Xử lý sợi gai dầu bằng siêu âm
- Ngâm ủ tách sợi bằng siêu âm đối với các vật liệu dạng sợi như sợi gai dầu và sợi lanh cho phép biến tính sợi nhanh chóng và hiệu quả.
- Các sợi libe được xử lý bằng siêu âm được vi sợi hóa và có diện tích bề mặt riêng cao hơn đáng kể, độ bền kéo và độ mềm dẻo tăng lên.
- Xử lý sợi bằng siêu âm là công nghệ xử lý nhanh và dễ sử dụng cho sản xuất công nghiệp.
Ngâm ủ tách sợi bằng siêu âm
Ngâm ủ tách sợi bằng siêu âm là phương pháp thay thế nhanh chóng, hiệu quả và thân thiện với môi trường cho phương pháp ngâm ủ trong nước hoặc ủ sương truyền thống. Hiện tượng xâm thực âm học, được tạo ra bởi siêu âm cường độ cao, tần số thấp, phá vỡ cấu trúc tế bào của các vật liệu sinh học như sợi thực vật không có nguồn gốc từ gỗ, bao gồm sợi libe như lanh, gai dầu, tầm ma, rơm lúa mì, rơm lúa, đay, cũng như các sợi có nguồn gốc từ lá (ví dụ: sisal, gai dầu Manila, abacá) và sợi có nguồn gốc từ quả như xơ dừa từ vỏ dừa.
Quá trình gỡ rối bằng siêu âm chuyển các vi sợi (khoảng 3–5µm) thành sợi nano (≥100nm). Ngoài ra, quá trình xử lý bằng siêu âm đã gây phân hủy xyloglucan và xylan tinh khiết trong dung dịch, chứng minh khả năng phân hủy hemicellulose của siêu âm.
Mặc dù ngâm ủ tách sợi bằng siêu âm chủ yếu được thực hiện trong dung dịch nước, vẫn có thể – tùy thuộc vào nguyên liệu và kết quả mong muốn – kết hợp quá trình siêu âm với xử lý bằng kiềm. Các dung dịch NaOH, H2O2 và H2SO4 có thể được sử dụng để kiềm hóa nhằm thu được sợi nano cellulose trong thời gian xử lý ngắn. Bằng xử lý siêu âm, có thể dễ dàng vi sợi hóa các vi sợi cellulose. Các sợi được tạo ra bằng siêu âm có hình thái đặc trưng, trong đó các sợi nano (≥ 100nm) phân bố trên toàn bộ bề mặt của các vi sợi (3–5µm).
Phân tích bằng kính hiển vi điện tử quét đối với sợi lanh, sợi gai dầu và xơ dừa có hoặc không được xử lý bằng siêu âm.
nguồn: Renouard và cộng sự, 2014
UIP4000hdT (4kW) thiết bị xử lý siêu âm công nghiệp dùng để xử lý sợi
Xử lý sợi gai dầu bằng siêu âm
Sự phát triển của thị trường hạt gai dầu và cannabinoid có nguồn gốc thực vật kéo theo sản lượng thân gai dầu ngày càng tăng. Là phụ phẩm, thân gai dầu và sợi của chúng chủ yếu được sử dụng để sản xuất giấy hoặc vải địa kỹ thuật, làm vật liệu gia cường trong vật liệu composite cũng như làm vật liệu xây dựng.
Thân cây lấy sợi libe đã được phơi khô và cắt nhỏ có thể được sử dụng làm nguyên liệu để xử lý bằng siêu âm; tuy nhiên, để đạt kết quả xử lý siêu âm tốt hơn, nên sử dụng phần lõi gỗ đã được tách vỏ (một phần). Vật liệu libe được làm ướt trong nước (dung dịch nước) để thu được huyền phù có thể bơm, có khả năng đi qua buồng xử lý siêu âm dòng chảy. Quá trình xử lý bằng siêu âm chỉ mất một khoảng thời gian ngắn (khoảng 30–60 giây). Nghiên cứu khoa học đã chỉ ra rằng siêu âm cải thiện việc chiết tách hemicellulose và lignin từ các vật liệu lignocellulose. Ngoài ra, xử lý bằng siêu âm còn phân hủy cellulose và pectin. Xử lý gai dầu và lanh bằng siêu âm cũng cải thiện độ mềm dẻo và độ bền kéo của sợi, vốn là những đặc tính có giá trị đối với sản xuất hàng dệt và vật liệu composite.
- giảm hàm lượng lignin
- sợi được vi sợi hóa ở cấp micro và nano
- tăng độ mềm dẻo của sợi
- độ bền kéo cao hơn
- quá trình nhanh chóng
- dễ vận hành
Xử lý sợi gai dầu bằng siêu âm kết hợp kiềm (Ferreira và cộng sự, 2019)
Sợi gai dầu được biến tính bằng siêu âm
Xơ libe được tách thành vi sợi bằng siêu âm (ví dụ: gai dầu, lanh) đặc biệt thích hợp làm vật liệu gia cường cho nhựa polyme, vật liệu composite nhựa nhiệt dẻo và nhựa nhiệt rắn.
Xơ libe gai dầu là nguồn nguyên liệu có giá trị để chiết xuất các tinh thể nano cellulose (CNCs). Các tinh thể nano cellulose có đặc trưng là diện tích bề mặt lớn cùng độ cứng và độ bền kéo vượt trội. Độ bền kéo của CNCs vượt độ bền của thủy tinh hoặc nhôm. Các tinh thể nano cellulose có giá thành khá thấp, do đó là phụ gia nano có tính cạnh tranh xét về giá cả, khả năng cung ứng, độc tính cũng như tính bền vững.
Xử lý bằng siêu âm là kỹ thuật dễ sử dụng, nhanh và thân thiện với môi trường, cho phép sản xuất các tinh thể nano cellulose chất lượng cao.
Sosiati và cộng sự 2014 cho thấy những tác động có lợi của siêu âm đối với quá trình xử lý xơ.
Thiết bị siêu âm hiệu năng cao để xử lý xơ
Hielscher Ultrasonics sản xuất thiết bị siêu âm hiệu năng cao cho các ứng dụng tải nặng. Các hệ thống siêu âm của chúng tôi có thể được sử dụng để xử lý theo mẻ hoặc xử lý liên tục trực tiếp trên đường ống. Tất cả các thiết bị xử lý siêu âm công nghiệp của Hielscher đều có thể cung cấp biên độ rất cao. Có thể dễ dàng duy trì liên tục biên độ lên đến 200µm khi vận hành 24/7. Đối với các biên độ còn cao hơn nữa, có sẵn các đầu công tác siêu âm được tùy chỉnh. Tuy nhiên, chỉ riêng khả năng cung cấp biên độ rất cao là chưa đủ để thực hiện thành công một quy trình xử lý xơ bằng siêu âm, chẳng hạn như ngâm tách xơ hoặc tách thành vi sợi. Tùy thuộc vào nguyên liệu và kết quả mong muốn, các thông số quy trình – cụ thể là biên độ, áp suất, nhiệt độ và thời gian – phải có khả năng được kiểm soát và điều chỉnh chính xác.
Các thiết bị xử lý siêu âm kỹ thuật số của Hielscher tự động ghi lại toàn bộ dữ liệu quy trình trên thẻ SD tích hợp, nhờ đó có thể tái lập kết quả xử lý. Biên độ và cường độ xử lý có thể được điều chỉnh và kiểm soát chính xác, từ điều kiện xử lý siêu âm rất nhẹ đến cường độ rất cao. Điều này cho phép bạn xử lý nhiều loại vật liệu khác nhau để đạt kết quả tối ưu.
Độ bền vững của thiết bị siêu âm Hielscher cho phép vận hành 24/7 dưới tải nặng và trong các môi trường khắc nghiệt.
Bảng dưới đây cung cấp thông tin tham khảo về năng lực xử lý gần đúng của các thiết bị siêu âm của chúng tôi:
| Thể tích mẻ | Lưu lượng | Thiết bị được khuyến nghị |
|---|---|---|
| 1 đến 500mL | 10 đến 200mL/min | UP100H |
| 10 đến 2000mL | 20 đến 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 đến 20L | 0,2 đến 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 đến 100L | 2 đến 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 đến 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | lớn hơn | cụm thiết bị UIP16000 |
Liên hệ với chúng tôi! / Hãy đặt câu hỏi cho chúng tôi!
Các thiết bị xử lý siêu âm công suất cao từ quy mô phòng thí nghiệm đến quy mô thí điểm và công nghiệp.
Tài liệu/Tài liệu tham khảo
- Diana P.Ferreira, Juliana Cruz, Raul Fangueiro (2019): Chương 1 – Biến tính bề mặt xơ tự nhiên trong vật liệu composite polyme. Vật liệu composite xanh cho các ứng dụng ô tô. Woodhead Publishing Series in Composites Science and Engineering 2019, Trang 3–41.
- Sullivan Renouard, Christophe Hano, Joël Doussot, Jean-Philippe Blondeau, Eric Lainé (2014): Đặc trưng hóa tác động của siêu âm lên xơ dừa, xơ lanh và xơ gai dầu. Materials Letters 129, 2014. 137–141.
- H. Sosiati, M. Muhaimin, P. Abdilah, D. A. Wijayanti, Harsojo, K. Triyana (2014): Ảnh hưởng của các phương pháp xử lý hóa học đến
các đặc tính của cellulose tự nhiên. AIP Conference Proceedings 1617, 105 (2014). - M. Zimniewska , R. Kozłowski, J. Batog (2008): Vải lanh được biến tính bằng nanolignin làm sản phẩm đa chức năng. Molecular Crystals and Liquid Crystals Tập 484, Số 1, 2008.
Những thông tin đáng biết
Xơ gai dầu
Gai dầu là cây trồng đa mục đích, được sử dụng để thu hạt và từ đó thu dầu hạt, các terpenoid và cannabinoid (tức là CBD, CBG, v.v.), cũng như thân gai dầu có thể được chế biến thành vật liệu xơ có giá trị. Về chất lượng xơ gai dầu, có sự phân biệt giữa loại gọi là xơ ngắn, gồm các bó xơ ngắn không định hướng, và loại gọi là xơ dài, gồm các xơ dài được định hướng theo chiều dọc.
Các bó xơ ngắn còn được gọi là xơ kỹ thuật và chủ yếu được sử dụng trong ngành công nghiệp ô tô, sản xuất giấy và vật liệu composite có nguồn gốc sinh học. Xơ gai dầu dài được sử dụng trong ngành dệt và các ứng dụng có giá trị cao như vật liệu composite hiệu năng cao và composite sinh học.
Sản xuất xơ gai dầu:
Gai dầu lấy xơ (gai dầu được trồng để sản xuất xơ) lý tưởng nhất là được thu hoạch trước khi ra hoa. Việc thu hoạch sớm này mang lại chất lượng xơ cao hơn vì chất lượng sẽ giảm nếu để cây ra hoa. Nhìn chung, gai dầu lấy xơ được thu hoạch sau khi gieo hạt 70–90 ngày. Để thu hoạch gai dầu, cây được cắt ở độ cao 2–3cm so với mặt đất rồi phơi khô trong vài ngày. Sau khi thu hoạch, gai dầu được ngâm ủ tách xơ. Ngâm ủ tách xơ là quá trình sử dụng độ ẩm và vi sinh vật để phân hủy pectin thực vật, chất liên kết các thành phần của thân gai dầu với nhau bằng liên kết hóa học. Theo truyền thống, thân gai dầu được ngâm ủ trong nước hoặc ủ sương trước khi đập tách xơ. Quá trình ngâm ủ tạo điều kiện thuận lợi cho việc tách lớp vỏ chứa xơ khỏi phần gọi là lõi gỗ gai dầu (phần lõi hóa gỗ của thân gai dầu) ở công đoạn tiếp theo. Sau khi ngâm ủ, thân gai dầu được làm khô (đến độ ẩm dưới 15%) và đóng kiện.
Để thu được xơ gai dầu có thể dùng trong sản xuất và làm phụ gia, xơ phải được tách bằng một quá trình gọi là “đập tách xơ”. Trong quá trình này, thân gai dầu được xử lý cơ học để phá vỡ cấu trúc cây gai dầu, chẳng hạn bằng máy nghiền búa. Trong quá trình cơ học này, gai dầu được đập vào một mặt sàng cho đến khi lõi gỗ, các xơ vỏ nhỏ hơn và bụi lọt qua sàng. Các máy bóc tách vỏ động học tốc độ cao hiện đại có khả năng tách gai dầu thành ba dòng vật liệu: xơ vỏ, lõi gỗ và vi xơ xanh.
Hàm lượng cellulose trong gai dầu vào khoảng 70–77%. Xơ gai dầu là vật liệu thay thế tuyệt vời cho xơ cellulose từ gỗ
Ưu điểm của xơ gai dầu
- hiệu quả về chi phí
- độ bền kéo và độ cứng cao
- rất phù hợp với các sản phẩm không dệt xuyên kim
- thay thế hiệu quả cho sợi thủy tinh
- giảm thời gian tạo hình
- giảm khối lượng của chi tiết thành phẩm
- dễ gia công và tái chế
- có thể được tùy chỉnh để đáp ứng nhiều yêu cầu kỹ thuật và các hệ thống sản xuất khác nhau
- có thể đạt được chất lượng đồng đều và bảo đảm nguồn cung sẵn có
Vật liệu sinh học dạng xơ
Khi xơ được tách từ thân cây lanh, các phần không phải xơ của thân, không bao gồm hạt, thường được gọi là lõi gỗ. Ví dụ, ở cây lanh lấy hạt dầu, lõi gỗ chiếm khoảng 70 – 85% tổng khối lượng thân cây, khiến lõi gỗ trở thành phụ phẩm chính của quá trình chế biến thân cây lanh.
Lignin có cấu trúc nano được sản xuất bằng siêu âm được sử dụng để tạo ra vải lanh đa chức năng. Có thể tạo ra vải đa chức năng bằng cách ngấm ép vải lanh với lignin nano. Những loại vải đa chức năng này có thêm các đặc tính cản tia UV, kháng khuẩn và chống tĩnh điện.