by Seshata on 09/09/2014 | Cultureel Teelt

Hoe worden hennepplastics gemaakt?

Hennepplastics Elk jaar komen er steeds meer innovaties in hennepplastictechnologie op de markt en zelfs een aantal grote bedrijven (met name autofabrikanten) verwerkt nu hennepplastics in hun producten. Er zijn verschillende soorten hennepplastics. We laten je hieronder zien hoe elk van de soorten vervaardigd wordt.


Hennepcellulose

How are hemp plastics made Cellulose is de meest voorkomende organische polymeer op aarde en is een essentieel onderdeel van celwanden van planten en van veel algensoorten. Hoewel cellulose voornamelijk wordt gebruikt om papier te maken, wordt het ook toegepast voor allerlei plastics, zoals celluloid, cellofaan en rayon. Toen plastics voor het eerst werden vervaardigd, bestonden ze allemaal uit organische, niet-synthetische materialen en was cellulose op dat moment het belangrijkste bestanddeel van de ontluikende plasticindustrie. Nu is er opnieuw belangstelling voor bioplastics vanwege hun diverse milieuvoordelen.

Cellulose is een polysaccharide bestaande uit lange ketens met de scheikundige formule (C6H10O5)n en bevat honderden of duizenden verbonden glucose-eenheden. Het vormt microfibrillen (kleine, vezelachtige strengen) in de celwanden van planten en het neemt ook allerlei kristallijne vormen aan, hoewel de natuurlijke vorm uit kristallijne en een aantal amorfe bestanddelen bestaat.

Cellofaan, rayon en celluloid

Cellofaan en rayon gelden beide als geregenereerde cellulosevezels, omdat zij eenzelfde structuur als cellulose hebben. Zij worden op dezelfde manier geproduceerd: cellulose wordt opgelost in een base en door een spleet  in een bad met zwavelzuur gebracht, waarbij zich cellofaan of via een spindop een rayonvezel vormt. Celluloid wordt gemaakt door eerst nitrocellulose (cellulosenitraat) te produceren, waaraan vervolgens kamfer – een veel gebruikt plastificeermiddel –  toegevoegd wordt, met als resultaat een compact, vast thermoplastisch materiaal dat bij verhitting gemakkelijk te verwerken is.

Hennepcellulose kan geëxtraheerd en gebruikt worden om cellofaan, rayon en een breed scala aan aanverwante plastics te maken. Van hennep is bekend dat het circa 65 -70% cellulose bevat en het wordt beschouwd als een goede grondstof (hout bevat ongeveer 40%, vlas 65 -75% en katoen tot 90%) en is veelbelovend vanwege zijn duurzaamheid en de geringe schadelijke gevolgen voor het milieu. Hennep groeit sneller dan de meeste andere struiken en heeft minder pesticiden nodig dan katoen of vlas, hoewel het in sommige grondsoorten wel veel bemesting en ook relatief veel water nodig hebben.

Andere mogelijke producten met hennepcellulose

Zeoform is a cellulose-bioplastic dat van hennep gemaakt wordt en voor talloze producten toegepast kan worden (© Zeoform)
Zeoform is a cellulose-bioplastic dat van hennep gemaakt wordt en voor talloze producten toegepast kan worden (© Zeoform)

Cellulose kan toegepast worden om er talloze plastics en aanverwante stoffen mee te maken. Een groot deel van de verschillen in fysiologische eigenschappen is toe te schrijven aan de lengte van de polymeerketens en de mate van kristallisatie. Cellulose wordt op diverse manieren uit hennep en andere vezelgewassen gewonnen. De ruwe pulp kan gehydrolyseerd worden (splitsing van de bestanddelen door toevoeging van water) bij 50 – 90°C. De pulp kan ook in een zwakke zuuroplossing worden geweekt om de kristallijne en amorfe bestanddelen te splitsen waarna cellulose-nanokristallen ontstaan.

De pulp kan ook verhit en onder druk gebracht worden waarna het een intrigerende vorm aanneemt die bekend is als nanocellulose, een “pseudo-plastic” dat onder normale omstandigheden geleiachtig en viskeus is, maar vloeibaarder wordt wanneer het geschud of onder spanning gebracht wordt. Nanocellulose biedt talloze toepassingsmogelijkheden, zoals composietplastic-versterkingsmateriaal, als superabsorberend middel voor het opruimen van olievlekken of om hygiënische producten te vervaardigen, en zelfs als een caloriearme stabilisator in de levensmiddelentechnologie.

Zeoform is een producent van hennepplastics die een plastic op basis van cellulose vervaardigt dat via hun gepatenteerde processen uitsluitend bestaat uit water en een aantal natuurlijke cellulosevezels, waaronder hennep. Op hun website is te lezen dat zij met hun techniek “cellulosevezels omzetten in gietvormmateriaal van industriële kwaliteit waarmee een eindeloze reeks producten kan worden vervaardigd”, van zo licht as piepschuim tot zo  dicht als eboniet. Zeoform wordt aangeprezen als 100% non-toxisch, biologisch afbreekbaar en composteerbaar, en als middel om CO2 op te slaan in functionele, aantrekkelijke vormen. Het is niet duidelijk waaruit hun zelfontwikkelde techniek bestaat, maar de lengte en vervlechtingsgraad van de polymeerketens kunnen blijkbaar zeer nauwkeurig worden bepaald, waardoor het mogelijk is een divers assortiment plastics te produceren.

Plastics van hennepcomposiet

Composietplastics bestaan uit een polymeermatrix op basis van cellulose of allerlei andere natuurlijke of synthetische polymeren en versterkende vezels, die op hun beurt ook weer natuurlijk (en hoofdzakelijk uit cellulose bestaand) of synthetisch van oorsprong kunnen zijn. Natuurlijke polymeren zijn onder andere teer, schellak, schildpad en allerlei boomharsen, en natuurlijke vezels onder meer jute, sisal, katoen en vlas. Traditionele anorganische vulstoffen zijn onder meer talk, mica en glasvezel.

Composietplastics op basis van hennep hebben een grote treksterkte en stijfheid en worden gebruikt bij de productie van auto's, boten, muziekinstrumenten en nog veel meer producten (© Wikmedia Commons)
Composietplastics op basis van hennep hebben een grote treksterkte en stijfheid en worden gebruikt bij de productie van auto’s, boten, muziekinstrumenten en nog veel meer producten (© Wikmedia Commons)

Biocomposieten worden over het algemeen gedefinieerd als materiaal dat ten minste één oorspronkelijk organisch hoofdbestanddeel bevat. Hoewel het mogelijk is plastics te produceren die 100% organisch zijn, hebben de meeste soorten een aantal synthetische bestanddelen. Vaak wordt een natuurlijke vezel vermengd met een synthetische polymeer en als biocomposiet aangemerkt. De diverse combinaties van vezels en polymeren die gebruikt kunnen worden voor de productie van bioplastics verschillen sterk qua dichtheid, treksterkte, stijfheid en een aantal andere factoren die in het fabricageproces kunnen worden gemanipuleerd voor de vervaardiging van producten voor talloze toepassingen: bouw- en constructiemateriaal, meubels, muziekinstrumenten, boten, carrosserie-onderdelen, biologisch afbreekbare boodschappentassen, en zelfs in de geneeskunde, om biocompatibele ‘scaffolds’ te maken voor de reconstructie van botweefsel.

Hennepvezels staan bekend om hun treksterkte, vooral de vezels van de vrouwelijke plant (mannelijke vezels zijn fijner, zachter en vaak langer, maar zijn ook minder sterk). Een studie uit 2003 naar composieten van polypropyleen (PP) versterkt met natuurlijke vezel toonde aan dat hennep, kenaf en sisal een vergelijkbare treksterkte hadden als traditionele glasvezelcomposieten en dat hennep de hoogste slagbestendigheid had. Een studie uit 2006 toonde aan dat hennepvezelcomposieten in geringe mate overtroffen werd door glasvezel. Uit een studie uit 2007 naar PP-composieten versterkt met hennepvezels bleek dat een polypropyleenvorm bekend als gemaleateerde polypropyleen (MAPP) de treksterkte en algemene mechanische eigenschappen vergrootte tot 80% van de traditionele glasvezelcomposieten.

Biocomposieten vervaardigd uit 100% hennep

Er zijn diverse biocomposieten ontwikkeld die volledig uit organische grondstoffen bestaan. Een aantal daarvan bevatten hennepvezel als vulmiddel. Uit een studie uit 2003 naar de treksterkte van hennepvezel bleek dat indien hennepvezelbundels met verdunde natriumhydroxide gealkaliseerd werden (NaOH) in concentraties van  4 – 6%, deze een aanzienlijk hogere treksterkte en stijfheid kregen wanneer er een polymeermatrix van cashewnotendopolie aan toegevoegd werd.

In 2007 maakten Koreaanse onderzoekers bekend dat zij een biocomposiet vervaardigd hadden uit biologisch polymelkzuur (PLA: een belangrijk biologisch afbreekbaar thermoplastische polyester), versterkt met hennepvezels. De onderzoekers stelden ook vast dat behandeling van hennepvezels met een verdunde base een hogere treksterkte opleverde. De biocomposieten zelf bleken sterker en stijver dan plastics met alleen PLA.

In 2009 maakten onderzoekers van de Universiteit van Stamford de ontwikkeling bekend van een met hennepvezel versterkte composiet vervaardigd uit  bio-polyhydroxybutyraat (BHP), een polymeer gemaakte met bepaalde bacteriën (onder andere Bacillus) die aan fysieke stress,  zoals een tekort aan voedsel, blootgesteld worden. Deze composieten van hennep en BHP zijn sterk, glad en fraai, en stevig genoeg om gebruikt te worden in de bouw, meubels en vloerbedekking.

100% biopolyethyleentereftalaat (PET)

De frisdrankindustrie is gestart met de toepassing van bio-PET in drankflessen en streeft naar 100% bio-PET-flessen in 2018 (© JeepersMedia)
De frisdrankindustrie is gestart met de toepassing van bio-PET in drankflessen en streeft naar 100% bio-PET-flessen in 2018 (© JeepersMedia)

Plastics van polymeren op harsbasis kunnen uit slechts één molecuul bestaan, terwijl composietplastics een of meer harsen toegevoegd moeten krijgen opdat de vezels samenhechten en zo hun uiteindelijke plasticvorm krijgen. Omdat de meeste bioplastics verschillende materialen bevatten, kunnen er talloze soorten plastics mee vervaardigd worden, zelfs composieten die volledig organisch zijn.

In 2011 kondigde PepsiCo aan dat zij een waterfles geproduceerd hadden met plastic van 100% plantmateriaal, bestaande uit polyethyleentereftalaat (PET), een thermoplastische polymeerhars met de scheikundige formule (C10H8O4)n, die gewoonlijk vervaardigd wordt van petrochemische producten, maar in dit geval van plantmateriaal zoals vingergras, pijnboomschors en maisvliezen.

De 100% bioplasticfles blijkt echter op dit moment nog niet beschikbaar te zijn, hoewel PepsiCo en diverse andere frisdrankfabrikanten gestart zijn met de toepassing van bioplastics voor de massaproductie van flessen, zoals Coca-Cola dat 2,5 miljoen van haar PlantBottle met 30% plantmateriaal distribueerde in de eerste twee jaar van de productie, wat overeenkwam met 68 miljoen kilo bio-PET. De bij het initiatief betrokken bedrijven hebben gezegd dat hun doelstelling is dat er in 2018 100% bio-PET-flessen commercieel gebruikt worden.

Bio-MEG en bio-PTA kunnen uit bio-ethanol gemaakt worden

PET wordt gemaakt door 32,2% monoëthyleenglycol (MEG) met 67,8% gezuiverd tereftalaatzuur (PTA) in een esterificatiereactorvat samen te voegen en het resultaat in een polycondensatiereactor te converteren. Het is mogelijk om MEG uit bio-ethanol te maken: de ethanol wordt katalytisch gedehydrateerd tot ethyleen, dat vervolgens geoxideerd wordt. Ethyleenoxide reageert vervolgens met water tot MEG. MEG kan ook uit plantaardige oliën vervaardigd worden, hoewel dit op dit moment nog niet op grote schaal plaatsvindt. Bio-ethanol en bio-olie kunnen gemaakt worden uit hennep en andere gewassen, waarmee PET met circa 35% plantmateriaal vervaardigd kan worden. De productie van PTA uit natuurlijke materialen schijnt lastiger te zijn.

Hoewel 100% bio-PET nog wel even op zich zal laten wachten, wordt geprobeerd om herbruikbare plastic flessen van hennepcomposiet op de markt te brengen
Hoewel 100% bio-PET nog wel even op zich zal laten wachten, wordt geprobeerd om herbruikbare plastic flessen van hennepcomposiet op de markt te brengen

Bio-PTA is nog niet commercieel beschikbaar, hoewel het in laboratoriumomstandigheden gemaakt is. In 2011 maakte bioproductenfabrikant Virent in Wisconsin bekend dat zij erin geslaagd waren Bio-PTA te ontwikkelen uit suikers van suikerriet, mais en houtachtige biomassa. Diverse bedrijven trachten massaproductietechnieken te ontwikkelen. Een mogelijk contract van frisdrankproducenten waarmee veel geld is gemoeid, vormt een sterke prikkel om dit voor elkaar te krijgen.

Om bio-PTA te maken moet er eerst bioparaxyleen worden gemaakt (een aromatische koolstof die gewoonlijk uit petroleum wordt gemaakt), zoals bio-MEG gemaakt kan worden uit ethyleen. Ethyleen kan rechtstreeks met glucose uit planten gemaakt worden (of met bio-ethanol dat het eindproduct is van de fermentatie van glucose uit planten), en wordt vervolgens katalytisch gedehydrateerd tot paraxyleen.

Hennep als grondstof voor bio-ethanol

Aan hennep als grondstof voor ethanol is nog niet vaak gedacht, maar diverse studies naar de mogelijkheden van hennep hebben gunstige resultaten gevonden. Hoewel gewassen met sucrose zoals suikerriet en vezelgewassen zoals mais over het algemeen grotere producenten van ethanol zijn, zijn zij energie-intensiever, schadelijker voor het milieu en is er een grote vraag naar voor andere doeleinden, bijvoorbeeld om er voedsel van te maken.

Een van de belangrijkste argumenten tegen het gebruik van hennep voor de productie van bio-ethanol lijkt de kosteneffectiviteit te zijn, maar dit soort kwesties zijn onlosmakelijk verbonden met schaalvoordeel, omdat de hennepindustrie kleinschalig is vergeleken met de katoen-, mais- of suikerrietindustrie. Omdat de hennepteelt in omvang blijft toenemen, zouden deze obstakels ook geleidelijk aan moeten verdwijnen, terwijl hennep ook belangrijkere voordelen lijkt te hebben dan andere gewassen, vooral omdat hennep minder schadelijke gevolgen heeft voor het milieu.

In een aantal gevallen is aangetoond dat hennep een bron van biomassa is met een relatief hoge ethanolopbrengst. Uit een studie uit 2009 bleek dat hennep 141 gram ethanol per kg?¹ droge hennephede kon produceren, terwijl uit een studie uit 2010 bleek dat hennep wel 171 g/kg?¹ ethanol kon produceren uit droog hennepmateriaal.

Ethanol uit hennepcellulose

Gewassen met sucrose zoals suikerriet hebben een hoog glucosegehalte en produceren heel veel ethanol, maar zijn minder milieuvriendelijk dan hennep (© Department of Energy & Climate Change)
Gewassen met sucrose zoals suikerriet hebben een hoog glucosegehalte en produceren heel veel ethanol, maar zijn minder milieuvriendelijk dan hennep (© Department of Energy & Climate Change)

De belangrijkste eigenschappen van kruidachtige gewassen zoals hennep voor de productie van bio-ethanol zijn de grote beschikbaarheid van biomassa en hoge glucose-opbrengsten. Bij fotosynthetische planten wordt glucose meestal geproduceerd uit zetmeel (ook een polymeer van aan elkaar verbonden glucose-eenheden, maar met verbindingen die gemakkelijker afbreekbaar zijn). Glucose uit zetmeel vormt de basis voor maisethanol, maar glucose kan ook op industriële schaal uit cellulose gewonnen worden.

Er wordt algemeen aangenomen dat biomassa van cellulose een betere oplossing biedt voor  duurzaamheid op lange termijn, omdat celluloseproducten vaak reststoffen zijn, terwijl de teelt van zetmeelproducten zoals mais voor ethanol de productie van voedsel in de verdrukking kan brengen. Glucoseproductie uit cellulose, in het bijzonder uit planten met een hoog gehalte aan lignine zoals hennep, is echter complex en kostbaar, en er wordt naarstig gezocht naar nieuwe, verbeterde technieken voor optimale doelmatigheid en opbrengst. Voorbehandeling van het droge materiaal met stoom voordat het materiaal aan enzymatische hydrolyse blootgesteld wordt, schijnt de glucose-opbrengst uit hennep en andere planten met een hoog ligninegehalte te verhogen.

Een Estlandse studie naar biomassagewassen heeft aangetoond dat de geteste hennepsoorten het hoogste cellulosegehalte hadden (53,86% vergeleken met het laagste gehalte van 21- – 26% bij aardperen) en en de hoogste glucoseopbrengst (312,7 gram per kilo  ten opzichte van de laagste opbrengst van 122,7 gram per kilo uit zonnnebloemen). Zij concludeerden dat van de zeven geteste planten, hennep de beste kandidaat was.

Het is duidelijk dat er nog steeds onderzoek moet worden gedaan naar de meest duurzame alternatieven voor plastics uit aardolie. Er wordt hard gewerkt aan nieuw onderzoek, omdat regeringen en landen over de hele wereld zich steeds meer bewust worden van de noodzaak om het gebruik van fossiele grondstoffen drastisch terug te dringen. Hennep wordt steeds meer onderkend als een enorme potentiële natuurlijke ‘gereedschapskist’ van veelbelovende gewassen voor bioplastics.

Reageren

Heb je een standpunt? Deel hem dan hieronder.

Leave a Comment

Please enter a name
Oops, looks like you forgot something?