Processamento ultrassónico de fibras de cânhamo
- A maceração ultrassónica de materiais fibrosos, como as fibras de cânhamo e de linho, permite uma modificação rápida e eficiente das fibras.
- As fibras liberianas processadas por ultrassons são fibriladas e apresentam uma superfície específica significativamente maior, maior resistência à tração e maior flexibilidade.
- O processamento ultrassónico de fibras é uma tecnologia de processamento rápida e fácil de utilizar para a produção industrial.
Maceração ultrassónica
A maceração ultrassónica é uma alternativa rápida, eficiente e ecológica à maceração tradicional em água ou ao orvalho. A cavitação acústica, gerada por ultrassons de alta intensidade e baixa frequência, desagrega as estruturas celulares de biomateriais, como as fibras vegetais não lenhosas, que incluem fibras liberianas como o linho, o cânhamo, a urtiga, a palha de trigo, a palha de arroz e a juta, bem como fibras provenientes de folhas (por exemplo, sisal, cânhamo-de-manila, abacá) e fibras provenientes de frutos, como a fibra de coco obtida das cascas de coco.
O desembaraçamento ultrassónico transforma microfibras (aprox. 3–5µm) em nanofibras (≥100nm). Além disso, o processamento ultrassónico induziu a degradação de xiloglucano e xilano puros em solução, demonstrando a capacidade dos ultrassons para degradar a hemicelulose.
Embora a maceração ultrassónica seja utilizada principalmente numa solução aquosa, é possível – dependendo da matéria-prima e do resultado pretendido – combinar o processo ultrassónico com um tratamento alcalino. Soluções de NaOH, H2O2 e H2SO4 podem ser utilizadas para a alcalinização, de modo a obter nanofibras de celulose num curto tempo de processamento. Através do tratamento ultrassónico, é possível obter facilmente a fibrilação de microfibras de celulose. As fibras produzidas por ultrassons apresentam uma morfologia específica, na qual as nanofibras (≥ 100nm) se distribuem por toda a superfície das microfibras (3–5µm).
Análise por microscopia eletrónica de varrimento de fibras de linho, cânhamo e coco, com ou sem processamento ultrassónico.
fonte: Renouard et al. 2014
UIP4000hdT (4kW) processador ultrassónico industrial para o processamento de fibras
Processamento ultrassónico de fibras de cânhamo
O crescimento do mercado de sementes de cânhamo e de fitocanabinoides é acompanhado por um aumento da produção de palha de cânhamo. Enquanto subproduto, a palha de cânhamo e as suas fibras são utilizadas principalmente na produção de papel ou geotêxteis, como reforço em materiais compósitos e como material de construção.
A palha liberiana seca e cortada pode ser utilizada como matéria-prima para o tratamento ultrassónico; contudo, para obter resultados superiores no processo ultrassónico, recomenda-se a utilização de aparas do núcleo lenhoso (parcialmente) descorticadas. O material liberiano é humedecido em água (solução aquosa), de modo a obter uma suspensão bombeável que possa passar pela célula de fluxo ultrassónica. O processo de sonicação demora apenas um curto período de tempo (aprox. 30–60 seg.). A investigação científica demonstrou que a sonicação melhora a extração de hemicelulose e lignina de materiais lignocelulósicos. Além disso, a sonicação degrada a celulose e a pectina. O processamento ultrassónico de cânhamo e linho também melhora a flexibilidade e a resistência à tração das fibras, características valiosas para o fabrico de têxteis e compósitos.
- redução do teor de lignina
- fibras microfibriladas e nanofibriladas
- maior flexibilidade das fibras
- maior resistência à tração
- processo rápido
- fácil de operar
Tratamento ultrassónico alcalino de fibras de cânhamo (Ferreira et al. 2019)
Fibras de cânhamo modificadas por ultrassons
As fibras liberianas fibriladas por ultrassons (por exemplo, cânhamo e linho) são particularmente adequadas como reforço de resinas poliméricas e de compósitos termoplásticos e termoendurecíveis.
As fibras liberianas de cânhamo são uma fonte valiosa da qual se podem extrair nanocristais de celulose (CNCs). Os nanocristais de celulose caracterizam-se pela sua elevada área superficial e pela sua extraordinária rigidez e resistência à tração. A resistência à tração dos CNCs supera a resistência do vidro ou do alumínio. Os nanocristais de celulose são bastante baratos e, por isso, constituem um nanoaditivo competitivo em termos de preço, disponibilidade, toxicidade e sustentabilidade.
A sonicação é uma técnica fácil de utilizar, rápida e ecológica, que permite produzir nanocristais de celulose de elevada qualidade.
Sosiati et al. 2014 demonstram os efeitos benéficos da sonicação no processamento de fibras.
Sonicadores de elevado desempenho para o processamento de fibras
A Hielscher Ultrasonics fabrica equipamento ultrassónico de elevado desempenho para aplicações exigentes. Os nossos sistemas ultrassónicos podem ser utilizados para processamento por lotes ou processamento contínuo em linha. Todos os processadores ultrassónicos industriais da Hielscher podem fornecer amplitudes muito elevadas. É possível trabalhar facilmente com amplitudes de até 200µm de forma contínua, em funcionamento 24/7. Para amplitudes ainda mais elevadas, estão disponíveis sonotrodos ultrassónicos personalizados. Contudo, a capacidade de fornecer amplitudes muito elevadas, por si só, não basta para realizar com sucesso um processo ultrassónico de tratamento de fibras, como a maceração ou a fibrilação. Dependendo da matéria-prima e do resultado pretendido, os parâmetros do processo – nomeadamente a amplitude, a pressão, a temperatura e o tempo – têm de poder ser controlados e ajustados com exatidão.
Os processadores ultrassónicos digitais da Hielscher registam automaticamente todos os dados do processo num cartão SD integrado, para que os resultados do processo sejam reprodutíveis. A amplitude e a intensidade do processamento podem ser ajustadas e controladas com precisão, desde condições de sonicação muito suaves até condições altamente intensas. Isto permite-lhe processar diversos materiais para obter resultados ótimos.
A robustez do equipamento ultrassónico da Hielscher permite o funcionamento 24/7 em regime intensivo e em ambientes exigentes.
A tabela abaixo apresenta uma indicação da capacidade aproximada de processamento dos nossos sonicadores:
| Volume do lote | Caudal | Dispositivos recomendados |
|---|---|---|
| 1 a 500mL | 10 a 200mL/min | UP100H |
| 10 a 2000mL | 20 a 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 a 20L | 0,2 a 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 a 100L | 2 a 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 a 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | superior | conjunto de UIP16000 |
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Processadores ultrassónicos de alta potência, da escala laboratorial à escala piloto e industrial.
Bibliografia/Referências
- 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.
Informações úteis
Fibra de cânhamo
O cânhamo é uma cultura de múltiplas utilizações, cultivada pelas suas sementes e, subsequentemente, pelo óleo das sementes, pelos terpenoides e canabinoides (isto é, CBD, CBG, etc.) e pela palha de cânhamo, que pode ser transformada num material fibroso valioso. No que respeita à qualidade das fibras de cânhamo, distingue-se entre as chamadas fibras de estopa, que são feixes de fibras curtos e não alinhados, e as chamadas fibras longas, que são fibras compridas (alinhadas longitudinalmente).
Os feixes de fibras curtos são também designados por fibras técnicas e são utilizados principalmente na indústria automóvel, na produção de papel e em compósitos de base biológica. As fibras longas de cânhamo são utilizadas em têxteis e em aplicações de elevado valor, como compósitos de elevado desempenho e biocompósitos.
Produção de fibras de cânhamo:
O cânhamo para fibra (cânhamo cultivado para a produção de fibras) é idealmente colhido antes da floração. Esta colheita precoce resulta numa maior qualidade das fibras, uma vez que a qualidade diminui se ocorrer a floração. Geralmente, o cânhamo para fibra é colhido 70–90 dias após a sementeira. Para colher o cânhamo, as plantas são cortadas 2–3cm acima do solo e depois secas durante alguns dias. Após a colheita, o cânhamo é submetido a maceração. A maceração é um processo que utiliza humidade e microrganismos para decompor as pectinas vegetais, que mantêm o caule do cânhamo unido por ligações químicas. Tradicionalmente, os caules de cânhamo eram macerados em água ou ao orvalho antes da espadelagem das fibras. O processo de maceração facilita a separação subsequente do líber das chamadas aparas do núcleo lenhoso do cânhamo (que constitui o núcleo lenhoso dos caules de cânhamo). Após a maceração, os caules de cânhamo são secos (até um teor de humidade inferior a 15%) e enfardados.
Para obter fibras de cânhamo que possam ser utilizadas no fabrico e como aditivos, as fibras têm de ser separadas num processo conhecido como «espadelagem». Durante o processo de espadelagem, a palha de cânhamo é processada mecanicamente para desagregar a planta de cânhamo, por exemplo, utilizando um moinho de martelos. Neste processo mecânico, o cânhamo é batido contra um crivo até que as aparas do núcleo lenhoso, as fibras liberianas mais pequenas e o pó passem através do crivo. As máquinas cinemáticas modernas de descorticação de alta velocidade são capazes de separar o cânhamo em três fluxos: fibra liberiana, aparas do núcleo lenhoso e microfibra verde.
O teor de celulose do cânhamo é de aprox. 70–77%. As fibras de cânhamo são um excelente substituto das fibras de celulose da madeira
Vantagens das fibras de cânhamo
- economicamente vantajosas
- elevada resistência à tração e rigidez
- idealmente adequadas para produtos não tecidos agulhados
- substituição eficaz da fibra de vidro
- reduz o tempo de moldação
- redução do peso da peça acabada
- fáceis de processar e reciclar
- podem ser personalizadas para satisfazer diversas especificações e diferentes sistemas de fabrico
- é possível obter qualidade consistente e disponibilidade de fornecimento
Biomateriais fibrosos
Quando se extraem fibras da palha de linho, as partes não fibrosas do caule, excluindo a semente, são normalmente designadas por aparas do núcleo lenhoso. Por exemplo, no linho oleaginoso, as aparas do núcleo lenhoso representam aprox. 70 – 85% do peso total da palha, o que faz delas o principal subproduto do processamento da palha de linho.
A lignina nanoestruturada produzida por ultrassons é utilizada para fabricar tecidos de linho multifuncionais. A impregnação por foulardagem de têxteis de linho com nanolignina permite criar têxteis multifuncionais. Estes têxteis multifuncionais oferecem propriedades adicionais de barreira aos UV, antibacterianas e antiestáticas.