Ultrasone verwerking van hennepvezels
- Ultrasoon roten van vezelhoudende materialen zoals hennep- en vlasvezels maakt een snelle en efficiënte vezelmodificatie mogelijk.
- Ultrasoon verwerkte bastvezels zijn gefibrilleerd en vertonen een aanzienlijk groter specifiek oppervlak, een hogere treksterkte en een grotere flexibiliteit.
- Ultrasone vezelverwerking is een snelle en eenvoudig te gebruiken verwerkingstechnologie voor industriële productie.
Ultrasoon roten
Ultrasoon roten is een snel, efficiënt en milieuvriendelijk alternatief voor traditioneel water- of dauwroten. Akoestische cavitatie, opgewekt door ultrasoon geluid met een hoge intensiteit en een lage frequentie, breekt celstructuren af van biomaterialen zoals plantaardige vezels die niet uit hout afkomstig zijn. Hiertoe behoren bastvezels zoals vlas, hennep, brandnetel, tarwestro, rijststro en jute, evenals vezels afkomstig van bladeren (bijv. sisal, Manillahennep, abacá) en vezels afkomstig van vruchten, zoals kokosvezels uit kokosnootschalen.
Ultrasoon ontwarren zet microvezels (ca. 3–5µm) om in nanovezels (≥100nm). Bovendien veroorzaakte ultrasone verwerking de afbraak van zuiver xyloglucaan en xylaan in oplossing, wat aantoont dat ultrasoon geluid hemicellulose kan afbreken.
Hoewel ultrasoon roten voornamelijk in een waterige oplossing wordt toegepast, is het mogelijk – afhankelijk van de grondstof en het beoogde resultaat – om het ultrasone proces te combineren met een alkalische behandeling. Oplossingen van NaOH, H2O2 en H2SO4 kunnen worden gebruikt voor alkalisering om in een korte verwerkingstijd cellulosenanovezels te verkrijgen. Met ultrasone behandeling kan eenvoudig fibrillatie van cellulosemicrovezels worden bereikt. De ultrasoon geproduceerde vezels vertonen een specifieke morfologie waarbij de nanovezels (≥ 100nm) over het gehele oppervlak van de microvezels (3–5µm) verdeeld zijn.
Analyse met scanningelektronenmicroscopie van vlas-, hennep- en kokosvezels met of zonder ultrasone verwerking.
bron: Renouard et al. 2014
UIP4000hdT (4kW) industriële ultrasone processor voor vezelverwerking
Ultrasone verwerking van hennepvezels
Met de groeiende markt voor hennepzaad en fytocannabinoïden neemt ook de productie van hennepstro toe. Als bijproduct worden hennepstro en de bijbehorende vezels voornamelijk gebruikt voor de productie van papier of geotextiel, als versterking in composietmaterialen en als bouwmateriaal.
Gedroogd en gesneden baststro kan worden gebruikt als grondstof voor ultrasone behandeling, maar voor superieure resultaten van het ultrasone proces wordt het gebruik van (gedeeltelijk) gedecorticeerde scheven aanbevolen. Het bastmateriaal wordt bevochtigd met water (een waterige oplossing), zodat een verpompbare slurry ontstaat die door de ultrasone doorstroomcel kan stromen. Het sonicatieproces duurt slechts kort (ca. 30–60 sec.). Wetenschappelijk onderzoek heeft aangetoond dat ultrasone behandeling de extractie van hemicellulose en lignine uit lignocellulosehoudende materialen verbetert. Daarnaast breekt sonicatie cellulose en pectine af. Ultrasone verwerking van hennep en vlas verbetert ook de flexibiliteit en treksterkte van de vezels, waardevolle eigenschappen voor de vervaardiging van textiel en composieten.
- verlaging van het ligninegehalte
- micro- en nanogefibrilleerde vezels
- grotere vezelflexibiliteit
- hogere treksterkte
- snel proces
- eenvoudig te bedienen
Ultrasone alkalische behandeling van hennepvezels (Ferreira et al. 2019)
Ultrasoon gemodificeerde hennepvezels
Ultrasoon gefibrilleerde bastvezels (bijv. hennep, vlas) zijn bijzonder geschikt als versterking voor polymeerharsen, thermoplastische composieten en thermohardende composieten.
Hennepbastvezels zijn een waardevolle bron waaruit cellulosenanokristallen (CNC’s) kunnen worden geëxtraheerd. Cellulosenanokristallen worden gekenmerkt door hun grote oppervlak en hun buitengewone stijfheid en treksterkte. De treksterkte van CNC’s overtreft die van glas of aluminium. Cellulosenanokristallen zijn vrij goedkoop en vormen daardoor een concurrerend nanoadditief wat betreft prijs, beschikbaarheid, toxiciteit en duurzaamheid.
Sonicatie is een eenvoudig te gebruiken, snelle en milieuvriendelijke techniek waarmee hoogwaardige cellulosenanokristallen kunnen worden geproduceerd.
Sosiati et al. 2014 laten de gunstige effecten van sonicatie op vezelverwerking zien.
Sonicatoren met hoge prestaties voor vezelverwerking
Hielscher Ultrasonics produceert ultrasone apparatuur met hoge prestaties voor zware toepassingen. Onze ultrasone systemen kunnen worden gebruikt voor batchverwerking of continue inlineverwerking. Alle industriële ultrasone processors van Hielscher kunnen zeer hoge amplitudes leveren. Amplitudes tot 200µm kunnen eenvoudig continu worden toegepast bij 24/7-bedrijf. Voor nog hogere amplitudes zijn op maat gemaakte ultrasone sonotroden beschikbaar. Alleen het vermogen om zeer hoge amplitudes te leveren is echter niet voldoende om een succesvol ultrasoon vezelproces, zoals roten of fibrillatie, uit te voeren. Afhankelijk van de grondstof en het beoogde resultaat moeten de procesparameters – namelijk amplitude, druk, temperatuur en tijd – nauwkeurig regelbaar en instelbaar zijn.
De digitale ultrasone processors van Hielscher registreren automatisch alle procesgegevens op een geïntegreerde SD-kaart, zodat de procesresultaten reproduceerbaar zijn. De amplitude en verwerkingsintensiteit kunnen nauwkeurig worden ingesteld en geregeld, van zeer milde tot zeer intensieve sonicatieomstandigheden. Dit biedt u de mogelijkheid om verschillende materialen te verwerken met een optimaal resultaat.
De robuustheid van de ultrasone apparatuur van Hielscher maakt 24/7-bedrijf mogelijk bij zware belasting en in veeleisende omgevingen.
De onderstaande tabel geeft u een indicatie van de verwerkingscapaciteit bij benadering van onze sonicatoren:
| Batchvolume | Debiet | Aanbevolen apparaten |
|---|---|---|
| 1 tot 500mL | 10 tot 200mL/min | UP100H |
| 10 tot 2000mL | 20 tot 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 tot 20L | 0,2 tot 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 tot 100L | 2 tot 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 tot 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | hoger | cluster van UIP16000 |
Neem contact met ons op! / Stel ons uw vragen!
Ultrasone processors met hoog vermogen, van laboratorium- tot pilot- en industriële schaal.
Literatuur/referenties
- 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.
Wetenswaardigheden
Hennepvezels
Hennep is een veelzijdig gewas dat wordt gebruikt voor hennepzaad en de daaruit gewonnen zaadolie, terpenoïden en cannabinoïden (d.w.z. CBD, CBG, enz.) en voor hennepstro, dat kan worden verwerkt tot waardevol vezelmateriaal. Wat de kwaliteit van hennepvezels betreft, wordt onderscheid gemaakt tussen de zogenoemde werkvezels, die bestaan uit korte, niet-uitgelijnde vezelbundels, en de zogenoemde lintvezels, die bestaan uit lange, in de lengterichting uitgelijnde vezels.
De korte vezelbundels worden ook technische vezels genoemd en worden voornamelijk gebruikt in de auto-industrie, voor de productie van papier en voor biogebaseerde composieten. Lange hennepvezels worden gebruikt voor textiel en hoogwaardige toepassingen zoals composieten met hoge prestaties en biocomposieten.
Productie van hennepvezels:
Vezelhennep (hennep die wordt geteeld voor vezelproductie) wordt idealiter vóór de bloei geoogst. Deze vroege oogst levert een hogere vezelkwaliteit op, omdat de kwaliteit afneemt als de planten tot bloei komen. Over het algemeen wordt vezelhennep 70–90 dagen na het zaaien geoogst. Om de hennep te oogsten, worden de planten 2–3cm boven de grond afgesneden en vervolgens enkele dagen gedroogd. Na de oogst wordt de hennep geroot. Roten is een proces waarbij vocht en micro-organismen worden gebruikt om de plantaardige pectinen af te breken die de hennepstengel chemisch bijeenhouden. Traditioneel werden hennepstengels met water of dauw geroot voordat de vezels werden gezwingeld. Het rootproces vergemakkelijkt de daaropvolgende scheiding van de bast en de zogenoemde hennepscheven (de houtachtige kern van de hennepstengels). Na het roten worden de hennepstengels gedroogd (tot een vochtgehalte van minder dan 15%) en tot balen geperst.
Om hennepvezels te verkrijgen die kunnen worden gebruikt voor de vervaardiging van producten en als additieven, moeten de vezels worden gescheiden in een proces dat bekendstaat als “zwingelen”. Tijdens het zwingelen wordt het hennepstro mechanisch verwerkt om de hennepplant uiteen te breken, bijvoorbeeld met een hamermolen. In dit mechanische proces wordt de hennep tegen een zeef geslagen totdat scheven, kleinere bastvezels en stof door de zeef vallen. Moderne kinematische decorticatiemachines met hoge snelheid kunnen hennep in drie stromen scheiden: bastvezels, scheven en groene microvezels.
Het cellulosegehalte van hennep bedraagt ca. 70–77%. Hennepvezels zijn een uitstekende vervanging voor cellulosevezels uit hout
Voordelen van hennepvezels
- kosteneffectief
- hoge treksterkte en stijfheid
- ideaal geschikt voor naaldviltproducten
- effectieve vervanging voor glasvezels
- verkort de vormgevingstijd
- gewichtsvermindering van het afgewerkte onderdeel
- eenvoudig te verwerken en te recyclen
- kunnen worden aangepast aan uiteenlopende specificaties en verschillende productiesystemen
- constante kwaliteit en leveringsbeschikbaarheid zijn mogelijk
Vezelhoudende biomaterialen
Wanneer strovezels uit vlasstro worden gewonnen, worden de niet-vezelhoudende delen van de stengel, met uitzondering van het zaad, doorgaans scheven genoemd. Bij olievlas vormen scheven bijvoorbeeld ca. 70 – 85% van het totale strogewicht, waardoor scheven het belangrijkste bijproduct van de verwerking van vlasstro zijn.
Ultrasoon geproduceerde lignine met een nanostructuur wordt gebruikt om multifunctionele linnen stoffen te maken. Door linnen textiel met nanolignine te impregneren en vervolgens tussen walsen uit te persen, kan multifunctioneel textiel worden gecreëerd. Dit multifunctionele textiel biedt als aanvullende eigenschappen een UV-barrière en antibacteriële en antistatische eigenschappen.