Ultraljudsbehandling av hampfibrer
- Ultraljudsrötning av fibrösa material såsom hamp- och linfibrer möjliggör snabb och effektiv fibermodifiering.
- Ultraljudsbehandlade bastfibrer är fibrillerade och uppvisar en betydligt större specifik yta, ökad draghållfasthet och flexibilitet.
- Fiberbehandling med ultraljud är en snabb och lättanvänd processteknik för industriell produktion.
Ultraljudsrötning
Ultraljudsrötning är ett snabbt, effektivt och miljövänligt alternativ till traditionell vatten- eller daggrötning. Akustisk kavitation, som genereras av högintensivt, lågfrekvent ultraljud, bryter upp cellstrukturer i biomaterial såsom vegetabiliska fibrer som inte kommer från trä, däribland bastfibrer såsom lin, hampa, nässla, vetehalm, rishalm och jute, samt fibrer från blad (t.ex. sisal, manillahampa, abacá) och fibrer från frukter såsom kokosfibrer från kokosnötsskal.
Ultraljudsbaserad lösgöring omvandlar mikrofibrer (ca 3–5µm) till nanofibrer (≥100nm). Dessutom inducerade ultraljudsbehandling nedbrytning av ren xyloglukan och xylan i lösning, vilket visar ultraljudets förmåga att bryta ned hemicellulosa.
Även om ultraljudsrötning huvudsakligen används i en vattenlösning är det möjligt – beroende på råmaterialet och det önskade resultatet – att kombinera ultraljudsprocessen med en alkalibehandling. Lösningar av NaOH, H2O2 och H2SO4 kan användas för alkalisering för att erhålla cellulosananofibrer med kort behandlingstid. Genom ultraljudsbehandling kan fibrillering av cellulosamikrofibrer enkelt uppnås. De ultraljudsframställda fibrerna uppvisar en specifik morfologi där nanofibrerna (≥ 100nm) är fördelade över mikrofibrernas (3–5µm) hela yta.
Svepelektronmikroskopisk analys av lin-, hamp- och kokosfibrer med eller utan ultraljudsbehandling.
källa: Renouard et al. 2014
UIP4000hdT (4kW) industriell ultraljudsprocessor för fiberbehandling
Ultraljudsbehandling av hampfibrer
Med den växande marknaden för hampfrön och fytokannabinoider följer en ökande produktion av hamphalm. Som biprodukt används hamphalm och dess fibrer huvudsakligen för tillverkning av papper eller geotextilier, som förstärkning i kompositmaterial samt som byggmaterial.
Torkad och hackad basthalm kan användas som råmaterial för ultraljudsbehandling, men för ett bättre resultat av ultraljudsprocessen rekommenderas användning av (delvis) avbarkade skävor. Bastmaterialet fuktas i vatten (vattenlösning) så att en pumpbar slurry erhålls, som kan passera genom ultraljudsflödescellen. Ultraljudsbehandlingen tar endast kort tid (ca 30–60 sek.). Vetenskaplig forskning har visat att ultraljudsbehandling förbättrar extraktionen av hemicellulosa och lignin ur lignocellulosamaterial. Dessutom bryter ultraljudsbehandling ned cellulosa och pektin. Ultraljudsbehandling av hampa och lin förbättrar även fibrernas flexibilitet och draghållfasthet, vilket är värdefulla egenskaper vid textil- och komposittillverkning.
- minskad ligninhalt
- mikro- och nanofibrillerade fibrer
- ökad fiberflexibilitet
- högre draghållfasthet
- snabb process
- enkel att använda
Ultraljuds- och alkalibehandling av hampfibrer (Ferreira et al. 2019)
Ultraljudsmodifierade hampfibrer
Bastfiber som fibrillerats med ultraljud (t.ex. hampa, lin) är särskilt lämplig som förstärkning i polymerhartser, termoplastkompositer och härdplastkompositer.
Hampans bastfibrer är en värdefull källa ur vilken cellulosananokristaller (CNC) kan extraheras. Cellulosananokristaller kännetecknas av sin stora ytarea och sin enastående styvhet och draghållfasthet. Cellulosananokristallernas draghållfasthet överstiger hållfastheten hos glas eller aluminium. Cellulosananokristaller är ganska billiga och är därmed en konkurrenskraftig nanotillsats när det gäller pris, tillgänglighet, toxicitet och hållbarhet.
Ultraljudsbehandling är en lättanvänd, snabb och miljövänlig teknik som gör det möjligt att framställa cellulosananokristaller av hög kvalitet.
Sosiati et al. 2014 visar ultraljudsbehandlingens gynnsamma effekter på fiberbearbetning.
Högpresterande ultraljudsapparater för fiberbearbetning
Hielscher Ultrasonics tillverkar högpresterande ultraljudsutrustning för krävande tillämpningar. Våra ultraljudssystem kan användas för satsvis bearbetning eller kontinuerlig inlinebearbetning. Alla industriella ultraljudsprocessorer från Hielscher kan leverera mycket höga amplituder. Amplituder på upp till 200µm kan enkelt upprätthållas kontinuerligt vid drift dygnet runt, sju dagar i veckan. För ännu högre amplituder finns kundanpassade ultraljudssonotroder. Förmågan att leverera mycket höga amplituder räcker dock inte i sig för att genomföra en framgångsrik ultraljudsprocess för fibrer, såsom rötning eller fibrillering. Beroende på råmaterialet och det önskade resultatet måste processparametrarna – närmare bestämt amplitud, tryck, temperatur och tid – kunna regleras och justeras exakt.
Hielschers digitala ultraljudsprocessorer registrerar automatiskt alla processdata på ett inbyggt SD-kort, så att processresultaten kan reproduceras. Amplitud och bearbetningsintensitet kan justeras och regleras exakt, från mycket milda till mycket intensiva ultraljudsbehandlingsförhållanden. Detta ger dig möjlighet att bearbeta olika material för optimalt resultat.
Robustheten hos Hielschers ultraljudsutrustning möjliggör drift dygnet runt, sju dagar i veckan, vid hög belastning och i krävande miljöer.
Tabellen nedan ger en uppfattning om våra ultraljudsapparaters ungefärliga bearbetningskapacitet:
| Satsvolym | Flödeshastighet | Rekommenderade apparater |
|---|---|---|
| 1 till 500mL | 10 till 200mL/min | UP100H |
| 10 till 2000mL | 20 till 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 till 20L | 0,2 till 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 till 100L | 2 till 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 till 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | högre | kluster av UIP16000 |
Kontakta oss! / Fråga oss!
Ultraljudsprocessorer med hög effekt från laboratorie- till pilot- och industriskala.
Litteratur/referenser
- 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.
Fakta värda att veta
Hampfiber
Hampa är en mångsidig gröda som används för hampfrön och den fröolja som sedan utvinns, terpenoider och cannabinoider (dvs. CBD, CBG osv.) samt hampstrå, som kan bearbetas till värdefullt fibermaterial. När det gäller hampfibrernas kvalitet skiljer man mellan så kallade blånor, som är korta fiberknippen utan gemensam orientering, och så kallade tågor, som är långa fibrer orienterade i längdriktningen.
De korta fiberknippena kallas även teknisk fiber och används främst inom bilindustrin, för papperstillverkning och för biobaserade kompositer. Långa hampfibrer används för textilier och tillämpningar med högt förädlingsvärde, såsom högpresterande kompositer och biokompositer.
Produktion av hampfiber:
Fiberhampa (hampa som odlas för fiberproduktion) skördas helst före blomningen. Denna tidiga skörd ger högre fiberkvalitet eftersom kvaliteten försämras om plantorna tillåts blomma. I allmänhet skördas fiberhampa 70–90 dagar efter sådd. Vid skörd skärs plantorna av 2–3cm ovanför marken och torkas sedan i några dagar. Efter skörden rötas hampan. Rötning är en process där fukt och mikroorganismer används för att bryta ned växtens pektiner, som håller samman hampstjälken kemiskt. Traditionellt vattenrötas eller daggrötas hampstjälkarna innan fibrerna skäktas. Rötningsprocessen underlättar den efterföljande separationen av basten från de så kallade hampvedämnena eller skävorna (som utgör hampstjälkarnas vedartade kärna). Efter rötningen torkas hampstjälkarna till en fukthalt på mindre än 15% och pressas till balar.
För att få fram hampfibrer som kan användas vid tillverkning och som tillsatser måste fibrerna separeras i en process som kallas ”skäktning”. Under skäktningen bearbetas hampstrået mekaniskt för att bryta sönder hampplantan, exempelvis med en hammarkvarn. I denna mekaniska process slås hampan mot en sikt tills skävor, mindre bastfibrer och damm faller genom sikten. Moderna kinematiska höghastighetsmaskiner för dekortikering kan separera hampa i tre strömmar: bastfiber, skävor och grön mikrofiber.
Cellulosahalten i hampa är cirka 70–77%. Hampfibrer är ett utmärkt substitut för cellulosafibrer från trä
Fördelar med hampfibrer
- kostnadseffektiva
- hög draghållfasthet och styvhet
- idealiska för nålfiltade nonwovenprodukter
- effektiv ersättning för glasfiber
- minskar formningstiden
- viktminskning i den färdiga detaljen
- lätta att bearbeta och återvinna
- kan anpassas för att uppfylla en rad olika specifikationer och passa olika tillverkningssystem
- jämn kvalitet och stabil tillgång är möjliga
Fibrösa biomaterial
När stråfibrer utvinns ur linhalm kallas stjälkens icke-fibrösa delar, med undantag för fröet, normalt för skävor eller vedämnen. Hos exempelvis oljelin utgör skävor cirka 70–85% av halmens totala vikt, vilket gör skävor till den huvudsakliga biprodukten vid bearbetning av linhalm.
Nanostrukturerat lignin som framställts med ultraljud används för att tillverka multifunktionella linnetyger. Genom att impregnera linnetextilier med nanolignin med hjälp av foulardering kan multifunktionella textilier skapas. Dessa multifunktionella textilier har ytterligare egenskaper i form av UV-skydd samt antibakteriella och antistatiska egenskaper.