Traitement ultrasonique des fibres de chanvre
- Le rouissage par ultrasons des matériaux fibreux tels que le chanvre et les fibres de lin permet une modification rapide et efficace des fibres.
- Les fibres libériennes traitées par ultrasons sont fibrillées et présentent une surface spécifique nettement supérieure, une résistance à la traction et une flexibilité accrues.
- Le traitement ultrasonique des fibres est une technologie de traitement rapide et facile à utiliser pour la production industrielle.
Réseaux ultrasoniques
Le rouissage par ultrasons est une alternative rapide, efficace et écologique au rouissage traditionnel par voie humide ou par rosée. La cavitation acoustique, générée par les ultrasons à haute intensité et à basse fréquence, brise les structures cellulaires des biomatériaux tels que les fibres végétales autres que le bois, qui comprennent les fibres libériennes comme le lin, le chanvre, l'ortie, la paille de blé, de riz, le jute, ainsi que les fibres provenant de feuilles (par exemple le sisal, le chanvre manilla, l'abacá) et de fruits, et de fibres dérivées de noix de coco.
Le démêlage ultrasonique transforme les microfibres (env. 3-5µm) en nanofibres (≥100nm). De plus, le traitement par ultrasons a induit la dégradation du xyloglucane pur et du xylane en solution, démontrant la capacité des ultrasons à dégrader l'hémicellulose.
Bien que le rouissage par ultrasons soit principalement utilisé en solution aqueuse, il est possible – en fonction de la matière première et du résultat visé – pour combiner le procédé ultrasonique avec un traitement alcalin. Solutions de NaOH, H2la2 et H2ALORS4 peut être utilisé pour l'alcalinisation afin d'obtenir des nanofibres de cellulose en un temps de traitement court. Par traitement ultrasonique, une fibrillation des microfibres de cellulose peut être facilement réalisée. 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 des fibres de lin, de chanvre et de coco, avec ou sans traitement par ultrasons.
source : Renouard et al. 2014
UIP4000hdT (4 kW) processeur ultrasonique industriel pour le traitement des fibres
Traitement ultrasonique des fibres de chanvre
Le marché croissant des graines de chanvre et des phyto-cannabinoïdes s'accompagne d'une production croissante de paille de chanvre. Comme sous-produit, la paille de chanvre et ses fibres sont principalement utilisées pour la production de papier ou de géotextiles, le renforcement dans les matériaux composites ainsi que les matériaux de construction.
La paille séchée et coupée peut être utilisée comme matière première pour le traitement par ultrasons, mais pour un rendement supérieur du processus ultrasonique, l'utilisation d'anas (partiellement) décorticés est recommandée. Le matériau de base est mouillé dans de l'eau (solution aqueuse) afin d'obtenir une boue pompable qui peut passer à travers la cellule ultrasonore. Le processus de sonication ne prend qu'un court laps de temps (environ 30 à 60 secondes). La recherche scientifique a montré que les ultrasons améliorent l'extraction de l'hémicellulose et de la lignine des matériaux lignocellulosiques. De plus, la sonication dégrade la cellulose et la pectine. Le traitement par ultrasons du chanvre et du lin améliore également la flexibilité et la résistance à la traction des fibres, qui sont des caractéristiques précieuses pour la fabrication de textiles et de composites.
- réduction de la teneur en lignine
- fibres micro et nanofibrillées
- flexibilité accrue des fibres
- plus grande résistance à la traction
- processus rapide
- facile à utiliser
Traitement ultrasonore-alcalin de la fibre de chanvre (Ferreira et al. 2019)
Fibre de chanvre modifiée par ultrasons
La fibre libérienne fibrillée par ultrasons (p. ex. chanvre, lin) convient particulièrement comme renforcement pour les résines polymères, les composites thermoplastiques et thermodurcissables.
Les fibres de chanvre sont une source précieuse d'où l'on peut extraire des nanocristaux de cellulose (CNC). Les nanocristaux de cellulose se caractérisent par leur grande surface spécifique, leur rigidité et leur résistance à la traction exceptionnelles. CNC’ La résistance à la traction dépasse la résistance du verre ou de l'aluminium. Les nanocristaux de cellulose sont un nano-additif très bon marché et donc compétitif en termes 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.
Ultrasons haute performance pour le traitement des fibres
Hielscher Ultrasons fabrique des équipements ultrasoniques de haute performance pour les applications lourdes. Nos systèmes à ultrasons peuvent être utilisés pour le traitement par lots ou en continu en ligne. Tous les processeurs à ultrasons industriels Hielscher peuvent fournir des amplitudes très élevées. Des amplitudes allant jusqu'à 200µm peuvent être facilement utilisées en continu 24h/24 et 7j/7. Pour des amplitudes encore plus élevées, des sonotrodes ultrasoniques personnalisées sont disponibles. Cependant, la capacité de très grandes amplitudes ne suffit pas à elle seule à faire fonctionner avec succès un procédé ultrasonique à fibres, comme le rouissage ou la fibrillation. En fonction de la matière première et du résultat visé, les paramètres du processus sont les suivants – à savoir l'amplitude, la pression, la température et le temps – doit être exactement contrôlable et réglable.
Les processeurs numériques à ultrasons de Hielscher enregistrent automatiquement toutes les données de processus sur une carte SD intégrée, de sorte que les résultats de processus sont reproductibles. L'amplitude et l'intensité du traitement peuvent être ajustées et contrôlées avec précision, des conditions de sonication très légères à très intenses. Vous avez ainsi la possibilité de traiter différents matériaux pour obtenir un rendement optimal.
La robustesse des équipements à ultrasons Hielscher permet un fonctionnement 24/7 à usage intensif et dans des environnements exigeants.
Le tableau ci-dessous vous donne une indication de la capacité de traitement approximative de nos ultrasonicators:
| lot Volume | Débit | Appareils recommandés |
|---|---|---|
| 1 à 500 ml | 10 à 200 ml / min | UP100H |
| 10 à 2000mL | 20 à 400 ml / min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 20L | 00,2 à 4L / min | UIP2000hdT |
| 10 à 100l | 2 à 10 L / min | UIP4000hdT |
| n / a. | 10 à 100 litres / min | UIP16000 |
| n / a. | plus grand | groupe de UIP16000 |
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Littérature / Références
- Diana P. Ferreira, Juliana Cruz, Raul Fangueiro (2019) : Chapitre 1 – Modification de la surface des fibres naturelles dans les composites polymères. Composites verts pour applications automobiles. Woodhead Publishing Series in Composites Science and Engineering 2019, pages 3-41.
- Sullivan Renouard, Christophe Hano, Joël Doussot, Jean-Philippe Blondeau, Eric Lainé (2014) : Caractérisation de l'impact ultrasonique sur les fibres de coco, lin et chanvre. Materials Letters 129, 2014. 137–141.
- H. Sosiati, M. Muhaimin, P. Abdilah, D. A. Wijayanti, Harsojo, K. Triyana (2014) : Effet des traitements chimiques sur l'environnement
caractéristiques de la cellulose naturelle. AIP Conference Proceedings 1617, 105 (2014). - M. Zimniewska, R. Kozłowski, J. Batog (2008) : Tissu de lin modifié à la nanolignine comme produit multifonctionnel. Molecular Crystals and Liquid Crystals Vol. 484, Issue 1, 2008.
Qu'il faut savoir
Fibre de chanvre
Le chanvre est une culture polyvalente utilisée pour les graines de chanvre et par la suite l'huile de graines, les terpénoïdes et les cannabinoïdes (CBD, CBG, etc.) et la paille de chanvre, qui peut être transformée en une matière fibreuse précieuse. En ce qui concerne la qualité de la fibre de chanvre, on distingue les fibres dites de remorquage, qui ne sont pas alignées, des faisceaux de fibres courtes et les fibres dites de ligne, qui sont des fibres longues (alignées longitudinalement).
Les faisceaux de fibres courtes sont également appelés fibres techniques et sont principalement utilisés dans l'industrie automobile, pour la production de papier et pour les composites biologiques. Les fibres longues de chanvre sont utilisées pour des applications textiles et à haute 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 permet d'obtenir une fibre de meilleure qualité, car la qualité diminue si la floraison est autorisée. En général, le chanvre fibreux est récolté 70-90 jours après l'ensemencement. Pour récolter le chanvre, les plantes sont coupées à 2 ou 3 cm au-dessus du sol, puis séchées pendant quelques jours. Après la récolte, le chanvre est roui. Le rouissage est un processus qui utilise l'humidité et les microbes pour décomposer les pectines de la plante, ce qui lie chimiquement la tige du chanvre. Traditionnellement, les tiges de chanvre sont rouies à l'eau ou à la rosée avant que les fibres ne soient teillées. Le processus de rouissage facilite la séparation ultérieure du liber de ce que l'on appelle le chanvre hurd ou shiv (qui est le noyau ligneux des tiges de chanvre). Après le rouissage, les tiges de chanvre sont séchées (à un taux d'humidité inférieur à 15 %) et mises sous vide.
Pour obtenir des fibres de chanvre, qui peuvent être utilisées pour la fabrication et comme additifs, les fibres doivent être séparées selon un procédé connu sous le nom de “teillage”. Pendant le processus de teillage, la paille de chanvre est traitée mécaniquement pour défibrer le chanvre, par exemple à l'aide d'un moulin à marteaux. Dans ce processus mécanique, le chanvre est battu contre un tamis jusqu'à ce que des fibres libériennes plus petites et blessées tombent à travers le tamis. Les machines modernes de décortication cinématique à grande vitesse sont capables de séparer le chanvre en trois flux : la fibre libérienne, la hurd et la microfibre verte.
La teneur en cellulose du chanvre est d'environ 70-77%. Les fibres de chanvre sont un excellent substitut aux fibres de cellulose de bois.
Avantages des fibres de chanvre
- rentable
- résistance à la traction et rigidité élevées
- Idéal pour les produits non tissés aiguilletés
- remplacement efficace de la fibre de verre
- réduit le temps de moulage
- réduction du poids de la pièce finie
- facile à traiter et à recycler
- peut être personnalisé pour répondre à une variété de spécifications et de systèmes de fabrication différents
- une qualité et une disponibilité constantes de l'approvisionnement sont possibles
Biomatériaux fibreux
Lorsque les fibres de paille sont extraites de la paille de lin, les parties non fibreuses de la tige, à l'exclusion des graines, sont normalement appelées anas ou hurds. Par exemple, dans le lin oléagineux, les anas contiennent environ 70 – 85 % du poids total de la paille, ce qui fait des anas 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 rembourrage des textiles en lin avec de la nano-lignine permet de créer des textiles multifonctionnels. Ces textiles multifonctionnels offrent les propriétés supplémentaires de barrière UV, antibactériennes et antistatiques.