Trattamento a ultrasuoni delle fibre di canapa
- La macerazione a ultrasuoni di materiali fibrosi come le fibre di canapa e lino consente una modifica rapida ed efficiente delle fibre.
- Le fibre liberiane trattate a ultrasuoni sono fibrillate e presentano una superficie specifica significativamente maggiore, una maggiore resistenza alla trazione e una maggiore flessibilità.
- Il trattamento a ultrasuoni delle fibre è una tecnologia di lavorazione rapida e facile da utilizzare per la produzione industriale.
Macerazione a ultrasuoni
La macerazione a ultrasuoni è un’alternativa rapida, efficiente ed ecologica alla tradizionale macerazione in acqua o alla rugiada. La cavitazione acustica, generata da ultrasuoni ad alta intensità e bassa frequenza, disgrega le strutture cellulari di biomateriali quali le fibre vegetali non legnose, che comprendono fibre liberiane come lino, canapa, ortica, paglia di frumento, paglia di riso e iuta, nonché fibre ricavate dalle foglie (ad es. sisal, canapa di Manila, abacá) e fibre ricavate dai frutti, come la fibra di cocco ottenuta dai gusci delle noci di cocco.
Il districamento a ultrasuoni trasforma le microfibre (circa 3–5µm) in nanofibre (≥100nm). Inoltre, il trattamento a ultrasuoni ha indotto la degradazione di xiloglucano e xilano puri in soluzione, dimostrando la capacità degli ultrasuoni di degradare l’emicellulosa.
Sebbene la macerazione a ultrasuoni venga utilizzata principalmente in soluzione acquosa, è possibile – a seconda della materia prima e del risultato desiderato – combinare il processo a ultrasuoni con un trattamento alcalino. Soluzioni di NaOH, H2O2 e H2SO4 possono essere utilizzate per l’alcalinizzazione, al fine di ottenere nanofibre di cellulosa in tempi di trattamento brevi. Mediante il trattamento a ultrasuoni è possibile ottenere facilmente la fibrillazione delle microfibre di cellulosa. Le fibre prodotte a ultrasuoni presentano una morfologia specifica, nella quale le nanofibre (≥ 100nm) sono distribuite sull’intera superficie delle microfibre (3–5µm).
Analisi mediante microscopia elettronica a scansione di fibre di lino, canapa e cocco con o senza trattamento a ultrasuoni.
fonte: Renouard et al. 2014
UIP4000hdT (4kW) processore industriale a ultrasuoni per il trattamento delle fibre
Trattamento a ultrasuoni delle fibre di canapa
La crescita del mercato dei semi di canapa e dei fitocannabinoidi è accompagnata da un aumento della produzione di paglia di canapa. Come sottoprodotto, la paglia di canapa e le sue fibre vengono utilizzate principalmente per la produzione di carta o geotessili, come rinforzo nei materiali compositi e come materiale da costruzione.
La paglia di piante da fibra liberiana essiccata e tagliata può essere utilizzata come materia prima per il trattamento a ultrasuoni; tuttavia, per ottenere risultati migliori dal processo a ultrasuoni, si raccomanda l’impiego di canapulo (parzialmente) decorticato. Il materiale liberiano viene bagnato in acqua (soluzione acquosa) in modo da ottenere una sospensione pompabile, che può attraversare la cella di flusso a ultrasuoni. Il processo di sonicazione richiede solo un breve intervallo di tempo (circa 30–60 sec.). La ricerca scientifica ha dimostrato che la sonicazione migliora l’estrazione di emicellulosa e lignina dai materiali lignocellulosici. Inoltre, la sonicazione degrada la cellulosa e la pectina. Il trattamento a ultrasuoni della canapa e del lino migliora anche la flessibilità e la resistenza alla trazione delle fibre, caratteristiche preziose per la produzione di tessili e compositi.
- riduzione del contenuto di lignina
- fibre microfibrillate e nanofibrillate
- maggiore flessibilità delle fibre
- maggiore resistenza alla trazione
- processo rapido
- facile da utilizzare
Trattamento alcalino a ultrasuoni della fibra di canapa (Ferreira et al. 2019)
Fibra di canapa modificata a ultrasuoni
La fibra liberiana fibrillata a ultrasuoni (ad es. canapa, lino) è particolarmente adatta come rinforzo per resine polimeriche e compositi termoplastici e termoindurenti.
Le fibre liberiane di canapa sono una preziosa fonte da cui è possibile estrarre nanocristalli di cellulosa (CNC). I nanocristalli di cellulosa sono caratterizzati da un’elevata area superficiale e da una straordinaria rigidità e resistenza alla trazione. La resistenza alla trazione dei CNC supera quella del vetro o dell’alluminio. I nanocristalli di cellulosa sono piuttosto economici e costituiscono quindi un nanoadditivo competitivo in termini di prezzo, disponibilità, tossicità e sostenibilità.
La sonicazione è una tecnica facile da utilizzare, rapida ed ecologica, che consente di produrre nanocristalli di cellulosa di alta qualità.
Sosiati et al. 2014 mostrano gli effetti benefici della sonicazione sul trattamento delle fibre.
Sonicatori ad alte prestazioni per il trattamento delle fibre
Hielscher Ultrasonics produce apparecchiature a ultrasuoni ad alte prestazioni per applicazioni gravose. I nostri sistemi a ultrasuoni possono essere utilizzati per il trattamento in lotti o in linea in continuo. Tutti i processori industriali a ultrasuoni Hielscher possono erogare ampiezze molto elevate. È possibile operare facilmente in continuo, 24/7, con ampiezze fino a 200µm. Per ampiezze ancora maggiori sono disponibili sonotrodi a ultrasuoni personalizzati. Tuttavia, la sola capacità di erogare ampiezze molto elevate non è sufficiente per eseguire con successo un processo a ultrasuoni sulle fibre, come la macerazione o la fibrillazione. A seconda della materia prima e del risultato desiderato, i parametri di processo – ossia ampiezza, pressione, temperatura e tempo – devono essere controllabili e regolabili con precisione.
I processori digitali a ultrasuoni Hielscher registrano automaticamente tutti i dati di processo su una scheda SD integrata, rendendo riproducibili i risultati del processo. L’ampiezza e l’intensità del trattamento possono essere regolate e controllate con precisione, passando da condizioni di sonicazione molto blande a condizioni altamente intense. Ciò consente di trattare diversi materiali ottenendo risultati ottimali.
La robustezza delle apparecchiature a ultrasuoni Hielscher consente il funzionamento 24/7 in condizioni gravose e in ambienti impegnativi.
La tabella seguente fornisce un’indicazione della capacità di trattamento approssimativa dei nostri sonicatori:
| Volume del lotto | Portata | Dispositivi consigliati |
|---|---|---|
| da 1 a 500mL | da 10 a 200mL/min | UP100H |
| da 10 a 2000mL | da 20 a 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| da 0,1 a 20L | da 0,2 a 4L/min | UIP2000hdT |
| da 10 a 100L | da 2 a 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | da 10 a 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | maggiore | gruppo di UIP16000 |
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Processori a ultrasuoni ad alta potenza dalla scala di laboratorio alla scala pilota e industriale.
Bibliografia e riferimenti
- 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.
Informazioni utili
Fibra di canapa
La canapa è una coltura polivalente utilizzata per i semi di canapa e il conseguente olio di semi, i terpenoidi e i cannabinoidi (ossia CBD, CBG, ecc.) e la paglia di canapa, che può essere trasformata in materiale fibroso di valore. Per quanto riguarda la qualità della fibra di canapa, si distingue tra le cosiddette fibre di stoppa, costituite da fasci di fibre corte non allineate, e le cosiddette fibre lunghe, allineate longitudinalmente.
I fasci di fibre corte sono chiamati anche fibre tecniche e vengono utilizzati principalmente nell’industria automobilistica, per la produzione di carta e per i compositi a base biologica. Le fibre lunghe di canapa vengono utilizzate per applicazioni tessili e ad alto valore, come i compositi ad alte prestazioni e i biocompositi.
Produzione della fibra di canapa:
La canapa da fibra (canapa coltivata per la produzione di fibre) viene idealmente raccolta prima della fioritura. Questa raccolta precoce consente di ottenere fibre di qualità superiore, poiché la qualità diminuisce se si lascia fiorire la pianta. Generalmente, la canapa da fibra viene raccolta 70–90 giorni dopo la semina. Per raccogliere la canapa, le piante vengono tagliate a 2–3cm dal terreno e poi essiccate per alcuni giorni. Dopo la raccolta, la canapa viene sottoposta a macerazione. La macerazione è un processo che utilizza l’umidità e i microrganismi per degradare le pectine vegetali, che tengono unite chimicamente le strutture del fusto della canapa. Tradizionalmente, i fusti di canapa venivano macerati in acqua o alla rugiada prima della stigliatura delle fibre. Il processo di macerazione facilita la successiva separazione del libro dal cosiddetto canapulo (che costituisce il nucleo legnoso dei fusti di canapa). Dopo la macerazione, i fusti di canapa vengono essiccati (fino a un contenuto di umidità inferiore al 15%) e imballati in balle.
Per ottenere fibre di canapa utilizzabili nella produzione e come additivi, le fibre devono essere separate mediante un processo noto come “stigliatura”. Durante la stigliatura, la paglia di canapa viene lavorata meccanicamente per disgregare la pianta di canapa, ad es. utilizzando un mulino a martelli. In questo processo meccanico, la canapa viene battuta contro un vaglio finché il canapulo, le fibre liberiane più piccole e la polvere passano attraverso il vaglio. Le moderne macchine di decorticazione cinematica ad alta velocità sono in grado di separare la canapa in tre flussi: fibra liberiana, canapulo e microfibra verde.
Il contenuto di cellulosa nella canapa è di circa il 70–77%. Le fibre di canapa sono un eccellente sostituto delle fibre di cellulosa del legno
Vantaggi delle fibre di canapa
- economiche
- elevata resistenza alla trazione e rigidità
- ideali per prodotti in tessuto non tessuto agugliato
- sostituto efficace della fibra di vetro
- riduzione dei tempi di stampaggio
- riduzione del peso del componente finito
- facili da lavorare e riciclare
- personalizzabili per soddisfare diverse specifiche e adattarsi a differenti sistemi di produzione
- possibilità di garantire qualità costante e disponibilità delle forniture
Biomateriali fibrosi
Quando le fibre vengono estratte dalla paglia di lino, le parti non fibrose del fusto, esclusi i semi, vengono normalmente chiamate lische o frammenti del nucleo legnoso. Ad esempio, nel lino da olio, le lische costituiscono circa il 70 – 85% del peso totale della paglia, diventando così il principale sottoprodotto della lavorazione della paglia di lino.
La lignina nanostrutturata prodotta a ultrasuoni viene utilizzata per realizzare tessuti di lino multifunzionali. Mediante l’impregnazione a foulard dei tessuti di lino con nanolignina è possibile creare tessuti multifunzionali. Questi tessuti multifunzionali offrono proprietà aggiuntive di barriera ai raggi UV, antibatteriche e antistatiche.