עיבוד אולטרסוני של סיבי קנבוס
- ריקוב אולטרסוני של חומרים סיביים כגון סיבי קנבוס ופשתן מאפשר שינוי מהיר ויעיל של תכונות הסיבים.
- סיבי שיפה שעובדו באולטרסאונד עוברים פיברילציה ומציגים שטח פנים סגולי גדול משמעותית, חוזק מתיחה מוגבר וגמישות מוגברת.
- עיבוד אולטרסוני של סיבים הוא טכנולוגיית עיבוד מהירה וקלה לשימוש לייצור תעשייתי.
ריקוב אולטרסוני
ריקוב אולטרסוני הוא חלופה מהירה, יעילה וידידותית לסביבה לריקוב מסורתי במים או בטל. קוויטציה אקוסטית, הנוצרת באמצעות אולטרסאונד בעוצמה גבוהה ובתדירות נמוכה, מפרקת מבנים תאיים של חומרים ביולוגיים כגון סיבים צמחיים שאינם מעץ, הכוללים סיבי שיפה כגון פשתן, קנבוס, סרפד, קש חיטה, קש אורז ויוטה, וכן סיבים שמקורם בעלים (למשל סיסל, קנבוס מנילה, אבקה) וסיבים שמקורם בפירות, כגון סיבי קוקוס מקליפות אגוזי קוקוס.
התרת סבכים באמצעות אולטרסאונד הופכת מיקרוסיבים (כ־3–5µm) לננוסיבים (≥100nm). יתר על כן, עיבוד אולטרסוני גרם לפירוק של קסילוגלוקן וקסילן טהורים בתמיסה, והדגים את יכולתו של האולטרסאונד לפרק המיצלולוז.
אף שריקוב אולטרסוני משמש בעיקר בתמיסה מימית, ניתן – בהתאם לחומר הגלם ולתוצאה הרצויה – לשלב את התהליך האולטרסוני עם טיפול בבסיס. תמיסות של NaOH, H2O2 ו־H2SO4 יכולות לשמש לאלקליזציה כדי לקבל ננוסיבי תאית בזמן עיבוד קצר. באמצעות טיפול אולטרסוני ניתן להשיג בקלות פיברילציה של מיקרוסיבי תאית. הסיבים המיוצרים באולטרסאונד מציגים מורפולוגיה מסוימת שבה הננוסיבים (≥ 100nm) מפוזרים על פני כל שטח הפנים של המיקרוסיבים (3–5µm).
ניתוח במיקרוסקופ אלקטרונים סורק של סיבי פשתן, קנבוס וקוקוס עם עיבוד אולטרסוני או בלעדיו.
מקור: Renouard et al. 2014
UIP4000hdT (4kW) מעבד אולטרסוני תעשייתי לעיבוד סיבים
עיבוד אולטרסוני של סיבי קנבוס
עם צמיחת השוק לזרעי קנבוס ולפיטוקנבינואידים, עולה גם היקף הייצור של קש קנבוס. כתוצר לוואי, קש הקנבוס וסיביו משמשים בעיקר לייצור נייר או אריגים גאוטכניים, לחיזוק חומרים מרוכבים וכן כחומר בנייה.
קש שיפה מיובש וחתוך יכול לשמש כחומר גלם לטיפול אולטרסוני, אולם לקבלת תפוקה מעולה בתהליך האולטרסוני מומלץ להשתמש בשבבי הליבה העצית שקליפתם הוסרה (חלקית). חומר השיפה מורטב במים (תמיסה מימית), כך שמתקבל תרחיף הניתן לשאיבה, שיכול לעבור דרך תא הזרימה האולטרסוני. תהליך הסוניקציה נמשך זמן קצר בלבד (כ־30–60 שניות). מחקרים מדעיים הראו שטיפול באולטרסאונד משפר את מיצוי ההמיצלולוז והליגנין מחומרים ליגנוצלולוזיים. נוסף על כך, סוניקציה מפרקת תאית ופקטין. עיבוד אולטרסוני של קנבוס ופשתן משפר גם את גמישות הסיבים ואת חוזק המתיחה שלהם, תכונות בעלות ערך לייצור טקסטיל וחומרים מרוכבים.
- הפחתת תכולת הליגנין
- סיבים שעברו פיברילציה ברמת המיקרו והננו
- גמישות מוגברת של הסיבים
- חוזק מתיחה גבוה יותר
- תהליך מהיר
- קל לתפעול
טיפול משולב באולטרסאונד ובבסיס בסיבי קנבוס (Ferreira et al. 2019)
סיבי קנבוס שתכונותיהם שונו באמצעות אולטרסאונד
סיבי ליבה של הקליפה (למשל, המפ ופשתן) שעברו פיברילציה אולטרסונית מתאימים במיוחד לחיזוק שרפים פולימריים וחומרים מרוכבים תרמופלסטיים ותרמוסטיים.
סיבי הקליפה של ההמפ הם מקור רב־ערך שממנו ניתן למצות ננו־גבישי תאית (CNCs). ננו־גבישי תאית מתאפיינים בשטח הפנים הגדול שלהם ובקשיחות ובחוזק המתיחה יוצאי הדופן שלהם. חוזק המתיחה של CNCs עולה על חוזקם של זכוכית או אלומיניום. ננו־גבישי תאית זולים למדי, ולכן הם תוסף ננומטרי תחרותי מבחינת מחיר, זמינות, רעילות וקיימות.
סוניקציה היא טכניקה קלה לשימוש, מהירה וירוקה, המאפשרת לייצר ננו־גבישי תאית באיכות גבוהה.
Sosiati et al. 2014 מדגימים את ההשפעות המועילות של סוניקציה על עיבוד סיבים.
מכשירים אולטרסוניים בעלי ביצועים גבוהים לעיבוד סיבים
Hielscher Ultrasonics מייצרת ציוד אולטרסוני בעל ביצועים גבוהים ליישומים תובעניים. ניתן להשתמש במערכות האולטרסוניות שלנו לעיבוד במנות או לעיבוד רציף בקו הייצור. כל המעבדים האולטרסוניים התעשייתיים של Hielscher יכולים לספק אמפליטודות גבוהות מאוד. ניתן להפעיל בקלות אמפליטודות של עד 200µm ברציפות, בפעולה 24/7. לאמפליטודות גבוהות עוד יותר, זמינות סונוטרודות אולטרסוניות בהתאמה אישית. עם זאת, היכולת לספק אמפליטודות גבוהות מאוד לבדה אינה מספיקה לביצוע מוצלח של תהליך אולטרסוני לעיבוד סיבים, כגון ריכוך להפרדת סיבים או פיברילציה. בהתאם לחומר הגלם ולתוצאה הרצויה, פרמטרי התהליך – כלומר אמפליטודה, לחץ, טמפרטורה וזמן – חייבים להיות ניתנים לבקרה ולהתאמה מדויקות.
המעבדים האולטרסוניים הדיגיטליים של Hielscher מתעדים אוטומטית את כל נתוני התהליך בכרטיס SD מובנה, כך שניתן לשחזר את תוצאות התהליך. ניתן לכוונן ולבקר במדויק את האמפליטודה ואת עוצמת העיבוד, מתנאי סוניקציה מתונים מאוד ועד לתנאים עוצמתיים ביותר. כך ניתן לעבד חומרים שונים להשגת תוצאות מיטביות.
העמידות של הציוד האולטרסוני של Hielscher מאפשרת פעולה 24/7 בעומס כבד ובסביבות תובעניות.
הטבלה שלהלן נותנת אינדיקציה לקיבולת העיבוד המשוערת של המכשירים האולטרסוניים שלנו:
| נפח מנה | ספיקת זרימה | מכשירים מומלצים |
|---|---|---|
| 1 עד 500mL | 10 עד 200mL/min | UP100H |
| 10 עד 2000mL | 20 עד 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 עד 20L | 0.2 עד 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 עד 100L | 2 עד 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 עד 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | גבוהה יותר | מקבץ של UIP16000 |
צרו איתנו קשר! / שאלו אותנו!
מעבדים אולטרסוניים בהספק גבוה, מקנה מידה מעבדתי ועד לקנה מידה של מתקן פיילוט ולקנה מידה תעשייתי.
ספרות ומקורות
- 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.
עובדות שכדאי לדעת
סיבי המפ
קנבוס הוא גידול רב־תכליתי המשמש להפקת זרעי קנבוס ובהמשך שמן זרעים, טרפנואידים וקנבינואידים (כלומר CBD, CBG וכו'), וכן קש קנבוס, שאותו ניתן לעבד לחומר סיבי בעל ערך. מבחינת איכות סיבי הקנבוס, מבחינים בין סיבים המכונים סיבי נעורת, שהם צרורות סיבים קצרים שאינם מיושרים, לבין סיבים המכונים סיבים ארוכים, שהם סיבים ארוכים המיושרים בכיוון האורך.
צרורות הסיבים הקצרים מכונים גם סיבים טכניים ומשמשים בעיקר בתעשיית הרכב, לייצור נייר ולחומרים מרוכבים ממקור ביולוגי. סיבי קנבוס ארוכים משמשים לטקסטיל וליישומים בעלי ערך גבוה, כגון חומרים מרוכבים בעלי ביצועים גבוהים וחומרים מרוכבים ביולוגיים.
ייצור סיבי קנבוס:
המועד האידיאלי לקציר קנבוס לסיבים (קנבוס המגודל לצורך ייצור סיבים) הוא לפני הפריחה. קציר מוקדם זה מניב סיבים באיכות גבוהה יותר, משום שהאיכות יורדת אם מאפשרים לצמח לפרוח. בדרך כלל, קנבוס לסיבים נקצר 70–90 ימים לאחר הזריעה. לצורך הקציר, חותכים את הצמחים בגובה 2–3cm מעל הקרקע ולאחר מכן מייבשים אותם במשך כמה ימים. לאחר הקציר, הקנבוס עובר ריכוך ביולוגי. ריכוך ביולוגי הוא תהליך המשתמש בלחות ובמיקרואורגניזמים לפירוק הפקטינים הצמחיים, המחברים כימית את מרכיבי גבעול הקנבוס. באופן מסורתי, גבעולי הקנבוס עברו ריכוך במים או בטל לפני ניפוץ הסיבים. תהליך הריכוך מקל על ההפרדה בהמשך בין השיפה לבין מה שמכונה ליבת הקנבוס או שבבי הליבה (הליבה העֵצית של גבעולי הקנבוס). לאחר הריכוך, מייבשים את גבעולי הקנבוס (לתכולת לחות של פחות מ־15%) וכובשים אותם לחבילות.
כדי לקבל סיבי קנבוס שניתן להשתמש בהם לייצור וכתוספים, יש להפריד את הסיבים בתהליך המכונה "ניפוץ". במהלך הניפוץ, קש הקנבוס עובר עיבוד מכני לפירוק צמח הקנבוס, למשל באמצעות מטחנת פטישים. בתהליך מכני זה חובטים בקנבוס כנגד רשת עד ששבבי הליבה, סיבי השיפה הקטנים יותר והאבק נופלים דרך הרשת. מכונות קינמטיות מודרניות להסרת קליפה במהירות גבוהה מסוגלות להפריד קנבוס לשלושה זרמים: סיבי שיפה, שבבי ליבה ומיקרוסיבים ירוקים.
תכולת התאית בקנבוס היא כ־70–77%. סיבי קנבוס הם תחליף מצוין לסיבי תאית מעץ
יתרונות סיבי הקנבוס
- כדאיים מבחינה כלכלית
- חוזק מתיחה וקשיחות גבוהים
- מתאימים באופן אידיאלי למוצרים לא ארוגים המלוכדים באמצעות מחטים
- תחליף יעיל לסיבי זכוכית
- מקצרים את זמן העיצוב בתבנית
- הפחתת משקל החלק המוגמר
- קלים לעיבוד ולמיחזור
- ניתנים להתאמה למגוון מפרטים ומערכות ייצור שונות
- ניתן להשיג איכות עקבית וזמינות אספקה
חומרים ביולוגיים סיביים
כאשר מפיקים סיבים מקש פשתן, החלקים הלא סיביים של הגבעול, ללא הזרעים, מכונים בדרך כלל שבבי ליבה או שברי ליבה. לדוגמה, בפשתן לשמן, שבבי הליבה מהווים כ־70–85% ממשקל הקש הכולל, ולכן הם תוצר הלוואי העיקרי של עיבוד קש הפשתן.
ליגנין בעל מבנה ננומטרי המיוצר באמצעות אולטרסאונד משמש לייצור אריגי פשתן רב־תכליתיים. באמצעות הספגת מוצרי טקסטיל מפשתן בננו־ליגנין, ניתן ליצור מוצרי טקסטיל רב־תכליתיים. מוצרי טקסטיל רב־תכליתיים אלה מציעים תכונות נוספות של חסימת קרינת UV, פעילות אנטיבקטריאלית ותכונות אנטיסטטיות.