Ultrazvočna obdelava konopljinih vlaken
- Ultrazvočno godenje vlaknatih materialov, kot so konopljina in lanena vlakna, omogoča hitro in učinkovito modifikacijo vlaken.
- Ultrazvočno obdelana ličnata vlakna so fibrilirana ter imajo znatno večjo specifično površino, povečano natezno trdnost in prožnost.
- Ultrazvočna obdelava vlaken je hitra tehnologija obdelave za industrijsko proizvodnjo, ki je preprosta za uporabo.
Ultrazvočno godenje
Ultrazvočno godenje je hitra, učinkovita in okolju prijazna alternativa tradicionalnemu godenju v vodi ali na rosi. Akustična kavitacija, ki jo ustvarja visokointenzivni nizkofrekvenčni ultrazvok, razgrajuje celične strukture biomaterialov, kot so nelesna rastlinska vlakna, ki vključujejo ličnata vlakna, kot so lan, konoplja, kopriva, pšenična slama, riževa slama in juta, pa tudi vlakna iz listov (npr. sisal, manilska konoplja, abaka) in vlakna iz plodov, kot so kokosova vlakna iz kokosovih lupin.
Ultrazvočno razpletanje pretvarja mikrovlakna (pribl. 3–5µm) v nanovlakna (≥100nm). Poleg tega je ultrazvočna obdelava povzročila razgradnjo čistega ksiloglukana in ksilana v raztopini, kar dokazuje sposobnost ultrazvoka za razgradnjo hemiceluloze.
Čeprav se ultrazvočno godenje uporablja predvsem v vodni raztopini, je ultrazvočni proces mogoče – odvisno od surovine in želenega rezultata – kombinirati z alkalno obdelavo. Raztopine NaOH, H2O2 in H2SO4 se lahko uporabljajo za alkalizacijo, da se v kratkem času obdelave pridobijo celulozna nanovlakna. Z ultrazvočno obdelavo je mogoče preprosto doseči fibrilacijo celuloznih mikrovlaken. Ultrazvočno proizvedena vlakna imajo posebno morfologijo, pri kateri so nanovlakna (≥ 100nm) razporejena po celotni površini mikrovlaken (3–5µm).
Analiza lanenih, konopljinih in kokosovih vlaken z vrstično elektronsko mikroskopijo z ultrazvočno obdelavo ali brez nje.
vir: Renouard et al. 2014
UIP4000hdT (4kW) industrijski ultrazvočni procesor za obdelavo vlaken
Ultrazvočna obdelava konopljinih vlaken
Z rastjo trga konopljinih semen in fitokanabinoidov se povečuje tudi proizvodnja konopljine slame. Konopljina slama in njena vlakna se kot stranski proizvod uporabljajo predvsem za proizvodnjo papirja ali geotekstilij, kot ojačitev v kompozitnih materialih ter kot gradbeni material.
Posušena in razrezana slama z ličjem se lahko uporablja kot surovina za ultrazvočno obdelavo, vendar je za boljše rezultate ultrazvočnega procesa priporočljiva uporaba (delno) dekorticiranega pezdirja. Ličnati material se omoči v vodi (vodni raztopini), da nastane suspenzija, ki jo je mogoče črpati skozi ultrazvočno pretočno celico. Proces sonikacije traja le kratek čas (pribl. 30–60 s). Znanstvene raziskave so pokazale, da ultrazvočna obdelava izboljša ekstrakcijo hemiceluloze in lignina iz lignoceluloznih materialov. Poleg tega sonikacija razgrajuje celulozo in pektin. Ultrazvočna obdelava konoplje in lanu izboljša tudi prožnost in natezno trdnost vlaken, ki sta dragoceni lastnosti za proizvodnjo tekstilij in kompozitov.
- zmanjšanje vsebnosti lignina
- mikro- in nanofibrilirana vlakna
- povečana prožnost vlaken
- večja natezna trdnost
- hiter proces
- preprosto upravljanje
Ultrazvočno-alkalna obdelava konopljinih vlaken (Ferreira et al. 2019)
Ultrazvočno modificirana konopljina vlakna
Ultrazvočno fibrilirana ličnata vlakna (npr. konopljina, lanena) so posebej primerna kot ojačitev za polimerne smole, termoplastične in duroplastične kompozite.
Konopljina ličnata vlakna so dragocen vir, iz katerega je mogoče ekstrahirati celulozne nanokristale (CNC). Za celulozne nanokristale sta značilni velika površina ter izjemna togost in natezna trdnost. Natezna trdnost CNC presega trdnost stekla ali aluminija. Celulozni nanokristali so precej poceni in so zato konkurenčen nanododatek glede cene, razpoložljivosti, toksičnosti in trajnostnosti.
Sonikacija je preprosta za uporabo, hitra in okolju prijazna tehnika, ki omogoča proizvodnjo visokokakovostnih celuloznih nanokristalov.
Sosiati et al. 2014 prikazujejo koristne učinke sonikacije na obdelavo vlaken.
Visokozmogljive ultrazvočne naprave za obdelavo vlaken
Hielscher Ultrasonics izdeluje visokozmogljivo ultrazvočno opremo za zahtevne uporabe. Naše ultrazvočne sisteme je mogoče uporabljati za šaržno ali neprekinjeno obdelavo v pretočnem sistemu. Vsi industrijski ultrazvočni procesorji Hielscher lahko zagotavljajo zelo visoke amplitude. Pri amplitudah do 200µm je mogoče brez težav neprekinjeno delovati 24/7. Za še višje amplitude so na voljo prilagojene ultrazvočne sonotrode. Vendar sama zmožnost zagotavljanja zelo visokih amplitud ne zadostuje za uspešno izvajanje ultrazvočnega procesa obdelave vlaken, kot sta godenje ali fibrilacija. Glede na surovino in želeni rezultat morajo biti procesni parametri – amplituda, tlak, temperatura in čas – natančno nadzorljivi in nastavljivi.
Digitalni ultrazvočni procesorji Hielscher samodejno beležijo vse procesne podatke na vgrajeno kartico SD, kar omogoča ponovljivost rezultatov procesa. Amplitudo in intenzivnost obdelave je mogoče natančno nastavljati in nadzorovati od zelo blagih do zelo intenzivnih pogojev sonikacije. To vam omogoča obdelavo različnih materialov z optimalnimi rezultati.
Robustnost ultrazvočne opreme Hielscher omogoča delovanje 24/7 pri velikih obremenitvah in v zahtevnih okoljih.
Spodnja tabela prikazuje približno zmogljivost obdelave naših ultrazvočnih naprav:
| Prostornina šarže | Pretok | Priporočene naprave |
|---|---|---|
| 1 do 500mL | 10 do 200mL/min | UP100H |
| 10 do 2000mL | 20 do 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 do 20L | 0,2 do 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 do 100L | 2 do 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 do 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | večji | sklop naprav UIP16000 |
Kontaktirajte nas! / Vprašajte nas!
Ultrazvočni procesorji velike moči za laboratorijsko, pilotno in industrijsko merilo.
Literatura/viri
- Diana P.Ferreira, Juliana Cruz, Raul Fangueiro (2019): Poglavje 1 – Površinska modifikacija naravnih vlaken v polimernih kompozitih. Zeleni kompoziti za avtomobilske uporabe. Woodhead Publishing Series in Composites Science and Engineering 2019, strani 3–41.
- Sullivan Renouard, Christophe Hano, Joël Doussot, Jean-Philippe Blondeau, Eric Lainé (2014): Karakterizacija vpliva ultrazvoka na kokosova, lanena in konopljina vlakna. Materials Letters 129, 2014. 137–141.
- H. Sosiati, M. Muhaimin, P. Abdilah, D. A. Wijayanti, Harsojo, K. Triyana (2014): Vpliv kemičnih obdelav na
lastnosti naravne celuloze. AIP Conference Proceedings 1617, 105 (2014). - M. Zimniewska , R. Kozłowski, J. Batog (2008): Lanena tkanina, modificirana z nanoligninom, kot večfunkcionalni izdelek. Molecular Crystals and Liquid Crystals, letnik 484, številka 1, 2008.
Koristne informacije
Konopljina vlakna
Konoplja je večnamenska poljščina, ki se uporablja za pridobivanje konopljinih semen in nato olja iz semen, terpenoidov in kanabinoidov (tj. CBD, CBG itd.) ter konopljine slame, ki jo je mogoče predelati v dragocen vlaknati material. Glede kakovosti konopljinih vlaken razlikujemo med tako imenovanimi predivnimi vlakni, ki so kratki snopi neporavnanih vlaken, in tako imenovanimi dolgimi vlakni, ki so dolga, vzdolžno poravnana vlakna.
Kratki snopi vlaken se imenujejo tudi tehnična vlakna in se uporabljajo predvsem v avtomobilski industriji, za proizvodnjo papirja in za kompozite na biološki osnovi. Dolga konopljina vlakna se uporabljajo za tekstilije in uporabe z visoko dodano vrednostjo, kot so visokozmogljivi kompoziti in biokompoziti.
Proizvodnja konopljinih vlaken:
Konopljo za vlakna (konopljo, ki se goji za proizvodnjo vlaken) je najbolje požeti pred cvetenjem. Takšna zgodnja žetev zagotavlja višjo kakovost vlaken, saj se kakovost zmanjša, če rastline začnejo cveteti. Na splošno se konoplja za vlakna žanje 70–90 dni po setvi. Pri žetvi konoplje se rastline odrežejo 2–3cm nad tlemi in nato sušijo nekaj dni. Po žetvi se konoplja godi. Godenje je proces, pri katerem se z vlago in mikroorganizmi razgrajujejo rastlinski pektini, ki kemično povezujejo konopljino steblo. Tradicionalno so konopljina stebla pred trenjem vlaken godili v vodi ali na rosi. Proces godenja olajša poznejše ločevanje ličja od tako imenovanega konopljinega pezdirja (ki je olesenela sredica konopljinih stebel). Po godenju se konopljina stebla posušijo (do vsebnosti vlage, nižje od 15%) in balirajo.
Za pridobivanje konopljinih vlaken, ki se lahko uporabljajo v proizvodnji in kot dodatki, je treba vlakna ločiti s postopkom, imenovanim »trenje«. Med trenjem se konopljina slama mehansko obdeluje, da se konopljina rastlina razgradi, npr. s kladivnim mlinom. Pri tem mehanskem postopku se konoplja udarja ob sito, dokler pezdir, manjša ličnata vlakna in prah ne padejo skozi sito. Sodobni hitri kinematični stroji za dekortikacijo lahko konopljo ločijo v tri tokove: ličnata vlakna, pezdir in zelena mikrovlakna.
Vsebnost celuloze v konoplji je pribl. 70–77%. Konopljina vlakna so odličen nadomestek za lesna celulozna vlakna
Prednosti konopljinih vlaken
- stroškovno učinkovita
- visoka natezna trdnost in togost
- idealno primerna za iglane netkane izdelke
- učinkovit nadomestek za steklena vlakna
- skrajšajo čas oblikovanja v kalupu
- zmanjšanje mase končnega dela
- preprosta obdelava in recikliranje
- mogoče jih je prilagoditi različnim specifikacijam in različnim proizvodnim sistemom
- mogoči sta stalna kakovost in razpoložljivost dobave
Vlaknati biomateriali
Pri pridobivanju vlaken iz lanene slame se nevlaknati deli stebla, ki ne vključujejo semen, običajno imenujejo pezdir. Pri oljnem lanu pezdir na primer predstavlja pribl. 70 – 85% skupne mase slame, zaradi česar je pezdir glavni stranski proizvod predelave lanene slame.
Ultrazvočno proizveden nanostrukturirani lignin se uporablja za izdelavo večfunkcionalnih lanenih tkanin. Z impregniranjem lanenih tekstilij z nanoligninom je mogoče ustvariti večfunkcionalne tekstilije. Te večfunkcionalne tekstilije zagotavljajo dodatne lastnosti: zaščito pred UV-sevanjem ter antibakterijske in antistatične lastnosti.