Ultraschall Hanffaserverarbeitung

  • Die Ultraschall-Rötung von faserigen Materialien wie Hanf und Flachsfasern ermöglicht eine schnelle und effiziente Fasermodifikation.
  • Ultraschallverarbeitete Bastfasern sind fibrilliert und weisen eine deutlich höhere spezifische Oberfläche, erhöhte Zugfestigkeit und Flexibilität auf.
  • Die Ultraschallfaserverarbeitung ist eine schnelle und einfach zu bedienende Verarbeitungstechnologie für die industrielle Produktion.

Ultraschall Retusche

Die Ultraschall-Rotung ist eine schnelle, effiziente und umweltfreundliche Alternative zur herkömmlichen Nass- oder Tautrocknung. Die akustische Kavitation, die durch hochintensiven, niederfrequenten Ultraschall erzeugt wird, zerbricht zelluläre Strukturen von Bio-Materialien wie Nicht-Holz, Pflanzenfasern, zu denen Bastfasern wie Flachs, Hanf, Brennnessel, Weizenstroh, Reisstroh, Jute sowie Blattfasern (z.B. Sisal, Manille, Hanf, Abacá) und aus Früchten gewonnene Fasern wie Kokosnussschalen gehören.
Durch die Ultraschall-Entflechtung werden Mikrofasern (ca. 3-5µm) in Nanofasern umgewandelt (≥100nm). Darüber hinaus führte die Ultraschallverarbeitung zum Abbau von reinem Xyloglucan und Xylan in Lösung und demonstrierte die Ultraschallfähigkeit zum Abbau von Hemicellulose.
Obwohl die Ultraschall-Rotung hauptsächlich in einer wässrigen Lösung eingesetzt wird, ist es möglich. – abhängig vom Rohstoff und dem angestrebten Ergebnis – um das Ultraschallverfahren mit einer Alkalibehandlung zu kombinieren. Lösungen von NaOH, H, H2O2 und H2SO4 kann zur Alkalisierung verwendet werden, um Cellulose-Nanofasern in kurzer Verarbeitungszeit zu erhalten. Durch die Ultraschallbehandlung kann ein Fibrillieren von Cellulose-Mikrofasern problemlos erreicht werden. Die ultraschallerzeugten Fasern zeigen eine spezifische Morphologie, in der die Nanofasern (≥ 100nm) über die gesamte Oberfläche der Mikrofasern (3-5µm) verteilt sind.

Ultraschallverarbeitung von Hanf-, Flachs- und Kokosfasern.

Elektronische Rastermikroskopie-Analyse an Flachs-, Hanf- und Kokosfasern mit oder ohne Ultraschallverarbeitung.
Quelle: Renouard et al. 2014

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Ultraschall Hanffaserverarbeitung

Mit dem wachsenden Markt für Hanfsamen und Phyto-Cannabinoide steigt die Produktion von Hanfstroh. Hanfstroh und seine Fasern werden als Nebenprodukt hauptsächlich für die Herstellung von Papier oder Geotextilien, die Verstärkung von Verbundwerkstoffen sowie Baumaterialien verwendet.
Getrocknetes und geschnittenes Basistroh kann als Rohstoff für die Ultraschallbehandlung verwendet werden, jedoch wird für eine bessere Ultraschall-Prozessleistung die Verwendung von (teilweise) dekorierten Schäben empfohlen. Das Bastmaterial wird in Wasser (wässrige Lösung) benetzt, so dass eine pumpbare Aufschlämmung entsteht, die die Ultraschall-Durchflusszelle passieren kann. Der Sondierungsprozess dauert nur kurz (ca. 30-60 Sek.). Wissenschaftliche Untersuchungen haben gezeigt, dass Ultraschall die Extraktion von Hemicellulose und Lignin aus lignocellulosischen Materialien verbessert. Zusätzlich baut die Ultraschallbehandlung Cellulose und Pektin ab. Die Ultraschallverarbeitung von Hanf und Flachs verbessert auch die Flexibilität und Zugfestigkeit der Fasern, die wertvolle Eigenschaften für die Textil- und Verbundherstellung sind.

Vorteile der Ultraschallfaserverarbeitung

  • Reduzierung des Ligningehalts
  • mikro- und nanofibrillierte Fasern
  • erhöhte Faserflexibilität
  • höhere Zugfestigkeit
  • schnelles Verfahren
  • einfach zu bedienen
Ultraschall-Alkalibehandlung von Hanffasern

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

Ultraschallmodifizierte Hanffasern

Ultraschallf 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 hohe Oberfläche und ihre außergewöhnliche Steifigkeit und Zugfestigkeit aus. CNC-Steuerungen‘ Zugfestigkeit übertrifft die Festigkeit von Glas oder Aluminium. Cellulose-Nanokristalle sind recht preiswert und damit ein wettbewerbsfähiges Nanoadditiv, wenn es um Preis, Verfügbarkeit, Toxizität und Nachhaltigkeit geht.
Die Sondierung ist eine einfach anzuwendende, schnelle und umweltfreundliche Technik, die es ermöglicht, hochwertige Cellulose-Nanokristalle herzustellen.

Ultraschallverarbeitete Kenafasern.

Sosiati et al. 2014 zeigen die positiven Auswirkungen der Ultraschallbehandlung auf die Faserverarbeitung.

Hochleistungs-Ultraschallindikatoren für die Faserverarbeitung

Hielscher Ultrasonics stellt Hochleistungs-Ultraschallgeräte für den harten Einsatz her. Unsere Ultraschallsysteme können für die Batch- oder kontinuierliche Inline-Verarbeitung eingesetzt werden. Alle industriellen Ultraschallprozessoren von Hielscher können sehr große Amplituden liefern. Amplituden von bis zu 200µm können problemlos im 24/7-Betrieb kontinuierlich betrieben werden. Für noch höhere Amplituden sind kundenspezifische Ultraschallsonotroden erhältlich. Die Fähigkeit sehr hoher Amplituden allein reicht jedoch nicht aus, um einen erfolgreichen Ultraschallfaserprozess wie Rotte oder Fibrillation durchzuführen. Abhängig vom Rohstoff und dem angestrebten Ergebnis werden die Prozessparameter – nämlich Amplitude, Druck, Temperatur und Zeit. – muss exakt steuerbar und einstellbar sein.
Die digitalen Ultraschallprozessoren von Hielscher erfassen automatisch alle Prozessdaten auf einer integrierten SD-Karte, so dass die Prozessergebnisse reproduzierbar sind. Amplitude und Verarbeitungsintensität können präzise eingestellt und gesteuert werden, von sehr milden bis zu sehr intensiven Beschallungsbedingungen. Dies gibt Ihnen die Möglichkeit, verschiedene Materialien optimal zu verarbeiten.
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 Ultraschallsysteme:

Batch-Volumen Durchfluss Empfohlenes Ultraschallgerät
1 bis 500ml 10 bis 200ml/min UP100H
10 bis 2000ml 20 bis 400ml/min UP200Ht, UP400St
0.1 bis 20l 0,2 bis 4l/min UIP2000hdT
10 bis 100l 2 bis 10l/min UIP4000hdT
n.a. 10 bis 100l/min UIP16000
n.a. größere Cluster aus UIP16000

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Hielscher Ultrasonics stellt leistungsstarke Ultraschallgeräte für sonochemische Anwendungen her.

Leistungsstarke Ultraschallprozessoren vom Labor- und Technikumsmaßstab bis zur industriellen Produktion.

Literatur

  • Diana P.Ferreira, Juliana Cruz, Raul Fangueiro (2019): Kapitel 1 – Oberflächenmodifikation von Naturfasern in Polymerverbundwerkstoffen. Grüne Verbundwerkstoffe für Automotive-Anwendungen. Woodhead Publishing Series in Composites Science and Engineering 2019, Seiten 3-41.
  • Sullivan Renouard, Christophe Hano, Joël Doussot, Jean-Philippe Blondeau, Eric Lainé (2014): Charakterisierung der Ultraschallwirkung auf Kokos-, Flachs- und Hanffasern. Materialbuchstaben 129, 2014. 137–141.
  • H. Sosiati, M. Muhaimin, P. Abdilah, D. A. Wijayanti, Harsojo, K. Triyana (2014): Auswirkung der chemischen Behandlungen auf die
    Eigenschaften der natürlichen Cellulose. AIP-Konferenzberichte 1617, 105 (2014).
  • M. Zimniewska, R. Kozłowski, J. Batog (2008): Nanolignin modifiziertes Leinengewebe als multifunktionales Produkt. Molekulare Kristalle und Flüssigkristalle Vol. 484, Ausgabe 1, 2008.


Wissenswertes

Hanffaser

Hanf ist eine Mehrzweckkulturpflanze, die für die Hanfsamen und anschließend für Samenöl, Terpenoide und Cannabinoide (z.B. CBD, CBG, etc.) und Hanfstroh verwendet wird, das zu wertvollem Fasermaterial verarbeitet werden kann. Bei der Hanffaserqualität wird zwischen den so genannten Schleppfasern, die nicht ausgerichtet sind, Kurzfaserbündeln und den sogenannten Linienfasern, die lange (längsgerichtete) Fasern sind, unterschieden.
Die Kurzfaserbündel werden auch als technische Fasern bezeichnet und finden vor allem in der Automobilindustrie, bei der Papierherstellung und bei biobasierten Verbundwerkstoffen Verwendung. Lange Hanffasern werden für textile und hochwertige Anwendungen wie Hochleistungsverbundwerkstoffe und Bio-Verbundwerkstoffe eingesetzt.
Hanffaserproduktion:
Faserhanf (Hanf, der für die Faserproduktion angebaut wird) wird idealerweise vor der Blüte geerntet. Diese frühe Ernte führt zu einer höheren Faserqualität, da die Qualität abnimmt, wenn die Blüte zugelassen wird. Im Allgemeinen wird Faserhanf 70-90 Tage nach der Aussaat geerntet. Um den Hanf zu ernten, werden die Pflanzen in einer Höhe von 2-3 cm über dem Boden geschnitten und dann einige Tage lang getrocknet. Nach der Ernte wird der Hanf geröstet. Die Rettung ist ein Prozess, bei dem Feuchtigkeit und Mikroben zum Abbau der Pflanzenpektine verwendet werden, die den Hanfstamm chemisch miteinander verbinden. Traditionell werden die Hanfstängel vor dem Schälen der Fasern mit Wasser oder Tau geröstet. Der Rotteprozess erleichtert die anschließende Trennung des Bastes von der sogenannten Hanfschurre (das ist der holzige Kern der Hanfstängel). Nach der Rötung werden die Hanfstängel getrocknet (auf einen Feuchtigkeitsgehalt von weniger als 15%) und gehäckselt.
Um Hanffasern zu erhalten, die zur Herstellung und als Zusatzstoffe verwendet werden können, müssen die Fasern in einem Verfahren getrennt werden, das als „verrutschend“. Während des Scutching-Prozesses wird das Hanfstroh mechanisch verarbeitet, um die Hanfpflanze abzuschneiden, z.B. mit einer Hammermühle. In diesem mechanischen Prozess wird der Hanf gegen ein Sieb geschlagen, bis er verletzt wird, kleinere Bastfasern und Staub durch das Sieb fallen. Moderne kinematische Hochgeschwindigkeitsdekorationsmaschinen sind in der Lage, Hanf in drei Ströme zu trennen: Bastfaser, Hurd und grüne Mikrofaser.
Der Cellulosegehalt im Hanf beträgt ca. 70-77%. Hanffasern sind ein ausgezeichneter Ersatz für Holzcellulosefasern.

Vorteile von Hanffasern

  • kostengünstig
  • hohe Zugfestigkeit und Steifigkeit
  • ideal geeignet für nadelgelochte Vliesstoffe
  • effektiver Ersatz für Glasfasern
  • reduziert die Formzeit
  • Gewichtsreduzierung am Fertigteil
  • einfach zu verarbeiten und zu recyceln
  • kann an eine Vielzahl von Spezifikationen und verschiedene Fertigungssysteme angepasst werden.
  • gleichbleibende Qualität und Lieferbereitschaft ist möglich

Faserige Bio-Materialien

Wenn Strohfasern aus Flachstroh gewonnen werden, werden die nichtfaserigen Teile des Stiels, ohne das Saatgut, normalerweise als Schäben oder Würfel bezeichnet. Zum Beispiel bei Ölsaatenflachs umfassen die Schäben ca. 70 %. – 85% des Gesamtstrohgewichts, was die Schäben zum Hauptnebenprodukt der Flachstrohverarbeitung macht.
Mit Ultraschall hergestelltes, nanostrukturiertes Lignin wird zu multifunktionalen Leinenstoffen verarbeitet. Durch die Polsterung von Leinentextilien mit Nano-Lignin können multifunktionale Textilien entstehen. Diese multifunktionalen Textilien bieten die zusätzlichen Eigenschaften von UV-Barriere, antibakteriellen und antistatischen Eigenschaften.