa ja säädettävissä.
Hielscherin digitaaliset ultraääniprosessorit tallentavat kaikki prosessitiedot automaattisesti integroituun SD-korttiin, jotta prosessitulokset ovat toistettavissa. Amplitudia ja käsittelyn voimakkuutta voidaan säätää ja hallita tarkasti hyvin lievistä erittäin voimakkaisiin ultraäänikäsittelyolosuhteisiin. Tämä antaa mahdollisuuden käsitellä erilaisia materiaaleja parhaan mahdollisen tuloksen saavuttamiseksi.
Hielscherin ultraäänilaitteiden kestävyys mahdollistaa ympärivuorokautisen 24/7-käytön raskaassa kuormituksessa ja vaativissa ympäristöissä.
Alla oleva taulukko antaa käsityksen ultraäänilaitteidemme likimääräisestä käsittelykapasiteetista: