Ultradźwiękowa obróbka włókien konopnych
- Ultradźwiękowe roszenie materiałów włóknistych, takich jak włókna konopne i lniane, umożliwia szybką i wydajną modyfikację włókien.
- Włókna łykowe poddane obróbce ultradźwiękowej ulegają fibrylacji i wykazują znacznie większą powierzchnię właściwą, zwiększoną wytrzymałość na rozciąganie i elastyczność.
- Ultradźwiękowa obróbka włókien to szybka i łatwa w użyciu technologia przetwarzania stosowana w produkcji przemysłowej.
Roszenie ultradźwiękowe
Roszenie ultradźwiękowe jest szybką, wydajną i przyjazną dla środowiska alternatywą dla tradycyjnego roszenia wodnego lub roszenia na rosie. Kawitacja akustyczna, wytwarzana przez ultradźwięki o wysokiej intensywności i niskiej częstotliwości, rozbija struktury komórkowe biomateriałów, takich jak niedrzewne włókna roślinne, obejmujące włókna łykowe, takie jak len, konopie, pokrzywa, słoma pszenna, słoma ryżowa i juta, a także włókna pozyskiwane z liści (np. sizal, konopie manilskie, abacá) oraz włókna pozyskiwane z owoców, takie jak włókno kokosowe z łupin orzechów kokosowych.
Ultradźwiękowe rozdzielanie włókien przekształca mikrowłókna (ok. 3–5µm) w nanowłókna (≥100nm). Ponadto obróbka ultradźwiękowa wywołała degradację czystego ksyloglukanu i ksylanu w roztworze, wykazując zdolność ultradźwięków do degradacji hemicelulozy.
Chociaż roszenie ultradźwiękowe odbywa się głównie w roztworze wodnym, możliwe jest – w zależności od surowca i zamierzonego wyniku – połączenie procesu ultradźwiękowego z obróbką alkaliczną. Roztwory NaOH, H2O2 i H2SO4 mogą być stosowane do alkalizacji w celu uzyskania nanowłókien celulozowych w krótkim czasie obróbki. Obróbka ultradźwiękowa pozwala łatwo osiągnąć fibrylację mikrowłókien celulozowych. Włókna wytworzone ultradźwiękowo wykazują specyficzną morfologię, w której nanowłókna (≥ 100nm) są rozmieszczone na całej powierzchni mikrowłókien (3–5µm).
Analiza włókien lnianych, konopnych i kokosowych za pomocą skaningowej mikroskopii elektronowej, z obróbką ultradźwiękową lub bez niej.
źródło: Renouard et al. 2014
UIP4000hdT (4kW) przemysłowy procesor ultradźwiękowy do obróbki włókien
Ultradźwiękowa obróbka włókien konopnych
Wraz z rozwojem rynku nasion konopi i fitokannabinoidów rośnie produkcja słomy konopnej. Słoma konopna i jej włókna, będące produktem ubocznym, są wykorzystywane głównie do produkcji papieru lub geotekstyliów, jako zbrojenie materiałów kompozytowych, a także jako materiał budowlany.
Wysuszona i pocięta słoma roślin łykowych może być wykorzystywana jako surowiec do obróbki ultradźwiękowej, jednak w celu uzyskania lepszych wyników procesu ultradźwiękowego zaleca się stosowanie (częściowo) dekortykowanych paździerzy. Materiał łykowy zwilża się wodą (roztworem wodnym), aby uzyskać zawiesinę, którą można pompować i przepuszczać przez ultradźwiękową komorę przepływową. Proces sonikacji trwa tylko krótki czas (ok. 30–60 s). Badania naukowe wykazały, że obróbka ultradźwiękowa poprawia ekstrakcję hemicelulozy i ligniny z materiałów lignocelulozowych. Dodatkowo sonikacja powoduje degradację celulozy i pektyn. Ultradźwiękowa obróbka konopi i lnu poprawia również elastyczność i wytrzymałość włókien na rozciąganie, które są cennymi właściwościami w produkcji tekstyliów i kompozytów.
- zmniejszenie zawartości ligniny
- włókna poddane mikro- i nanofibrylacji
- zwiększona elastyczność włókien
- większa wytrzymałość na rozciąganie
- szybki proces
- łatwa obsługa
Ultradźwiękowo-alkaliczna obróbka włókien konopnych (Ferreira et al. 2019)
Włókna konopne modyfikowane ultradźwiękowo
Włókna łykowe poddane fibrylacji ultradźwiękowej (np. konopne, lniane) szczególnie dobrze nadają się jako zbrojenie żywic polimerowych oraz kompozytów termoplastycznych i termoutwardzalnych.
Konopne włókna łykowe są cennym źródłem, z którego można ekstrahować nanokryształy celulozy (CNC). Nanokryształy celulozy charakteryzują się dużą powierzchnią oraz niezwykłą sztywnością i wytrzymałością na rozciąganie. Wytrzymałość CNC na rozciąganie przewyższa wytrzymałość szkła lub aluminium. Nanokryształy celulozy są dość tanie i dzięki temu stanowią konkurencyjny nanododatek pod względem ceny, dostępności, toksyczności oraz zrównoważonego rozwoju.
Sonikacja jest łatwą w użyciu, szybką i przyjazną dla środowiska techniką, która umożliwia wytwarzanie wysokiej jakości nanokryształów celulozy.
Sosiati et al. 2014 wykazują korzystny wpływ sonikacji na obróbkę włókien.
Sonikatory o wysokiej wydajności do obróbki włókien
Hielscher Ultrasonics produkuje urządzenia ultradźwiękowe o wysokiej wydajności do zastosowań wymagających pracy pod dużym obciążeniem. Nasze systemy ultradźwiękowe mogą być wykorzystywane do obróbki okresowej lub ciągłej obróbki w linii. Wszystkie przemysłowe procesory ultradźwiękowe Hielscher mogą zapewniać bardzo wysokie amplitudy. Amplitudy do 200µm można z łatwością utrzymywać w sposób ciągły podczas pracy w trybie 24/7. Do uzyskania jeszcze wyższych amplitud dostępne są sonotrody ultradźwiękowe dostosowane do indywidualnych potrzeb. Jednak sama możliwość uzyskania bardzo wysokich amplitud nie wystarcza do skutecznego prowadzenia ultradźwiękowego procesu obróbki włókien, takiego jak roszenie lub fibrylacja. W zależności od surowca i zamierzonego wyniku parametry procesu – mianowicie amplituda, ciśnienie, temperatura i czas – muszą umożliwiać dokładną kontrolę i regulację.
Cyfrowe procesory ultradźwiękowe Hielscher automatycznie zapisują wszystkie dane procesu na zintegrowanej karcie SD, dzięki czemu wyniki procesu są odtwarzalne. Amplitudę i intensywność obróbki można precyzyjnie regulować i kontrolować w zakresie od bardzo łagodnych do wysoce intensywnych warunków sonikacji. Daje to możliwość przetwarzania różnych materiałów z uzyskaniem optymalnych wyników.
Solidność urządzeń ultradźwiękowych Hielscher umożliwia pracę w trybie 24/7 pod dużym obciążeniem i w wymagających warunkach otoczenia.
Poniższa tabela przedstawia orientacyjną wydajność przetwarzania naszych sonikatorów:
| Objętość partii | Natężenie przepływu | Zalecane urządzenia |
|---|---|---|
| 1 do 500mL | 10 do 200mL/min | UP100H |
| 10 do 2000mL | 20 do 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 do 20L | 0,2 do 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 do 100L | 2 do 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 do 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | większe | zespół urządzeń UIP16000 |
Skontaktuj się z nami! / Zapytaj nas!
Procesory ultradźwiękowe o dużej mocy do zastosowań od skali laboratoryjnej przez pilotażową po przemysłową.
Literatura / źródła
- Diana P.Ferreira, Juliana Cruz, Raul Fangueiro (2019): Rozdział 1 – Modyfikacja powierzchni włókien naturalnych w kompozytach polimerowych. Green Composites for Automotive Applications. Woodhead Publishing Series in Composites Science and Engineering 2019, strony 3–41.
- Sullivan Renouard, Christophe Hano, Joël Doussot, Jean-Philippe Blondeau, Eric Lainé (2014): Charakterystyka wpływu ultradźwięków na włókna kokosowe, lniane i konopne. Materials Letters 129, 2014. 137–141.
- H. Sosiati, M. Muhaimin, P. Abdilah, D. A. Wijayanti, Harsojo, K. Triyana (2014): Wpływ obróbki chemicznej na
właściwości naturalnej celulozy. AIP Conference Proceedings 1617, 105 (2014). - M. Zimniewska , R. Kozłowski, J. Batog (2008): Tkanina lniana modyfikowana nanoligniną jako produkt wielofunkcyjny. Molecular Crystals and Liquid Crystals tom 484, numer 1, 2008.
Warto wiedzieć
Włókna konopne
Konopie są rośliną uprawną o wielu zastosowaniach, wykorzystywaną do pozyskiwania nasion, a następnie oleju z nasion, terpenoidów i kannabinoidów (tj. CBD, CBG itd.) oraz słomy konopnej, którą można przetworzyć na cenny materiał włóknisty. Pod względem jakości włókien konopnych rozróżnia się tak zwane włókna pakułowe, czyli krótkie, nieuporządkowane wiązki włókien, oraz tak zwane włókna długie, czyli długie włókna ułożone wzdłużnie.
Krótkie wiązki włókien są również nazywane włóknami technicznymi i wykorzystywane głównie w przemyśle motoryzacyjnym, do produkcji papieru oraz kompozytów na bazie surowców biologicznych. Długie włókna konopne są stosowane w tekstyliach i zastosowaniach o wysokiej wartości, takich jak kompozyty o wysokich parametrach użytkowych i biokompozyty.
Produkcja włókien konopnych:
Konopie włókniste (konopie uprawiane w celu produkcji włókien) najlepiej zbierać przed kwitnieniem. Tak wczesny zbiór zapewnia wyższą jakość włókien, ponieważ ich jakość spada, jeśli dopuści się do kwitnienia. Zazwyczaj konopie włókniste zbiera się 70–90 dni po siewie. Podczas zbioru konopi rośliny ścina się 2–3cm nad ziemią, a następnie suszy przez kilka dni. Po zbiorze konopie poddaje się roszeniu. Roszenie to proces wykorzystujący wilgoć i drobnoustroje do rozkładu pektyn roślinnych, które chemicznie spajają łodygę konopi. Tradycyjnie łodygi konopi poddawano roszeniu wodnemu lub roszeniu na rosie przed trzepaniem włókien. Proces roszenia ułatwia późniejsze oddzielenie łyka od tak zwanych paździerzy konopnych (stanowiących zdrewniały rdzeń łodyg konopi). Po roszeniu łodygi konopi suszy się (do zawartości wilgoci poniżej 15%) i prasuje w bele.
Aby uzyskać włókna konopne, które można wykorzystać w produkcji i jako dodatki, należy je oddzielić w procesie zwanym „trzepaniem”. Podczas trzepania słoma konopna jest przetwarzana mechanicznie w celu rozdrobnienia rośliny konopi, np. za pomocą młyna młotkowego. W tym procesie mechanicznym konopie są uderzane o sito, aż paździerze, drobniejsze włókna łykowe i pył przejdą przez sito. Nowoczesne, szybkoobrotowe kinematyczne maszyny do dekortykacji są w stanie rozdzielić konopie na trzy strumienie: włókna łykowe, paździerze i zielone mikrowłókna.
Zawartość celulozy w konopiach wynosi ok. 70–77%. Włókna konopne są doskonałym zamiennikiem włókien celulozowych z drewna
Zalety włókien konopnych
- opłacalne
- wysoka wytrzymałość na rozciąganie i sztywność
- idealnie nadają się do wyrobów z włóknin igłowanych
- skuteczny zamiennik włókna szklanego
- skracają czas formowania
- zmniejszenie masy gotowego elementu
- łatwe w przetwarzaniu i recyklingu
- można je dostosować do różnych specyfikacji i różnych systemów produkcyjnych
- możliwe jest zapewnienie stałej jakości i dostępności dostaw
Biomateriały włókniste
Podczas pozyskiwania włókien ze słomy lnianej niewłókniste części łodygi, z wyłączeniem nasion, zwykle określa się jako paździerze. Na przykład w przypadku lnu oleistego paździerze stanowią ok. 70–85% całkowitej masy słomy, co czyni je głównym produktem ubocznym przetwarzania słomy lnianej.
Lignina o nanostrukturze wytwarzana ultradźwiękowo jest wykorzystywana do produkcji wielofunkcyjnych tkanin lnianych. Poprzez napawanie tekstyliów lnianych nanoligniną można tworzyć tekstylia wielofunkcyjne. Takie tekstylia zapewniają dodatkowo właściwości bariery UV oraz właściwości antybakteryjne i antystatyczne.