Traitement des fibres de chanvre par ultrasons
- Le rouissage par ultrasons de matériaux fibreux tels que les fibres de chanvre et de lin permet une modification rapide et efficace des fibres.
- Les fibres libériennes traitées par ultrasons sont fibrillées et présentent une surface spécifique nettement plus élevée, ainsi qu’une résistance à la traction et une souplesse accrues.
- Le traitement des fibres par ultrasons est une technologie rapide et facile à utiliser pour la production industrielle.
Rouissage par ultrasons
Le rouissage par ultrasons est une alternative rapide, efficace et écologique au rouissage traditionnel à l’eau ou à la rosée. La cavitation acoustique, produite par des ultrasons de haute intensité et de basse fréquence, désagrège les structures cellulaires de biomatériaux tels que les fibres végétales non ligneuses, notamment les fibres libériennes comme le lin, le chanvre, l’ortie, la paille de blé, la paille de riz et le jute, ainsi que les fibres issues des feuilles (p. ex. le sisal, le chanvre de Manille et l’abaca) et les fibres issues des fruits, comme les fibres de coco provenant des coques de noix de coco.
Le démêlage par ultrasons transforme les microfibres (env. 3–5µm) en nanofibres (≥100nm). De plus, le traitement par ultrasons a entraîné la dégradation de xyloglucane et de xylane purs en solution, démontrant la capacité des ultrasons à dégrader l’hémicellulose.
Bien que le rouissage par ultrasons soit principalement effectué en solution aqueuse, il est possible – selon la matière première et le résultat recherché – de combiner le procédé ultrasonore avec un traitement alcalin. Des solutions de NaOH, H2O2 et de H2SO4 peuvent être utilisées pour l’alcalinisation afin d’obtenir des nanofibres de cellulose en un temps de traitement court. Le traitement par ultrasons permet de réaliser facilement une fibrillation des microfibres de cellulose. Les fibres produites par ultrasons présentent une morphologie spécifique dans laquelle les nanofibres (≥ 100nm) sont réparties sur toute la surface des microfibres (3–5µm).
Analyse par microscopie électronique à balayage de fibres de lin, de chanvre et de coco avec ou sans traitement par ultrasons.
source : Renouard et al. 2014
UIP4000hdT (4kW) processeur industriel à ultrasons pour le traitement des fibres
Traitement des fibres de chanvre par ultrasons
La croissance du marché des graines de chanvre et des phytocannabinoïdes s’accompagne d’une augmentation de la production de paille de chanvre. En tant que sous-produit, la paille de chanvre et ses fibres sont principalement utilisées pour la production de papier ou de géotextiles, comme renfort dans les matériaux composites et comme matériau de construction.
La paille libérienne séchée et coupée peut servir de matière première pour le traitement par ultrasons ; toutefois, pour obtenir de meilleurs résultats, l’utilisation de chènevotte (partiellement) décortiquée est recommandée. La matière libérienne est mouillée dans l’eau (solution aqueuse) afin d’obtenir une suspension pompable pouvant traverser la cellule à circulation ultrasonore. Le procédé de sonication ne prend que peu de temps (env. 30–60 sec.). Des recherches scientifiques ont montré que le traitement par ultrasons améliore l’extraction de l’hémicellulose et de la lignine des matériaux lignocellulosiques. De plus, la sonication dégrade la cellulose et la pectine. Le traitement du chanvre et du lin par ultrasons améliore également la souplesse et la résistance à la traction des fibres, des caractéristiques précieuses pour la fabrication de textiles et de composites.
- réduction de la teneur en lignine
- fibres microfibrillées et nanofibrillées
- souplesse accrue des fibres
- résistance à la traction plus élevée
- procédé rapide
- facile à utiliser
Traitement alcalin des fibres de chanvre assisté par ultrasons (Ferreira et al. 2019)
Fibres de chanvre modifiées par ultrasons
Les fibres libériennes fibrillées par ultrasons (p. ex. chanvre, lin) conviennent particulièrement comme renfort pour les résines polymères et les composites thermoplastiques et thermodurcissables.
Les fibres libériennes de chanvre constituent une source précieuse dont on peut extraire des nanocristaux de cellulose (CNCs). Les nanocristaux de cellulose se caractérisent par leur surface spécifique élevée et leur rigidité et résistance à la traction exceptionnelles. La résistance à la traction des CNCs dépasse celle du verre ou de l’aluminium. Les nanocristaux de cellulose sont relativement bon marché et constituent ainsi un nanoadditif compétitif en matière de prix, de disponibilité, de toxicité et de durabilité.
La sonication est une technique facile à utiliser, rapide et écologique qui permet de produire des nanocristaux de cellulose de haute qualité.
Sosiati et al. 2014 montrent les effets bénéfiques de la sonication sur le traitement des fibres.
Appareils à ultrasons haute performance pour le traitement des fibres
Hielscher Ultrasonics fabrique des équipements à ultrasons haute performance pour les applications intensives. Nos systèmes à ultrasons peuvent être utilisés pour le traitement par lots ou le traitement continu en ligne. Tous les processeurs industriels à ultrasons Hielscher peuvent fournir des amplitudes très élevées. Des amplitudes allant jusqu’à 200µm peuvent facilement être maintenues en fonctionnement continu 24/7. Pour des amplitudes encore plus élevées, des sonotrodes sur mesure sont disponibles. Toutefois, la capacité à fournir des amplitudes très élevées ne suffit pas à elle seule pour mener à bien un procédé de traitement des fibres par ultrasons, tel que le rouissage ou la fibrillation. Selon la matière première et le résultat recherché, les paramètres du procédé – à savoir l’amplitude, la pression, la température et la durée – doivent pouvoir être contrôlés et réglés avec précision.
Les processeurs numériques à ultrasons Hielscher enregistrent automatiquement toutes les données du procédé sur une carte SD intégrée, ce qui permet de reproduire les résultats du traitement. L’amplitude et l’intensité du traitement peuvent être réglées et contrôlées avec précision, depuis des conditions de sonication très douces jusqu’à très intenses. Vous pouvez ainsi traiter différents matériaux pour obtenir des résultats optimaux.
La robustesse des équipements à ultrasons Hielscher permet un fonctionnement 24/7 en service intensif et dans des environnements exigeants.
Le tableau ci-dessous donne une indication de la capacité de traitement approximative de nos appareils à ultrasons :
| Volume par lot | Débit | Appareils recommandés |
|---|---|---|
| 1 à 500mL | 10 à 200mL/min | UP100H |
| 10 à 2000mL | 20 à 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 à 20L | 0,2 à 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 à 100L | 2 à 10L/min | UIP4000hdT |
| sans objet | 10 à 100L/min | UIP16000 |
| sans objet | supérieur | ensemble de UIP16000 |
Contactez-nous ! / Posez-nous vos questions !
Processeurs à ultrasons de forte puissance, de l’échelle du laboratoire à l’échelle pilote et industrielle.
Bibliographie et références
- 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.
Informations utiles
Fibres de chanvre
Le chanvre est une culture polyvalente exploitée pour ses graines, puis pour l’huile qui en est extraite, les terpénoïdes et les cannabinoïdes (c.-à-d. CBD, CBG, etc.), ainsi que pour sa paille, qui peut être transformée en un matériau fibreux de valeur. En ce qui concerne la qualité des fibres de chanvre, on distingue les fibres dites d’étoupe, constituées de faisceaux de fibres courts et non alignés, et les fibres dites longues, alignées longitudinalement.
Les faisceaux de fibres courts sont également appelés fibres techniques et sont principalement utilisés dans l’industrie automobile, pour la production de papier et pour les composites biosourcés. Les fibres longues de chanvre sont utilisées pour les textiles et les applications à forte valeur ajoutée, telles que les composites haute performance et les biocomposites.
Production de fibres de chanvre :
Le chanvre à fibres (chanvre cultivé pour la production de fibres) est idéalement récolté avant la floraison. Cette récolte précoce donne des fibres de meilleure qualité, car leur qualité diminue si la floraison a lieu. En général, le chanvre à fibres est récolté 70–90 jours après le semis. Pour récolter le chanvre, les plantes sont coupées à 2–3cm au-dessus du sol, puis séchées pendant quelques jours. Après la récolte, le chanvre est roui. Le rouissage est un procédé qui utilise l’humidité et les microorganismes pour dégrader les pectines végétales qui assurent la cohésion chimique de la tige de chanvre. Traditionnellement, les tiges de chanvre étaient rouies à l’eau ou à la rosée avant le teillage des fibres. Le rouissage facilite la séparation ultérieure du liber et de la chènevotte, qui constitue le cœur ligneux des tiges de chanvre. Après le rouissage, les tiges de chanvre sont séchées jusqu’à une teneur en humidité inférieure à 15%, puis mises en balles.
Pour obtenir des fibres de chanvre utilisables dans la fabrication et comme additifs, il faut séparer les fibres au moyen d’un procédé appelé « teillage ». Pendant le teillage, la paille de chanvre est traitée mécaniquement afin de désagréger la plante, par exemple à l’aide d’un broyeur à marteaux. Dans ce procédé mécanique, le chanvre est battu contre un tamis jusqu’à ce que la chènevotte, les fibres libériennes plus petites et la poussière passent à travers. Les machines modernes de décortication cinématique à grande vitesse sont capables de séparer le chanvre en trois fractions : fibres libériennes, chènevotte et microfibres vertes.
La teneur en cellulose du chanvre est d’environ 70–77%. Les fibres de chanvre constituent un excellent substitut aux fibres de cellulose de bois.
Avantages des fibres de chanvre
- économiques
- résistance à la traction et rigidité élevées
- parfaitement adaptées aux produits non tissés aiguilletés
- remplacement efficace de la fibre de verre
- réduction du temps de moulage
- réduction du poids de la pièce finie
- faciles à transformer et à recycler
- peuvent être adaptées à diverses spécifications et à différents systèmes de fabrication
- possibilité d’assurer une qualité constante et un approvisionnement régulier
Biomatériaux fibreux
Lorsque les fibres sont extraites de la paille de lin, les parties non fibreuses de la tige, à l’exclusion des graines, sont généralement appelées anas. Par exemple, dans le lin oléagineux, les anas représentent environ 70–85% du poids total de la paille, ce qui en fait le principal sous-produit de la transformation de la paille de lin.
La lignine nanostructurée produite par ultrasons est utilisée pour fabriquer des tissus de lin multifonctionnels. Le foulardage des textiles de lin avec de la nanolignine permet de créer des textiles multifonctionnels. Ces textiles offrent des propriétés supplémentaires de barrière contre les UV, ainsi que des propriétés antibactériennes et antistatiques.