초음파 대마 섬유 가공
- 대마 및 아마 섬유와 같은 섬유질 재료의 초음파 레팅을 통해 섬유를 빠르고 효율적으로 개질할 수 있습니다.
- 초음파로 처리한 인피 섬유는 피브릴화되며, 비표면적이 현저히 커지고 인장 강도와 유연성이 향상됩니다.
- 초음파 섬유 가공은 산업 생산을 위한 빠르고 사용하기 쉬운 가공 기술입니다.
초음파 레팅
초음파 레팅은 기존의 수침 레팅 또는 이슬 레팅을 대체하는 빠르고 효율적이며 친환경적인 방법입니다. 고강도 저주파 초음파로 생성되는 음향 캐비테이션은 비목질 식물성 섬유와 같은 생물 유래 재료의 세포 구조를 파괴합니다. 이러한 섬유에는 아마, 대마, 쐐기풀, 밀짚, 볏짚, 황마와 같은 인피 섬유뿐만 아니라 잎에서 유래한 섬유(예: 사이잘, 마닐라삼, 아바카)와 코코넛 껍질의 코이어와 같은 열매에서 유래한 섬유가 포함됩니다.
초음파에 의한 섬유 풀림은 마이크로섬유(약 3–5µm)를 나노섬유(≥100nm)로 변환합니다. 또한 초음파 처리는 용액 내 순수 자일로글루칸과 자일란의 분해를 유도하여 초음파가 헤미셀룰로오스를 분해할 수 있음을 보여주었습니다.
초음파 레팅은 주로 수용액에서 수행되지만, 원료와 목표 결과에 따라 초음파 공정과 알칼리 처리를 결합할 수 있습니다. NaOH, H2O2 및 H2SO4 용액을 알칼리화에 사용하면 짧은 처리 시간 내에 셀룰로오스 나노섬유를 얻을 수 있습니다. 초음파 처리를 통해 셀룰로오스 마이크로섬유를 쉽게 피브릴화할 수 있습니다. 초음파로 생산한 섬유는 나노섬유(≥ 100nm)가 마이크로섬유(3–5µm)의 전체 표면에 분포하는 특정한 형태를 보입니다.
초음파 처리 여부에 따른 아마, 대마 및 코이어 섬유의 주사 전자 현미경 분석.
출처: Renouard et al. 2014
UIP4000hdT (4kW) 섬유 가공용 산업용 초음파 처리기
초음파 대마 섬유 가공
대마 종자와 식물성 칸나비노이드 시장이 성장함에 따라 대마 줄기의 생산량도 증가하고 있습니다. 부산물인 대마 줄기와 그 섬유는 주로 종이 또는 토목섬유 생산, 복합재의 보강재 및 건축 자재로 사용됩니다.
건조하고 절단한 인피 줄기를 초음파 처리의 원료로 사용할 수 있지만, 더 우수한 초음파 공정 결과를 얻으려면 인피를 (부분적으로) 제거한 목질부 조각을 사용하는 것이 권장됩니다. 인피 재료를 물(수용액)에 적시면 펌프로 이송할 수 있는 슬러리가 생성되며, 이 슬러리는 초음파 플로우 셀을 통과할 수 있습니다. 초음파 처리 공정에는 짧은 시간(약 30–60 sec.)만 소요됩니다. 과학적 연구에 따르면 초음파 처리는 리그노셀룰로오스 재료에서 헤미셀룰로오스와 리그닌의 추출을 개선합니다. 또한 초음파 처리는 셀룰로오스와 펙틴을 분해합니다. 대마와 아마의 초음파 가공은 섬유의 유연성과 인장 강도도 향상시키며, 이는 직물 및 복합재 제조에 유용한 특성입니다.
- 리그닌 함량 감소
- 마이크로 및 나노 수준으로 피브릴화된 섬유
- 섬유 유연성 향상
- 더 높은 인장 강도
- 빠른 공정
- 간편한 조작
대마 섬유의 초음파–알칼리 처리(Ferreira et al. 2019)
초음파로 개질한 대마 섬유
초음파로 피브릴화한 인피 섬유(예: 대마, 아마)는 고분자 수지, 열가소성 복합재 및 열경화성 복합재의 보강재로 특히 적합합니다.
대마 인피 섬유는 셀룰로오스 나노결정(CNC)을 추출할 수 있는 귀중한 원료입니다. 셀룰로오스 나노결정은 넓은 표면적과 탁월한 강성 및 인장 강도가 특징입니다. CNC의 인장 강도는 유리나 알루미늄의 강도를 능가합니다. 셀룰로오스 나노결정은 상당히 저렴하므로 가격, 가용성, 독성 및 지속 가능성 측면에서 경쟁력 있는 나노 첨가제입니다.
초음파 처리는 사용하기 쉽고 빠르며 친환경적인 기술로, 고품질 셀룰로오스 나노결정을 생산할 수 있게 합니다.
Sosiati et al. 2014는 초음파 처리가 섬유 가공에 미치는 유익한 효과를 보여 줍니다.
섬유 가공용 고성능 초음파 처리기
Hielscher Ultrasonics는 고부하 응용 분야를 위한 고성능 초음파 장비를 제조합니다. 당사의 초음파 시스템은 배치 처리 또는 연속 인라인 처리에 사용할 수 있습니다. 모든 Hielscher 산업용 초음파 처리기는 매우 높은 진폭을 제공할 수 있습니다. 최대 200µm의 진폭으로도 24/7 연속 운전을 손쉽게 수행할 수 있습니다. 이보다 더 높은 진폭을 위해서는 맞춤형 초음파 소노트로드를 사용할 수 있습니다. 그러나 매우 높은 진폭을 낼 수 있다는 것만으로는 레팅이나 피브릴화와 같은 초음파 섬유 공정을 성공적으로 수행하기에 충분하지 않습니다. 원료와 목표 결과에 따라 공정 매개변수 – 즉 진폭, 압력, 온도 및 시간 – 를 정밀하게 제어하고 조정할 수 있어야 합니다.
Hielscher의 디지털 초음파 처리기는 모든 공정 데이터를 내장 SD 카드에 자동으로 기록하므로 공정 결과를 재현할 수 있습니다. 진폭과 처리 강도는 매우 온화한 초음파 처리 조건부터 매우 강력한 초음파 처리 조건까지 정밀하게 조정하고 제어할 수 있습니다. 이를 통해 다양한 재료를 가공하여 최적의 결과를 얻을 수 있습니다.
Hielscher 초음파 장비의 견고성 덕분에 고부하 조건과 까다로운 환경에서도 24/7 운전할 수 있습니다.
아래 표는 당사 초음파 처리기의 대략적인 처리 용량을 보여 줍니다.
| 배치 부피 | 유량 | 권장 장치 |
|---|---|---|
| 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. | 더 높은 유량 | UIP16000 클러스터 |
연락해 주세요! / 문의해 주세요!
실험실 규모부터 파일럿 및 산업 규모까지 아우르는 고출력 초음파 처리기.
문헌 및 참고자료
- Diana P.Ferreira, Juliana Cruz, Raul Fangueiro (2019): 제1장 – 고분자 복합재 내 천연 섬유의 표면 개질. 자동차 응용 분야를 위한 친환경 복합재. Woodhead Publishing 복합재 과학 및 공학 시리즈 2019, 3–41쪽.
- Sullivan Renouard, Christophe Hano, Joël Doussot, Jean-Philippe Blondeau, Eric Lainé (2014): 코이어, 아마 및 대마 섬유에 대한 초음파 영향의 특성 분석. Materials Letters 129, 2014. 137–141.
- H. Sosiati, M. Muhaimin, P. Abdilah, D. A. Wijayanti, Harsojo, K. Triyana (2014): 화학 처리가 천연 셀룰로오스의
특성에 미치는 영향. AIP Conference Proceedings 1617, 105 (2014). - M. Zimniewska , R. Kozłowski, J. Batog (2008): 다기능 제품으로서의 나노리그닌 개질 리넨 직물. Molecular Crystals and Liquid Crystals 제484권, 제1호, 2008.
알아두면 좋은 정보
대마 섬유
대마는 대마 종자와 그로부터 얻는 종자유, 테르페노이드 및 칸나비노이드(즉, CBD, CBG 등), 그리고 가치 있는 섬유 소재로 가공할 수 있는 대마 줄기를 얻기 위해 재배하는 다목적 작물입니다. 대마 섬유의 품질과 관련해서는 정렬되지 않은 짧은 섬유 다발인 이른바 토우 섬유와 길고 길이 방향으로 정렬된 섬유인 이른바 라인 섬유를 구분합니다.
짧은 섬유 다발은 공업용 섬유라고도 하며, 주로 자동차 산업, 종이 생산 및 바이오 기반 복합재에 사용됩니다. 긴 대마 섬유는 섬유 제품과 고성능 복합재 및 바이오 복합재 같은 고부가가치 용도에 사용됩니다.
대마 섬유 생산:
섬유용 대마(섬유 생산을 위해 재배하는 대마)는 개화 전에 수확하는 것이 이상적입니다. 꽃이 피면 품질이 떨어지므로 이렇게 일찍 수확하면 더 높은 품질의 섬유를 얻을 수 있습니다. 일반적으로 섬유용 대마는 파종 후 70–90일에 수확합니다. 대마를 수확할 때는 지면에서 2–3cm 높이로 줄기를 자른 다음 며칠 동안 건조합니다. 수확 후에는 대마를 레팅 처리합니다. 레팅은 수분과 미생물을 이용하여 대마 줄기를 화학적으로 결합하고 있는 식물 펙틴을 분해하는 공정입니다. 전통적으로 대마 줄기는 섬유를 스커칭 처리하기 전에 수침 레팅 또는 이슬 레팅 처리했습니다. 레팅 공정은 이후 인피를 이른바 대마 허드 또는 시브(대마 줄기의 목질 심부)에서 쉽게 분리할 수 있게 합니다. 레팅 후에는 대마 줄기를 수분 함량이 15% 미만이 되도록 건조한 다음 압축하여 묶습니다.
제조 및 첨가제 용도로 사용할 수 있는 대마 섬유를 얻으려면 “스커칭”이라는 공정으로 섬유를 분리해야 합니다. 스커칭 공정에서는 해머 밀 등을 사용하여 대마 줄기를 기계적으로 가공해 대마 식물체를 분쇄합니다. 이 기계적 공정에서는 허드, 작은 인피 섬유 및 먼지가 체를 통과해 떨어질 때까지 대마를 체에 부딪치게 합니다. 현대의 고속 운동식 박피기는 대마를 인피 섬유, 허드 및 녹색 미세섬유의 세 가지 분획으로 분리할 수 있습니다.
대마의 셀룰로오스 함량은 약 70–77%입니다. 대마 섬유는 목재 셀룰로오스 섬유의 훌륭한 대체재입니다
대마 섬유의 장점
- 비용 효율적
- 높은 인장 강도와 강성
- 니들펀칭 부직포 제품에 이상적으로 적합
- 유리 섬유를 효과적으로 대체
- 성형 시간 단축
- 완성 부품의 중량 감소
- 가공과 재활용이 용이
- 다양한 사양과 서로 다른 제조 시스템에 맞게 조정 가능
- 일관된 품질과 안정적인 공급 확보 가능
섬유상 바이오 소재
아마 줄기에서 섬유를 추출할 때 씨앗을 제외한 줄기의 비섬유 부분을 일반적으로 시브 또는 허드라고 합니다. 예를 들어 채유용 아마에서 시브는 전체 줄기 중량의 약 70–85%를 차지하므로 아마 줄기 가공의 주요 부산물입니다.
초음파로 생산한 나노 구조 리그닌은 다기능 리넨 직물을 만드는 데 사용됩니다. 리넨 직물에 나노 리그닌을 패딩 처리하면 다기능 직물을 만들 수 있습니다. 이러한 다기능 직물은 자외선 차단, 항균 및 정전기 방지 특성을 추가로 제공합니다.