Ultrazvukové spracovanie konopných vlákien
- Ultrazvukové máčanie vláknitých materiálov, ako sú konopné a ľanové vlákna, umožňuje rýchlu a účinnú modifikáciu vlákien.
- Ultrazvukom spracované lykové vlákna sú fibrilované a vykazujú výrazne väčší merný povrch, zvýšenú pevnosť v ťahu a ohybnosť.
- Ultrazvukové spracovanie vlákien je rýchla a ľahko použiteľná technológia spracovania pre priemyselnú výrobu.
Ultrazvukové máčanie
Ultrazvukové máčanie je rýchlou, účinnou a ekologickou alternatívou k tradičnému máčaniu vo vode alebo roseniu. Akustická kavitácia, vytváraná ultrazvukom s vysokou intenzitou a nízkou frekvenciou, rozrušuje bunkové štruktúry biomateriálov, ako sú nedrevné rastlinné vlákna, ktoré zahŕňajú lykové vlákna, ako sú ľan, konopa, žihľava, pšeničná slama, ryžová slama a juta, ako aj vlákna získavané z listov (napr. sisal, manilská konopa, abaka) a vlákna získavané z plodov, ako je kokosové vlákno z kokosových škrupín.
Ultrazvukové rozvoľňovanie premieňa mikrovlákna (približne 3–5µm) na nanovlákna (≥100nm). Ultrazvukové spracovanie navyše vyvolalo degradáciu čistého xyloglukánu a xylánu v roztoku, čím sa preukázala schopnosť ultrazvuku degradovať hemicelulózu.
Hoci sa ultrazvukové máčanie používa najmä vo vodnom roztoku, ultrazvukový proces možno – v závislosti od suroviny a požadovaného výsledku – kombinovať s alkalickým spracovaním. Roztoky NaOH, H2O2 a H2SO4 sa môžu použiť na alkalizáciu s cieľom získať celulózové nanovlákna v krátkom čase spracovania. Ultrazvukovým spracovaním možno ľahko dosiahnuť fibriláciu celulózových mikrovlákien. Ultrazvukom vyrobené vlákna vykazujú špecifickú morfológiu, pri ktorej sú nanovlákna (≥ 100nm) rozložené po celom povrchu mikrovlákien (3–5µm).
Analýza ľanových, konopných a kokosových vlákien s ultrazvukovým spracovaním alebo bez neho pomocou rastrovacej elektrónovej mikroskopie.
zdroj: Renouard et al. 2014
UIP4000hdT (4kW) priemyselný ultrazvukový procesor na spracovanie vlákien
Ultrazvukové spracovanie konopných vlákien
S rastúcim trhom s konopnými semenami a fytokanabinoidmi rastie aj produkcia konopnej slamy. Konopná slama a jej vlákna sa ako vedľajší produkt používajú najmä na výrobu papiera alebo geotextílií, ako výstuž v kompozitných materiáloch, ako aj ako stavebný materiál.
Sušená a narezaná slama lykových rastlín sa môže použiť ako surovina na ultrazvukové spracovanie, na dosiahnutie lepších výsledkov ultrazvukového procesu sa však odporúča použiť (čiastočne) dekortikované pazderie. Lykový materiál sa navlhčí vodou (vodným roztokom), čím sa získa čerpateľná suspenzia, ktorá môže prechádzať ultrazvukovou prietokovou celou. Proces sonikácie trvá len krátko (približne 30–60 sekúnd). Vedecký výskum preukázal, že pôsobenie ultrazvuku zlepšuje extrakciu hemicelulózy a lignínu z lignocelulózových materiálov. Sonikácia navyše degraduje celulózu a pektín. Ultrazvukové spracovanie konopy a ľanu zlepšuje aj ohybnosť a pevnosť vlákien v ťahu, čo sú cenné vlastnosti pri výrobe textílií a kompozitov.
- zníženie obsahu lignínu
- mikrofibrilované a nanofibrilované vlákna
- zvýšená ohybnosť vlákien
- vyššia pevnosť v ťahu
- rýchly proces
- jednoduchá obsluha
Ultrazvukovo-alkalické spracovanie konopného vlákna (Ferreira et al. 2019)
Ultrazvukom modifikované konopné vlákno
Ultrazvukom fibrilované lykové vlákno (napr. konopné, ľanové) je obzvlášť vhodné ako výstuž polymérnych živíc, termoplastických a termosetových kompozitov.
Konopné lykové vlákna sú cenným zdrojom, z ktorého možno extrahovať nanokryštály celulózy (CNC). Nanokryštály celulózy sa vyznačujú veľkým špecifickým povrchom a mimoriadnou tuhosťou a pevnosťou v ťahu. Pevnosť CNC v ťahu prevyšuje pevnosť skla alebo hliníka. Nanokryštály celulózy sú pomerne lacné, a preto predstavujú konkurencieschopnú nanoprísadu z hľadiska ceny, dostupnosti, toxicity aj udržateľnosti.
Sonikácia je ľahko použiteľná, rýchla a ekologická technika, ktorá umožňuje vyrábať vysokokvalitné nanokryštály celulózy.
Sosiati et al. 2014 poukazujú na priaznivé účinky sonikácie pri spracovaní vlákien.
Vysokovýkonné ultrazvukové zariadenia na spracovanie vlákien
Hielscher Ultrasonics vyrába vysokovýkonné ultrazvukové zariadenia pre náročné aplikácie. Naše ultrazvukové systémy možno použiť na vsádzkové alebo kontinuálne prietokové spracovanie. Všetky priemyselné ultrazvukové procesory Hielscher dokážu dosahovať veľmi vysoké amplitúdy. Amplitúdy až do 200µm možno ľahko nepretržite udržiavať v prevádzke 24/7. Pre ešte vyššie amplitúdy sú k dispozícii ultrazvukové sonotródy vyrobené na mieru. Samotná schopnosť dosahovať veľmi vysoké amplitúdy však nestačí na úspešné ultrazvukové spracovanie vlákien, napríklad máčaním alebo fibriláciou. V závislosti od suroviny a požadovaného výsledku musí byť možné presne regulovať a nastavovať procesné parametre – konkrétne amplitúdu, tlak, teplotu a čas.
Digitálne ultrazvukové procesory Hielscher automaticky zaznamenávajú všetky procesné údaje na integrovanú SD kartu, vďaka čomu sú výsledky procesu reprodukovateľné. Amplitúdu a intenzitu spracovania možno presne nastavovať a regulovať od veľmi miernych až po vysoko intenzívne podmienky sonikácie. To vám umožňuje spracovať rôzne materiály s optimálnym výsledkom.
Robustnosť ultrazvukových zariadení Hielscher umožňuje prevádzku 24/7 pri vysokom zaťažení a v náročných prostrediach.
Nasledujúca tabuľka poskytuje predstavu o približnej spracovateľskej kapacite našich ultrazvukových zariadení:
| Objem vsádzky | Prietok | Odporúčané zariadenia |
|---|---|---|
| 1 až 500mL | 10 až 200mL/min | UP100H |
| 10 až 2000mL | 20 až 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 až 20L | 0,2 až 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 až 100L | 2 až 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 až 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | vyšší | zostava zariadení UIP16000 |
Kontaktujte nás! / Opýtajte sa nás!
Vysokovýkonné ultrazvukové procesory od laboratórneho cez poloprevádzkové až po priemyselné meradlo.
Literatúra / referencie
- 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.
Čo sa oplatí vedieť
Konopné vlákno
Konopa je viacúčelová plodina pestovaná na získavanie konopných semien a následne oleja zo semien, terpenoidov a kanabinoidov (t. j. CBD, CBG atď.) a konopnej slamy, ktorú možno spracovať na hodnotný vláknitý materiál. Z hľadiska kvality konopných vlákien sa rozlišujú takzvané kúdeľové vlákna, ktoré tvoria krátke, neusporiadané zväzky vlákien, a takzvané dlhé vlákna, ktoré sú dlhé a pozdĺžne usporiadané.
Krátke zväzky vlákien sa nazývajú aj technické vlákna a používajú sa najmä v automobilovom priemysle, na výrobu papiera a na kompozity na biologickej báze. Dlhé konopné vlákna sa používajú v textilnom priemysle a v aplikáciách s vysokou pridanou hodnotou, ako sú vysokovýkonné kompozity a biokompozity.
Výroba konopných vlákien:
Konopa na vlákno (konopa pestovaná na výrobu vlákien) sa ideálne zberá pred kvitnutím. Tento skorý zber prináša vyššiu kvalitu vlákien, pretože po začatí kvitnutia ich kvalita klesá. Konopa na vlákno sa zvyčajne zberá 70–90 dní po výseve. Pri zbere sa rastliny režú 2–3cm nad pôdou a potom sa niekoľko dní sušia. Po zbere sa konopa podrobuje máčaniu alebo roseniu. Ide o proces, pri ktorom sa pôsobením vlhkosti a mikroorganizmov rozkladajú rastlinné pektíny, ktoré chemicky spájajú časti konopnej stonky. Tradične sa konopné stonky pred trepaním vlákien máčali vo vode alebo rosili. Proces máčania alebo rosenia uľahčuje následné oddelenie lyka od takzvaného konopného pazderia (ktoré tvorí drevnaté jadro konopných stoniek). Po máčaní alebo rosení sa konopné stonky sušia (na obsah vlhkosti nižší ako 15%) a lisujú do balíkov.
Na získanie konopných vlákien, ktoré možno použiť vo výrobe a ako prísady, sa vlákna musia oddeliť v procese známom ako „trepanie“. Počas trepania sa konopná slama mechanicky spracúva tak, aby sa rastlina rozrušila, napr. pomocou kladivového mlyna. Pri tomto mechanickom procese sa konopa otĺka o sito, až kým pazderie, menšie lykové vlákna a prach neprepadnú cez sito. Moderné vysokorýchlostné kinematické dekortikačné stroje dokážu rozdeliť konopu na tri prúdy: lykové vlákna, pazderie a zelené mikrovlákna.
Obsah celulózy v konope je približne 70–77%. Konopné vlákna sú vynikajúcou náhradou drevných celulózových vlákien
Výhody konopných vlákien
- nákladovo efektívne
- vysoká pevnosť v ťahu a tuhosť
- ideálne vhodné na vpichované netkané výrobky
- účinná náhrada sklenených vlákien
- skracujú čas tvarovania
- zníženie hmotnosti hotového dielu
- ľahko sa spracúvajú a recyklujú
- možno ich prispôsobiť rôznym špecifikáciám a odlišným výrobným systémom
- možno zabezpečiť stálu kvalitu a dostupnosť dodávok
Vláknité biomateriály
Pri získavaní vlákien z ľanovej slamy sa nevláknité časti stonky, okrem semien, zvyčajne označujú ako pazderie. Napríklad pri olejnom ľane tvorí pazderie približne 70 – 85% celkovej hmotnosti slamy, čím sa stáva hlavným vedľajším produktom spracovania ľanovej slamy.
Ultrazvukovo vyrobený nanoštruktúrovaný lignín sa používa na výrobu multifunkčných ľanových tkanín. Fulárovaním ľanových textílií nanolignínom možno vytvárať multifunkčné textílie. Tieto multifunkčné textílie ponúkajú dodatočné vlastnosti v podobe bariéry proti UV žiareniu, antibakteriálnych a antistatických vlastností.