Procesado ultrasónico de la fibra de cáñamo
- El enriamiento por ultrasonidos de materiales fibrosos como las fibras de cáñamo y lino permite una modificación rápida y eficaz de las fibras.
- Las fibras de líber procesadas por ultrasonidos se fibrilan y muestran una superficie específica significativamente mayor, mayor resistencia a la tracción y flexibilidad.
- El procesamiento de fibras por ultrasonidos es una tecnología de procesamiento rápida y fácil de usar para la producción industrial.
Retting ultrasónico
El enriamiento por ultrasonidos es una alternativa rápida, eficaz y ecológica al enriamiento húmedo o por rocío tradicional. La cavitación acústica, generada por ultrasonidos de alta intensidad y baja frecuencia, rompe las estructuras celulares de los biomateriales, como las fibras vegetales no madereras, entre las que se incluyen las fibras de lino, cáñamo, ortiga, paja de trigo, paja de arroz y yute, así como las fibras derivadas de hojas (por ejemplo, sisal, cáñamo manila, abacá) y las fibras derivadas de frutas, como la fibra de coco.
El desenredado por ultrasonidos transforma las microfibras (aprox. 3-5µm) en nanofibras (≥100nm). Además, el tratamiento ultrasónico indujo la degradación del xiloglucano puro y del xilano en solución, lo que demuestra la capacidad de los ultrasonidos para degradar la hemicelulosa.
Aunque el enriamiento por ultrasonidos se utiliza principalmente en solución acuosa, es posible – en función de la materia prima y del resultado deseado – combinar el proceso ultrasónico con un tratamiento alcalino. Se utilizan soluciones de NaOH, H2O2 y H2SO4 puede utilizarse para la alcalinización con el fin de obtener nanofibras de celulosa en un breve tiempo de procesamiento. Mediante tratamiento ultrasónico, se puede conseguir fácilmente una fibrilación de microfibras de celulosa. Las fibras producidas por ultrasonidos muestran una morfología específica en la que las nanofibras (≥ 100nm) se distribuyen por toda la superficie de las microfibras (3-5µm).
Análisis por microscopía electrónica de barrido de fibras de lino, cáñamo y coco con o sin tratamiento ultrasónico.
fuente: Renouard et al. 2014
UIP4000hdT (4 kW) procesador ultrasónico industrial para el procesamiento de fibras
Procesado ultrasónico de fibra de cáñamo
Con el creciente mercado de las semillas de cáñamo y los fitocannabinoides aumenta también la producción de paja de cáñamo. Como subproducto, la paja de cáñamo y sus fibras se utilizan principalmente para la producción de papel o geotextiles, el refuerzo en materiales compuestos, así como material de construcción.
La paja de líber seca y cortada puede utilizarse como materia prima para el tratamiento por ultrasonidos; sin embargo, para obtener un mayor rendimiento del proceso por ultrasonidos, se recomienda el uso de agramizas (parcialmente) decorticadas. El material de líber se humedece en agua (solución acuosa) para obtener una pasta bombeable que pueda pasar por la célula de flujo ultrasónico. El proceso de sonicación dura poco tiempo (unos 30-60 segundos). La investigación científica ha demostrado que la ultrasonicación mejora la extracción de hemicelulosa y lignina de los materiales lignocelulósicos. Además, la sonicación degrada la celulosa y la pectina. El tratamiento por ultrasonidos del cáñamo y el lino también mejora la flexibilidad y la resistencia a la tracción de las fibras, que son características valiosas para la fabricación de textiles y compuestos.
- reducción del contenido de lignina
- fibras micro y nanofibriladas
- mayor flexibilidad de la fibra
- mayor resistencia a la tracción
- proceso rápido
- sencillo de manejar,
Tratamiento ultrasónico-álcali de la fibra de cáñamo (Ferreira et al. 2019)
Fibra de cáñamo modificada por ultrasonidos
La fibra de líber fibrilada por ultrasonidos (por ejemplo, cáñamo, lino) es especialmente adecuada como refuerzo para resinas poliméricas, termoplásticos y compuestos termoestables.
Las fibras de líber de cáñamo son una valiosa fuente de la que se pueden extraer nanocristales de celulosa (CNC). Los nanocristales de celulosa se caracterizan por su elevada superficie y su extraordinaria rigidez y resistencia a la tracción. CNCs’ La resistencia a la tracción supera la del vidrio o el aluminio. Los nanocristales de celulosa son bastante baratos y, por tanto, un nanoaditivo competitivo en cuanto a precio, disponibilidad, toxicidad y sostenibilidad.
La sonicación es una técnica fácil de usar, rápida y ecológica, que permite producir nanocristales de celulosa de alta calidad.
Sosiati et al. 2014 muestran los efectos beneficiosos de la sonicación en el procesamiento de fibras.
Ultrasonidos de alto rendimiento para el procesamiento de fibras
Hielscher Ultrasonics fabrica equipos de ultrasonidos de alto rendimiento para aplicaciones pesadas. Nuestros sistemas de ultrasonidos pueden utilizarse para el procesamiento en línea continuo o por lotes. Todos los procesadores ultrasónicos industriales de Hielscher pueden ofrecer amplitudes muy elevadas. Amplitudes de hasta 200µm pueden funcionar fácilmente de forma continua en funcionamiento 24/7. Para amplitudes aún mayores, se dispone de sonotrodos ultrasónicos personalizados. Sin embargo, la capacidad de alcanzar amplitudes muy elevadas no basta por sí sola para llevar a cabo con éxito un proceso ultrasónico de fibras, como el enriamiento o la fibrilación. Dependiendo de la materia prima y del resultado deseado, los parámetros del proceso – a saber, amplitud, presión, temperatura y tiempo – debe ser exactamente controlable y ajustable.
Los procesadores ultrasónicos digitales de Hielscher registran automáticamente todos los datos del proceso en una tarjeta SD integrada, de modo que los resultados del proceso son reproducibles. La amplitud y la intensidad del proceso pueden ajustarse y controlarse con precisión desde condiciones de sonicación muy suaves a muy intensas. Esto le da la oportunidad de procesar diversos materiales con un rendimiento óptimo.
La robustez de los equipos de ultrasonidos de Hielscher permite su funcionamiento ininterrumpido en entornos exigentes y con cargas pesadas.
En la siguiente tabla encontrará algunas indicaciones sobre la capacidad de procesamiento aproximada de nuestros sonicadores:
| Volumen del lote | Tasa de flujo | Dispositivos recomendados |
|---|---|---|
| 1 a 500 mL | 10 a 200 mL/min. | UP100H |
| 10 a 2000 mL | 20 a 400 mL/min. | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 a 20 L | 0,2 a 4 L/min | UIP2000hdT |
| 10 a 100 L | 2 a 10 L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 a 100 L/min | UIP16000 |
| n.a. | mayor | Grupo de UIP16000 |
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Procesadores ultrasónicos de alta potencia desde el laboratorio hasta la escala piloto e industrial.
Literatura/Referencias
- Diana P.Ferreira, Juliana Cruz, Raul Fangueiro (2019): Capítulo 1 – Modificación superficial de fibras naturales en composites poliméricos. Composites ecológicos para aplicaciones de automoción. Woodhead Publishing Series in Composites Science and Engineering 2019, Páginas 3-41.
- Sullivan Renouard, Christophe Hano, Joël Doussot, Jean-Philippe Blondeau, Eric Lainé (2014): Caracterización del impacto ultrasónico en fibras de coco, lino y cáñamo. Materials Letters 129, 2014. 137-141.
- H. Sosiati, M. Muhaimin, P. Abdilah, D. A. Wijayanti, Harsojo, K. Triyana (2014): Efecto de los tratamientos químicos sobre la
características de la celulosa natural. Actas de la Conferencia AIP 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.
Información interesante
fibra de cáñamo
El cáñamo es un cultivo polivalente que se utiliza para obtener semillas de cáñamo y, posteriormente, aceite de semillas, terpenoides y cannabinoides (es decir, CBD, CBG, etc.) y paja de cáñamo, que puede transformarse en valioso material fibroso. En cuanto a la calidad de la fibra de cáñamo, se distingue entre las llamadas fibras de arrastre, que son haces de fibras cortas no alineadas, y las llamadas fibras de línea, que son fibras largas (alineadas longitudinalmente).
Los haces de fibras cortas también se denominan fibras técnicas y se utilizan principalmente en la industria del automóvil, para la producción de papel y para compuestos de base biológica. Las fibras largas de cáñamo se utilizan para aplicaciones textiles y de alto valor, como los compuestos de alto rendimiento y los biocompuestos.
Producción de fibra de cáñamo:
Lo ideal es cosechar el cáñamo para fibra antes de la floración. Esta cosecha temprana da como resultado una mayor calidad de la fibra, ya que la calidad disminuye si se permite la floración. Por lo general, el cáñamo para fibra se cosecha entre 70 y 90 días después de la siembra. Para cosechar el cáñamo, las plantas se cortan 2-3 cm por encima del suelo y se secan durante unos días. Tras la cosecha, el cáñamo se enriega. El enriado es un proceso que utiliza la humedad y los microbios para descomponer las pectinas de la planta, que unen químicamente el tallo del cáñamo. Tradicionalmente, los tallos de cáñamo se enriaban con agua o rocío antes de enriar las fibras. El proceso de enriado facilita la posterior separación del líber del llamado cañamón o shiv (que es el núcleo leñoso de los tallos de cáñamo). Tras el enriado, los tallos de cáñamo se secan (hasta un contenido de humedad inferior al 15%) y se embalan.
Para obtener fibras de cáñamo, que pueden utilizarse para la fabricación y como aditivos, las fibras deben separarse en un proceso conocido como “scutching”. Durante el proceso de espadillado, la paja de cáñamo se procesa mecánicamente para desmenuzar la planta de cáñamo, por ejemplo, utilizando un molino de martillos. En este proceso mecánico, el cáñamo se golpea contra una criba hasta que la paja, las fibras de líber más pequeñas y el polvo caen a través de la criba. Las modernas máquinas cinemáticas de decorticación de alta velocidad son capaces de separar el cáñamo en tres flujos: fibra de líber, hurd y microfibra verde.
El contenido de celulosa del cáñamo es de aproximadamente un 70-77%. Las fibras de cáñamo son un excelente sustituto de las fibras de celulosa de la madera.
Ventajas de las fibras de cáñamo
- Rentable
- alta resistencia a la tracción y rigidez
- ideal para productos no tejidos punzonados
- sustitución eficaz de la fibra de vidrio
- reduce el tiempo de moldeo
- reducción del peso de la pieza acabada
- fácil de procesar y reciclar
- puede personalizarse para adaptarse a diversas especificaciones y diferentes sistemas de fabricación
- calidad y disponibilidad constantes del suministro
Biomateriales fibrosos
Cuando se extraen las fibras de la varilla de lino, las partes no fibrosas del tallo, sin incluir la semilla, se denominan normalmente agramizas. Por ejemplo, en el lino oleaginoso, las agramizas comprenden aproximadamente el 70 – 85% del peso total de la paja, lo que convierte a la agramiza en el principal subproducto de la transformación de la paja de lino.
La lignina nanoestructurada producida por ultrasonidos se utiliza para fabricar tejidos de lino multifuncionales. Al acolchar los tejidos de lino con nanolignina, se pueden crear tejidos multifuncionales. Esos textiles multifuncionales ofrecen las propiedades adicionales de barrera contra los rayos UV, antibacteriana y antiestática.