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Biokunststoff

Meinolf Droege,

Polylactid zäher gemacht

PLA zäher zu machen, ohne petrochemisch erzeugte und damit nicht bio-kompatible Bestandteile zuzufügen, war Ziel eines Verbund-Entwicklungsprojekts. Im Ergebnis spielt Weizengluten als Additiv eine entscheidende Rolle.

Spannungs-Dehnungsdiagramme für verschiedene PLA-Blends. © KUZ

Polylactid (PLA) ist ein Polyester auf Zuckerbasis Zucker wird zu Milchsäure fermentiert und anschließend zu PLA polymerisiert. Der biobasierte sowie bioabbaubare Kunststoff PLA bietet zwar hohe Festigkeit und bis zu 6 GPa Steifigkeit, ist jedoch ohne Additivierung spröde, was die Anwendungen stark limitiert. Gegenwärtige Maßnahmen zur Erhöhung der plastischen Verformbarkeit und somit Zähigkeit sind hauptsächlich das Blenden von PLA mit elastischen abbauresistenten Polymeren auf Basis petrochemischer Rohstoffe wie thermoplastische Polyurethane oder Ethylencopolymere.

Im Rahmen des vom BMWi geförderten Verbundprojektes Gluplast ist es dem KUZ gemeinsam mit dem Unternehmen Compraxx nach eigenen Angaben gelungen, mit Hilfe des Naturstoffs Weizengluten eine Schlagzähmodifizierung des Biokunststoffes PLA zu realisieren. Im Vorhaben sollte die Vernetzungsneigung des Glutens bei Wärmebehandlung für das Erzeugen einer vernetzten Elastomerphase genutzt werden, die per Zweischneckenextruder feinverteilt in der PLA-Matrix vorliegt und bei gegebener Haftung zu einer deutlichen Erhöhung der Zähigkeit des Grundwerkstoffs PLA führt.

Die Glutenvernetzung setzt bereits bei etwa 80 Grad Celsius ein. Glutenhaltige PLA-Blends, deren Aufbereitung bei 160 Grad Celsius lief, zeigten zunächst einen unzureichenden Zerteilungsgrad der Glutenphase, demzufolge die intensive sowie rasche temperaturbedingte Vernetzung einer signifikanten Reduktion des Phasendurchmessers und somit feinen Verteilung entgegenstand. Hier lagen die Bruchdehnung mit etwa 1,4 Prozent und die Kerbschlagzähigkeit mit rund 1,5 kJ/m² deutlich unter dem PLA-Niveau.

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Um die Glutenphase feiner in der PLA-Matrix zu verteilen, wurden vom KUZ zwei Lösungsansätze verfolgt, zum einen die temporäre Unterdrückung der Vernetzung durch Zugabe chemischer Additive, zum anderen die Abschwächung der Vernetzung durch Verdünnen des Weizenglutens mit -mehl.

Als Kunststoffe für die Versuche kamen die Typen Ingeo 6202D, Ingeo 3001D und das Blend Bioflex 6514 als Referenz-Wrekstoffe zum Einsatz. Als glutenhaltige Stoffe wurden Weizengluten, Weizenmehl und eine Gluten-Mehl-Mischung getestet. In allen Fällen diente Glyzerin als Weichmacher und Oxalsäure als Haftvermittler und Viskositätsreduzierer. Als Reduktionsmittel, Antioxidanz und Trappingreagenz dienten Natriumhydrogensulfit, Acetylsalicylsäure und L-Cystein.

Bessere Werkstoffmechanik

Die im Projekt Gluplat angestrebte Schlagzähmodifizierung von PLA mit glutenhaltigen Naturstoffen ist grundsätzlich möglich – so das erste Ergebnis des Projekts. Für die Modifizierung wurde PLA mit etwa 3,5 Prozent Bruchdehnung und 2 kJ/m² Kerbschlagzähigkeit gewählt. Durch Zugabe des Glutens wurden bis 30 Prozent Dehnung und 4 kJ/m² Kerbschlagzähigkeit erreicht. Die Werte lagen damit deutlich über dem PLA-Niveau. Außerdem zeigt die Blendmechanik eine starke Abhängigkeit vom Proteingehalt der Gluten-Phase.

Eine feinere Verteilung des Glutens in der PLA-Matrix wurde zum einen durch Senkung des Proteingehaltes des Glutens, zum anderen durch Zugabe chemischer Additive wie Natriumhydrogensulfit, L-Cystein und Acetylsalicylsäure erreicht. Eine deutliche Verbesserung der Phasenhaftung und somit PLA-Blendmechanik wurde mit Zugabe von Oxalsäure erreicht. Der Glutenanteil im Blend betrug vorzugsweise 40 ma%. Die im Projekt erzielte Werkstoffmechanik bewerten die Partner positiv.

Die Glutenblends können laut Unternehmen problemlos im Spritzgießen verarbeitet werden. Die durch die Maillardreaktion bedingte Bräunung des Materials, die mit steigendem Proteingehalt der Naturstoffphase zunimmt, lässt sich durch die Zugabe von Farbbatch kaschieren.

Das Vermarkten der Forschungsergebnisse strebt das Unternehmen Compraxx an. Der Ergebnistransfer vom Labor- in den Technikumsmaßstab sei erfolgreich verlaufen. Die Kombination von PLA mit Weizengluten ergebe interessante Materialeigenschaften, die spannende Anwendungen ermöglichen.

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