Traitement ultrasonique des fibres de chanvre
- 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 flexibilité accrues.
- Le traitement des fibres par ultrasons est une technologie de traitement rapide et facile à utiliser pour la production industrielle.
Retting par ultrasons
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 des ultrasons de haute intensité et de basse fréquence, brise les structures cellulaires des 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, le jute, ainsi que les fibres dérivées des feuilles (par exemple, le sisal, le chanvre de manille, l'abacá) et les fibres dérivées des fruits comme le coir provenant des coquilles de noix de coco.
Le démêlage ultrasonique transforme les microfibres (environ 3-5µm) en nanofibres (≥100nm). En outre, le traitement ultrasonique a induit la dégradation du xyloglucane pur et du xylane en solution, démontrant ainsi la capacité des ultrasons à dégrader l'hémicellulose.
Bien que le rouissage ultrasonique soit principalement utilisé dans une solution aqueuse, il est possible d'obtenir des résultats très satisfaisants. – en fonction de la matière première et du résultat visé – de combiner le processus ultrasonique avec un traitement alcalin. Des solutions de NaOH, H2O2 et H2SO4 peut être utilisé pour l'alcalinisation afin d'obtenir des nanofibres de cellulose en peu de temps. Le traitement par ultrasons permet d'obtenir 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 ultrasonique.
source : Renouard et al. 2014
UIP4000hdT (4kW) processeur industriel à ultrasons pour le traitement des fibres
Traitement ultrasonique des fibres de chanvre
La croissance du marché des graines de chanvre et des phyto-cannabinoïdes 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, le renforcement des 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 meilleur rendement du processus ultrasonique, il est recommandé d'utiliser des anas (partiellement) décortiqués. La paille est mouillée dans de l'eau (solution aqueuse) afin d'obtenir une boue pompable qui peut passer dans la cellule ultrasonique. Le processus de sonification ne dure que peu de temps (environ 30 à 60 secondes). Des recherches scientifiques ont montré que les ultrasons améliorent l'extraction de l'hémicellulose et de la lignine des matériaux lignocellulosiques. En outre, les ultrasons dégradent 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 nano-fibrillées
- flexibilité accrue de la fibre
- une plus grande résistance à la traction
- processus rapide
- facile à utiliser
Traitement ultrasonique et alcalin de la fibre de chanvre (Ferreira et al. 2019)
Fibre de chanvre modifiée par ultrasons
Les fibres libériennes fibrillées par ultrasons (par exemple, le chanvre, le lin) sont particulièrement adaptées au renforcement des résines polymères, des composites thermoplastiques et thermodurcissables.
Les fibres de chanvre sont une source précieuse dont on peut extraire des nanocristaux de cellulose (CNC). Les nanocristaux de cellulose se caractérisent par leur surface élevée et leur extraordinaire rigidité et résistance à la traction. Les CNC’ La résistance à la traction est supérieure à celle du verre ou de l'aluminium. Les nanocristaux de cellulose sont assez bon marché et constituent donc un nano-additif 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 Ultrasonics fabrique des équipements ultrasoniques de haute performance pour les applications lourdes. Nos systèmes à ultrasons peuvent être utilisés pour le traitement en ligne par lots ou en continu. Tous les processeurs à ultrasons industriels Hielscher peuvent fournir des amplitudes très élevées. Des amplitudes allant jusqu'à 200µm peuvent être facilement exploitées en continu, 24 heures sur 24 et 7 jours sur 7. Pour des amplitudes encore plus élevées, des sonotrodes ultrasoniques personnalisées sont disponibles. Cependant, la capacité d'amplitudes très élevées ne suffit pas à elle seule à assurer la réussite d'un procédé ultrasonique de traitement des fibres, tel que le rouissage ou la fibrillation. En fonction de la matière première et du résultat visé, les paramètres du processus – à savoir l'amplitude, la pression, la température et le temps – doit être exactement contrôlable et ajustable.
Les processeurs numériques à ultrasons de Hielscher enregistrent automatiquement toutes les données du processus sur une carte SD intégrée, de sorte que les résultats du processus sont reproductibles. L'amplitude et l'intensité du traitement peuvent être réglées et contrôlées avec précision, depuis des conditions de sonication très douces jusqu'à des conditions de sonication très intenses. Vous avez ainsi la possibilité de traiter différents matériaux de manière optimale.
La robustesse de l'équipement ultrasonique de Hielscher lui permet de fonctionner 24 heures sur 24, 7 jours sur 7, dans des conditions difficiles et dans des environnements exigeants.
Le tableau ci-dessous vous donne une indication de la capacité de traitement approximative de nos ultrasons :
| Volume du lot | Débit | Dispositifs 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 |
| n.d. | 10 à 100L/min | UIP16000 |
| n.d. | plus grande | groupe de UIP16000 |
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Processeurs ultrasoniques de grande puissance, du laboratoire à l'échelle pilote et industrielle.
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 les 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 des fibres de coco, de lin et de 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 la
caractéristiques de la cellulose naturelle. AIP Conference Proceedings 1617, 105 (2014). - M. Zimniewska , R. Kozłowski, J. Batog (2008) : Nanolignin Modified Linen Fabric as a Multifunctional Product (Tissu de lin modifié par des nanolignines en tant que 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, puis pour l'huile de graines, les terpénoïdes et les cannabinoïdes (c'est-à-dire le CBD, le CBG, etc.) et la paille de chanvre, qui peut être transformée en matériau fibreux de valeur. En ce qui concerne la qualité des fibres de chanvre, on distingue les fibres dites "tow", qui sont des faisceaux de fibres courtes non alignées, et les fibres dites "line", qui sont des fibres longues (alignées dans le sens de la longueur).
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 biocomposites. Les fibres longues de chanvre sont utilisées pour le textile et les applications à haute valeur ajoutée telles que les composites à 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 culture précoce permet d'obtenir une meilleure qualité de fibre, car la qualité diminue si la floraison est autorisée. En général, le chanvre à fibres est récolté 70 à 90 jours après l'ensemencement. Pour récolter le chanvre, les plantes sont coupées à 2-3 cm au-dessus du sol et 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, qui lient chimiquement les tiges de chanvre entre elles. Traditionnellement, les tiges de chanvre sont rouies à l'eau ou à la rosée avant que les fibres ne soient coupées. Le processus de rouissage facilite la séparation ultérieure du liber de ce que l'on appelle la chènevotte ou shiv (qui est le noyau ligneux des tiges de chanvre). Après le rouissage, les tiges de chanvre sont séchées (jusqu'à un taux d'humidité inférieur à 15 %) et mises en balles.
Pour obtenir des fibres de chanvre, qui peuvent être utilisées pour la fabrication et comme additifs, les fibres doivent être séparées par un procédé appelé “béquillage”. Au cours du processus de teillage, la paille de chanvre est traitée mécaniquement pour réduire la plante de 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 la chènevotte, les fibres libériennes plus petites et la poussière tombent à travers le tamis. Les machines modernes de décortication cinématique à grande vitesse sont capables de séparer le chanvre en trois flux : les fibres libériennes, les fibres libériennes et les microfibres vertes.
La teneur en cellulose du chanvre est d'environ 70-77 %. Les fibres de chanvre sont un excellent substitut aux fibres de cellulose du bois.
Avantages des fibres de chanvre
- Rentabilité
- 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
- faciles à traiter et à recycler
- peut être personnalisé pour répondre à une variété de spécifications et à différents systèmes de fabrication
- une qualité et une disponibilité constantes de l'offre sont possibles
Bio-matériaux fibreux
Lorsque les fibres de paille sont extraites de la paille de lin, les parties non fibreuses de la tige, à l'exclusion de la graine, sont normalement appelées "shives" ou "hurds". Par exemple, dans le cas du lin oléagineux, les anas comprennent environ 70 – 85 % du poids total de la paille, ce qui fait de l'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 de lin avec de la nano-lignine permet de créer des textiles multifonctionnels. Ces textiles multifonctionnels offrent des propriétés supplémentaires de barrière UV, antibactériennes et antistatiques.