Lavorazione a ultrasuoni delle fibre di canapa
- La ritriturazione a ultrasuoni di materiali fibrosi come le fibre di canapa e di lino consente una modifica rapida ed efficiente delle fibre.
- Le fibre di bastone lavorate a ultrasuoni sono fibrillate e presentano una superficie specifica significativamente più elevata, una maggiore resistenza alla trazione e flessibilità.
- La lavorazione delle fibre a ultrasuoni è una tecnologia di lavorazione rapida e facile da usare per la produzione industriale.
Retting a ultrasuoni
La ritriturazione a ultrasuoni è un'alternativa rapida, efficiente ed ecologica alla tradizionale ritriturazione a umido o a rugiada. La cavitazione acustica, generata da ultrasuoni ad alta intensità e bassa frequenza, rompe le strutture cellulari di biomateriali come le fibre vegetali non legnose, tra cui le fibre bastarde come il lino, la canapa, l'ortica, la paglia di grano, la paglia di riso, la juta, nonché le fibre derivate dalle foglie (ad esempio, sisal, canapa manilla, abacá) e le fibre derivate dai frutti come il cocco dai gusci delle noci di cocco.
Gli ultrasuoni trasformano 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 rettifica ad ultrasuoni venga utilizzata principalmente in soluzione acquosa, è possibile – a seconda della materia prima e del risultato desiderato – per combinare il processo a ultrasuoni con un trattamento alcalino. Soluzioni di NaOH, H2O2 e H2SO4 può essere utilizzato per l'alcalinizzazione per ottenere nanofibre di cellulosa in tempi brevi. Con il trattamento a ultrasuoni è possibile ottenere facilmente la fibrillazione delle microfibre di cellulosa. Le fibre prodotte con gli ultrasuoni mostrano una morfologia specifica in cui le nanofibre (≥ 100nm) sono distribuite su tutta la superficie delle microfibre (3-5µm).
Analisi di microscopia elettronica a scansione su fibre di lino, canapa e cocco con o senza trattamento a ultrasuoni.
fonte: Renouard et al. 2014
UIP4000hdT (4kW) processore industriale a ultrasuoni per la lavorazione delle fibre
Lavorazione a ultrasuoni della fibra di canapa
Con la crescita del mercato dei semi di canapa e dei fitocannabinoidi, aumenta anche la produzione di paglia di canapa. Come sottoprodotto, la paglia di canapa e le sue fibre sono utilizzate principalmente per la produzione di carta o geotessili, per il rinforzo di materiali compositi e per l'edilizia.
La paglia bastarda essiccata e tagliata può essere utilizzata come materia prima per il trattamento a ultrasuoni, ma per ottenere una resa superiore del processo a ultrasuoni si raccomanda l'uso di canapuli e capecchi (parzialmente) decorticati. Il materiale di paglia viene bagnato in acqua (soluzione acquosa) in modo da ottenere un impasto pompabile, che può passare attraverso la cella a ultrasuoni. Il processo di sonicazione richiede solo un breve periodo di tempo (circa 30-60 secondi). La ricerca scientifica ha dimostrato che gli ultrasuoni migliorano l'estrazione di emicellulosa e lignina dai materiali lignocellulosici. Inoltre, la sonicazione degrada la cellulosa e la pectina. La lavorazione a ultrasuoni di canapa e lino migliora anche la flessibilità e la resistenza alla trazione delle fibre, caratteristiche preziose per la produzione di tessuti e compositi.
- riduzione del contenuto di lignina
- fibre micro e nano fibrillate
- maggiore flessibilità della fibra
- maggiore resistenza alla trazione
- Processo rapido
- Facile da usare
Trattamento ultrasonico-alcalino della fibra di canapa (Ferreira et al. 2019)
Fibra di canapa modificata a ultrasuoni
La fibra bastarda fibrillata a ultrasuoni (ad esempio, canapa, lino) è particolarmente adatta come rinforzo per resine polimeriche, compositi termoplastici e termoindurenti.
Le fibre di canapa sono una fonte preziosa da cui si possono 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. I CNC’ La resistenza alla trazione supera quella del vetro o dell'alluminio. I nanocristalli di cellulosa sono piuttosto economici e rappresentano quindi un nano-additivo competitivo in termini di prezzo, disponibilità, tossicità e sostenibilità.
La sonicazione è una tecnica facile da usare, veloce ed ecologica, che consente di produrre nanocristalli di cellulosa di alta qualità.
Sosiati et al. 2014 mostrano gli effetti benefici della sonicazione sulla lavorazione delle fibre.
Ultrasuonatori ad alte prestazioni per la lavorazione delle fibre
Hielscher Ultrasonics produce apparecchiature a ultrasuoni ad alte prestazioni per applicazioni pesanti. I nostri sistemi a ultrasuoni possono essere utilizzati per la lavorazione in linea in batch o in continuo. Tutti i processori industriali a ultrasuoni Hielscher sono in grado di fornire ampiezze molto elevate. Ampiezze fino a 200 µm possono essere facilmente gestite in modo continuo, 24 ore su 24, 7 giorni su 7. Per ampiezze ancora maggiori, sono disponibili sonotrodi a ultrasuoni personalizzati. Tuttavia, la capacità di avere ampiezze molto elevate da sola non è sufficiente per eseguire un processo di fibre ad ultrasuoni di successo, come la retting o la fibrillazione. A seconda della materia prima e del risultato che si vuole ottenere, i parametri del processo – cioè ampiezza, pressione, temperatura e tempo. – deve essere esattamente controllabile e regolabile.
I processori digitali a ultrasuoni Hielscher registrano automaticamente tutti i dati di processo su una scheda SD integrata, in modo che i risultati del processo siano riproducibili. L'ampiezza e l'intensità di lavorazione possono essere regolate e controllate con precisione, da condizioni di sonicazione molto blande a quelle più intense. In questo modo si ha la possibilità di lavorare diversi materiali in modo ottimale.
La robustezza delle apparecchiature a ultrasuoni di Hielscher consente di operare 24 ore su 24, 7 giorni su 7, in condizioni di lavoro gravose e in ambienti difficili.
La tabella seguente fornisce un'indicazione della capacità di lavorazione approssimativa dei nostri ultrasonori:
| Volume di batch | Portata | Dispositivi raccomandati |
|---|---|---|
| 1 - 500mL | 10 - 200mL/min | UP100H |
| 10 - 2000mL | 20 - 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 - 20L | 0,2 - 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 - 100L | 2 - 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 - 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | più grande | cluster di UIP16000 |
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Letteratura/riferimenti
- Diana P.Ferreira, Juliana Cruz, Raul Fangueiro (2019): Capitolo 1 – Modifica della superficie delle fibre naturali nei compositi polimerici. Compositi verdi per applicazioni automobilistiche. Woodhead Publishing Series in Composites Science and Engineering 2019, Pagine 3-41.
- Sullivan Renouard, Christophe Hano, Joël Doussot, Jean-Philippe Blondeau, Eric Lainé (2014): Caratterizzazione dell'impatto ultrasonico su fibre di cocco, lino e canapa. Materials Letters 129, 2014. 137-141.
- H. Sosiati, M. Muhaimin, P. Abdilah, D. A. Wijayanti, Harsojo, K. Triyana (2014): Effetto dei trattamenti chimici sulla
caratteristiche della cellulosa naturale. Atti della conferenza AIP 1617, 105 (2014). - M. Zimniewska , R. Kozłowski, J. Batog (2008): Tessuto di lino modificato con nanolignina come prodotto multifunzionale. Molecular Crystals and Liquid Crystals Vol. 484, Issue 1, 2008.
Particolarità / Cose da sapere
fibra di canapa
La canapa è una coltura polivalente utilizzata per i semi di canapa e, di conseguenza, per l'olio di semi, i terpenoidi e i cannabinoidi (cioè CBD, CBG, ecc.) e la paglia di canapa, che può essere trasformata in prezioso materiale fibroso. Per quanto riguarda la qualità della fibra di canapa, si distingue tra le cosiddette fibre di stoppa, che sono fasci di fibre corte non allineate, e le cosiddette fibre di linea, che sono fibre lunghe (allineate longitudinalmente).
I fasci di fibre corte sono chiamati anche fibre tecniche e sono utilizzati principalmente nell'industria automobilistica, per la produzione di carta e per i compositi a base biologica. Le fibre lunghe di canapa sono utilizzate per applicazioni tessili e di alto valore, come i compositi ad alte prestazioni e i bio-compositi.
Produzione di fibre di canapa:
La canapa da fibra (canapa coltivata per la produzione di fibre) viene raccolta idealmente prima della fioritura. Questa coltivazione precoce consente di ottenere una maggiore qualità della fibra, che diminuisce se si permette la fioritura. In genere, la canapa da fibra viene raccolta 70-90 giorni dopo la semina. Per raccogliere la canapa, le piante vengono tagliate a 2-3 cm dal suolo e poi fatte essiccare per alcuni giorni. Dopo il raccolto, la canapa viene sottoposta a rettatura. L'essiccazione è un processo che utilizza l'umidità e i microbi per rompere le pectine della pianta, che legano chimicamente gli steli di canapa. Tradizionalmente, gli steli di canapa vengono sottoposti a retting ad acqua o a rugiada prima che le fibre vengano tagliate. Il processo di appassimento facilita la successiva separazione del bastone dal cosiddetto hurd o shiv della canapa (che è il nucleo legnoso degli steli di canapa). Dopo l'appassimento, gli steli di canapa vengono essiccati (fino a un contenuto di umidità inferiore al 15%) e inscatolati.
Per ottenere le fibre di canapa, che possono essere utilizzate per la produzione e come additivi, le fibre devono essere separate in un processo noto come “stigliatura”. Durante il processo di stigliatura, la paglia di canapa viene lavorata meccanicamente per abbattere la pianta di canapa, ad esempio utilizzando un mulino a martelli. In questo processo meccanico la canapa viene sbattuta contro un vaglio fino a quando le fibre di canapa, le fibre bastarde più piccole e la polvere cadono attraverso il vaglio. Le moderne macchine di decorticazione cinematica ad alta velocità sono in grado di separare la canapa in tre flussi: fibra bastarda, hurd 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
- Economicamente vantaggioso
- elevata resistenza alla trazione e rigidità
- ideale per i prodotti in tessuto non tessuto agugliato
- efficace sostituzione della fibra di vetro
- riduce i tempi di stampaggio
- riduzione del peso del pezzo finito
- facile da trattare e riciclare
- possono essere personalizzati per soddisfare una varietà di specifiche e diversi sistemi di produzione
- è possibile avere una qualità e una disponibilità costante di forniture
Bio-materiali fibrosi
Quando si estraggono le fibre dalla paglia di lino, le parti non fibrose dello stelo, escluso il seme, sono normalmente denominate canapuli o capecchi. Ad esempio, nel lino da semi oleosi, i canapuli o capecchi sono costituiti da circa il 70 – 85% del peso totale della paglia, il che rende i canapuli o capecchi il principale sottoprodotto della lavorazione della paglia di lino.
La lignina nano-strutturata prodotta a ultrasuoni viene utilizzata per realizzare tessuti di lino multifunzionali. Imbottendo i tessuti di lino con la nano-lignina, è possibile creare tessuti multifunzionali. Questi tessuti multifunzionali offrono le proprietà aggiuntive di barriera ai raggi UV, antibatterica e antistatica.