Ultrazvučna obrada vlakana konoplje
- Ultrazvučno močenje vlaknastih materijala poput vlakana konoplje i lana omogućuje brzu i učinkovitu modifikaciju vlakana.
- Ultrazvučno obrađena vlakna like fibrilirana su i pokazuju znatno veću specifičnu površinu, povećanu vlačnu čvrstoću i fleksibilnost.
- Ultrazvučna obrada vlakana brza je tehnologija obrade za industrijsku proizvodnju koja je jednostavna za primjenu.
Ultrazvučno močenje
Ultrazvučno močenje brza je, učinkovita i ekološki prihvatljiva alternativa tradicionalnom močenju u vodi ili rošenju. Akustična kavitacija, koju stvara ultrazvuk visokog intenziteta i niske frekvencije, razara stanične strukture biomaterijala poput nedrvnih biljnih vlakana, koja uključuju vlakna like poput lana, konoplje, koprive, pšenične slame, rižine slame i jute, kao i vlakna dobivena iz lišća (npr. sisal, manilska konoplja, abaka) te vlakna dobivena iz plodova, poput kokosovih vlakana iz ljuski kokosovih oraha.
Ultrazvučno razdvajanje pretvara mikrovlakna (približno 3–5µm) u nanovlakna (≥100nm). Nadalje, ultrazvučna obrada izazvala je razgradnju čistog ksiloglukana i ksilana u otopini, čime je pokazana sposobnost ultrazvuka da razgrađuje hemicelulozu.
Iako se ultrazvučno močenje uglavnom provodi u vodenoj otopini, moguće je – ovisno o sirovini i željenom rezultatu – kombinirati ultrazvučni postupak s alkalnom obradom. Otopine NaOH, H2O2 i H2SO4 mogu se upotrebljavati za alkalizaciju kako bi se u kratkom vremenu obrade dobila celulozna nanovlakna. Ultrazvučnom obradom lako se može postići fibrilacija celuloznih mikrovlakana. Ultrazvučno proizvedena vlakna pokazuju specifičnu morfologiju u kojoj su nanovlakna (≥ 100nm) raspoređena po cijeloj površini mikrovlakana (3–5µm).
Analiza vlakana lana, konoplje i kokosa pretražnom elektronskom mikroskopijom, s ultrazvučnom obradom ili bez nje.
izvor: Renouard et al. 2014
UIP4000hdT (4kW) industrijski ultrazvučni procesor za obradu vlakana
Ultrazvučna obrada vlakana konoplje
S rastom tržišta sjemenki konoplje i fitokanabinoida povećava se i proizvodnja konopljine slame. Kao nusproizvod, konopljina slama i njezina vlakna uglavnom se upotrebljavaju za proizvodnju papira ili geotekstila, kao ojačanje u kompozitnim materijalima te kao građevinski materijal.
Osušena i izrezana slama biljaka s vlaknima like može se upotrebljavati kao sirovina za ultrazvučnu obradu, no za bolje rezultate ultrazvučnog postupka preporučuje se upotreba (djelomično) dekorticiranog pozdera. Materijal like navlaži se u vodi (vodenoj otopini) kako bi se dobila suspenzija koja se može crpiti i prolaziti kroz ultrazvučnu protočnu ćeliju. Postupak sonikacije traje samo kratko vrijeme (približno 30–60 sek.). Znanstvena istraživanja pokazala su da ultrazvučna obrada poboljšava ekstrakciju hemiceluloze i lignina iz lignoceluloznih materijala. Osim toga, sonikacija razgrađuje celulozu i pektin. Ultrazvučna obrada konoplje i lana također poboljšava fleksibilnost i vlačnu čvrstoću vlakana, što su vrijedna svojstva za proizvodnju tekstila i kompozita.
- smanjenje sadržaja lignina
- mikrofibrilirana i nanofibrilirana vlakna
- povećana fleksibilnost vlakana
- veća vlačna čvrstoća
- brz postupak
- jednostavno rukovanje
Ultrazvučna alkalna obrada vlakana konoplje (Ferreira et al. 2019)
Ultrazvučno modificirana vlakna konoplje
Ultrazvučno fibrilirana likova vlakna (npr. konoplja, lan) posebno su prikladna kao ojačanje za polimerne smole, termoplastične i duromerne kompozite.
Likova vlakna konoplje vrijedan su izvor iz kojeg se mogu ekstrahirati celulozni nanokristali (CNC). Celulozne nanokristale odlikuju velika površina te iznimna krutost i vlačna čvrstoća. Vlačna čvrstoća celuloznih nanokristala nadmašuje čvrstoću stakla ili aluminija. Celulozni nanokristali prilično su jeftini te su stoga konkurentan nanoaditiv u pogledu cijene, dostupnosti, toksičnosti i održivosti.
Sonikacija je jednostavna za primjenu, brza i ekološki prihvatljiva tehnika koja omogućuje proizvodnju visokokvalitetnih celuloznih nanokristala.
Sosiati i sur. 2014 prikazuju povoljne učinke sonikacije na obradu vlakana.
Ultrazvučni uređaji visokih performansi za obradu vlakana
Hielscher Ultrasonics proizvodi ultrazvučnu opremu visokih performansi za zahtjevne primjene. Naši ultrazvučni sustavi mogu se upotrebljavati za šaržnu ili kontinuiranu obradu u liniji. Svi industrijski ultrazvučni procesori Hielscher mogu postići vrlo visoke amplitude. Amplitude do 200µm mogu se lako kontinuirano održavati u radu 24/7. Za još više amplitude dostupne su prilagođene ultrazvučne sonotrode. Međutim, sama mogućnost postizanja vrlo visokih amplituda nije dovoljna za uspješnu ultrazvučnu obradu vlakana, poput močenja ili fibrilacije. Ovisno o sirovini i željenom rezultatu, parametre procesa – odnosno amplitudu, tlak, temperaturu i vrijeme – mora biti moguće precizno kontrolirati i podešavati.
Digitalni ultrazvučni procesori Hielscher automatski bilježe sve procesne podatke na ugrađenu SD karticu, čime se omogućuje ponovljivost rezultata procesa. Amplituda i intenzitet obrade mogu se precizno podešavati i kontrolirati, od vrlo blagih do vrlo intenzivnih uvjeta sonikacije. To vam omogućuje obradu različitih materijala uz optimalan rezultat.
Robusnost ultrazvučne opreme Hielscher omogućuje rad 24/7 pod velikim opterećenjem i u zahtjevnim okruženjima.
Tablica u nastavku prikazuje okvirni kapacitet obrade naših ultrazvučnih uređaja:
| Volumen šarže | Protok | Preporučeni uređaji |
|---|---|---|
| 1 do 500mL | 10 do 200mL/min | UP100H |
| 10 do 2000mL | 20 do 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 do 20L | 0,2 do 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 do 100L | 2 do 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 do 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | veći | skupina uređaja UIP16000 |
Kontaktirajte nas! / Pitajte nas!
Ultrazvučni procesori velike snage za laboratorijsko, pilotno i industrijsko mjerilo.
Literatura i reference
- Diana P.Ferreira, Juliana Cruz, Raul Fangueiro (2019): Poglavlje 1 – Modifikacija površine prirodnih vlakana u polimernim kompozitima. Zeleni kompoziti za primjene u automobilskoj industriji. Woodhead Publishing, serija o znanosti i inženjerstvu kompozita 2019, stranice 3–41.
- Sullivan Renouard, Christophe Hano, Joël Doussot, Jean-Philippe Blondeau, Eric Lainé (2014): Karakterizacija utjecaja ultrazvuka na kokosova, lanena i konopljina vlakna. Materials Letters 129, 2014. 137–141.
- H. Sosiati, M. Muhaimin, P. Abdilah, D. A. Wijayanti, Harsojo, K. Triyana (2014): Učinak kemijskih obrada na
svojstva prirodne celuloze. AIP Conference Proceedings 1617, 105 (2014). - M. Zimniewska , R. Kozłowski, J. Batog (2008): Lanena tkanina modificirana nanoligninom kao višenamjenski proizvod. Molecular Crystals and Liquid Crystals sv. 484, br. 1, 2008.
Korisne činjenice
Konopljina vlakna
Konoplja je višenamjenska kultura koja se uzgaja radi sjemena i ulja koje se iz njega dobiva, terpenoida i kanabinoida (tj. CBD-a, CBG-a itd.) te konopljine slame, koja se može preraditi u vrijedan vlaknasti materijal. U pogledu kvalitete konopljinih vlakana razlikuju se takozvana vlakna kučine, koja čine kratki snopovi neporavnatih vlakana, i takozvana vlakna povjesma, koja su duga, uzdužno poravnata vlakna.
Kratki snopovi vlakana nazivaju se i tehničkim vlaknima te se uglavnom upotrebljavaju u automobilskoj industriji, za proizvodnju papira i za kompozite na biološkoj osnovi. Duga konopljina vlakna upotrebljavaju se za tekstil i primjene visoke vrijednosti, kao što su kompoziti visokih performansi i biokompoziti.
Proizvodnja konopljinih vlakana:
Konoplju za vlakno (konoplju koja se uzgaja za proizvodnju vlakana) idealno je žeti prije cvatnje. Takva rana žetva daje kvalitetnija vlakna jer se kvaliteta smanjuje ako se dopusti cvatnja. Općenito se konoplja za vlakno žanje 70–90 dana nakon sjetve. Pri žetvi konoplje biljke se režu 2–3cm iznad tla, a zatim se suše nekoliko dana. Nakon žetve konoplja se podvrgava močenju. Močenje je postupak u kojem se djelovanjem vlage i mikroorganizama razgrađuju biljni pektini koji kemijskim vezama povezuju dijelove konopljine stabljike. Tradicionalno su se stabljike konoplje močile u vodi ili rosile prije trljenja vlakana. Postupak močenja olakšava naknadno odvajanje lika od takozvanog pozdera konoplje (koji čini drvenastu srž konopljinih stabljika). Nakon močenja stabljike konoplje suše se (do udjela vlage manjeg od 15%) i baliraju.
Kako bi se dobila konopljina vlakna koja se mogu upotrebljavati u proizvodnji i kao dodaci, vlakna se moraju odvojiti postupkom poznatim kao „trljenje”. Tijekom trljenja konopljina slama mehanički se obrađuje radi razbijanja biljke konoplje, primjerice uporabom mlina čekićara. U tom mehaničkom postupku konoplja se udara o sito dok pozder, manja likova vlakna i prašina ne propadnu kroz sito. Suvremeni brzi kinematički strojevi za dekortikaciju mogu razdvojiti konoplju u tri toka: likova vlakna, pozder i zelena mikrovlakna.
Udio celuloze u konoplji iznosi približno 70–77%. Konopljina vlakna izvrsna su zamjena za celulozna vlakna iz drva
Prednosti konopljinih vlakana
- isplativa
- visoka vlačna čvrstoća i krutost
- idealno prikladna za iglane netkane proizvode
- učinkovita zamjena za staklena vlakna
- skraćuju vrijeme oblikovanja
- smanjenje mase gotovog dijela
- jednostavna za obradu i recikliranje
- mogu se prilagoditi različitim specifikacijama i različitim proizvodnim sustavima
- moguća je ujednačena kvaliteta i dostupnost opskrbe
Vlaknasti biomaterijali
Pri izdvajanju vlakana iz lanene slame nevlaknasti dijelovi stabljike, ne uključujući sjeme, obično se nazivaju pozderom. Primjerice, kod uljanog lana pozder čini približno 70 – 85% ukupne mase slame, što ga čini glavnim nusproizvodom prerade lanene slame.
Ultrazvučno proizveden nanostrukturirani lignin upotrebljava se za izradu višenamjenskih lanenih tkanina. Fulardiranjem lanenih tekstila nanoligninom mogu se stvoriti višenamjenski tekstili. Ti višenamjenski tekstili nude dodatna svojstva zaštite od UV zračenja te antibakterijska i antistatička svojstva.