Die vorliegende Arbeit wurde im Rahmen des DFG Graduiertenkollegs 1703 „Ressourceneffizienz in Unternehmensnetzwerken – Methoden zur betrieblichen und überbetrieblichen Planung für die Nutzung erneuerbarer Rohstoffe“ durchgeführt. Es wurde der Einfluss verschiedener Prozessparameter auf die Morphologie der Holzkomponente von Holz-Kunststoff-Kompositen (Wood Plastic Composites – WPC) untersucht. Die Ergebnisse wurden bereits anderswo publiziert bzw. zur Publikation eingereicht (insgesamt vier Publikationen) und werden innerhalb individueller Kapitel der vorliegenden Arbeit wiedergegeben. WPC vereinen die Eigenschaften von Holz als Füllstoff mit den Eigenschaften von Polymeren als Matrixmaterial. Aktuelle Literatur und Forschungsarbeiten wurden gesichtet, um Möglichkeiten zu identifizieren, wie WPC zu einer effizienten Ressourcennutzung beitragen kann. Die Ergebnisse zeigen, dass eine Vielzahl von Abfall- und Nebenprodukten aus Holz- und Agrarwirtschaft zur Herstellung von WPC verwendet werden kann, z.B. Sägespäne, Reststoffe aus der Plattenproduktion und Schlämme aus der Faserstoffproduktion. Darüber hinaus können auch Kunststoff-Rezyklate und Biokunststoffe als Rohstoff dienen. Für die Eigenschaften von WPC spielt die Morphologie der Holzkomponente – Fasern oder Partikel – eine entscheidende Rolle. Während der Verarbeitung von WPC treten hohe Temperaturen und Scherkräfte auf, welche zur Zerkleinerung der Holzkomponente führen. Um die Zerkleinerung während der Verarbeitung analysieren zu können, wurde die Eignung der Partikel¬charakterisierung mittels dynamischer Bildanalyse zur Größenbestimmung von WPC-Füllstoffen geprüft. Dafür wurden Holzpartikel aus der Polymermatrix gelöst und ihre Morphologie vor und nach der Verarbeitung verglichen. Es zeigte sich, dass eine Auswertung bezüglich der längenbasierten Größenverteilung am besten geeignet ist, um Prozess-Effekte zu analysieren, da Partikel an beiden Enden der Größenverteilung gut abgebildet werden. Die Effekte von Prozessparametern wie Holzanteil, Beschickungsmethode, Vorwärmen des Holzes, Polymerviskosität, Rotor-/Schneckendrehzahl, Förderrate und Schneckenkonfiguration auf die Holzzerkleinerung wurden untersucht. Dazu wurden Fichtenholz-Partikel (Picea abies) entweder unter Verwendung eines Innenmischers oder eines Doppelschnecken-Extruders mit Polypropylen (PP) compoundiert. Zur Bestimmung des Einflusses der Polymerviskosität wurden verschiedene Sorten PP und schwachverzweigtes Polyethylen (HDPE) verwendet, welche sich in ihrem Schmelzflussindex (melt flow rate – MFR) unterscheiden. Nach dem Compoundieren betrug die Partikelgröße nur noch < 3 % der ursprünglichen Größe. Bei den PP-Kompositen nahm die Partikelzerkleinerung sowohl im Innenmischer als auch im Extruder mit zunehmendem Holzanteil zu. Auch eine zunehmende Anzahl an Knetelementen im Schneckenprofil führte zu einer stärkeren Partikelzerstörung. Bei den HDPE-Kompositen war der Einfluss des Holzanteils nur gering. Wurden die Holzpartikel und das Polymer dem Prozess gleichzeitig zugeführt, war die Partikelzerstörung intensiver als wenn die Partikel dem bereits geschmolzenen Polymer zugegeben wurden. Auch ein Vorwärmen der Partikel führte zu einer stärkeren Zerkleinerung. Die Zerkleinerung konnte unter Verwendung eines Matrixpolymers mit hohem MFR reduziert werden. Zum einen variierte der Einfluss der Förderrate mit der Schneckendrehzahl, zum anderen variierte der Einfluss von Förderrate und Schneckendrehzahl auch mit dem Holzanteil. Da die Bedingungen des Compoundierprozesses im Labormaßstab üblicherweise nicht mit Bedingungen im Industriemaßstab vergleichbar sind, wurden die Prozessparameter an einem Labor-Extruder so gewählt, dass sie industrielle Bedingungen imitieren. Die Einkürzung von Kiefernholzfasern (Pinus radiata) wurde mit der Einkürzung von Glasfasern verglichen, da diese ein Standardmaterial in der industriellen Kompositfertigung darstellen. Mittels sogenannter „Dead-stop“-Versuche und Probennahme entlang der Extruderschnecken wurde der Einfluss von Schneckenkonfiguration, Schneckendrehzahl und Förderrate analysiert. Prozesseinstellungen, die einen geringeren Anteil an spezifischer mechanischer Energie ins Material eintrugen, sowie eine schonende Schneckenkonfiguration verzögerten die Fasereinkürzung entlang der Extruderschnecken. Für eingangs längere Glasfasern war dieser Effekt ausgeprägter als für eingangs kürzere Holzfasern. Die Faserlänge im Endprodukt zeigte jedoch keine Unterschiede bezüglich der Prozesseinstellungen. Glasfasern zeigten deutlichere Unterschiede in der Faserlänge aufgrund der Schneckenkonfiguration als Holzfasern. Diese spiegelten sich auch in den mechanischen Eigenschaften wieder: ein aggressiveres Schneckenprofil resultierte in geringeren Festigkeiten bei den Glasfaser-Kompositen, jedoch nicht bei den Holzfaser-Kompositen.

Abstract Plant fibres are an important part of modern daily life. The most obvious consumer products manufactured from them are paper, cardboard and the fibreboards used in the construction and furniture industries. Plants producing a woody stem are the most widely used raw materials for these fibre products but fibres originating from other plants, i.e. non-wood fibres, are used too. One of the most promising potential non-wood fibre resource categories is that of grasses, of which the cereals are the most important plants grown worldwide. A huge amount of straw is generated as an agricultural by-product annually, but the amount used as an industrial raw material is low because it contains components that are detrimental either to processability or to product quality. The purpose of pulp fractionation is to divide pulp into fractions with distinct properties. Industrially feasible fractionation methods are pressure screening, hydrocyclone fractionation and flotation. In pressure screening, separation is based on a mechanical barrier and particles are fractionated according to their dimensions, while a hydrocyclone fractionates particles according to their density and specific surface area and flotation fractionates particles according to their surface chemistry. These methods are traditionally used for removing impurities from pulp but numerous reports on pulp fractionation can also be found. Previous fractionation experiments were performed using wood-based pulps, whereas no previous studies are available concerning the fractionation of pulps manufactured using grasses. The aim of the present work was to determine whether it is possible to fractionate wheat straw pulp by methods that are feasible on an industrial scale. The experimental part was concerned with wheat straw pulp fractionation by pressure screening, hydrocyclone fractionation and flotation. The results show that all these fractionation methods were able to divide the wheat straw pulp into fractions with different cell properties and cell types, e.g. distinct cell lengths, cell wall thicknesses or surface chemistries. Likewise, fractionation can be used to remove detrimental components or to optimize pulp properties according to their end use or to optimize pulp processing sequences. Due to the uniform structure of grasses, it is likely that the results can be generalized to other grasses than that employed here. / Tiivistelmä Kasvisoluja sisältävät tuotteet ovat laajalti mukana ihmisten jokapäiväisessä elämässä. Kaikista näkyvimpiä tuotteita ovat paperi- ja kartonkituotteet sekä rakennus- ja huonekaluteollisuuden käyttämät kuitulevyt. Perinteisesti kasvikuidut näihin tuotteisiin on saatu puuvartisista kasveista, mutta raaka-aineena käytetään muitakin kasveja, niin kutsuttuja non-wood kasveja. Yksi potentiaalinen kasviryhmä teollisuuden raaka-aineeksi ovat heinäkasvit. Muun muassa tärkeimmät viljakasvit ovat heinäkasveja, ja maatalouden sivutuotteina syntyy korsimateriaalia maailmanlaajuisesti huomattava määrä. Heinäkasvien teollinen hyödyntäminen on kuitenkin vähäistä sillä ne sisältävät komponentteja, jotka haittaavat materiaalin prosessointia tai ovat lopputuotteen ominaisuuksia heikentäviä. Kuitususpension fraktioinnin tarkoituksena on jakaa suspensio kahteen tai useampaan jakeeseen, joiden kuituominaisuudet tai solukoostumus ovat erilaiset. Teollisesti käytettävissä olevia fraktiointilaitteita ovat painelajitin, hydrosykloni ja flotaatio: painelajittimessa erottuminen perustuu mekaaniseen esteeseen ja partikkelit erottuvat pääasiassa partikkelin dimensioiden perusteella, hydrosyklonissa erottuminen tapahtuu partikkelien tiheyden ja ominaispinta-alan mukaan kun taas flotaatiolla voidaan erottaa pintakemialtaan erilaisia partikkeleita. Näitä laitteita on perinteisesti käytetty epäpuhtauksien poistamiseen kuitususpensiosta, mutta laitteiden käyttöä puusta valmistettujen massojen fraktiointiin on tutkittu laajasti. Heinäkasveista valmistettujen massojen fraktiointiin näitä menetelmiä ei ole sovellettu. Tämän tutkimuksen tarkoituksena oli selvittää vehnämassan sisältämien solujen fraktiointia teollisuuden käyttöön soveltuvilla menetelmillä. Työn kokeellisessa osassa fraktiointiin vehnäsellua painelajittimella, hydrosyklonilla ja flotaatiolla. Työn tulokset osoittavat, että kaikki tutkitut fraktiointimenetelmät pystyvät jakamaan vehnämassan jakeisiin, joilla on erilaiset solujen ominaisuudet sekä solukoostumukset. Fraktioinnin avulla on mahdollista tuottaa jakeita, joiden kuitupituudet, seinämäpaksuudet sekä pintakemia eroavat. Näin ollen massasta voidaan poistaa jokin haitallinen solujae, tai vaihtoehtoisesti fraktiointia voidaan käyttää optimoitaessa massan ominaisuuksia lopputuotteen ominaisuuksien parantamiseksi, tai optimoitaessa massan prosessointia. Koska heinäkasvit ovat rakenteeltaan samanlaisia, ovat tulokset hyvin todennäköisesti yleistettävissä muidenkin heinäkasvien fraktiointiin.