ヘンプ繊維の超音波処理
- ヘンプや亜麻の繊維などの繊維状材料を超音波でレッティングすることで、迅速かつ効率的に繊維を改質できます。
- 超音波処理された靭皮繊維はフィブリル化され、比表面積が大幅に増加するとともに、引張強度と柔軟性が向上します。
- 超音波繊維処理は、工業生産向けの迅速で使いやすい処理技術です。
超音波レッティング
超音波レッティングは、従来の水漬けレッティングや露レッティングに代わる、迅速で効率的かつ環境に配慮した方法です。高強度・低周波の超音波によって発生する音響キャビテーションは、非木材系の植物繊維など、生物由来材料の細胞構造を破壊します。これらの植物繊維には、亜麻、ヘンプ、イラクサ、小麦わら、稲わら、ジュートなどの靭皮繊維に加え、葉由来の繊維（例えば、サイザル、マニラ麻、アバカ）や、ココナッツの殻から得られるコイアなどの果実由来の繊維が含まれます。
超音波による繊維のほぐしは、マイクロファイバー（約3–5µm）をナノファイバー（≥100nm）に変換します。さらに、超音波処理によって溶液中の純粋なキシログルカンとキシランの分解が誘起され、超音波がヘミセルロースを分解できることが示されました。
超音波レッティングは主に水溶液中で行われますが、原料と目標とする結果に応じて、超音波プロセスをアルカリ処理と組み合わせることも可能です。NaOH、H2O2 およびH2SO4 の溶液は、短い処理時間でセルロースナノファイバーを得るためのアルカリ化に使用できます。超音波処理により、セルロースマイクロファイバーを容易にフィブリル化できます。超音波で生成された繊維は、ナノファイバー（≥ 100nm）がマイクロファイバー（3–5µm）の表面全体に分布する特有の形態を示します。
超音波処理の有無による亜麻、ヘンプ、コイア繊維の走査電子顕微鏡分析。
出典：Renouard et al. 2014
UIP4000hdT (4kW) 繊維処理用の工業用超音波プロセッサー
ヘンプ繊維の超音波処理
ヘンプ種子と植物由来カンナビノイドの市場が拡大するにつれて、ヘンプの茎わらの生産も増加しています。副産物であるヘンプの茎わらとその繊維は、主に紙やジオテキスタイルの製造、複合材料の補強材、建築材料として使用されています。
乾燥させて切断した靭皮を含む茎わらは、超音波処理の原料として使用できますが、超音波プロセスでより優れた成果を得るには、（部分的に）剥皮された木質芯片の使用が推奨されます。靭皮材料を水（水溶液）で湿潤させ、超音波フローセルを通過できる、ポンプ輸送可能なスラリーを得ます。超音波処理に必要な時間は、わずかな時間（約30–60秒）です。科学的研究により、超音波処理がリグノセルロース材料からのヘミセルロースとリグニンの抽出を改善することが示されています。さらに、超音波処理はセルロースとペクチンを分解します。ヘンプと亜麻の超音波処理は、繊維の柔軟性と引張強度も向上させます。これらは、繊維製品や複合材料の製造において有用な特性です。
- リグニン含有量の低減
- マイクロおよびナノスケールでフィブリル化された繊維
- 繊維の柔軟性の向上
- より高い引張強度
- 迅速な処理
- 容易な操作
ヘンプ繊維の超音波・アルカリ処理（Ferreira et al. 2019）
超音波で改質されたヘンプ繊維
超音波でフィブリル化された靭皮繊維（例えば、ヘンプ、亜麻）は、高分子樹脂、熱可塑性複合材料、熱硬化性複合材料の補強材として特に適しています。
ヘンプの靭皮繊維は、セルロースナノ結晶（CNCs）を抽出できる貴重な原料です。セルロースナノ結晶は、大きな表面積と並外れた剛性および引張強度を特徴とします。CNCsの引張強度は、ガラスやアルミニウムの強度を上回ります。セルロースナノ結晶はかなり安価であり、価格、入手性、毒性、持続可能性の面で競争力のあるナノ添加剤です。
超音波処理は、使いやすく、迅速で環境に配慮した技術であり、高品質のセルロースナノ結晶を製造できます。
Sosiati et al. 2014は、超音波処理が繊維加工にもたらす有益な効果を示しています。
繊維処理用の高性能超音波処理装置
Hielscher Ultrasonicsは、高負荷用途向けの高性能超音波装置を製造しています。当社の超音波システムは、バッチ処理または連続インライン処理に使用できます。Hielscherの工業用超音波プロセッサーはすべて、非常に高い振幅を提供できます。最大200µmの振幅で、24時間・週7日の連続運転を容易に行えます。さらに高い振幅に対応するため、特注の超音波ソノトロードもご用意しています。ただし、非常に高い振幅を実現できるだけでは、レッティングやフィブリル化などの超音波繊維処理を成功させるには不十分です。原料と目標とする結果に応じて、プロセスパラメーター – すなわち振幅、圧力、温度、時間 – を正確に制御・調整できる必要があります。
Hielscherのデジタル超音波プロセッサーは、内蔵SDカードにすべてのプロセスデータを自動的に記録するため、処理結果を再現できます。振幅と処理強度は、非常に穏やかな条件から極めて強力な超音波処理条件まで、精密に調整・制御できます。これにより、さまざまな材料を処理して最適な成果を得られます。
Hielscherの超音波装置の堅牢性により、高負荷条件や厳しい環境でも24時間・週7日の運転が可能です。
以下の表は、当社の超音波処理装置のおおよその処理能力の目安を示しています。
| バッチ容量 | 流量 | 推奨装置 |
|---|---|---|
| 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. | さらに大きい流量 | クラスターを構成する複数台の UIP16000 |
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ラボからパイロット、工業規模まで対応する高出力超音波プロセッサー。
文献・参考資料
- 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.
知っておきたい基礎知識
ヘンプ繊維
ヘンプは多目的作物であり、ヘンプ種子とそこから得られる種子油、テルペノイド、カンナビノイド（すなわちCBD、CBGなど）、そして有用な繊維材料に加工できるヘンプの茎わらを利用するために栽培されます。ヘンプ繊維の品質に関しては、配向していない短い繊維束である、いわゆるトウ繊維と、長い（長手方向に配向した）繊維である、いわゆるライン繊維が区別されます。
短い繊維束はテクニカルファイバーとも呼ばれ、主に自動車産業、紙の製造、バイオベース複合材料に使用されます。長いヘンプ繊維は、繊維製品や、高性能複合材料およびバイオ複合材料などの高付加価値用途に使用されます。
ヘンプ繊維の生産：
繊維用ヘンプ（繊維生産のために栽培されるヘンプ）は、開花前に収穫するのが理想的です。開花すると品質が低下するため、この早期収穫によって、より高品質の繊維が得られます。一般に、繊維用ヘンプは播種から70–90日後に収穫されます。収穫時には、地表から2–3cmの高さで植物を刈り取り、その後数日間乾燥させます。収穫後、ヘンプをレッティングします。レッティングは、水分と微生物を利用して、ヘンプの茎を化学的に結合させている植物のペクチンを分解する工程です。従来、ヘンプの茎は、繊維のスカッチング前に水漬けレッティングまたは露レッティングされていました。レッティング工程は、その後の靭皮と、いわゆるヘンプのハードまたはシブ（ヘンプの茎の木質芯）の分離を容易にします。レッティング後、ヘンプの茎を乾燥させ（水分含有率15%未満まで）、ベール状に梱包します。
製造や添加剤として使用できるヘンプ繊維を得るには、「スカッチング」と呼ばれる工程で繊維を分離する必要があります。スカッチング工程では、例えばハンマーミルを使用し、ヘンプの茎わらを機械的に処理して植物体を砕きます。この機械的工程では、木質芯、細かい靭皮繊維、粉じんがスクリーンを通り抜けるまで、ヘンプをスクリーンに打ち付けます。最新の高速運動式剥皮機は、ヘンプを靭皮繊維、木質芯、緑色のマイクロファイバーという三つの流れに分離できます。
ヘンプのセルロース含有率は約70–77%です。ヘンプ繊維は、木材由来のセルロース繊維の優れた代替材料です。
ヘンプ繊維の利点
- 優れた費用対効果
- 高い引張強度と剛性
- ニードルパンチ不織布製品に理想的
- ガラス繊維の有効な代替材料
- 成形時間の短縮
- 完成部品の軽量化
- 加工とリサイクルが容易
- さまざまな仕様や異なる製造システムに合わせたカスタマイズが可能
- 一定の品質と供給の確保が可能
繊維状の生物由来材料
亜麻の茎わらから繊維を抽出する際、種子を除く茎の非繊維部分は、通常シブまたはハードと呼ばれます。例えば、油糧用亜麻では、木質芯片が茎わらの総重量の約70–85%を占めるため、亜麻の茎わら処理における主な副産物となります。
超音波で生成されたナノ構造のリグニンは、多機能リネン生地の製造に使用されます。リネン織物にナノリグニンをパディング処理することで、多機能織物を作製できます。これらの多機能織物は、UV遮蔽性、抗菌性、帯電防止性という追加の特性を備えています。