Kaņepju šķiedru apstrāde ar ultraskaņu
- Šķiedrainu materiālu, piemēram, kaņepju un linu šķiedru, mērcēšana ar ultraskaņu nodrošina ātru un efektīvu šķiedru modificēšanu.
- Ar ultraskaņu apstrādātas lūksnes šķiedras ir fibrilētas, un tām ir ievērojami lielāks īpatnējais virsmas laukums, paaugstināta stiepes izturība un elastība.
- Šķiedru apstrāde ar ultraskaņu ir ātra un viegli lietojama apstrādes tehnoloģija rūpnieciskai ražošanai.
Mērcēšana ar ultraskaņu
Mērcēšana ar ultraskaņu ir ātra, efektīva un videi draudzīga alternatīva tradicionālajai mērcēšanai ūdenī vai tilināšanai rasā. Akustiskā kavitācija, ko rada augstas intensitātes zemas frekvences ultraskaņa, saārda tādu bioloģisko materiālu šūnu struktūras kā augu šķiedras, kas nav iegūtas no koksnes, tostarp lūksnes šķiedras, piemēram, linu, kaņepju, nātru, kviešu salmu, rīsu salmu un džutas šķiedras, kā arī no lapām iegūtas šķiedras (piemēram, sizala, Manilas kaņepju, abakas šķiedras) un no augļiem iegūtas šķiedras, piemēram, kokosšķiedru no kokosriekstu čaulām.
Atdalīšana ar ultraskaņu pārveido mikrošķiedras (aptuveni 3–5µm) par nanošķiedrām (≥100nm). Turklāt apstrāde ar ultraskaņu izraisīja tīra ksiloglikāna un ksilāna noārdīšanos šķīdumā, apliecinot ultraskaņas spēju noārdīt hemicelulozi.
Lai gan mērcēšanu ar ultraskaņu galvenokārt veic ūdens šķīdumā, atkarībā no izejmateriāla un vēlamā rezultāta ultraskaņas procesu ir iespējams apvienot ar apstrādi ar sārmu. NaOH, H2O2 un H2SO4 šķīdumus var izmantot sārmošanai, lai īsā apstrādes laikā iegūtu celulozes nanošķiedras. Ar ultraskaņas apstrādi var viegli panākt celulozes mikrošķiedru fibrilāciju. Ar ultraskaņu iegūtajām šķiedrām ir specifiska morfoloģija, kurā nanošķiedras (≥ 100nm) ir izkliedētas pa visu mikrošķiedru (3–5µm) virsmu.
Ar ultraskaņu apstrādātu un neapstrādātu linu, kaņepju un kokosšķiedru analīze ar skenējošo elektronu mikroskopiju.
avots: Renouard et al. 2014
UIP4000hdT (4kW) rūpniecisks ultraskaņas procesors šķiedru apstrādei
Kaņepju šķiedru apstrāde ar ultraskaņu
Pieaugot kaņepju sēklu un fitokanabinoīdu tirgum, palielinās arī kaņepju salmu ražošanas apjoms. Kaņepju salmus un to šķiedras kā blakusproduktu galvenokārt izmanto papīra vai ģeotekstilmateriālu ražošanai, kompozītmateriālu stiegrošanai, kā arī kā būvmateriālu.
Žāvētus un sagrieztus lūksnes augu salmus var izmantot kā izejmateriālu apstrādei ar ultraskaņu, tomēr labāku ultraskaņas procesa rezultātu iegūšanai ieteicams izmantot (daļēji) dekortikētus spaļus. Lūksnes materiālu samitrina ūdenī (ūdens šķīdumā), lai iegūtu sūknējamu suspensiju, ko var izvadīt caur ultraskaņas caurplūdes šūnu. Apstrāde ar ultraskaņu aizņem tikai īsu laiku (aptuveni 30–60 sek.). Zinātniskie pētījumi ir parādījuši, ka apstrāde ar ultraskaņu uzlabo hemicelulozes un lignīna ekstrakciju no lignocelulozes materiāliem. Turklāt apstrāde ar ultraskaņu noārda celulozi un pektīnu. Kaņepju un linu apstrāde ar ultraskaņu uzlabo arī šķiedru elastību un stiepes izturību, kas ir vērtīgas īpašības tekstilizstrādājumu un kompozītmateriālu ražošanā.
- lignīna satura samazināšana
- mikro- un nanofibrilētas šķiedras
- palielināta šķiedru elastība
- augstāka stiepes izturība
- ātrs process
- viegli lietojama
Kaņepju šķiedru apstrāde ar ultraskaņu un sārmu (Ferreira et al. 2019)
Ar ultraskaņu modificētas kaņepju šķiedras
Ar ultraskaņu fibrilētas lūksnes šķiedras (piemēram, kaņepju, linu) ir īpaši piemērotas polimēru sveķu, termoplastisko un termoreaktīvo kompozītmateriālu stiegrošanai.
Kaņepju lūksnes šķiedras ir vērtīgs avots, no kura var iegūt celulozes nanokristālus (CNC). Celulozes nanokristāliem ir raksturīgs liels virsmas laukums un izcils stingums un stiepes izturība. CNC stiepes izturība pārsniedz stikla vai alumīnija izturību. Celulozes nanokristāli ir samērā lēti un tādējādi ir konkurētspējīga nanopiedeva cenas, pieejamības, toksiskuma un ilgtspējas ziņā.
Apstrāde ar ultraskaņu ir viegli izmantojama, ātra un videi draudzīga metode, kas ļauj ražot augstas kvalitātes celulozes nanokristālus.
Sosiati et al. 2014 parāda apstrādes ar ultraskaņu labvēlīgo ietekmi uz šķiedru apstrādi.
Augstas veiktspējas ultraskaņas ierīces šķiedru apstrādei
Hielscher Ultrasonics ražo augstas veiktspējas ultraskaņas iekārtas darbam lielas slodzes apstākļos. Mūsu ultraskaņas sistēmas var izmantot apstrādei partijās vai nepārtrauktai apstrādei plūsmā. Visi Hielscher rūpnieciskie ultraskaņas procesori spēj nodrošināt ļoti lielas amplitūdas. Amplitūdas līdz 200µm var viegli uzturēt nepārtrauktā darbībā 24/7 režīmā. Vēl lielākām amplitūdām ir pieejamas individuāli pielāgotas ultraskaņas sonotrodes. Tomēr ar spēju nodrošināt ļoti lielas amplitūdas vien nepietiek, lai sekmīgi veiktu šķiedru apstrādi ar ultraskaņu, piemēram, mērcēšanu vai fibrilēšanu. Atkarībā no izejmateriāla un vēlamā rezultāta procesa parametriem – proti, amplitūdai, spiedienam, temperatūrai un laikam – jābūt precīzi kontrolējamiem un regulējamiem.
Hielscher digitālie ultraskaņas procesori automātiski reģistrē visus procesa datus integrētā SD kartē, tādējādi nodrošinot procesa rezultātu reproducējamību. Amplitūdu un apstrādes intensitāti var precīzi regulēt un kontrolēt diapazonā no ļoti saudzīgiem līdz ļoti intensīviem apstrādes ar ultraskaņu apstākļiem. Tas sniedz iespēju apstrādāt dažādus materiālus, iegūstot optimālu rezultātu.
Hielscher ultraskaņas iekārtu izturība ļauj tām darboties 24/7 režīmā lielas slodzes un sarežģītos vides apstākļos.
Tālāk redzamā tabula sniedz priekšstatu par mūsu ultraskaņas ierīču aptuveno apstrādes jaudu:
| Partijas tilpums | Plūsmas ātrums | Ieteicamās ierīces |
|---|---|---|
| 1 līdz 500mL | 10 līdz 200mL/min | UP100H |
| 10 līdz 2000mL | 20 līdz 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 līdz 20L | 0,2 līdz 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 līdz 100L | 2 līdz 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 līdz 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | lielāks | ierīču kopa ar UIP16000 |
Sazinieties ar mums! / Jautājiet mums!
Lieljaudas ultraskaņas procesori no laboratorijas līdz pilotiekārtu un rūpnieciskajam mērogam.
Literatūra un atsauces
- 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.
Noderīga informācija
Kaņepju šķiedra
Kaņepes ir daudzfunkcionāls kultūraugs, ko audzē kaņepju sēklu un no tām iegūstamās sēklu eļļas, terpenoīdu un kanabinoīdu (t. i., CBD, CBG u. c.), kā arī kaņepju stiebru ieguvei; šos stiebrus var pārstrādāt vērtīgā šķiedru materiālā. Attiecībā uz kaņepju šķiedru kvalitāti izšķir tā sauktās pakulu šķiedras, kas ir īsi, neorientētu šķiedru kūlīši, un tā sauktās garšķiedras, kas ir garas, garenvirzienā orientētas šķiedras.
Īsos šķiedru kūlīšus sauc arī par tehniskajām šķiedrām, un tos galvenokārt izmanto automobiļu rūpniecībā, papīra ražošanā un biobāzētos kompozītmateriālos. Garās kaņepju šķiedras izmanto tekstilizstrādājumos un augstvērtīgos lietojumos, piemēram, augstas veiktspējas kompozītmateriālos un biokompozītmateriālos.
Kaņepju šķiedru ražošana:
Šķiedras kaņepes (kaņepes, ko audzē šķiedru ieguvei) ideālā gadījumā novāc pirms ziedēšanas. Šāda agra ražas novākšana nodrošina augstāku šķiedru kvalitāti, jo, ļaujot augiem ziedēt, kvalitāte pazeminās. Parasti šķiedras kaņepes novāc 70–90 dienas pēc sēšanas. Novācot kaņepes, augus nogriež 2–3cm virs augsnes un pēc tam dažas dienas žāvē. Pēc ražas novākšanas kaņepes mērcē vai tilina. Šajā procesā mitrums un mikroorganismi noārda augu pektīnus, kas ķīmiski saista kaņepju stiebra daļas kopā. Tradicionāli pirms šķiedru kulstīšanas kaņepju stiebrus mērcēja ūdenī vai tilināja rasā. Mērcēšana vai tilināšana atvieglo turpmāko lūksnes atdalīšanu no tā sauktajiem kaņepju spaļiem (kaņepju stiebru koksnainās serdes). Pēc mērcēšanas vai tilināšanas kaņepju stiebrus žāvē līdz mitruma saturam, kas mazāks par 15%, un sapresē ķīpās.
Lai iegūtu kaņepju šķiedras, ko var izmantot ražošanā un kā piedevas, šķiedras jāatdala procesā, ko sauc par kulstīšanu. Kulstīšanas laikā kaņepju stiebrus mehāniski apstrādā, lai sasmalcinātu kaņepju augu, piemēram, izmantojot āmurdzirnavas. Šajā mehāniskajā procesā kaņepes sit pret sietu, līdz spaļi, sīkākās lūksnes šķiedras un putekļi izkrīt caur sietu. Mūsdienīgas ātrgaitas kinemātiskās dekortikācijas iekārtas spēj sadalīt kaņepes trīs plūsmās: lūksnes šķiedrās, spaļos un zaļajās mikrošķiedrās.
Celulozes saturs kaņepēs ir aptuveni 70–77%. Kaņepju šķiedras ir lielisks koksnes celulozes šķiedru aizstājējs
Kaņepju šķiedru priekšrocības
- ekonomiski izdevīgas
- augsta stiepes izturība un stingrība
- ideāli piemērotas adatotu neausto izstrādājumu ražošanai
- efektīvs stikla šķiedras aizstājējs
- saīsina formēšanas laiku
- samazina gatavās detaļas svaru
- viegli apstrādājamas un pārstrādājamas
- var pielāgot dažādām specifikācijām un ražošanas sistēmām
- iespējams nodrošināt nemainīgu kvalitāti un piegāžu pieejamību
Šķiedraini biomateriāli
Iegūstot šķiedras no linu stiebriem, stiebra nešķiedrainās daļas, izņemot sēklas, parasti sauc par spaļiem. Piemēram, eļļas liniem spaļi veido aptuveni 70–85% no kopējā stiebru svara, tādēļ spaļi ir galvenais linu stiebru pārstrādes blakusprodukts.
Ar ultraskaņu iegūtu nanostrukturētu lignīnu izmanto daudzfunkcionālu lina audumu ražošanai. Piesūcinot lina tekstilizstrādājumus ar nanolignīnu, var radīt daudzfunkcionālus tekstilizstrādājumus. Šie daudzfunkcionālie tekstilizstrādājumi nodrošina papildu īpašības: aizsardzību pret UV starojumu, antibakteriālas un antistatiskas īpašības.