Verarbeitung von Hanffasern mit Ultraschall

• Die Ultraschallrotte von Fasermaterialien wie Hanf- und Flachsfasern ermöglicht eine schnelle und effiziente Fasermodifikation.
• Mit Ultraschall bearbeitete Bastfasern sind fibrilliert und weisen eine deutlich höhere spezifische Oberfläche, eine höhere Zugfestigkeit und Flexibilität auf.
• Die Ultraschall-Faserbearbeitung ist eine schnelle und einfach zu handhabende Bearbeitungstechnologie für die industrielle Produktion.

Ultraschall-Rettung

Die Ultraschallrotte ist eine schnelle, effiziente und umweltfreundliche Alternative zur traditionellen Nass- oder Taurotte. Die akustische Kavitation, die durch hochintensiven Niederfrequenz-Ultraschall erzeugt wird, bricht die Zellstrukturen von Biomaterialien auf, z. B. von pflanzlichen Nicht-Holz-Fasern wie Flachs, Hanf, Nessel, Weizenstroh, Reisstroh und Jute sowie von Fasern aus Blättern (z. B. Sisal, Manilla-Hanf, Abacá) und von Fasern aus Früchten wie Kokosfasern aus Kokosnussschalen.
Die Ultraschallentwirrung verwandelt Mikrofasern (ca. 3-5µm) in Nanofasern (≥100nm). Außerdem führte die Ultraschallbehandlung zum Abbau von reinem Xyloglucan und Xylan in Lösung, was die Fähigkeit des Ultraschalls zum Abbau von Hemicellulose belegt.
Obwohl die Ultraschallrotte hauptsächlich in wässriger Lösung eingesetzt wird, ist es möglich – abhängig vom Rohstoff und dem angestrebten Ergebnis – das Ultraschallverfahren mit einer Alkalibehandlung zu kombinieren. Lösungen von NaOH, H₂O₂ und H₂SO₄ kann zur Alkalisierung verwendet werden, um in kurzer Zeit Cellulose-Nanofasern zu erhalten. Durch Ultraschallbehandlung kann eine Fibrillierung von Cellulose-Mikrofasern leicht erreicht werden. Die mit Ultraschall hergestellten Fasern weisen eine spezifische Morphologie auf, bei der die Nanofasern (≥ 100 nm) über die gesamte Oberfläche der Mikrofasern (3-5 µm) verteilt sind.

Rasterelektronenmikroskopische Analyse von Flachs-, Hanf- und Kokosfasern mit und ohne Ultraschallbehandlung.
Quelle: Renouard et al. 2014

Verarbeitung von Hanffasern mit Ultraschall

Mit dem wachsenden Markt für Hanfsamen und Phyto-Cannabinoide geht eine zunehmende Produktion von Hanfstroh einher. Als Nebenprodukt werden Hanfstroh und seine Fasern hauptsächlich für die Herstellung von Papier oder Geotextilien, zur Verstärkung von Verbundwerkstoffen sowie als Baumaterial verwendet.
Getrocknetes und geschnittenes Baststroh kann als Rohmaterial für die Ultraschallbehandlung verwendet werden; für eine bessere Leistung des Ultraschallverfahrens wird jedoch die Verwendung von (teilweise) geschälten Schäben empfohlen. Das Bastmaterial wird in Wasser (wässrige Lösung) angefeuchtet, so dass ein pumpfähiger Brei entsteht, der die Ultraschall-Durchflusszelle passieren kann. Der Beschallungsvorgang dauert nur kurze Zeit (ca. 30-60 Sek.). Wissenschaftliche Untersuchungen haben gezeigt, dass die Ultraschallbehandlung die Extraktion von Hemicellulose und Lignin aus lignozellulosehaltigen Materialien verbessert. Außerdem werden durch die Beschallung Zellulose und Pektin abgebaut. Die Ultraschallbehandlung von Hanf und Flachs verbessert auch die Flexibilität und Zugfestigkeit der Fasern, was für die Herstellung von Textilien und Verbundstoffen von großem Nutzen ist.

Ultraschall-Alkali-Behandlung von Hanffasern (Ferreira et al. 2019)

Mit Ultraschall modifizierte Hanffaser

Mit Ultraschall fibrillierte Bastfasern (z. B. Hanf, Flachs) eignen sich besonders als Verstärkung für Polymerharze, thermoplastische und duroplastische Verbundwerkstoffe.
Hanfbastfasern sind eine wertvolle Quelle, aus der Cellulose-Nanokristalle (CNCs) gewonnen werden können. Cellulose-Nanokristalle zeichnen sich durch ihre große Oberfläche sowie ihre außergewöhnliche Steifigkeit und Zugfestigkeit aus. CNCs‘ Die Zugfestigkeit übertrifft die Festigkeit von Glas oder Aluminium. Cellulose-Nanokristalle sind recht preiswert und damit ein wettbewerbsfähiges Nano-Additiv, wenn es um Preis, Verfügbarkeit, Toxizität und Nachhaltigkeit geht.
Die Beschallung ist ein einfaches, schnelles und umweltfreundliches Verfahren, mit dem sich hochwertige Zellulose-Nanokristalle herstellen lassen.

Hochleistungs-Ultraschallgeräte für die Faserbearbeitung

Hielscher Ultrasonics stellt Hochleistungs-Ultraschallgeräte für anspruchsvolle Anwendungen her. Unsere Ultraschallsysteme können für die Batch- oder kontinuierliche Inline-Bearbeitung eingesetzt werden. Alle industriellen Hielscher-Ultraschallprozessoren können sehr hohe Amplituden liefern. Amplituden von bis zu 200µm können problemlos im 24/7-Betrieb gefahren werden. Für noch höhere Amplituden sind kundenspezifische Ultraschallsonotroden erhältlich. Die Fähigkeit zu sehr hohen Amplituden allein reicht jedoch nicht aus, um einen erfolgreichen Ultraschallfaserprozess, wie z. B. die Rotte oder Fibrillierung, durchzuführen. Je nach Rohmaterial und angestrebtem Ergebnis müssen die Prozessparameter – nämlich Amplitude, Druck, Temperatur und Zeit – muss genau kontrollierbar und einstellbar sein.
Die digitalen Ultraschallprozessoren von Hielscher zeichnen automatisch alle Prozessdaten auf einer integrierten SD-Karte auf, so dass die Prozessergebnisse reproduzierbar sind. Amplitude und Bearbeitungsintensität lassen sich von sehr milden bis zu hochintensiven Beschallungsbedingungen präzise einstellen und steuern. So haben Sie die Möglichkeit, verschiedene Materialien mit optimaler Leistung zu bearbeiten.
Die Robustheit der Hielscher Ultraschallsysteme ermöglicht einen 24/7 Betrieb unter starker Belastung sowie in anspruchsvollen Umgebungen.
In der folgenden Tabelle finden Sie die ungefähre Verarbeitungskapazität unserer Ultraschallhomogenisatoren: