Ультразвукова обробка конопляного волокна
- Ультразвукове розм’якшення волокнистих матеріалів, таких як конопляне та лляне волокно, дозволяє здійснювати швидку та ефективну модифікацію волокна.
- Ультразвуково оброблене луб’яне волокно фібрилюється і демонструє значно більшу питому поверхню, підвищену міцність на розрив та гнучкість.
- Ультразвукова обробка волокна – це швидка та проста у використанні технологія обробки для промислового виробництва.
Ультразвукове розм’якшення
Ультразвукове розм’якшення є швидкою, ефективною та екологічно чистою альтернативою традиційному мокрому або росному розм’якшенню. Акустична кавітація, що генерується високоефективним низькочастотним ультразвуком, руйнує клітинні структури біоматеріалів, таких як деревоволокнисті та рослинні волокна, включаючи луб’яні волокна, такі як льон, конопля, кропива, пшенична солома, рисова солома, джут, а також волокна з листя (наприклад, сизаль, манільська конопля, абакá) та волокна з плодів, такі як койра з кокосової шкаралупи.
Ультразвукове розплутування перетворює мікроволокна (приблизно 3-5µm) на нановолокна (≥100nm). Крім того, ультразвукова обробка спричиняє деградацію чистого ксилоглукану та ксилану в розчині, демонструючи здатність ультразвуку руйнувати геміцелюлозу.
Хоча ультразвукове розм’якшення переважно використовується у водному розчині, залежно від сировини та бажаного результату можна поєднати ультразвуковий процес з лужною обробкою. Розчини NaOH, H2O2 та H2SO4 можна використовувати для алкалізації, щоб отримати целюлозні нановолокна за короткий час обробки. Завдяки ультразвуковій обробці можна легко досягти фібриляції целюлозних мікроволокон. Ультразвуково отримані волокна мають специфічну морфологію, при якій нановолокна (≥ 100nm) розподілені по всій поверхні мікроволокон (3-5µm).
Аналіз за допомогою скануючої електронної мікроскопії лляних, конопляних та койрових волокон з ультразвуковою обробкою або без неї.
джерело: Renouard et al. 2014
UIP4000hdT (4kW) промисловий ультразвуковий процесор для обробки волокна
Ультразвукова обробка конопляного волокна
Зі зростанням ринку насіння конопель та фітоканабіноїдів збільшується виробництво конопляної соломи. Як побічний продукт, конопляна солома та її волокна переважно використовуються для виробництва паперу або геотекстилю, армування композитних матеріалів, а також будівельних матеріалів.
Висушену та нарізану луб’яну солому можна використовувати як сировину для ультразвукової обробки, однак для кращих результатів ультразвукового процесу рекомендується використовувати (частково) декортиковане шив’є. Луб’яний матеріал зволожується у воді (водний розчин), щоб отримати перекачувальну суспензію, яка може проходити через ультразвукову проточну комірку. Процес сонікації займає лише короткий час (приблизно 30-60 сек.). Наукові дослідження показали, що ультразвукова обробка покращує екстракцію геміцелюлози та лігніну з лігноцелюлозних матеріалів. Крім того, сонікація руйнує целюлозу та пектин. Ультразвукова обробка льону та конопель також покращує гнучкість та міцність на розрив волокон, які є цінними характеристиками для текстильного та композитного виробництва.
- зменшення вмісту лігніну
- мікро- та нановолокна з фібриляцією
- підвищена гнучкість волокна
- вища міцність на розрив
- швидкий процес
- простота в експлуатації
Ультразвуково-лужна обробка конопляного волокна (Ferreira et al. 2019)
Ультразвуково модифіковане конопляне волокно
Ультразвуково фібрілізоване луб’яне волокно (наприклад, конопляне, льняне) особливо придатне як армуючий матеріал для полімерних смол, термопластичних та термореактивних композитів.
Конопляне луб’яне волокно є цінною сировиною, з якої можна видобувати нанокристали целюлози (CNC). Нанокристали целюлози характеризуються високою площею поверхні та надзвичайною жорсткістю і міцністю на розрив. Міцність на розрив CNC перевищує міцність скла або алюмінію. Нанокристали целюлози є досить дешевими і тому конкурентоспроможними нанодобавками з точки зору ціни, доступності, токсичності та екологічної сталості.
Ультразвукова обробка – це простий у використанні, швидкий та екологічний метод, який дозволяє виробляти високоякісні нанокристали целюлози.
Sosiati et al. 2014 демонструють корисні ефекти ультразвукової обробки при переробці волокон.
Високоефективні ультразвукові гомогенізатори для переробки волокон
Hielscher Ultrasonics виробляє високоефективне ультразвукове обладнання для важких умов експлуатації. Наші ультразвукові системи можуть використовуватися для періодичної або безперервної потокової обробки. Усі промислові ультразвукові процесори Hielscher можуть забезпечувати дуже високі амплітуди. Амплітуди до 200µm можна легко підтримувати безперервно в режимі роботи 24/7. Для ще вищих амплітуд доступні індивідуальні ультразвукові сонотроди. Однак самої здатності забезпечувати дуже високі амплітуди недостатньо для успішного ультразвукового процесу обробки волокон, такого як м’яття або фібріляція. Залежно від сировини та бажаного результату, параметри процесу – а саме амплітуда, тиск, температура та час – повинні бути точно контрольованими та регульованими.
Цифрові ультразвукові процесори Hielscher автоматично записують усі дані процесу на вбудовану SD-картку, що забезпечує відтворюваність результатів процесу. Амплітуду та інтенсивність обробки можна точно налаштовувати та контролювати від дуже м’яких до високоінтенсивних умов ультразвукової обробки. Це дає вам можливість обробляти різні матеріали для досягнення оптимального результату.
Надійність ультразвукового обладнання Hielscher дозволяє працювати в режимі 24/7 у важких умовах та у складних середовищах.
Наведені нижче дані дають уявлення про приблизну продуктивність наших ультразвукових гомогенізаторів:
| Об’єм партії | Об’ємна витрата | Рекомендовані пристрої |
|---|---|---|
| 1–500mL | 10–200mL/min | UP100H |
| 10–2000mL | 20–400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1–20L | 0,2–4L/min | UIP2000hdT |
| 10–100L | 2–10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10–100L/min | UIP16000 |
| n.a. | більше | кластер UIP16000 |
Зв’яжіться з нами! / Запитайте нас!
Ультразвукові процесори високої потужності від лабораторного до пілотного та промислового масштабу.
Література / Посилання
- 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.
Факти, які варто знати
Конопляне волокно
Коноплі – це багатозадачна культура, яку використовують для отримання насіння конопель та, відповідно, насіннєвої олії, терпеноїдів і каннабіноїдів (наприклад, CBD, CBG тощо), а також соломи конопель, з якої можна отримати цінне волокнисте матеріали. Щодо якості конопляного волокна, розрізняють так звані tow fibers (волокна tow), які є неорієнтованими короткими пучками волокон, і так звані line fibers (лінійні волокна), які є довгими (поздовжньо орієнтованими) волокнами.
Короткі пучки волокон також називають технічним волокном, і вони переважно використовуються в автомобільній промисловості, для виробництва паперу та для біокомпозитних матеріалів. Довгі конопляні волокна використовуються для текстилю та застосувань з високою доданою вартістю, таких як високоефективні композити та біокомпозити.
Виробництво конопляного волокна:
Волокнисті коноплі (коноплі, що вирощуються для виробництва волокна) ідеально збирати до цвітіння. Таке раннє збирання врожаю забезпечує вищу якість волокна, оскільки якість знижується, якщо дозволити рослині зацвісти. Зазвичай волокнисті коноплі збирають через 70-90 днів після посіву. Для збирання врожаю конопель рослини зрізають на висоті 2-3cm над ґрунтом, а потім сушать протягом кількох днів. Після збирання врожаю коноплі проходять процес реттингу. Реттинг – це процес, який використовує вологу та мікроби для руйнування пектинів рослини, які хімічно зв’язують стебло конопель. Традиційно стебла конопель піддавали водному реттингу або росному реттингу перед тим, як волокна скучували. Процес реттингу сприяє подальшому відокремленню лубу від так званої конопляної костриці або шиву (який є дерев’янистою серцевиною стебел конопель). Після реттингу стебла конопель сушать (до вологості менше 15% і пресують у тюки.
Щоб отримати конопляні волокна, які можна використовувати для виробництва та як добавки, волокна повинні бути відокремлені в процесі, відомому як “скучування”. Під час процесу скучування солома конопель механічно обробляється, щоб розбити рослину конопель, наприклад, використовуючи молотовий млин. У цьому механічному процесі коноплі б’ють об екран, доки костриця, менші луб’яні волокна та пил не пройдуть крізь екран. Сучасні високосхидні кінематичні деортикаційні машини здатні розділити коноплі на три потоки: луб’яне волокно, кострицю та green microfiber (зелене мікроволокно).
Вміст целюлози в коноплях становить приблизно 70-77%. Конопляні волокна є чудовою заміною целюлозних волокон деревини
Переваги конопляних волокон
- економічно вигідні
- висока міцність на розрив і жорсткість
- ідеально підходять для голкопрошивних нетканих матеріалів
- ефективна заміна скловолокна
- скорочує час формування
- зменшення ваги готового виробу
- легко обробляються та підлягають переробці
- можуть бути налаштовані для задоволення різноманітних специфікацій та різних виробничих систем
- можлива стабільна якість та наявність поставок
Волокнисті біоматеріали
Коли волокна витягують з соломи льону, неволокнисті частини стебла, не включаючи насіння, зазвичай називають шивами або кострицею. Наприклад, у технічному льоні шиви становлять приблизно 70 – 85% загальної ваги соломи, що робить шиви основним побічним продуктом переробки соломи льону.
Наноструктурований лігнін, отриманий за допомогою ультразвуку, використовується для виготовлення багатофункціональних лляних тканин. Шляхом просочення лляних текстильних виробів нанолігніном можна створити багатофункціональні текстилі. Ці багатофункціональні текстилі пропонують додаткові властивості: УФ-бар’єр, антибактеріальні та антистатичні властивості.