Procesarea fibrelor de cânepă cu ultrasunete
- Topirea cu ultrasunete a materialelor fibroase, cum ar fi fibrele de cânepă și in, permite o modificare rapidă și eficientă a fibrelor.
- Fibrele liberiene procesate cu ultrasunete sunt fibrilate și prezintă o suprafață specifică semnificativ mai mare, precum și o rezistență la tracțiune și o flexibilitate crescute.
- Procesarea fibrelor cu ultrasunete este o tehnologie de procesare rapidă și ușor de utilizat pentru producția industrială.
Topirea cu ultrasunete
Topirea cu ultrasunete este o alternativă rapidă, eficientă și ecologică la topirea tradițională în apă sau la rouă. Cavitația acustică, generată de ultrasunete de intensitate mare și frecvență joasă, descompune structurile celulare ale biomaterialelor, cum ar fi fibrele vegetale nelemnoase, care includ fibre liberiene precum inul, cânepa, urzica, paiele de grâu, paiele de orez, iuta, precum și fibrele provenite din frunze (de exemplu, sisal, cânepă de Manila, abacá) și fibrele provenite din fructe, cum ar fi fibrele de nucă de cocos (coir) din cojile de nucă de cocos.
Descâlcirea cu ultrasunete transformă microfibrele (aprox. 3–5µm) în nanofibre (≥100nm). În plus, procesarea cu ultrasunete a indus degradarea xiloglucanului și a xilanului pur în soluție, demonstrând capacitatea ultrasunetelor de a degrada hemiceluloza.
Deși topirea cu ultrasunete se realizează în principal într-o soluție apoasă, este posibil – în funcție de materia primă și de rezultatul urmărit – să se combine procesul cu ultrasunete cu un tratament alcalin. Soluții de NaOH, H2O2 și H2SO4 pot fi utilizate pentru alcalinizare, în vederea obținerii de nanofibre de celuloză într-un timp scurt de procesare. Prin tratament cu ultrasunete se poate obține cu ușurință fibrilarea microfibrelor de celuloză. Fibrele produse cu ultrasunete prezintă o morfologie specifică, în care nanofibrele (≥ 100nm) sunt distribuite pe întreaga suprafață a microfibrelor (3–5µm).
Analiză prin microscopie electronică de baleiaj a fibrelor de in, cânepă și nucă de cocos, cu sau fără procesare cu ultrasunete.
sursa: Renouard et al. 2014
UIP4000hdT (4kW) – procesor industrial cu ultrasunete pentru procesarea fibrelor
Procesarea fibrelor de cânepă cu ultrasunete
Odată cu creșterea pieței de semințe de cânepă și de fitocanabinoide crește și producția de paie de cânepă. Ca produs secundar, paiele de cânepă și fibrele acestora sunt utilizate în principal pentru producția de hârtie sau de geotextile, pentru ranforsarea materialelor compozite, precum și ca material de construcții.
Paiele liberiene uscate și tăiate pot fi utilizate ca materie primă pentru tratamentul cu ultrasunete; totuși, pentru un randament superior al procesului cu ultrasunete, se recomandă utilizarea puzderiei (parțial) decorticate. Materialul liberian este umezit în apă (soluție apoasă), astfel încât să se obțină o suspensie pompabilă, care poate trece prin celula de flux cu ultrasunete. Procesul de sonicare durează doar o perioadă scurtă de timp (aprox. 30–60 sec.). Cercetările științifice au arătat că ultrasonicarea îmbunătățește extracția hemicelulozei și a ligninei din materialele lignocelulozice. În plus, sonicarea degradează celuloza și pectina. Procesarea cu ultrasunete a cânepii și a inului îmbunătățește, de asemenea, flexibilitatea și rezistența la tracțiune a fibrelor, caracteristici valoroase pentru fabricarea textilelor și a compozitelor.
- reducerea conținutului de lignină
- fibre micro- și nanofibrilate
- flexibilitate crescută a fibrelor
- rezistență mai mare la tracțiune
- proces rapid
- ușor de utilizat
Tratament ultrasonic-alcalin al fibrei de cânepă (Ferreira et al. 2019)
Fibră de cânepă modificată cu ultrasunete
Fibra liberiană fibrilată cu ultrasunete (de exemplu, cânepă, in) este deosebit de potrivită ca ranforsare pentru rășini polimerice, compozite termoplastice și termorigide.
Fibrele liberiene de cânepă sunt o sursă valoroasă din care pot fi extrase nanocristale de celuloză (CNC). Nanocristalele de celuloză se caracterizează prin suprafața lor mare și prin rigiditatea și rezistența la tracțiune extraordinare. Rezistența la tracțiune a CNC depășește rezistența sticlei sau a aluminiului. Nanocristalele de celuloză sunt destul de ieftine și, prin urmare, reprezintă un nanoaditiv competitiv în ceea ce privește prețul, disponibilitatea, toxicitatea, precum și sustenabilitatea.
Sonicarea este o tehnică ușor de utilizat, rapidă și ecologică, care permite producerea de nanocristale de celuloză de înaltă calitate.
Sosiati et al. 2014 demonstrează efectele benefice ale sonicării asupra procesării fibrelor.
Ultrasonicatoare de înaltă performanță pentru procesarea fibrelor
Hielscher Ultrasonics produce echipamente cu ultrasunete de înaltă performanță pentru aplicații solicitante. Sistemele noastre cu ultrasunete pot fi utilizate pentru procesarea în șarje sau pentru procesarea continuă în flux (inline). Toate procesoarele industriale cu ultrasunete Hielscher pot furniza amplitudini foarte mari. Amplitudini de până la 200µm pot fi menținute cu ușurință în funcționare continuă 24/7. Pentru amplitudini și mai mari sunt disponibile sonotrode cu ultrasunete personalizate. Cu toate acestea, capacitatea de a atinge amplitudini foarte mari nu este, în sine, suficientă pentru a desfășura cu succes un proces de prelucrare a fibrelor cu ultrasunete, cum ar fi topirea sau fibrilarea. În funcție de materia primă și de rezultatul urmărit, parametrii de proces – și anume amplitudinea, presiunea, temperatura și timpul – trebuie să fie exact controlabili și ajustabili.
Procesoarele digitale cu ultrasunete Hielscher înregistrează automat toate datele de proces pe un card SD integrat, astfel încât rezultatele procesului să fie reproductibile. Amplitudinea și intensitatea procesării pot fi ajustate și controlate precis, de la condiții de sonicare foarte blânde până la condiții extrem de intense. Acest lucru vă oferă posibilitatea de a procesa diverse materiale pentru un randament optim.
Robustețea echipamentelor cu ultrasunete Hielscher permite funcționarea 24/7 în regim intensiv și în medii solicitante.
Tabelul de mai jos vă oferă o indicație privind capacitatea de procesare aproximativă a ultrasonicatoarelor noastre:
| Volumul șarjei | Debit | Dispozitive recomandate |
|---|---|---|
| 1 până la 500mL | 10 până la 200mL/min | UP100H |
| 10 până la 2000mL | 20 până la 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 până la 20L | 0,2 până la 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 până la 100L | 2 până la 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 până la 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | mai mare | cluster de UIP16000 |
Contactați-ne! / Întrebați-ne!
Procesoare cu ultrasunete de mare putere, de la scară de laborator la scară pilot și industrială.
Literatură de specialitate/Referințe
- 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.
Informații utile
Fibra de cânepă
Cânepa este o cultură multifuncțională, utilizată pentru semințele de cânepă și, ulterior, pentru uleiul din semințe, terpenoide și canabinoide (adică CBD, CBG etc.), precum și pentru paiele de cânepă, care pot fi procesate într-un material fibros valoros. În ceea ce privește calitatea fibrei de cânepă, se face distincția între așa-numitele fibre scurte (câlți), care sunt mănunchiuri de fibre scurte, nealiniate, și așa-numitele fibre lungi (de linie), care sunt fibre lungi (aliniate longitudinal).
Mănunchiurile de fibre scurte sunt numite și fibră tehnică și sunt utilizate în principal în industria auto, pentru producția de hârtie și pentru compozite pe bază biologică. Fibrele lungi de cânepă sunt utilizate pentru textile și pentru aplicații de valoare ridicată, cum ar fi compozitele de înaltă performanță și biocompozitele.
Producția fibrei de cânepă:
Cânepa pentru fibră (cânepa cultivată pentru producția de fibre) este recoltată, în mod ideal, înainte de înflorire. Această recoltare timpurie conduce la o calitate superioară a fibrelor, deoarece calitatea scade dacă se permite înflorirea. În general, cânepa pentru fibră este recoltată la 70–90 de zile după semănat. Pentru recoltare, plantele de cânepă sunt tăiate la 2–3cm deasupra solului și apoi uscate timp de câteva zile. După recoltare, cânepa este topită. Topirea este un proces care utilizează umiditatea și microorganismele pentru a descompune pectinele plantei, care leagă chimic tulpina de cânepă. În mod tradițional, tulpinile de cânepă erau topite în apă sau la rouă înainte de melițarea fibrelor. Procesul de topire facilitează separarea ulterioară a fibrei liberiene de așa-numita puzderie de cânepă (care reprezintă miezul lemnos al tulpinilor de cânepă). După topire, tulpinile de cânepă sunt uscate (până la un conținut de umiditate mai mic de 15% și balotate.
Pentru a obține fibre de cânepă care pot fi utilizate în fabricație și ca aditivi, fibrele trebuie separate printr-un proces cunoscut sub numele de „melițare”. În timpul procesului de melițare, paiele de cânepă sunt procesate mecanic pentru a descompune planta de cânepă, de exemplu, cu ajutorul unei mori cu ciocane. În acest proces mecanic, cânepa este bătută de o sită până când puzderia, fibrele liberiene mai mici și praful cad prin sită. Mașinile moderne de decorticare cinematică de mare viteză sunt capabile să separe cânepa în trei fluxuri: fibră liberiană, puzderie și microfibră verde.
Conținutul de celuloză al cânepii este de aprox. 70–77%. Fibrele de cânepă sunt un înlocuitor excelent pentru fibrele de celuloză din lemn
Avantajele fibrelor de cânepă
- rentabile
- rezistență ridicată la tracțiune și rigiditate ridicată
- ideale pentru produse nețesute consolidate prin interțesere cu ace
- înlocuitor eficient al fibrei de sticlă
- reduc timpul de mulare
- reducerea greutății piesei finite
- ușor de procesat și de reciclat
- pot fi personalizate pentru a satisface o varietate de specificații și diferite sisteme de fabricație
- este posibilă o calitate constantă și o disponibilitate constantă a aprovizionării
Biomateriale fibroase
Atunci când fibrele sunt extrase din paiele de in, părțile nefibroase ale tulpinii, fără a include semințele, sunt denumite în mod obișnuit puzderie. De exemplu, la inul pentru ulei, puzderia reprezintă aprox. 70–85% din greutatea totală a paielor, ceea ce face din puzderie principalul produs secundar al procesării paielor de in.
Lignina nanostructurată produsă cu ultrasunete este utilizată pentru fabricarea țesăturilor de in multifuncționale. Prin fulardarea textilelor de in cu nanolignină pot fi create textile multifuncționale. Aceste textile multifuncționale oferă proprietăți suplimentare de barieră UV, antibacteriene și antistatice.