Tecnologia ad ultrasuoni Hielscher

Lavorazione ultrasonica delle fibre di canapa

  • La macerazione ad ultrasuoni di materiali fibrosi come la canapa e le fibre di lino permette una rapida ed efficiente modifica della fibra.
  • Le fibre bastone lavorate ad ultrasuoni sono fibrillate e mostrano una superficie specifica significativamente più alta, una maggiore resistenza alla trazione e flessibilità.
  • La lavorazione delle fibre ad ultrasuoni è una tecnologia di lavorazione rapida e facile da usare per la produzione industriale.

 

Azzeramento ad ultrasuoni

La macerazione ad ultrasuoni è un'alternativa veloce, efficiente e verde alla tradizionale macerazione a umido o a rugiada. La cavitazione acustica, generata da ultrasuoni ad alta intensità e bassa frequenza, rompe le strutture cellulari di biomateriali come il non legno, le fibre vegetali che includono fibre di lino, canapa, ortica, paglia di frumento, paglia di riso, iuta, nonché fibre di derivazione fogliare (es. sisal, canapa manilla, abacá) e fibre di derivazione frutticola come la fibra di cocco dai gusci di noce di cocco.
La districatura ad ultrasuoni trasforma le microfibre (circa 3-5µm) in nanofibre (≥100nm). Inoltre, l'elaborazione ultrasonica ha indotto la degradazione di xiloglucano puro e xilano in soluzione, dimostrando la capacità degli ultrasuoni di degradare l'emicellulosa.
Sebbene la macerazione ad ultrasuoni sia utilizzata principalmente in una soluzione acquosa, è possibile – a seconda della materia prima e del risultato desiderato – per combinare il processo ad ultrasuoni con un trattamento alcalino. Soluzioni di NaOH, H2O2 e H2SO4 può essere utilizzato per l'alcalinizzazione per ottenere nanofibre di cellulosa in breve tempo di lavorazione. Con il trattamento ad ultrasuoni, è possibile ottenere facilmente una fibrillazione di microfibre di cellulosa. Le fibre prodotte ad ultrasuoni mostrano una morfologia specifica in cui le nanofibre (≥ 100nm) sono distribuite su tutta la superficie delle microfibre (3-5µm).

Lavorazione ad ultrasuoni di fibre di canapa, lino e cocco.

Analisi al microscopio elettronico a scansione su fibre di lino, canapa e cocco con o senza elaborazione ad ultrasuoni.
fonte: Renouard et al. 2014

UIP4000hdT 4kW potente processore ad ultrasuoni per l'estrazione

UIP4000hdT (4kW) processore industriale ad ultrasuoni per la lavorazione della fibra

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Lavorazione ultrasonica della fibra di canapa

Con la crescita del mercato dei semi di canapa e dei fitocannabinoidi si assiste ad un aumento della 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, il rinforzo in materiali compositi e materiali da costruzione.
La paglia bastarda essiccata e tagliata può essere utilizzata come materia prima per il trattamento ad ultrasuoni, tuttavia, per un processo ad ultrasuoni di qualità superiore, si raccomanda l'uso di canapuli o capecchi (parzialmente) decorticati. Il materiale bastone viene bagnato in acqua (soluzione acquosa) in modo da ottenere un impasto pompabile che può passare attraverso la cella a flusso ultrasonico. Il processo di sonicazione richiede solo un breve periodo di tempo (circa 30-60 sec.). La ricerca scientifica ha dimostrato che l'ultrasonicazione migliora l'estrazione di emicellulosa e lignina da materiali lignocellulosici. Inoltre, la sonicazione degrada la cellulosa e la pectina. La lavorazione ad ultrasuoni della canapa e del lino migliora anche la flessibilità e la resistenza alla trazione delle fibre, caratteristiche preziose per la produzione tessile e dei compositi.

Vantaggi della lavorazione delle fibre ad ultrasuoni

  • riduzione del contenuto di lignina
  • fibre micro e nano-fibrillate
  • maggiore flessibilità della fibra
  • maggiore resistenza alla trazione
  • processo rapido
  • facile da usare
Trattamento ad ultrasuoni alcalini della fibra di canapa

Trattamento ultrasono-soprattutto alcalino della fibra di canapa (Ferreira et al. 2019)

Fibra di canapa modificata ad ultrasuoni

La fibra bastarda fibrillata ad ultrasuoni (es. canapa, lino) è particolarmente adatta come rinforzo per resine polimeriche, termoplastiche e compositi termoindurenti.
Le fibre di canapa sono una fonte preziosa da cui è possibile estrarre nanocristalli di cellulosa (CNC). I nanocristalli di cellulosa sono caratterizzati da un'elevata superficie superficiale e da una straordinaria rigidità e resistenza alla trazione. CNC’ la resistenza alla trazione eccelle rispetto alla resistenza del vetro o dell'alluminio. I nanocristalli di cellulosa sono abbastanza economici e sono quindi un nano-additivo competitivo in termini di prezzo, disponibilità, tossicità e sostenibilità.
La sonicazione è una tecnica facile da usare, veloce e verde, che permette di produrre nanocristalli di cellulosa di alta qualità.

Fibre di kenaf lavorate ad ultrasuoni.

Sosiati et al. 2014 mostrano gli effetti benefici della sonicazione sulla lavorazione delle fibre.

Ultrasuoni ad alte prestazioni per la lavorazione della fibra

Hielscher Ultrasonics produce apparecchiature a ultrasuoni ad alte prestazioni per applicazioni pesanti. I nostri sistemi ad ultrasuoni possono essere utilizzati per la lavorazione a lotti o in linea continua. Tutti i processori ad ultrasuoni industriali Hielscher sono in grado di fornire ampiezze molto elevate. Ampiezze fino a 200µm possono essere facilmente gestite ininterrottamente in funzionamento 24/7. Per ampiezze ancora maggiori, sono disponibili sonotrodi ad ultrasuoni personalizzati. Tuttavia, la capacità di ampiezze molto elevate da sola non è sufficiente per eseguire con successo un processo ad ultrasuoni in fibra, come la macerazione o la fibrillazione. A seconda della materia prima e del risultato desiderato, i parametri di processo – cioè ampiezza, pressione, pressione, temperatura e tempo – deve essere esattamente controllabile e regolabile.
I processori ad ultrasuoni digitali di 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 elaborazione possono essere regolate con precisione e controllate da condizioni di sonicazione molto blande a quelle molto intense. In questo modo si ha la possibilità di lavorare diversi materiali per ottenere un rendimento ottimale.
La robustezza delle apparecchiature ad ultrasuoni Hielscher consente un funzionamento 24/7 in ambienti gravosi e impegnativi.
La tabella seguente fornisce un'indicazione della capacità di lavorazione approssimativa dei nostri ultrasuoni:

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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Hielscher Ultrasonics produce ultrasuoni ad alte prestazioni per applicazioni geochimiche.

Processori ad ultrasuoni ad alta potenza da laboratorio a scala pilota e industriale.

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. Serie di pubblicazioni 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 degli ultrasuoni sulle fibre di cocco, lino e canapa. Materiale Lettere 129, 2014. 137–141.
  • H. Sosiati, M. Muhaimin, P. Abdilah, D. A. Wijayanti, Harsojo, K. Triyana (2014): Effetto dei trattamenti chimici sull'ambiente di lavoro
    caratteristiche della cellulosa naturale. Atti della conferenza AIP 1617, 105 (2014).
  • M. Zimniewska , R. Kozłowski, J. Batog (2008): Tessuto di lino modificato Nanolignin come prodotto multifunzionale. Cristalli molecolari e cristalli liquidi Vol. 484, Edizione 1, 2008.


Particolarità / Cose da sapere

Fibra di canapa

La canapa è una coltura multiuso utilizzata per i semi di canapa e successivamente 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 delle fibre di canapa, si distingue tra le cosiddette fibre di traino, che non sono allineate, fasci di fibre corte, e le cosiddette fibre di linea, che sono 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 sono utilizzate per applicazioni tessili e per applicazioni ad alto valore aggiunto, come i compositi ad alte prestazioni e i biocompositi.
Produzione di fibre di canapa:
La canapa (canapa che viene coltivata per la produzione di fibre) viene idealmente raccolta prima della fioritura. Questa coltivazione precoce si traduce in una maggiore qualità delle fibre, perché la qualità diminuisce se la fioritura è consentita. Generalmente, la canapa da fibra viene raccolta 70-90 giorni dopo la semina. Per raccogliere la canapa, le piante vengono tagliate a 2-3 cm sopra il terreno e poi essiccate per alcuni giorni. Dopo il raccolto, la canapa viene ritirata. Il reticolato è un processo che utilizza l'umidità e i microbi per rompere le pectine della pianta, che legano chimicamente il fusto della canapa. Tradizionalmente, i gambi di canapa vengono ritardati con l'acqua o con la rugiada prima che le fibre vengano scotennate. Il processo di retting facilita la successiva separazione del bastone dal cosiddetto hurd o shiv di canapa (che è il nucleo legnoso degli steli di canapa). Dopo la macerazione, i gambi di canapa vengono essiccati (fino a un contenuto di umidità inferiore al 15%) e lasciati a riposo.
Per ottenere 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 l'impianto di canapa, ad esempio utilizzando un mulino a martelli. In questo processo meccanico la canapa viene sbattuta contro uno schermo fino a quando non si fa male, le fibre bastonate più piccole e la polvere cade attraverso lo schermo. Le moderne macchine moderne per la decorazione cinematica ad alta velocità sono in grado di separare la canapa in tre flussi: fibre bastarde, 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

  • Economico
  • elevata resistenza alla trazione e rigidità
  • ideale per prodotti non tessuti non tessuti agugliati
  • efficace sostituzione della fibra di vetro
  • riduce i tempi di stampaggio
  • riduzione del peso del pezzo finito
  • facile da elaborare e riciclare
  • possono essere personalizzati per soddisfare una varietà di specifiche e diversi sistemi di produzione
  • è possibile una qualità costante e la disponibilità dell'offerta è possibile

Bio-materiali fibrosi

Quando le fibre di paglia sono estratte dalla paglia di lino, le parti non fibrose dello stelo, escluso il seme, sono di norma denominate "capecchi o ferite". Ad esempio nel lino oleoso, i canapuli o capecchi comprendono circa il 70 – 85% del peso totale della paglia, che fa dei capecchi il principale sottoprodotto della lavorazione della paglia di lino.
La lignina nano-strutturata prodotta ad ultrasuoni viene utilizzata per produrre tessuti di lino multifunzionali. Con l'imbottitura di tessuti di lino con nano-lignina si possono creare tessuti multifunzionali. Questi tessuti multifunzionali offrono le proprietà aggiuntive di barriera UV, antibatteriche e antistatiche.