Ултразвучна обрада влакана конопље
- Ултразвучно мочење влакнастих материјала као што су влакна конопље и лана омогућава брзу и ефикасну модификацију влакана.
- Ултразвучно обрађена ликаста влакна су фибрилисана и показују знатно већу специфичну површину, повећану затезну чврстоћу и флексибилност.
- Ултразвучна обрада влакана је брза технологија обраде која се лако примењује у индустријској производњи.
Ултразвучно мочење
Ултразвучно мочење је брза, ефикасна и еколошки прихватљива алтернатива традиционалном мочењу у води или росењу. Акустична кавитација, настала дејством ултразвука високог интензитета и ниске фреквенције, разара ћелијске структуре биоматеријала као што су недрвна биљна влакна, која обухватају ликаста влакна попут лана, конопље, коприве, пшеничне сламе, пиринчане сламе и јуте, као и влакна добијена из листова (нпр. сисал, манилска конопља, абака) и влакна добијена из плодова, попут кокосових влакана из љуски кокоса.
Ултразвучно размрсивање претвара микровлакна (прибл. 3–5µm) у нановлакна (≥100nm). Поред тога, ултразвучна обрада је изазвала разградњу чистог ксилоглукана и ксилана у раствору, показујући способност ултразвука да разграђује хемицелулозу.
Иако се ултразвучно мочење углавном примењује у воденом раствору, могуће је – у зависности од сировине и жељеног исхода – комбиновати ултразвучни поступак са алкалном обрадом. Раствори NaOH, H2O2 и H2SO4 могу се користити за алкализацију ради добијања целулозних нановлакана за кратко време обраде. Ултразвучном обрадом се лако може постићи фибрилација целулозних микровлакана. Ултразвучно произведена влакна показују специфичну морфологију у којој су нановлакна (≥ 100nm) распоређена по целој површини микровлакана (3–5µm).
Анализа влакана лана, конопље и кокоса скенирајућом електронском микроскопијом, са ултразвучном обрадом или без ње.
извор: Renouard et al. 2014
UIP4000hdT (4kW) индустријски ултразвучни процесор за обраду влакана
Ултразвучна обрада влакана конопље
Са растом тржишта семена конопље и фитоканабиноида повећава се и производња сламе конопље. Као нуспроизвод, слама конопље и њена влакна углавном се користе за производњу папира или геотекстила, као ојачање у композитним материјалима, као и као грађевински материјал.
Осушена и исечена слама ликастих биљака може се користити као сировина за ултразвучну обраду, али се за постизање бољих резултата ултразвучног поступка препоручује употреба (делимично) декортикованог поздера. Ликасти материјал се кваси водом (воденим раствором) тако да се добије суспензија која се може пумпати и која може да прође кроз ултразвучну проточну ћелију. Поступак соникације траје само кратко време (прибл. 30–60 сек.). Научна истраживања су показала да ултразвучна обрада побољшава екстракцију хемицелулозе и лигнина из лигноцелулозних материјала. Поред тога, соникација разграђује целулозу и пектин. Ултразвучна обрада конопље и лана такође побољшава флексибилност и затезну чврстоћу влакана, што су драгоцене карактеристике за производњу текстила и композита.
- смањење садржаја лигнина
- микрофибрилисана и нанофибрилисана влакна
- повећана флексибилност влакана
- већа затезна чврстоћа
- брз поступак
- једноставно руковање
Ултразвучно-алкална обрада влакана конопље (Ferreira et al. 2019)
Ултразвучно модификована влакна конопље
Ултразвучно фибрилисано ликасто влакно (нпр. конопље, лана) посебно је погодно као ојачање за полимерне смоле, термопластичне и термореактивне композите.
Ликаста влакна конопље су драгоцен извор из којег се могу екстраховати нанокристали целулозе (CNC). Нанокристале целулозе одликују велика површина и изузетна крутост и затезна чврстоћа. Затезна чврстоћа нанокристала целулозе премашује чврстоћу стакла или алуминијума. Нанокристали целулозе су прилично јефтини и стога представљају конкурентан наноадитив у погледу цене, доступности, токсичности и одрживости.
Соникација је једноставна за примену, брза и еколошки прихватљива техника која омогућава производњу висококвалитетних нанокристала целулозе.
Sosiati и сар. 2014 приказују повољне ефекте соникације на обраду влакана.
Ултразвучни уређаји високих перформанси за обраду влакана
Hielscher Ultrasonics производи ултразвучну опрему високих перформанси за примене са великим оптерећењем. Наши ултразвучни системи могу се користити за шаржну или континуалну проточну обраду. Сви индустријски ултразвучни процесори Hielscher могу да остваре веома високе амплитуде. Амплитуде до 200µm могу се лако одржавати континуално у раду 24/7. За још више амплитуде доступне су ултразвучне сонотроде израђене по мери. Међутим, сама могућност постизања веома високих амплитуда није довољна за успешно спровођење ултразвучног процеса обраде влакана, као што су мочење или фибрилација. У зависности од сировине и жељеног резултата, параметри процеса – односно амплитуда, притисак, температура и време – морају се моћи прецизно контролисати и подешавати.
Дигитални ултразвучни процесори компаније Hielscher аутоматски бележе све податке о процесу на уграђену SD картицу, што омогућава поновљивост резултата процеса. Амплитуда и интензитет обраде могу се прецизно подешавати и контролисати, од веома благих до веома интензивних услова соникације. То вам омогућава да различите материјале обрађујете уз постизање оптималних резултата.
Робусност ултразвучне опреме компаније Hielscher омогућава рад 24/7 при великом оптерећењу и у захтевним окружењима.
Табела у наставку даје преглед приближног капацитета обраде наших ултразвучних уређаја:
| Запремина шарже | Проток | Препоручени уређаји |
|---|---|---|
| 1 до 500mL | 10 до 200mL/min | UP100H |
| 10 до 2000mL | 20 до 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 до 20L | 0,2 до 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 до 100L | 2 до 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 до 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | већи | група уређаја UIP16000 |
Контактирајте нас! / Питајте нас!
Ултразвучни процесори велике снаге за лабораторијски, пилотски и индустријски обим.
Литература/референце
- Diana P.Ferreira, Juliana Cruz, Raul Fangueiro (2019): Поглавље 1 – Модификација површине природних влакана у полимерним композитима. Еколошки прихватљиви композити за примене у аутомобилској индустрији. Woodhead Publishing серија о науци и инжењерству композита 2019, странице 3–41.
- Sullivan Renouard, Christophe Hano, Joël Doussot, Jean-Philippe Blondeau, Eric Lainé (2014): Карактеризација утицаја ултразвука на кокосова, ланена и конопљина влакна. Materials Letters 129, 2014. 137–141.
- H. Sosiati, M. Muhaimin, P. Abdilah, D. A. Wijayanti, Harsojo, K. Triyana (2014): Утицај хемијских третмана на
карактеристике природне целулозе. AIP Conference Proceedings 1617, 105 (2014). - M. Zimniewska , R. Kozłowski, J. Batog (2008): Ланена тканина модификована нанолигнином као мултифункционални производ. Molecular Crystals and Liquid Crystals том 484, број 1, 2008.
Чињенице које вреди знати
Влакно конопље
Конопља је вишенаменска култура која се гаји ради семена и уља које се из њега добија, терпеноида и канабиноида (тј. CBD, CBG итд.), као и конопљине сламе, која се може прерадити у вредан влакнасти материјал. У погледу квалитета конопљиних влакана, разликују се такозвана кучина, коју чине кратки снопови неусмерених влакана, и такозвана дуга влакна, која су уздужно усмерена.
Кратки снопови влакана називају се и техничким влакнима и углавном се користе у аутомобилској индустрији, за производњу папира и за композите на биолошкој основи. Дуга конопљина влакна користе се за текстил и примене високе вредности, као што су композити високих перформанси и биокомпозити.
Производња конопљиних влакана:
Конопљу за влакно (конопљу која се гаји за производњу влакана) идеално је пожњети пре цветања. Оваква рана жетва даје квалитетнија влакна, јер квалитет опада ако се дозволи цветање. Конопља за влакно обично се жање 70–90 дана након сетве. При жетви конопље, биљке се секу 2–3cm изнад тла, а затим се суше неколико дана. После жетве конопља се подвргава мочењу. Мочење је процес у којем се помоћу влаге и микроорганизама разграђују биљни пектини, који хемијски повезују структуру стабљике конопље. Традиционално су се стабљике конопље подвргавале мочењу у води или росењу пре него што би се влакна издвојила трљењем. Процес мочења олакшава накнадно одвајање лике од такозваног конопљиног поздера (који представља дрвенасто језгро стабљика конопље). После мочења стабљике конопље се суше (до садржаја влаге мањег од 15%) и балирају.
Да би се добила конопљина влакна која се могу користити у производњи и као адитиви, влакна се морају одвојити поступком познатим као „трљење“. Током трљења конопљина слама се механички обрађује ради разбијања структуре биљке конопље, на пример помоћу млина чекићара. У овом механичком поступку конопља се удара о сито све док поздер, ситнија влакна лике и прашина не пропадну кроз сито. Савремене кинематичке машине за декортикацију велике брзине могу да раздвоје конопљу у три тока: влакна лике, поздер и зелена микровлакна.
Садржај целулозе у конопљи износи приближно 70–77%. Конопљина влакна су одлична замена за целулозна влакна из дрвета
Предности конопљиних влакана
- економична
- висока затезна чврстоћа и крутост
- идеално погодна за неткане производе добијене иглањем
- ефикасна замена за стаклена влакна
- скраћују време обликовања
- смањење масе готовог дела
- лако се прерађују и рециклирају
- могу се прилагодити различитим спецификацијама и различитим производним системима
- могући су уједначен квалитет и доступност снабдевања
Влакнасти биоматеријали
Када се влакна издвајају из ланене сламе, невлакнасти делови стабљике, не укључујући семе, обично се називају поздером. На пример, код уљаног лана поздер чини приближно 70–85% укупне масе сламе, што га чини главним нуспроизводом прераде ланене сламе.
Наноструктурисани лигнин произведен ултразвуком користи се за израду мултифункционалних ланених тканина. Фулардирањем ланеног текстила нанолигнином могу се добити мултифункционални текстилни материјали. Ови мултифункционални текстилни материјали имају додатна својства: заштиту од UV зрачења, антибактеријска и антистатичка својства.