Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein ökologisch vorteilhaftes Verfahren zum Aufschluss von Bastfaser, insbesondere von Nesselbast und damit erzeugte Fasern.

Nesselfasern heben sich aus der vielfältigen Gruppe der Bastfasern besonders dadurch hervor, dass sie deutlich längere Elementarfasern aufweisen als die gängigen Bastfasern wie Hanf oder Flachs und diese Fasern in lockerem Faserverbund vorliegen. Aus diesen Gründen befasst sich die vorliegende Patentanmeldung vorwiegend mit Nesselfasern und der Gewinnung dieser Fasern. Als zur Fasergewinnung geeignet sind viele Arten der Familie der Nesselgewächse (Urticaceae). Besonders zu nennen sind die Spezies Urtica dioica, U. kioviensis, U. gracile, U. cannabina, Laportea canadensis, Maoutia puya, Girardinia diversifolia, Boehmeria nivea, B. tricuspis und B. tenacissima.

Des weiteren zeigt sich, dass das erfindungsgemäße Verfahren nicht nur zum Aufschluss von Nesselbast, sondern zum Aufschließen aller gängiger Stängel- und Blattfasem geeignet sind. Als weitere Bastfasern liefernde Pflanzen, die auf diese Weise aufschließbar sind, sind zu nennen die Seidenpflanzen wie z.B. Asclepias syriaca und A. incarnata, die Schönmalven Abutillon theophrastis, die Hundsgiftarten wie z.B. Apocynum venetum und A. canadense, aber auch der Bast von Leinarten wie Textil-, Öl- und Kombilein sowie Hanf, Sunnhemp, Hopfenruten-Bast, die Ginsterarten sowie Kenaf (Hibiskus cannabina).

Bei Bastfasern finden sich in der Rindenschicht der Stängel Faserbündel, die ringförmig angeordnet sind und mit der Rindenschicht durch Pektine, Xylane und Lignin fest verklebt sind. Zur Fasergewinnung ist es erforderlich, die Faserbündel aus der Rindenschicht zu lösen und zu elementarisieren, das heißt in Einzelfasern zu zerlegen. Dies erfolgt mittels chemischer oder biochemischer Aufschluss- prozesse z.B. der Röste und anschließender mechanischer Behandlung. Bei Nesselpflanzen sind oftmals im Bastgefüge auch Einzelfasern zu finden, dennoch ist auch zur Gewinnung von Nesselfasern ein besonders intensives Entfernen der Klebesubstanzen aus dem Bastgefüge erforderlich. Das Herauslösen der Pektine und Ligninbestandteile erfordert den Einsatz starker Basen. Rein biologische Röstverfahren sind sehr zeitaufwendig. Die chemischen Behandlungsverfahren benötigen ebenfalls viel Zeit und erzeugen vielfach ein von Chemikalien stark verunreinigtes Abwasser, aus dem diese nicht wieder rückgewinnbar sind. Meist ist ein Vergären zur Biogas-Erzeugung erschwert.

So wird beispielsweise in der US-P 2,725,289 ein chemisches Rösten von Stängelfasern wie Ramie, Flachs oder Hanf durch mehrmaliges Behandeln des Faserbandes mit Alkalien in Gegenwart von Aminpalmitaten beschrieben, dem ein weiteres Einwirken von oxidierenden Agenzien erfolgt.

In der US-P 4,481,355 wird ein mehrmaliges Waschen mit einer tensidhaltigen Flotte und ein anschließendes Behandeln mit Pektinasen in saurem Medium beschrieben.

Nach der indischen Patentschrift 140.829 behandelt man entholzten Ramiebast bei 93,80C über zwei Stunden mit einer 1 - 2%igen Natronlauge bei einem Flottenverhältnis von 1 :6 bis 1 :7, wäscht mehrmals, behandelt mit einer schwachen Säure und anschließend mit quartenären Ammoniumverbindungen. Nach Tappi 48 (1965), 191 wird das Bastmaterial nach dem Schneiden mit Ethanol behandelt, anschließend mit Wasser und dann mit verdünnter Natronlauge gekocht, mehrmals gewaschen und gebleicht. In Cellul.Chem.Technol. 10 (1976) 285 wird ein Aufschlussmittel aus verdünnter Natronlauge (2%) in Gegenwart von Natriumsulfit beschrieben. Nach Fangzhi Xuebao 6 (1985) 755 ist es notwendig, eine 10 bis 11%ige Alkalilaugen-Konzentration einzuhalten, um einen vollständigen Faseraufschluss zu erzielen.

Nach der Chinesischen Patentschrift 1 ,106,080 werden Mischungen aus Phosphorsäure, Ethylendiamin-tetraacetat, Nekal BX und Natronlauge als Aufschlussmittel empfohlen.

In „Biomass for Energy and Industry" Würzburg 1998, S. 516 wird ein Verfahren beschrieben, bei welchem man das Nesselstroh bei 1000C mit einer 4%igen Sodalösung behandelt, den Bast vom Holz trennt, kalandert und anschließend bei 1000C mit einer 2%igen NaOH-Lösung aufschließt.

Ein Recyclisieren all dieser Chemikalienmischungen ist unter ökonomischen und ökologischen Gesichtspunkten nicht sinnvoll, wenn nicht sogar unmöglich.

Außerdem unterliegt die Faser bei den herkömmlichen Verfahren einem Kettenlängenabbau, was zur Herabsetzung der Reißfestigkeit führt.

Die vorliegende Erfindung hat sich daher die Aufgabe gestellt, ein Verfahren zum Aufschließen von Bastfasern und insbesondere Nesselfasern zu schaffen, bei welchem die zum Aufschluß verwendeten Chemikalien wiederverwendet werden können und damit keine ökologische Belastung darstellen und bei welchem zusätzlich Fasern mit höherer Reißfestigkeit erhalten werden.

Die Lösung dieser Aufgabe gelingt mit einem Verfahren gemäß Hauptanspruch, vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den Unteransprüchen.

In einer bevorzugten Ausführungsform wird wässrige oder wässrig-alkoholische Ammoniaklösung zum Aufschluss eingesetzt. Diese eigent sich besonders gut zum Aufschluss von Nesselbast. Je nach Herkunft der Baststränge sind Ammoniakkonzentrationen von 0,5% bis 15%, vorzugsweise 1 bis 15% und Temperaturen zwischen 8O0C und 18O0C, vorzugsweise zwischen 125 0C und 140 0C, erforderlich, wobei in Druckbehältem gearbeitet werden muss. Als geeignet erwiesen sich Flottenverhältnisse von 1 :2 bis 1 :8.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform werden wässrige Aminlösungen oder alkholisch wässrige Aminlösungen verwendet. Es können Lösungen von primären, sekundären und tertiären Aminen mit niedrigen Siedepunkten eingesetzt werden, wobei diese nicht nur als wässrige Lösung, sondern auch gelöst in organischen Lösungsmitteln wie z.B. Alkoholen unter Zusatz von Wasser vor¬ liegen können. Dadurch ergeben sich Vorteile in der Rückgewinnung der Amine, da tertiäre Gemische aus Aminen, Lösungsmittel und Wasser niedrigere Siede¬ punkte und Verdampfungsenergien aufweisen als Wasser und Wasser-Amin- mischungen.

Es wurde gefunden, dass sich Bastfaserbündel in einfacher Weise dadurch aufschließen lassen, dass man sie mit wässrigen, alkoholischen oder wässrig- alkoholischen Lösungen von Aminen bei Temperaturen zwischen 80°C und 180 0C, vorzugsweise zwischen 800C und 160°C, ganz besonders bevorzugt bei Temperaturen zwischen 125°C und 1400C, behandelt. Wenn Amine mit niedrigen Siedpunkten eingesetzt werden, können diese nahezu verlustfrei zurückgewonnen werden. Gleiches gilt, wenn alkoholische oder wässrig-alkoholische Aufschluss¬ flotten mit niedrig siedender Aminkomponente eingesetzt werden, sowohl für die Alkohol- als auch für die Aminkomponente.

Als Amine eignen sich sowohl primäre und sekundäre Amine als. auch tertiäre Amine, wie z.B. Methylamin, Dimethylamin, Trimethylamin, die entsprechenden Ethylamine, die n-Propylamine, die iso-Propylamine sowie die verschiedenen Butyl- und Pentylamine. Auch Amine mit unterschiedlichen Alkylresten sind geeignet, wie z.B. Methylethylamin oder Methyl-iso-propylamin, Methyldiethylamin oder Ethyl-iso-propylamin. Aber auch Diamine wie z.B. 1 ,2 Diaminoethan, N- Methyl-1 ,2-diaminoethan, N,N'-Dimethyl-1 ,2-diaminoethan können eingesetzt werden. Es können auch Mischungen der genannten Amine eingesetzt werden.

Amine mit höheren Siedepunkten erbringen zwar ebenfalls gute Aufschluss¬ wirkung, ihre Rückgewinnung erfordert aber wesentlich höheren Energieaufwand. Liegen die Siedepunkte der Amine oberhalb dem von Wasser, so verbleiben die Amine auf der Extraktseite, so dass eine Trennung von Amin und Extrakt schwieri¬ ger wird.

Die besten Ergebnisse werden mit sekundären Aminen wie z.B. Dimethylamin, Diethylamin, Di-iso-propylamin, Methylethylamin, Methyl-iso-propylamin und Ethyl- iso-propylamin oder deren Mischungen erzielt.

Je nach Herkunft der Baststränge werden Aminkonzentrationen zwischen 0,2 und 10%, vorzugsweise zwischen 0,5 und 10% und insbesondere zwischen 1 und 10% bei Flottenverhältnissen von 1 :1 bis 1 :8 und Temperaturen zwischen 800C und 1800C eingesetzt. Als besonders geeignet erweisen sich Temperaturen zwischen 125°C und 14O0C, wie sie in der Textilveredlung als HT-Bedingungen bekannt sind.

Die Vorteile des Aminaufschlusses im Vergleich zum Ammoniakverfahren sind darin zu sehen, dass 1. wesentlich hellere Fasern entstehen, 2. weniger Waschflotte benötigt wird, 3. der Chemikalieneinsatz geringer ist 4. niedrige Aufschlusstemperaturen ausreichen und 5. kürzere Aufschlusszeiten notwendig sind. Des weiteren ist das Aufschlussverfahren für alle gängigen Bast- und Blattfasem geeignet.

Die Bastbänder können bei dem erfindungsgemäßen Verfahren sowohl in parallelisierter Form als auch in Wirrlage eingesetzt werden. Parallellage vereinfacht eine spätere textile Fasernutzung durch Verspinnen.

Der Einsatz von Ammoniak bzw. Amin als Aufschluss-Agens ermöglicht eine nahezu vollständige Rückgewinnung durch Austreiben aus der Aufschlussflotte. Aufschlussprobleme bei längerem Lagern, wie sie in Melliand 43, 1137 (1962) beschrieben werden, treten nicht auf.

Es ist meist notwendig das aufgeschlossene Fasermaterial einem Waschprozess zu unterwerfen. Hierzu wird gemäß einer bevorzugten Ausführungsform eine heiße Amin- oder Ammoniaklösung benutzt, die im nächsten Aufschlussprozess als Aufschlussflotte verwendet und durch Kondensation des abgedampften Ammoniaks bzw. Amins der Flotte des vorhergehenden Aufschlusses erhalten wurde. So wird der Ammoniak bzw. das Amin nahezu vollständig im Kreise geführt. Geringe Mengen nicht zurückgewonnenen Ammoniaks bzw. Amins verbleiben in den Aufschlussabiaugen und müssen ergänzt werden. Diese Ablaugen werden entweder einer Biogaserzeugung zugeführt oder als Flüssigdünger verwendet.

Beim Verwerten durch Vergären in einer Biogasanlage dient die geringe Amin¬ bzw. Ammoniakmenge als Stickstoffquelle für die Mikroorganismen. Es kann hierzu erforderlich sein, den pH der Ablaugen durch Zugabe von Säuren abzusenken. Besonders geeignet hierzu sind vergärbare, d.h. biologisch abbaubare Säuren wie beispielsweise Ameisensäure, Essigsäure, Milchsäure, Weinsäure, Zitronensäure oder - wenn die Biogasabfallprodukte als Dünger verwertet werden - Salpetersäure, Schwefelsäure oder Phosphorsäure. Bei direkter Verwertung der Ablaugen als Dünger ist es sinnvoll, eine eventuelle notwendige pH-Einstellung mit den oben genannten Mineralsäuren vorzunehmen. Beim Abdampfen des Ammoniaks bzw. Amins sich abscheidenden Niederschläge von Lignin und Pektinen können durch Filtration abgetrennt und als reaktive Füllstoffe herkömmlichen Phenol-Formaldehyd-Harzmischungen zugefügt werden.

Bei Nesselfasern aus dem Amin bzw. Ammoniakaufschluss wird ein geringerer Kettenabbau beobachtet als beim Aufschluss mit Alkalilaugen, d. h. die Reißfestigkeit wird weniger stark beeinträchtigt. Bei herkömmlicher Bleiche wird weniger Wasserstoffperoxid benötigt, um gleiche Weißgrade zu erzeugen.

Beispiel 1 In einem 1 I-Autoklaven werden 225 g Nesselbast mit 600 g 6%igem Ammoniak eine Stunde auf 1600C erhitzt. Nach dem Abkühlen wird das Fasermaterial abgeschleudert und zweimal mit je 500 g 6%iger Ammoniaklösung und dann mit 500 ml Wasser bei 90 bis 95°C gewaschen. Es werden 147 g Rohfasermaterial erhalten.

Beispiel 2 150 g trockenes Bastmaterial von Laportea canadenis werden zusammen mit 280 g 5%igem Ammoniak in einem 500 ml-Autoklaven 1 ,5 Stunden auf 152°C erhitzt. Nach Abkühlen wird das Fasermaterial abgepresst und zweimal mit 200 g 5%igem Ammoniak bei 900C und anschließend mit 200 ml heißem Wasser gewaschen und getrocknet. Es werden 62 g trockne Rohfaser erhalten, die anschließend gebleicht werden. Aufschlussflotte und erste Waschflüssigkeit werden vereinigt und Ammoniak durch Erhitzen ausgetrieben und zurückgewonnen, wobei abdampfendes Ammoniak in Waschflotte 3 und zusätzlichem Wasser aufgefangen wird. Waschflotte 2 dient als Aufschlusslösung für einen weiteren Ansatz. Beispiel 3 160 g trockene Baststreifen von Boehmeria nivea werden mit 300 g 6%igem Ammoniak (beispielsweise aus Waschlösung 2 von Beispiel 1 ) in einem Autoklaven 100 Minuten auf 16O0C erhitzt. Nach dem Abkühlen wird das Fasermaterial abgeschleudert und mit 6%igem Ammoniak beispielsweise aus Waschflotte 2 gewaschen, erneut abgepresst und mit 200 ml 8%igem Ammoniak und anschließend mit 250 ml Wasser gewaschen. Nach Abschleudern wird ohne Trocknung mit Wasserstoffperoxid gebleicht. Man erhält 92 g trockenes Fasermaterial. Mit den Waschflotten wird wie in Beispiel 1 verfahren.

Beispiel 4 1 ,6 kg parallelisierter Ramie-Baststreifen werden in einem 5 I-Autoklaven mit 3,6 I 7%igem Ammoniak 1 ,2 Stunden auf 158°C erhitzt. Nach Abkühlen auf 750C wird die Aufschlussflotte abgelassen und das Bastmaterial abgeschleudert. Es wird zweimal mit je 2 I 7%igem Ammoniak bei 11O0C gewaschen, jeweils abgeschleudert und anschließend das Fasermaterial noch mal mit 2 I Wasser ausgewaschen. Man erhält 1.912 g trockne Rohfaser.

Beispiel 5 120 g Bast von der Nepalnessel werden mit 300 g 4%igem Ammoniak 50 min bei 155°C aufgeschlossen. Nach Abkühlen auf 800C wird die Mischung durch Abschleudern getrennt und der Faserrückstand 2 mal mit je 250 ml 4%igem Ammoniak gewaschen und anschließend mit 250 ml Wasser gewaschen und getrocknet.

Beispiel 6 140 g Bast von Zuchtbrennnesseln werden in einem Ahiba-Druckbehälter mit 280 g 4%iger Methyl-amin-Lösung eine Stunde bei 135°C gehalten. Nach Ab¬ kühlen auf 75°C bis 80°C wird das Material abgeschleudert und mit 300 ml 4%iger Methylamin-Lösung bei 85°C gewaschen, erneut abgeschleudert und mit 2 x 350° heißem Wasser gewaschen und getrocknet. Es werden 89 g hellgraue Fasern er¬ halten. Das Methylamin aus der Aufschlusslösung wird abgedampft und in Wasser aufgefangen. Die aminhaltige Waschlösung dient in einem weiteren Ansatz als Aufschlussflotte.

Beispiel 7 In einem Druckbehälter werden 125 g Bast von der Seidenpflanze Asclepias in- carnata mit 300 ml einer 3,5%igen Trimethylamin-Lösung 1,5 Stunden bei 1350C gehalten. Nach Abpressen der Fasermasse und 300 ml 3,5%iger Trimethyl-amin- Lösung bei 125°C anschließend wird 2 mal mit der gleichen Menge Wasser erneut gewaschen und getrocknet. Es werden 72 g graues Fasermaterial erhalten.

Beispiel 8 125 g Bast der Seidenpflanze A. syriaka werden in 300 ml einer Flotte, die 1 ,5% Ethylamin und 1 ,5% Di-ethyl-amin enthält bei 1300C eine Stunde aufgeschlossen. Nach Abschleudern der Flotte wird mit der gleichen Menge Aminlösung bei 90° gewaschen, erneut abgeschleudert und anschließend mit 500 ml nochmals ge¬ waschen. Nach Abtrennen der Waschflotte und Trocknen erhält man 82 g Fasern.

Beispiel 9 950 g Ramiebast werden in einem schrägliegenden Drehautoglaven mit 500 ml Ethanol und 1 ,4 I einer 4%igen Di-ethylamin-Lösung 1 ,5 Stunden bei 1300C gehalten. Nach Abkühlen auf 800C wird abgeschleudert, das Fasermaterial mit Aminlösung und anschließend mit Wasser gewaschen und getrocknet.

Beispiel 10 165 g Hopfenbast werden mit 320 g einer 2,8%igen Di-i-propylamin-Lösung eine Stunde bei 1300C aufgeschlossen, nach Abkühlen auf 85°C abgeschleudert, mit der gleichen Menge und gleicher Konzentration der Isopropylamin-Lösung ge¬ waschen, erneut abgeschleudert mit Wasser gewaschen und getrocknet.

Beispiel 11 125 g Bast der kanadischen Nessel (Laportia canadense) werden mit einer Lö¬ sung aus 100 g Methanol und 160 g einer 4%igen Lösung von Methyl-ethyl-Amin bei 1500C 1 ,5 Stunden aufgeschlossen. Es wird weiter verfahren wie in den vor¬ herigen Beispielen 6 bis 10 beschrieben.

Beispiel 12 100g Bastfasern der nepalesischen Nessel (Girardinia diversifolia) werden in ei¬ nem Druckgefäß mit 260 g einer Di-isopropyl-amin-Lösung eine Stunde aufge¬ schlossen. Nach Abschleudern, Waschen mit Di-isopropylamin-Lösung gleicher Konzentration erneutem Abschleudern und Waschen mit Wasser werden 62 g ei¬ nes leicht grauen Fasermaterials erhalten.

Alle %-Angaben beziehen sich, soweit nicht anders angegeben, auf das Gewicht.