Ultradźwiękowe przetwarzanie włókien konopi
- Ultradźwiękowe roszenie materiałów włóknistych, takich jak włókna konopne i lniane, pozwala na szybką i skuteczną modyfikację włókien.
- Włókna łykowe przetwarzane ultradźwiękowo są fibrylowane i wykazują znacznie wyższą powierzchnię właściwą, zwiększoną wytrzymałość na rozciąganie i elastyczność.
- Ultradźwiękowe przetwarzanie włókien to szybka i łatwa w użyciu technologia przetwarzania w produkcji przemysłowej.
Retting ultradźwiękowy
Ultradźwiękowe roszenie jest szybką, wydajną i ekologiczną alternatywą dla tradycyjnego roszenia na mokro lub rosy. Kawitacja akustyczna, generowana przez ultradźwięki o wysokiej intensywności i niskiej częstotliwości, rozbija struktury komórkowe biomateriałów, takich jak niedrzewne włókna roślinne, w tym włókna łykowe, takie jak len, konopie, pokrzywa, słoma pszenna, słoma ryżowa, juta, a także włókna liściaste (np. sizal, konopie manilowe, abacá) i włókna owocowe, takie jak włókno kokosowe z łupin orzecha kokosowego.
Ultradźwiękowe rozplątywanie przekształca mikrowłókna (ok. 3-5 µm) w nanowłókna (≥100 nm). Ponadto, obróbka ultradźwiękowa wywołała degradację czystego ksyloglukanu i ksylanu w roztworze, wykazując zdolność ultradźwięków do degradacji hemicelulozy.
Chociaż roszenie ultradźwiękowe jest stosowane głównie w roztworze wodnym, możliwe jest – w zależności od surowca i docelowego rezultatu – aby połączyć proces ultradźwiękowy z obróbką alkaliczną. Roztwory NaOH, H2O2 i H2SO4 może być stosowany do alkalizacji w celu uzyskania nanowłókien celulozowych w krótkim czasie przetwarzania. Dzięki obróbce ultradźwiękowej można łatwo uzyskać fibrylację mikrowłókien celulozowych. Włókna wytwarzane ultradźwiękowo wykazują specyficzną morfologię, w której nanowłókna (≥ 100 nm) są rozmieszczone na całej powierzchni mikrowłókien (3-5 µm).
Analiza skaningowej mikroskopii elektronicznej włókien lnianych, konopnych i kokosowych z obróbką ultradźwiękową lub bez niej.
źródło: Renouard et al. 2014
UIP4000hdT (4kW) Przemysłowy procesor ultradźwiękowy do obróbki włókien
Ultradźwiękowe przetwarzanie włókien konopi
Wraz z rosnącym rynkiem nasion konopi i fitokannabinoidów rośnie produkcja słomy konopnej. Jako produkt uboczny, słoma konopna i jej włókna są wykorzystywane głównie do produkcji papieru lub geowłóknin, wzmocnienia materiałów kompozytowych, a także materiałów budowlanych.
Wysuszona i pocięta słoma łykowa może być stosowana jako surowiec do obróbki ultradźwiękowej, jednak w celu uzyskania lepszej wydajności procesu ultradźwiękowego zaleca się stosowanie (częściowo) dekortykowanych łusek. Materiał łykowy jest zwilżany w wodzie (roztwór wodny), dzięki czemu uzyskuje się pompowalną zawiesinę, która może przejść przez ultradźwiękową komorę przepływową. Proces sonikacji trwa tylko krótki okres czasu (około 30-60 sekund). Badania naukowe wykazały, że ultradźwięki poprawiają ekstrakcję hemicelulozy i ligniny z materiałów lignocelulozowych. Dodatkowo, ultradźwięki degradują celulozę i pektynę. Ultradźwiękowa obróbka konopi i lnu poprawia również elastyczność i wytrzymałość włókien na rozciąganie, które są cennymi cechami w produkcji tekstyliów i kompozytów.
- redukcja zawartości ligniny
- Włókna mikro- i nanofibrylowane
- Zwiększona elastyczność włókien
- wyższa wytrzymałość na rozciąganie
- szybki proces
- łatwa obsługa
Ultradźwiękowo-alkaliczna obróbka włókna konopnego (Ferreira et al. 2019)
Włókno konopne modyfikowane ultradźwiękami
Ultradźwiękowo fibrylowane włókno łykowe (np. konopie, len) jest szczególnie odpowiednie jako wzmocnienie dla żywic polimerowych, kompozytów termoplastycznych i termoutwardzalnych.
Włókna łykowe konopi są cennym źródłem, z którego można pozyskiwać nanokryształy celulozy (CNC). Nanokryształy celulozy charakteryzują się dużą powierzchnią oraz niezwykłą sztywnością i wytrzymałością na rozciąganie. CNC’ Wytrzymałość na rozciąganie przewyższa wytrzymałość szkła lub aluminium. Nanokryształy celulozy są dość tanie, a tym samym stanowią konkurencyjny nanododatek, jeśli chodzi o cenę, dostępność, toksyczność, a także zrównoważony rozwój.
Sonikacja jest łatwą w użyciu, szybką i ekologiczną techniką, która pozwala na produkcję wysokiej jakości nanokryształów celulozy.
Sosiati et al. 2014 pokazują korzystny wpływ sonikacji na przetwarzanie włókien.
Wysokowydajne ultradźwięki do przetwarzania włókien
Hielscher Ultrasonics produkuje wysokowydajny sprzęt ultradźwiękowy do ciężkich zastosowań. Nasze systemy ultradźwiękowe mogą być wykorzystywane do przetwarzania wsadowego lub ciągłego w linii produkcyjnej. Wszystkie przemysłowe procesory ultradźwiękowe Hielscher mogą dostarczać bardzo wysokie amplitudy. Amplitudy do 200 µm mogą być łatwo uruchamiane w sposób ciągły w trybie 24/7. Dla jeszcze wyższych amplitud dostępne są niestandardowe sonotrody ultradźwiękowe. Jednak sama zdolność do bardzo wysokich amplitud nie wystarcza do przeprowadzenia udanego procesu ultradźwiękowego włókna, takiego jak roszenie lub fibrylacja. W zależności od surowca i docelowego wyniku, parametry procesu – a mianowicie amplitudy, ciśnienia, temperatury i czasu – muszą być dokładnie kontrolowane i regulowane.
Cyfrowe procesory ultradźwiękowe firmy Hielscher automatycznie rejestrują wszystkie dane procesowe na zintegrowanej karcie SD, dzięki czemu wyniki procesu są powtarzalne. Amplituda i intensywność przetwarzania mogą być precyzyjnie regulowane i kontrolowane od bardzo łagodnych do bardzo intensywnych warunków sonikacji. Daje to możliwość przetwarzania różnych materiałów z optymalną wydajnością.
Wytrzymałość sprzętu ultradźwiękowego firmy Hielscher pozwala na pracę w trybie 24/7 przy dużym obciążeniu i w wymagających środowiskach.
Poniższa tabela przedstawia przybliżoną wydajność przetwarzania naszych ultradźwiękowców:
| Wielkość partii | natężenie przepływu | Polecane urządzenia |
|---|---|---|
| 1 do 500mL | 10-200mL/min | UP100H |
| 10 do 2000mL | 20-400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 do 20L | 0.2 do 4L/min | UIP2000hdT |
| 10-100L | 2 do 10L/min | UIP4000hdT |
| b.d. | 10-100L/min | UIP16000 |
| b.d. | większe | klaster UIP16000 |
Skontaktuj się z nami! / Zapytaj nas!
Procesory ultradźwiękowe o dużej mocy od skali laboratoryjnej do pilotażowej i przemysłowej.
Literatura/Referencje
- Diana P. Ferreira, Juliana Cruz, Raul Fangueiro (2019): Rozdział 1 – Modyfikacja powierzchni włókien naturalnych w kompozytach polimerowych. Zielone kompozyty do zastosowań motoryzacyjnych. 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 nanoligninami jako produkt wielofunkcyjny. Molecular Crystals and Liquid Crystals Vol. 484, Issue 1, 2008.
Fakty, które warto znać
włókno konopne
Konopie są rośliną wielofunkcyjną wykorzystywaną do produkcji nasion konopi, a następnie oleju z nasion, terpenoidów i kannabinoidów (tj. CBD, CBG itp.) oraz słomy konopnej, która może być przetwarzana na cenny materiał włóknisty. Jeśli chodzi o jakość włókien konopnych, rozróżnia się tak zwane włókna holownicze, które nie są wyrównanymi, krótkimi wiązkami włókien i tak zwanymi włóknami liniowymi, które są długimi (wyrównanymi wzdłużnie) włóknami.
Krótkie wiązki włókien są również nazywane włóknami technicznymi i są wykorzystywane głównie w przemyśle motoryzacyjnym, do produkcji papieru i biokompozytów. Długie włókna konopne są wykorzystywane w przemyśle tekstylnym i w zastosowaniach o wysokiej wartości, takich jak wysokowydajne kompozyty i biokompozyty.
Produkcja włókien konopnych:
Konopie włókniste (konopie uprawiane do produkcji włókien) najlepiej zbierać przed kwitnieniem. Ta wczesna uprawa skutkuje wyższą jakością włókien, ponieważ jakość spada, jeśli kwitnienie jest dozwolone. Ogólnie rzecz biorąc, konopie włókniste są zbierane 70-90 dni po wysianiu. Aby zebrać konopie, rośliny są ścinane 2-3 cm nad glebą, a następnie suszone przez kilka dni. Po zbiorach konopie są roszone. Roszenie to proces wykorzystujący wilgoć i mikroorganizmy do rozkładu pektyn roślinnych, które chemicznie wiążą łodygę konopi. Tradycyjnie łodygi konopi są roszone wodą lub rosą przed ścięciem włókien. Proces roszenia ułatwia późniejsze oddzielenie łyka od tak zwanej łodygi konopi (która jest zdrewniałym rdzeniem łodygi konopi). Po roszeniu łodygi konopi są suszone (do wilgotności poniżej 15%) i belowane.
Aby uzyskać włókna konopne, które mogą być wykorzystywane do produkcji i jako dodatki, włókna muszą zostać oddzielone w procesie znanym jako “scutching”. Podczas procesu rozdrabniania 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 przez sito spadną łuski, mniejsze włókna łykowe i pył. Nowoczesne, szybkie maszyny do dekortykacji kinematycznej są w stanie rozdzielić konopie na trzy strumienie: włókno łykowe, łuskę i zielone mikrowłókna.
Zawartość celulozy w konopiach wynosi około 70-77%. Włókna konopne są doskonałym substytutem włókien celulozy drzewnej
Zalety włókien konopnych
- Opłacalność
- wysoka wytrzymałość na rozciąganie i sztywność
- idealnie nadaje się do igłowanych produktów włókninowych
- skuteczny zamiennik włókna szklanego
- skraca czas formowania
- Redukcja masy gotowej części
- Łatwość przetwarzania i recyklingu
- możliwość dostosowania do różnych specyfikacji i różnych systemów produkcyjnych
- możliwa jest stała jakość i dostępność dostaw
Włókniste biomateriały
Gdy włókna słomy są ekstrahowane ze słomy lnianej, niewłókniste części łodygi, z wyłączeniem nasion, są zwykle określane jako paździerze lub płotki. Na przykład w przypadku lnu oleistego, łodygi zawierają ok. 70 % włókien. – 85% całkowitej masy słomy, co sprawia, że paździerze są głównym produktem ubocznym przetwarzania słomy lnianej.
Produkowana ultradźwiękowo, nanostrukturalna lignina jest wykorzystywana do produkcji wielofunkcyjnych tkanin lnianych. Poprzez wypełnienie lnianych tekstyliów nano-ligniną można stworzyć wielofunkcyjne tekstylia. Te wielofunkcyjne tkaniny oferują dodatkowe właściwości bariery UV, właściwości antybakteryjne i antystatyczne.