Pemrosesan Serat Hemp Ultrasonik
- Retting ultrasonik pada bahan berserat seperti serat hemp dan flaks memungkinkan modifikasi serat yang cepat dan efisien.
- Serat kulit batang yang diproses secara ultrasonik mengalami fibrilasi dan menunjukkan luas permukaan spesifik yang jauh lebih tinggi, serta peningkatan kekuatan tarik dan fleksibilitas.
- Pemrosesan serat ultrasonik merupakan teknologi pemrosesan yang cepat dan mudah digunakan untuk produksi industri.
Retting Ultrasonik
Retting ultrasonik merupakan alternatif yang cepat, efisien, dan ramah lingkungan untuk retting basah atau retting embun tradisional. Kavitasi akustik, yang dihasilkan oleh ultrasonik berintensitas tinggi dan berfrekuensi rendah, memecah struktur seluler biomaterial seperti serat nabati nonkayu, yang mencakup serat kulit batang seperti flaks, hemp, jelatang, jerami gandum, jerami padi, jute, serta serat dari daun (misalnya, sisal, hemp manila, abaka) dan serat dari buah seperti serat sabut dari tempurung kelapa.
Penguraian serat yang saling terbelit secara ultrasonik mengubah serat mikro (sekitar 3–5µm) menjadi serat nano (≥100nm). Selain itu, pemrosesan ultrasonik menginduksi degradasi xiloglukan dan xilan murni dalam larutan, yang menunjukkan kemampuan ultrasonik untuk mendegradasi hemiselulosa.
Meskipun retting ultrasonik terutama dilakukan dalam larutan berair, proses ultrasonik dapat digabungkan dengan perlakuan alkali – bergantung pada bahan baku dan hasil yang ditargetkan. Larutan NaOH, H2O2 dan H2SO4 dapat digunakan untuk alkalisasi guna memperoleh serat nano selulosa dalam waktu pemrosesan yang singkat. Dengan perlakuan ultrasonik, fibrilasi serat mikro selulosa dapat dicapai dengan mudah. Serat yang dihasilkan secara ultrasonik menunjukkan morfologi spesifik, dengan serat nano (≥ 100nm) tersebar di seluruh permukaan serat mikro (3–5µm).
Analisis mikroskopi elektron pemindai pada serat flaks, hemp, dan sabut kelapa dengan atau tanpa pemrosesan ultrasonik.
sumber: Renouard et al. 2014
UIP4000hdT (4kW) prosesor ultrasonik industri untuk pemrosesan serat
Pemrosesan Serat Hemp Ultrasonik
Pertumbuhan pasar biji hemp dan fitokanabinoid diikuti oleh peningkatan produksi jerami hemp. Sebagai produk samping, jerami hemp dan seratnya terutama digunakan untuk produksi kertas atau geotekstil, sebagai penguat dalam bahan komposit, serta sebagai bahan bangunan.
Jerami kulit batang yang telah dikeringkan dan dipotong dapat digunakan sebagai bahan baku untuk perlakuan ultrasonik. Namun, untuk memperoleh hasil proses ultrasonik yang lebih baik, disarankan menggunakan serpihan inti kayu yang telah didekortikasi (sebagian). Bahan kulit batang dibasahi dalam air (larutan berair) sehingga diperoleh bubur yang dapat dipompa dan dialirkan melalui sel alir ultrasonik. Proses sonikasi hanya memerlukan waktu singkat (sekitar 30–60 detik). Penelitian ilmiah menunjukkan bahwa ultrasonikasi meningkatkan ekstraksi hemiselulosa dan lignin dari bahan lignoselulosa. Selain itu, sonikasi mendegradasi selulosa dan pektin. Pemrosesan ultrasonik pada hemp dan flaks juga meningkatkan fleksibilitas dan kekuatan tarik serat, yang merupakan karakteristik berharga untuk pembuatan tekstil dan komposit.
- pengurangan kandungan lignin
- serat yang terfibrilasi pada skala mikro dan nano
- peningkatan fleksibilitas serat
- kekuatan tarik yang lebih tinggi
- proses yang cepat
- mudah dioperasikan
Perlakuan ultrasonik-alkali pada serat hemp (Ferreira et al. 2019)
Serat Hemp yang Dimodifikasi secara Ultrasonik
Serat kulit batang yang difibrilasi secara ultrasonik (misalnya, hemp, flaks) sangat cocok sebagai penguat untuk resin polimer, komposit termoplastik, dan komposit termoset.
Serat kulit batang hemp merupakan sumber berharga untuk mengekstraksi nanokristal selulosa (CNC). Nanokristal selulosa dicirikan oleh luas permukaannya yang tinggi serta kekakuan dan kekuatan tariknya yang luar biasa. Kekuatan tarik CNC melampaui kekuatan kaca atau aluminium. Nanokristal selulosa cukup murah sehingga merupakan aditif nano yang kompetitif dari segi harga, ketersediaan, toksisitas, serta keberlanjutan.
Sonikasi merupakan teknik yang mudah digunakan, cepat, dan ramah lingkungan, yang memungkinkan produksi nanokristal selulosa berkualitas tinggi.
Sosiati et al. 2014 menunjukkan efek menguntungkan sonikasi pada pemrosesan serat.
Sonikator Ultrasonik Berkinerja Tinggi untuk Pemrosesan Serat
Hielscher Ultrasonics memproduksi peralatan ultrasonik berkinerja tinggi untuk aplikasi tugas berat. Sistem ultrasonik kami dapat digunakan untuk pemrosesan batch atau pemrosesan inline kontinu. Semua prosesor ultrasonik industri Hielscher dapat menghasilkan amplitudo yang sangat tinggi. Amplitudo hingga 200µm dapat dengan mudah dijalankan secara kontinu dalam operasi 24/7. Untuk amplitudo yang lebih tinggi lagi, tersedia sonotrode ultrasonik yang disesuaikan dengan kebutuhan. Namun, kemampuan menghasilkan amplitudo yang sangat tinggi saja tidak cukup untuk menjalankan proses serat ultrasonik, seperti retting atau fibrilasi, dengan berhasil. Bergantung pada bahan baku dan hasil yang ditargetkan, parameter proses – yaitu amplitudo, tekanan, suhu, dan waktu – harus dapat dikontrol dan disesuaikan secara tepat.
Prosesor ultrasonik digital Hielscher secara otomatis merekam semua data proses pada kartu SD terintegrasi sehingga hasil proses dapat direproduksi. Amplitudo dan intensitas pemrosesan dapat disesuaikan dan dikontrol secara presisi, dari kondisi sonikasi yang sangat ringan hingga sangat intens. Hal ini memberi Anda kesempatan untuk memproses berbagai bahan guna memperoleh hasil yang optimal.
Ketangguhan peralatan ultrasonik Hielscher memungkinkan operasi 24/7 untuk tugas berat dan dalam lingkungan yang menuntut.
Tabel di bawah ini memberikan gambaran perkiraan kapasitas pemrosesan sonikator ultrasonik kami:
| Volume Batch | Laju Alir | Perangkat yang Direkomendasikan |
|---|---|---|
| 1 hingga 500mL | 10 hingga 200mL/min | UP100H |
| 10 hingga 2000mL | 20 hingga 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 hingga 20L | 0,2 hingga 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 hingga 100L | 2 hingga 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 hingga 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | lebih besar | kelompok unit UIP16000 |
Hubungi Kami! / Tanyakan kepada Kami!
Prosesor ultrasonik berdaya tinggi dari skala laboratorium hingga skala percontohan dan industri.
Literatur/referensi
- 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.
Fakta yang Perlu Diketahui
Serat Hemp
Hemp merupakan tanaman multiguna yang dimanfaatkan untuk bijinya dan selanjutnya minyak biji, terpenoid dan kanabinoid (yaitu CBD, CBG, dll.), serta jerami hemp, yang dapat diolah menjadi bahan serat bernilai tinggi. Dalam hal kualitas serat hemp, dibedakan antara serat yang disebut tow, yaitu berkas serat pendek yang tidak sejajar, dan serat yang disebut line, yaitu serat panjang yang sejajar secara longitudinal.
Berkas serat pendek juga disebut serat teknis dan terutama digunakan dalam industri otomotif, untuk produksi kertas, dan untuk komposit berbasis hayati. Serat hemp panjang digunakan untuk tekstil dan aplikasi bernilai tinggi seperti komposit berkinerja tinggi dan biokomposit.
Produksi serat hemp:
Hemp serat (hemp yang ditanam untuk produksi serat) idealnya dipanen sebelum berbunga. Pemanenan dini ini menghasilkan kualitas serat yang lebih tinggi karena kualitas menurun jika tanaman dibiarkan berbunga. Umumnya, hemp serat dipanen 70–90 hari setelah penaburan benih. Untuk memanen hemp, tanaman dipotong 2–3cm di atas tanah lalu dikeringkan selama beberapa hari. Setelah dipanen, hemp menjalani retting. Retting merupakan proses yang menggunakan kelembapan dan mikroba untuk menguraikan pektin tanaman, yang mengikat bagian-bagian batang hemp secara kimia. Secara tradisional, batang hemp menjalani retting air atau retting embun sebelum seratnya menjalani scutching. Proses retting memudahkan pemisahan kulit batang selanjutnya dari bagian yang disebut hurd atau shiv hemp (yaitu inti berkayu pada batang hemp). Setelah retting, batang hemp dikeringkan (hingga kadar air kurang dari 15%) dan dipadatkan menjadi bal.
Untuk memperoleh serat hemp yang dapat digunakan dalam manufaktur dan sebagai aditif, serat harus dipisahkan melalui proses yang dikenal sebagai “scutching”. Selama proses scutching, jerami hemp diproses secara mekanis untuk memecah tanaman hemp, misalnya menggunakan penggiling palu. Dalam proses mekanis ini, hemp dipukul-pukulkan pada ayakan hingga serpihan inti kayu, serat kulit batang yang lebih kecil, dan debu jatuh melalui ayakan. Mesin dekortikasi kinematik modern berkecepatan tinggi mampu memisahkan hemp menjadi tiga aliran: serat kulit batang, serpihan inti kayu, dan serat mikro hijau.
Kandungan selulosa dalam hemp sekitar 70–77%. Serat hemp merupakan pengganti yang sangat baik untuk serat selulosa kayu
Keunggulan Serat Hemp
- hemat biaya
- kekuatan tarik dan kekakuan yang tinggi
- sangat cocok untuk produk nonwoven yang diikat dengan penusukan jarum
- pengganti yang efektif untuk serat kaca
- mengurangi waktu pencetakan
- pengurangan berat komponen jadi
- mudah diproses dan didaur ulang
- dapat disesuaikan untuk memenuhi beragam spesifikasi dan sistem manufaktur yang berbeda
- kualitas yang konsisten dan ketersediaan pasokan dapat dicapai
Biomaterial Berserat
Ketika serat jerami diekstraksi dari jerami flaks, bagian batang yang bukan serat, tidak termasuk biji, biasanya disebut shives atau hurds. Misalnya, pada flaks penghasil biji minyak, serpihan inti kayu ini mencakup sekitar 70–85% dari total berat jerami, sehingga menjadi produk samping utama pemrosesan jerami flaks.
Lignin berstruktur nano yang diproduksi secara ultrasonik digunakan untuk membuat kain linen multifungsi. Dengan mengimpregnasi tekstil linen menggunakan nanolignin melalui proses padding, tekstil multifungsi dapat dibuat. Tekstil multifungsi tersebut menawarkan sifat tambahan berupa penghalang UV, antibakteri, dan antistatis.