Eigenschaften und Anwendung

Cellulose ist aus unserem Alltag nicht wegzudenken. Sie kommt vor allem in Holz und anderen Pflanzenfasern vor und wird vielseitig genutzt, beispielsweise als Rohstoff für Textilien und Baumaterialien oder als Ausgangsstoff für nachhaltige Werkstoffe.

Seit einigen Jahren rückt besonders Cellulose mit Strukturen im Nanometerbereich, sogenannte Nanocellulose, in den Fokus. Sie kann aus verschiedenen natürlichen Rohstoffen wie Holz oder anderen Pflanzenfasern gewonnen werden. Je nach Struktur liegt Nanocellulose beispielsweise in Form kleinster Fibrillen oder kristalliner Partikel vor.

Diese nanoskaligen Cellulosematerialien besitzen besondere Eigenschaften und eröffnen dadurch vielfältige Anwendungsmöglichkeiten. Sie können unter anderem Kompositmaterialien verstärken, aber auch in medizinischen Anwendungen und in den Lebenswissenschaften eingesetzt werden.

Nanocellulose wird in drei Kategorien unterteilt: mikrofibrillierte Cellulose (MFC), nanokristalline Cellulose (NCC) und bakterielle Nanocellulose (BNC):

• Mkrofibrillierte Cellulose, MFC hat einen Durchmesser von ca. 5-100 nm bei einer Länge von einigen Mikrometern . Sie kommen in unterschiedlichen Verpackungsmaterialien, in Nanokompositen, Emulsions- und Dispergiermitteln sowie Lebensmitteln zum Einsatz. Des Weiteren werden MFCs in medizinischen, kosmetischen und pharmazeutischen Produkten eingesetzt. Eingearbeitet in Kunststoffe erhöhen die MFCs die Zugfestigkeit dieser Komposite um ein Vielfaches ^[2]. Ihre Eigenschaft, eine große Menge Wasser speichern zu können bei gleichzeitig geringem Gewicht macht sie auch für Anwendungen in Absorptionsmitteln und Hygieneprodukten interessant.
• Nanokristalline Cellulose (NCC) bzw. Cellulose-Nanokristalle (CNC) hat einen Durchmesser von 5-20 nm und weist eine Länge von 100-250 nm auf, wenn sie aus Pflanzencellulose gewonnen wird. Bei der Herstellung aus Algen, Bakterien oder Tunicaten kann die Länge von 100 nm bis hin zu einigen µm betragen . Nanokristalline Cellulose besitzt einzigartige optische und flüssigkristalline Eigenschaften. Bislang scheint es keine Produkte mit NCC am Markt zu geben, jedoch arbeiten unterschiedlichste Branchen an einer Kommerzialisierung, z.B. Papierindustrie, (Lebensmittel-) Verpackungsindustrie oder Beschichtungsunternehmen.
• Bakterielle (Nano)Cellulose (BNC) hat verglichen mit mechanisch isolierter MFC kleinere Durchmesser und ist deutlich homogener. Sie bildet Nanofasernetze unterschiedlichster Morphologie . BNC stellt man durch einen biotechnologischen Prozess mit Hilfe eines Bakteriums beispielsweise aus Zuckern her. Diese Biocellulose besitzt eine ähnlich hohe Festigkeit wie Stahl oder Kevlar (bezogen auf die BNC-Einzelfaser) und weist meist eine sehr hohe Kristallinität von 80-90% auf. Meist bilden sich während der Herstellung formstabile Aerogele aus den BNC-Netzwerken. Diese können einen Porendurchmesser von weniger als 10 µm haben und außerordentlich transparent sein. Derzeit forscht man an Biocellulose in den Bereichen Brennstoffzellen, Elektrotechnik, Membranen, Medizintechnik (insbesondere Implantate auf BNC-Basis) und Kompositmaterialien. 

Cellulose ist nicht selbstentzündlich. Als fein verteilte Mischung mit Luft (Staub) unter Einwirkung einer Zündquelle ist Cellulose entzündlich (Staubexplosion). Das Verhalten bei einer Staubexplosion ist vergleichbar mit dem anderer, kohlenstoffbasierter Materialien.

Herstellung

• Mikrofibrillierte Cellulose (MFC) wird aus Holzcellulosefasern durch mechanische Fibrillierung gewonnen. Dazu werden die Fasern beispielsweise unter hohem Druck, bis etwa 1.500 bar, durch die Interaktionskammern eines Homogenisators gepresst. Die dabei auftretenden Scherkräfte lösen die Fibrillen aus dem Faserverband. Alternativ oder ergänzend kommen Mahl- und Dispergierverfahren zum Einsatz. Chemische, enzymatische oder mechanische Vorbehandlungen, beispielsweise mit Ultra-Turrax- oder Inline-Dispergierern, erleichtern die anschließende Fibrillierung. Solche Vorbehandlungen können den Energiebedarf der mechanischen Herstellung deutlich reduzieren.
• Die nanokristalline Cellulose wird durch saure Hydrolyse aus Holz, Baumwolle, Hanf aber auch Algen, Bakterien oder Tunicaten u.a. hergestellt. 
• BNC wird mit Hilfe von Essigsäurebakterien aus Zucker hergestellt. Derartige Produktionsverfahren zählen zur sog. weißen Biotechnologie.

Weiterführende Informationen

• Empa.ch Pressemeldung (24.10.2011) "Neues Herstellungsverfahren für Nano-Cellulose erhielt Empa-Forschungspreis – Mit Nano-Cellulose zu neuartigen Verbundwerkstoffen"

_{Erstellt 2011}