Ultraschallverarbeitung von Hanffasern

• Die Ultraschallröste von Fasermaterialien wie Hanf- und Flachsfasern ermöglicht eine schnelle und effiziente Fasermodifikation.
• Mit Ultraschall behandelte Bastfasern sind fibrilliert und weisen eine deutlich größere spezifische Oberfläche sowie eine höhere Zugfestigkeit und Flexibilität auf.
• Die Ultraschallverarbeitung von Fasern ist eine schnelle und einfach anzuwendende Verfahrenstechnologie für die industrielle Produktion.

Ultraschallröste

Die Ultraschallröste ist eine schnelle, effiziente und umweltfreundliche Alternative zur traditionellen Wasser- oder Tauröste. Akustische Kavitation, die durch hochintensiven, niederfrequenten Ultraschall erzeugt wird, bricht die Zellstrukturen biologischer Materialien auf. Dazu gehören pflanzliche Nicht-Holzfasern, darunter Bastfasern wie Flachs, Hanf, Brennnessel, Weizenstroh, Reisstroh und Jute sowie Blattfasern (z. B. Sisal, Manilahanf, Abacá) und Fruchtfasern wie Kokosfasern aus Kokosnussschalen.
Durch die Auflösung der Faserverbände mittels Ultraschall werden Mikrofasern (ca. 3–5µm) in Nanofasern (≥100nm) umgewandelt. Darüber hinaus führte die Ultraschallbehandlung zum Abbau von reinem Xyloglucan und Xylan in Lösung, was die Fähigkeit von Ultraschall zum Abbau von Hemicellulose belegt.
Obwohl die Ultraschallröste hauptsächlich in wässriger Lösung erfolgt, lässt sich das Ultraschallverfahren – abhängig vom Rohmaterial und dem angestrebten Ergebnis – mit einer Alkalibehandlung kombinieren. Lösungen von NaOH, H₂O₂ und H₂SO₄ können zur Alkalisierung eingesetzt werden, um Cellulose-Nanofasern in kurzer Behandlungszeit zu gewinnen. Durch Ultraschallbehandlung lässt sich eine Fibrillierung von Cellulose-Mikrofasern leicht erreichen. Die mittels Ultraschall erzeugten Fasern weisen eine spezifische Morphologie auf, bei der die Nanofasern (≥ 100nm) über die gesamte Oberfläche der Mikrofasern (3–5µm) verteilt sind.

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

Ultraschallverarbeitung von Hanffasern

Mit dem wachsenden Markt für Hanfsamen und Phytocannabinoide nimmt auch die Produktion von Hanfstroh zu. Als Nebenprodukt werden Hanfstroh und seine Fasern hauptsächlich zur Herstellung von Papier oder Geotextilien, zur Verstärkung von Verbundwerkstoffen sowie als Baumaterial verwendet.
Getrocknetes und geschnittenes Baststroh kann als Rohmaterial für die Ultraschallbehandlung dienen. Für bessere Ergebnisse des Ultraschallprozesses wird jedoch die Verwendung von (teilweise) dekortizierten Schäben empfohlen. Das Bastmaterial wird mit Wasser (wässriger Lösung) benetzt, sodass eine pumpfähige Suspension entsteht, die durch die Ultraschall-Durchflusszelle geleitet werden kann. Die Beschallung dauert nur kurze Zeit (ca. 30–60 sec.). Wissenschaftliche Untersuchungen haben gezeigt, dass die Ultraschallbehandlung die Extraktion von Hemicellulose und Lignin aus lignocellulosehaltigen Materialien verbessert. Darüber hinaus baut die Beschallung Cellulose und Pektin ab. Die Ultraschallverarbeitung von Hanf und Flachs verbessert außerdem die Flexibilität und Zugfestigkeit der Fasern – wertvolle Eigenschaften für die Herstellung von Textilien und Verbundwerkstoffen.

Ultraschallgestützte Alkalibehandlung von Hanffasern (Ferreira et al. 2019)

Ultraschallmodifizierte Hanffasern

Mittels Ultraschall fibrillierte Bastfasern (z. B. Hanf, Flachs) eignen sich besonders zur Verstärkung von Polymerharzen sowie thermoplastischen und duroplastischen Verbundwerkstoffen.
Hanfbastfasern sind eine wertvolle Quelle für die Gewinnung von Cellulose-Nanokristallen (CNCs). Cellulose-Nanokristalle zeichnen sich durch ihre große Oberfläche sowie ihre außergewöhnliche Steifigkeit und Zugfestigkeit aus. Die Zugfestigkeit von CNCs übertrifft die von Glas oder Aluminium. Cellulose-Nanokristalle sind recht kostengünstig und damit hinsichtlich Preis, Verfügbarkeit, Toxizität und Nachhaltigkeit ein wettbewerbsfähiges Nanoadditiv.
Die Beschallung ist ein einfach anzuwendendes, schnelles und umweltfreundliches Verfahren, mit dem sich hochwertige Cellulose-Nanokristalle herstellen lassen.

Hochleistungs-Ultraschallgeräte für die Faserverarbeitung

Hielscher Ultrasonics stellt Hochleistungs-Ultraschallgeräte für Anwendungen unter hoher Belastung her. Unsere Ultraschallsysteme können zur Chargenverarbeitung oder zur kontinuierlichen Inline-Verarbeitung eingesetzt werden. Alle industriellen Ultraschallprozessoren von Hielscher können sehr hohe Amplituden erzeugen. Amplituden von bis zu 200µm lassen sich problemlos im 24/7-Dauerbetrieb aufrechterhalten. Für noch höhere Amplituden sind kundenspezifische Ultraschallsonotroden erhältlich. Die Fähigkeit, sehr hohe Amplituden zu erzeugen, reicht allein jedoch nicht aus, um einen Ultraschallprozess zur Faserverarbeitung, etwa die Röste oder Fibrillierung, erfolgreich durchzuführen. Je nach Rohmaterial und angestrebtem Ergebnis müssen die Prozessparameter – Amplitude, Druck, Temperatur und Zeit – exakt regelbar und einstellbar sein.
Die digitalen Ultraschallprozessoren von Hielscher zeichnen sämtliche Prozessdaten automatisch auf einer integrierten SD-Karte auf, sodass die Prozessergebnisse reproduzierbar sind. Amplitude und Behandlungsintensität lassen sich präzise einstellen und regeln, von sehr milden bis hin zu hochintensiven Beschallungsbedingungen. Dadurch können Sie verschiedene Materialien mit optimalen Ergebnissen verarbeiten.
Die Robustheit der Ultraschallgeräte von Hielscher ermöglicht den 24/7-Betrieb bei hoher Belastung und unter anspruchsvollen Umgebungsbedingungen.
Die folgende Tabelle gibt Ihnen einen Überblick über die ungefähre Verarbeitungskapazität unserer Ultraschallgeräte: