Verfahren des Faseraufschlusses für Bastfasern - NIUTEX 2010
Verfahren des Faseraufschlusses für Bastfasern - NIUTEX 2010
Verfahren des Faseraufschlusses für Bastfasern - NIUTEX 2010
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VERFAHREN DES FASERAUFSCHLUSSES FÜR<br />
BASTFASERN<br />
AM BEISPIEL VON HANF UND NESSEL<br />
Reutlingen Research Institute<br />
Textile <strong>Verfahren</strong>s- u. Produktentwicklung<br />
Hochschule Reutlingen<br />
Kai Nebel, RRI – Niutex <strong>2010</strong> - Aufschlussverfahren <strong>für</strong> <strong>Bastfasern</strong> 16.04.<strong>2010</strong>
Geschichte<br />
Seit Menschengedenken wurden <strong>Bastfasern</strong> <strong>für</strong> technischekulturelle-<br />
und Bekleidungszwecke eingesetzt<br />
6000 v.Chr. Hanf war eine wichtige Kulturpflanze in China<br />
3500 v.Chr. Flachs u. Hanf <strong>für</strong> Ägyptische Gewänder<br />
1000 – 1850 Hanf wurde weltweit als wichtigste Kulturpflanze angesehen<br />
Regionale Verfügbarkeit !<br />
Spezielle Eigenschaften<br />
Zweckmässigkeit<br />
19. Jahrh. Jute, Baumwolle und später auch die<br />
Synthesefasern verdrängen, Flachs<br />
und Hanf<br />
20./21.Jahrh. „...auf und ab....“<br />
Kai Nebel, RRI – Niutex <strong>2010</strong> - Aufschlussverfahren <strong>für</strong> <strong>Bastfasern</strong> 16.04.<strong>2010</strong>
„....auf und ab....?“<br />
1985 Flachs als Alternative zum Butterberg.... !<br />
1995 Hanf rettet die Welt.....!<br />
....Miscanthus, Ramie, Kenaf, Nessel.......<br />
Überschätzung <strong>des</strong> Marktes<br />
Kaum Substitutionszwang<br />
Subventionen <strong>für</strong> die Xte Erfindung <strong>des</strong> Ra<strong>des</strong><br />
Focussierung auf alte Technologien<br />
Fehlende Gesamtkonzepte („Insellösungen“)<br />
Technische u. industrielle Wertschöpfungspotentiale ? !!<br />
aus landwirtschaftlichem Erzeugnis:<br />
High - Tech Rohstoffe <strong>für</strong> die Industrie !<br />
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Hart- / Blattfasern<br />
Abaca, Kokos, Sisal<br />
<strong>Bastfasern</strong> ?<br />
= Nachwachsende Rohstoffe<br />
(+ Baumwolle, Wolle......)<br />
= Stängel- / Weichfasern<br />
Flachs, Hanf, Brennessel<br />
Ramie, Jute, Kenaf etc<br />
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<strong>Bastfasern</strong><br />
1 2 3<br />
4 5 6<br />
7 8 9<br />
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Aufschluss von <strong>Bastfasern</strong>?<br />
= “Freilegen / Zugänglichmachen von technischen Fasern /<br />
Einzelfasern / oder Elementarfasern durch Entfernung<br />
der Begleitsubstanzen”<br />
In der Regel:<br />
Kombination aus mechanischem / physikalischem<br />
und chemischem / biochemischen Prozess<br />
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Aufschluss bewirkt:<br />
Trennung von Bast- und Holzanteil<br />
Abbau / Entfernung von Lignin, Pektin, Protein, Hemicellulosen…<br />
Aufspaltung der Faserverbunde in (kleinere Faserbündel) Einzelfasern<br />
Massenverschiebung in Richtung Cellulose<br />
Eigenschaftsveränderung der ursprünglichen Faserstruktur<br />
Homogenisierung der Faserpartie (idealerweise)<br />
Energieaufwand anwendungsspezifisch<br />
über den gesamten Produktionsprozess<br />
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Lignin<br />
„Faser“ - Definition im Hinblick auf den Cellulosegehalt<br />
Holz Jute, Kenaf, Flachs, Hanf, Ramie, Nessel Baumwolle<br />
20 - 40%<br />
Cellulose<br />
0 - 5%<br />
20 - 50% 90 - .... %<br />
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„Faser“ – Definition im Hinblick auf Prozesseigenschaften<br />
Prozessbedingungen (severity):<br />
Extraktion Extraktion und Selektion<br />
Selektion<br />
„Pulping“ „Spezialpulp“ „Hammer „Chemisches Kochen“<br />
mühle“ „Steam Explosion“<br />
Technische Faserlänge:<br />
Wertschöpfung:<br />
Cellulose/<br />
Papier<br />
Vliesstoffe/<br />
Technische Anwendungen<br />
„Kardieren“<br />
0 - 5 mm 1 - 5 cm 5- .... cm<br />
Textile<br />
Anwendungen<br />
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Aufschluss Hanf<br />
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Aufschluss Brennessel<br />
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Möglichkeiten <strong>des</strong> Aufschlusses<br />
Röste (Wasserröste / Tauröste)<br />
- mikrobiologischer Prozess<br />
- Tauröste ist witterungsabhängig<br />
- Wasserröste ist ökologisch u. ökonomisch<br />
problematisch<br />
Hanf: Osteuropa z.T. Wasserröste<br />
Nessel: ggf. Tauröste<br />
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Mechanischer Aufschluss<br />
-als Selektionsprozess z.B. in der traditionellen textilen Prozesskette<br />
Ernten<br />
Rösten<br />
Quetschen<br />
Brechen<br />
Schwingen<br />
Schwungflachs /<br />
Schwunghanf<br />
Weichen<br />
Schneiden<br />
Hecheln<br />
Strecken<br />
Vorspinnen<br />
Spinnen<br />
naß trocken<br />
Garn<br />
Schwungwerg<br />
Hechelwerg<br />
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Mechanische „Cottonisierung“<br />
Brechen, groböffnen, schütteln, öffnen, kardieren<br />
(Hammermühle etc.)<br />
Meist <strong>für</strong> Mischgarne (BW, Viskose etc.)<br />
Rohmaterial Mechanisch<br />
aufgeschlossen<br />
(IAF - value 1300 µm²)<br />
0<br />
0 500 1000 1500 2000 2500 3000<br />
0<br />
0 500 1000 1500 2000 2500 3000<br />
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30<br />
0<br />
20<br />
0<br />
co<br />
un<br />
ts 10<br />
0<br />
Flax Fineness-distribution<br />
Area [µm²]<br />
30<br />
0<br />
20<br />
0<br />
co<br />
un<br />
ts 10<br />
0<br />
Flax Fineness-distribution<br />
Area [mµ²]
Mechanischer Aufschluss ( Cottonisierung)<br />
Keine oder nur teilweise Entfernung der Begleitsubstanzen<br />
Starke mech. Beanspruchung<br />
(Faserschädigung, Implizieren von Defektstellen)<br />
Gutfaserausbeute / Verluste kritisch<br />
<strong>Verfahren</strong>ssteuerung kritisch<br />
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Chemischer Aufschluss<br />
•Langfaseraufschluss / Vorgarnbleiche<br />
•Cottonisierung<br />
Abkochen / Bleichen<br />
(Laugen, Säuren, Oxidationsmittel, Reduktionsmittel,Tenside,<br />
Komplexbildner, Hilfsmittel...)<br />
Rezeptierung / <strong>Verfahren</strong>svariationen !<br />
Früher: Chlor !!<br />
Auch hier: Mechanik notwendig<br />
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Chemischer Aufschluss:<br />
Extraktion / Abbau der Begleitsubstanzen<br />
Eigenschaftsveränderung<br />
(Zugänglichkeit, Saugfähigkeit, Griff etc.)<br />
Oberflächenmodifikation<br />
• Chemische / oxidative Faserschädigung<br />
• Relativ hoher Aufwand an Energie, Wasser, Chemikalien<br />
• <strong>Verfahren</strong>ssteuerung problematisch<br />
(Rohstoffqualität, Röstgrad, Abstimmung auf Mechanik<br />
Entsprechend der Anwendung)<br />
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Enzymatischer Aufschluss<br />
Ausgehend von einer „künstlichen“ Röste<br />
meist Enzyme und Chemikalien<br />
ähnlich dem chemischen Aufschluss<br />
• <strong>Verfahren</strong> schwierig da Enzyme sehr selektiv wirken (Rohstoffvarianz !!!)<br />
• Exakte <strong>Verfahren</strong>ssteuerung notwendig<br />
• Effektivität ist fraglich<br />
• Preis<br />
als „finishing“ !<br />
Oberflächenmodifikation<br />
aber Zukunftspotential !<br />
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Dampfdruckaufschluss<br />
Physikalisch / chemisches <strong>Verfahren</strong><br />
Imprägnierung mit verdünntem Alkali – Sattdampf (4-15 bar)<br />
Dampf kondensiert in Faserzwischenräumen – chem. Reaktion an Faseroberfläche /<br />
Mittellamelle – durch spontanen Druckabbau -> „Explosion“ der Faserbündel<br />
-> Verzug durch Extrusion –<br />
-> Nachbehandlung / Auswaschen der hydrolisierten Begleitsubstanzen<br />
Rohmaterial Mechanisch<br />
aufgeschlossen<br />
(IAF - value 1300 µm²)<br />
Flax Fineness-distribution<br />
Flax Fineness-distribution<br />
30<br />
30<br />
0<br />
0<br />
Hanf BW<br />
20<br />
0<br />
co<br />
un<br />
ts 10<br />
0<br />
0<br />
0 500 1000 1500 2000 2500 3000<br />
Area [µm²]<br />
0<br />
0 500 1000 1500 2000 2500 3000<br />
Dampfaufschluß<br />
0<br />
0 500 1000 1500 2000 2500 3000<br />
Kai Nebel, RRI – Niutex <strong>2010</strong> - Aufschlussverfahren <strong>für</strong> <strong>Bastfasern</strong> 16.04.<strong>2010</strong><br />
20<br />
0<br />
co<br />
un<br />
ts 10<br />
0<br />
Area [mµ²]<br />
30<br />
0<br />
20<br />
0<br />
co<br />
un<br />
ts 10<br />
0<br />
Flax Fineness-distribution<br />
Area [mµ²]
Dampfdruckaufschluss<br />
<strong>für</strong> beliebige Faserrohstoffe einsetzbar<br />
vergleichsweise niedriger Chemikalien und Wasserverbrauch<br />
Variablen <strong>für</strong> die <strong>Verfahren</strong>ssteuerung<br />
Prozessbedingungen entsprechend <strong>des</strong> Rohstoffes und <strong>des</strong> Endproduktes<br />
hohe Flexibilität<br />
„Faser<strong>des</strong>ign“<br />
„Prozess<strong>des</strong>ign“<br />
hervorragende Fasereigenschaften<br />
• rel. Anspruchsvolle <strong>Verfahren</strong>stechnik - > integrierte Produktionsschiene !<br />
• ab ca. 1500 Jahrestonnen wirtschaftlich<br />
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Sonstige <strong>Verfahren</strong>:<br />
Ultraschallverfahren: - <strong>für</strong> Mikroaufschlüsse<br />
- Energieaufwand / <strong>Verfahren</strong>stechnik ??<br />
Compounder / Extruder: - <strong>für</strong> Faserverbunde, rel. undefiniert<br />
Frischentholzung / Silage<br />
Bioraffinerie<br />
Kai Nebel, RRI – Niutex <strong>2010</strong> - Aufschlussverfahren <strong>für</strong> <strong>Bastfasern</strong> 16.04.<strong>2010</strong>
Schlüsselfaktoren - Aufschluss / Veredelung<br />
Wettbewerbsfähigkeit --- jenseits der „me too produkte“...<br />
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Wertschöpfung<br />
Niedrige Masse / ha<br />
Hohe Wertschöpfung<br />
Medizinpflanzen<br />
niedrig<br />
Hohe Masse / ha<br />
Niedrige Wertschöpfung<br />
Energiepflanzen<br />
niedrig<br />
Preis<br />
hoch<br />
Hohe Masse / ha<br />
Hohe Wertschöpfung<br />
(hohe Funktionalität)<br />
hoch<br />
Technologischer Aufwand<br />
Hohe Masse / ha<br />
Wertschöpfung durch Scaleneffekt<br />
. pulp&paper, NFC<br />
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Profit<br />
Defizit<br />
Strategische Faktoren einer profitablen Faserindustrie<br />
Hoher Durchsatz<br />
Verarbeitung und<br />
Reinigung<br />
LANDWIRTSCHAFT<br />
• niedere Wertschöpfung<br />
• sinkende Subventionen<br />
• unsicher Preise<br />
Veredelung<br />
•Einsatzmöglichkeiten<br />
• Marktvolumen<br />
• UPS (unique selling position)<br />
Mechanische Verarbeitung<br />
• niedere Produktdiversität<br />
• Hohe Investitionskosten<br />
• Importdruck<br />
FEINE und<br />
SAUBERE<br />
FASERN<br />
Wertschöpfungskette<br />
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Fibrillierung von Fasern<br />
Tensile Strength / MPa<br />
200<br />
150<br />
100<br />
50<br />
0<br />
Faserbündel<br />
Hemp-Epoxy-Composites (Fiber load ~ 70%)<br />
I A II A III A IV A Hemp<br />
Treatment<br />
mech.<br />
Einzelfaser<br />
Hemp<br />
STEX<br />
Fibrillen<br />
Cellulose<br />
Hochleistungs-<br />
Strukturteile<br />
Spezialtextilien<br />
(Hygiene, Medizin)<br />
Filterstoffe<br />
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Schlüsselfaktoren - Aufschluss / Veredelung<br />
Wettbewerbsfähigkeit --- jenseits der „me too produkte“...<br />
Integration in eine Prozesskette<br />
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Nessel-<br />
Stroh<br />
Gewebe<br />
Gestricke<br />
Entholzung<br />
Brecher<br />
Integration in Prozessablauf<br />
Beispiel: neue Garne <strong>für</strong> modische Textilien (Jeans)<br />
Ausreinigung<br />
Flachswerg-<br />
Schwinggruppe<br />
OE Spinnen<br />
Flächenbildung Mischgarne Spinnerei<br />
Ringspinnen<br />
Rohfasern<br />
Doublierung<br />
Ausreinigung<br />
Stufenreiniger<br />
Strecke Karde<br />
Verfeinerung<br />
Bandbildung<br />
Alkali-/ Dampfbehandlung<br />
Aufschluss<br />
„cottonisierte“<br />
Fasern<br />
Öffner<br />
Stufenreiniger<br />
Mischung (Co)<br />
Auflösung /<br />
Reinigung<br />
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Schlüsselfaktoren - Aufschluss / Veredelung<br />
Wettbewerbsfähigkeit --- jenseits der „me too produkte“...<br />
Integration in eine Prozesskette<br />
Prozess Design / Steuerung<br />
(Rohstoff – Verarbeitung – Endprodukt)<br />
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Raw<br />
Material<br />
Input<br />
Control<br />
100 %<br />
Step 1<br />
Feed Back<br />
Integrated Processing Systems<br />
Vision: Product Functionality Design<br />
= Process Optimization and Product Design<br />
Processing<br />
Design<br />
Step 2 ...<br />
Feed Forward<br />
On-Line Control<br />
- On-Line Control<br />
- In-Line Control<br />
- 100 % Control<br />
Production (time)<br />
Product<br />
Output<br />
Control<br />
100 %<br />
Online Control<br />
Dissimilarity<br />
Global Quality Model<br />
14.00 10.50 7.00 3.50 0.00<br />
Kai Nebel, RRI – Niutex <strong>2010</strong> - Aufschlussverfahren <strong>für</strong> <strong>Bastfasern</strong> 16.04.<strong>2010</strong><br />
© Rudolf Kessler, Prozessanalytik
Fazit<br />
Faser - Aufschluss / Veredelung ist der Schlüssel zum<br />
erfolgreichen industriellen Einsatz von <strong>Bastfasern</strong><br />
Innovative <strong>Verfahren</strong> - abgestimmt auf Einsatzzweck<br />
Integration in die Prozesskette<br />
Prozess- und Qualitätskontrolle vom Rohstoff bis<br />
zum Endprodukt<br />
Kai Nebel, RRI – Niutex <strong>2010</strong> - Aufschlussverfahren <strong>für</strong> <strong>Bastfasern</strong> 16.04.<strong>2010</strong>
Vielen Dank !<br />
Kai Nebel, RRI – Niutex <strong>2010</strong> - Aufschlussverfahren <strong>für</strong> <strong>Bastfasern</strong> 16.04.<strong>2010</strong>
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