Ультразвуковая обработка конопляного волокна
- Ультразвуковая мочка волокнистых материалов, таких как конопляные и льняные волокна, позволяет быстро и эффективно модифицировать волокна.
- Обработанные ультразвуком лубяные волокна фибриллируются и обладают значительно большей удельной поверхностью, повышенной прочностью на растяжение и гибкостью.
- Ультразвуковая обработка волокон – быстрая и простая в применении технология обработки для промышленного производства.
Ультразвуковая мочка
Ультразвуковая мочка – быстрая, эффективная и экологичная альтернатива традиционной водной или росяной мочке. Акустическая кавитация, создаваемая высокоинтенсивным низкочастотным ультразвуком, разрушает клеточные структуры биоматериалов, таких как недревесные растительные волокна, к которым относятся лубяные волокна, например волокна льна, конопли, крапивы, пшеничной соломы, рисовой соломы и джута, а также волокна из листьев (например, сизаль, манильская пенька, абака) и волокна из плодов, такие как койра из оболочек кокосовых орехов.
Ультразвуковое разделение волокон преобразует микроволокна (прибл. 3–5µm) в нановолокна (≥100nm). Кроме того, ультразвуковая обработка вызывала разложение чистых ксилоглюкана и ксилана в растворе, демонстрируя способность ультразвука разлагать гемицеллюлозу.
Хотя ультразвуковая мочка преимущественно проводится в водном растворе, в зависимости от сырья и целевого результата ультразвуковой процесс можно сочетать со щелочной обработкой. Растворы NaOH, H2O2 и H2SO4 могут использоваться для подщелачивания с целью получения целлюлозных нановолокон за короткое время обработки. Ультразвуковая обработка позволяет легко добиться фибрилляции целлюлозных микроволокон. Полученные ультразвуковым способом волокна имеют специфическую морфологию, при которой нановолокна (≥ 100nm) распределены по всей поверхности микроволокон (3–5µm).
Анализ волокон льна, конопли и койры с ультразвуковой обработкой и без неё методом сканирующей электронной микроскопии.
источник: Renouard et al. 2014
UIP4000hdT (4kW) промышленный ультразвуковой процессор для обработки волокон
Ультразвуковая обработка конопляного волокна
С ростом рынка семян конопли и фитоканнабиноидов увеличивается производство конопляной соломы. Конопляная солома и её волокна как побочные продукты преимущественно используются для производства бумаги или геотекстиля, для армирования композитных материалов, а также в качестве строительного материала.
Высушенная и нарезанная солома лубяных культур может использоваться как сырьё для ультразвуковой обработки, однако для получения более высоких результатов ультразвукового процесса рекомендуется использовать (частично) декортицированную костру. Лубяной материал смачивают в воде (водном растворе), получая суспензию, которую можно перекачивать насосом и пропускать через ультразвуковую проточную ячейку. Процесс обработки ультразвуком занимает лишь короткое время (прибл. 30–60 сек.). Научные исследования показали, что обработка ультразвуком улучшает извлечение гемицеллюлозы и лигнина из лигноцеллюлозных материалов. Кроме того, обработка ультразвуком разлагает целлюлозу и пектин. Ультразвуковая обработка конопли и льна также повышает гибкость и прочность волокон на растяжение, что является ценными характеристиками для производства текстиля и композитов.
- снижение содержания лигнина
- микро- и нанофибриллированные волокна
- повышенная гибкость волокон
- более высокая прочность на растяжение
- быстрый процесс
- простота эксплуатации
Ультразвуковая щелочная обработка конопляного волокна (Ferreira et al. 2019)
Конопляное волокно, модифицированное ультразвуком
Фибриллированное ультразвуком лубяное волокно (например, конопляное или льняное) особенно хорошо подходит для армирования полимерных смол, термопластичных и термореактивных композитов.
Лубяные волокна конопли – ценный источник, из которого можно извлекать нанокристаллы целлюлозы (CNCs). Нанокристаллы целлюлозы характеризуются большой площадью поверхности и исключительной жёсткостью и прочностью на растяжение. Прочность CNCs на растяжение превосходит прочность стекла или алюминия. Нанокристаллы целлюлозы довольно дёшевы и поэтому являются конкурентоспособной нанодобавкой с точки зрения цены, доступности, токсичности и экологической устойчивости.
Обработка ультразвуком – простая в применении, быстрая и экологичная технология, позволяющая получать высококачественные нанокристаллы целлюлозы.
Sosiati et al. 2014 демонстрируют положительное влияние обработки ультразвуком на обработку волокон.
Высокопроизводительные ультразвуковые аппараты для обработки волокон
Hielscher Ultrasonics производит высокопроизводительное ультразвуковое оборудование для работы с высокими нагрузками. Наши ультразвуковые системы можно использовать для периодической обработки или непрерывной обработки в потоке. Все промышленные ультразвуковые процессоры Hielscher способны обеспечивать очень высокие амплитуды. Амплитуды до 200µm можно без труда поддерживать непрерывно в режиме работы 24/7. Для ещё более высоких амплитуд доступны ультразвуковые сонотроды, изготовленные по индивидуальному заказу. Однако одной лишь возможности обеспечивать очень высокие амплитуды недостаточно для успешной ультразвуковой обработки волокон, например мочки или фибрилляции. В зависимости от сырья и целевого результата параметры процесса – а именно амплитуда, давление, температура и время – должны поддаваться точному контролю и регулировке.
Цифровые ультразвуковые процессоры Hielscher автоматически записывают все данные процесса на встроенную SD-карту, что обеспечивает воспроизводимость результатов процесса. Амплитуду и интенсивность обработки можно точно регулировать и контролировать в диапазоне от очень мягких до высокоинтенсивных условий обработки ультразвуком. Это даёт возможность обрабатывать различные материалы с достижением оптимального результата.
Надёжность ультразвукового оборудования Hielscher позволяет работать в режиме 24/7 при высоких нагрузках и в сложных условиях.
Приведённая ниже таблица даёт представление о приблизительной производительности наших ультразвуковых аппаратов:
| Объём партии | Расход | Рекомендуемые устройства |
|---|---|---|
| от 1 до 500mL | от 10 до 200mL/min | UP100H |
| от 10 до 2000mL | от 20 до 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| от 0,1 до 20L | от 0,2 до 4L/min | UIP2000hdT |
| от 10 до 100L | от 2 до 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | от 10 до 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | больше | кластер из UIP16000 |
Свяжитесь с нами! / Задайте нам вопрос!
Мощные ультразвуковые процессоры для лабораторного, пилотного и промышленного масштаба.
Литература и источники
- 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.
Полезные сведения
Конопляное волокно
Конопля – многоцелевая культура, используемая для получения семян конопли и впоследствии масла из семян, терпеноидов и каннабиноидов (то есть CBD, CBG и т. д.), а также конопляной соломы, которую можно перерабатывать в ценный волокнистый материал. По качеству конопляного волокна различают так называемые пакляные волокна, представляющие собой короткие неориентированные пучки волокон, и так называемые длинные волокна, ориентированные в продольном направлении.
Короткие пучки волокон также называют техническим волокном; они преимущественно используются в автомобильной промышленности, для производства бумаги и композитов на биологической основе. Длинные конопляные волокна используются в текстильной промышленности и для изготовления продукции с высокой добавленной стоимостью, такой как высокоэффективные композиты и биокомпозиты.
Производство конопляного волокна:
Волокнистую коноплю (коноплю, выращиваемую для производства волокна) в идеале убирают до цветения. Такая ранняя уборка обеспечивает более высокое качество волокна, поскольку при наступлении цветения качество снижается. Как правило, волокнистую коноплю убирают через 70–90 дней после посева. Для уборки конопли растения срезают на высоте 2–3cm над почвой, а затем сушат в течение нескольких дней. После уборки коноплю подвергают мочке. Мочка – процесс, в котором влага и микроорганизмы используются для разложения растительных пектинов, химически связывающих ткани стебля конопли. Традиционно стебли конопли подвергали водной или росяной мочке перед трепанием волокон. Процесс мочки облегчает последующее отделение луба от так называемой конопляной костры (древесной сердцевины стеблей конопли). После мочки стебли конопли сушат (до влажности менее 15%) и прессуют в тюки.
Для получения конопляных волокон, которые можно использовать в производстве и в качестве добавок, волокна необходимо отделить в процессе, известном как «трепание». В процессе трепания конопляную солому механически обрабатывают для разрушения растения конопли, например с помощью молотковой мельницы. В этом механическом процессе коноплю ударяют о сито до тех пор, пока костра, более мелкие лубяные волокна и пыль не пройдут через сито. Современные высокоскоростные кинематические декортикационные машины способны разделять коноплю на три потока: лубяное волокно, костру и зелёное микроволокно.
Содержание целлюлозы в конопле составляет прибл. 70–77%. Конопляные волокна – отличная замена древесным целлюлозным волокнам
Преимущества конопляных волокон
- экономичность
- высокая прочность на растяжение и жёсткость
- идеально подходят для иглопробивных нетканых изделий
- эффективная замена стекловолокну
- сокращение времени формования
- снижение массы готовой детали
- простота обработки и вторичной переработки
- могут быть адаптированы к различным спецификациям и производственным системам
- возможно обеспечение стабильного качества и доступности поставок
Волокнистые биоматериалы
При извлечении волокон из льняной соломы неволокнистые части стебля, за исключением семян, обычно называют кострой. Например, у масличного льна костра составляет прибл. 70–85% общей массы соломы, что делает её основным побочным продуктом переработки льняной соломы.
Полученный ультразвуковым способом наноструктурированный лигнин используется для изготовления многофункциональных льняных тканей. Пропитка льняного текстиля нанолигнином позволяет создавать многофункциональные текстильные материалы. Такие многофункциональные материалы обладают дополнительными свойствами: защитой от УФ-излучения, антибактериальными и антистатическими свойствами.