Megújuló nyersanyagok a műanyagipar számára - kémia; több
A biopolimerek reneszánsza
Fenntarthatóság, erőforrás-hatékonyság, CO2-kibocsátás - ezek a globalizált társadalmi fejlődés kulcsfontosságú kérdései, amelyekkel a polimergyártó és -feldolgozó ipar is foglalkozik. A natív polimerek, például cellulóz, lignin vagy keményítő, de (részben) bioalapú poliamidok vagy polilaktidok (PLA) is egyre inkább az érdeklődés középpontjába kerülnek. A polimer osztály javított anyag- és feldolgozási tulajdonságai az itt bemutatott kutatások tárgyát képezik, az FNR által finanszírozott "Biopolymer Verbund" közös projekt keretében.
A cellulóz, a legtöbb megújuló nyersanyag és a fa fő alkotóeleme, mindig fontos szerepet játszott az építőiparban, a bútor-, a papír- és a textiliparban. De a cellulózszálakat is egyre inkább megerősítő komponensként használják a műanyagiparban, és olyan termékeket, mint a WPC (fa műanyag kompozitok) profil extrudálás során gyártanak, vagy természetes szálas szőnyegeket használnak a préselési folyamatokban. A tulajdonság szintjének megugrása a cellulóz vágott szálak alkalmazásával érhető el. Ezeket a rostokat cellulóz vagy cellulózszármazékok feloldásával, majd fonásával állítják elő, és jelenleg textíliákban (viszkóz) vagy nagy teljesítményű gumiabroncsok (műselyem) megerősítéseként használják őket. A bioalapú hőre lágyuló műanyagok, például a PLA vagy a biopoliamid műselyemmel való megerősítésének projektje során alkalmazott megközelítés kiváló tulajdonságokat eredményezett az üvegszálas kompozitok szintjén [1] [2]. A Cordenka GmbH szálgyártóval együttműködve termikusan stabilabb szálakat is kifejlesztettek, amelyek lehetővé teszik a magasabb olvadáspontú hőre lágyuló műanyagok használatát [3].
A fa másik fő alkotóeleme a lignin, egy poliaromás makromolekula, amely változó arányban tartalmaz kumarilt, koniferilt és szinapil-alkoholt, amelyet jelenleg elsősorban cellulózüzemekben használnak energia előállítására. Bio-alapú epoxigyanta rendszerek és poliolefinek keverékeinek anyaghasználati lehetőségeit vizsgáltuk. A Pracht Lichttechnik GmbH-val együttműködve prototípusosan fejlesztették ki a LED lámpaházakat, amelyek ligningyantával kötött természetes szálas szövetekből állnak. A Tecnaro GmbH-val együtt kifejlesztették a lignin és poliolefinek [4] morfológiailag optimalizált keverékeit, legfeljebb 70% ligninnel, amelyek kiváló mechanikai tulajdonságokkal rendelkeznek, beleértve a nagy ütőszilárdságot és árelőnyöket kínálnak a tiszta poliolefinekhez képest.
Egy másik fontos megújuló alapanyag a keményítő, amelyet az élelmiszeriparon kívül széles körben használnak a papíriparban. A poliolefinekkel (köztük a bio-alapúakkal) és a PLA-val alkotott keverékek a műszaki alkalmazások másik lehetőségét jelentik, amelyet még nem vizsgáltak jól. Itt a Biotec-szel együtt megvizsgálták az Engel Austria GmbH habos fröccsöntésének, valamint fújt filmekké és mélyre rajzolt cikkekké történő feldolgozásának lehetőségeit. A hagyományos keverékpartnerekhez, például az alifás poliészterekhez képest előnyök vannak a súlycsökkentés, a jobb merevség és szilárdság, a csökkent vízfelvétel [5] és a költségek szempontjából.
A bioműanyagok megújuló nyersanyagokon alapuló műanyagok, amelyek kémiai szerkezetüktől függően biológiailag is lebonthatók. A legismertebb kereskedelemben kapható bioműanyagok közé tartozik a polilaktid (PLA), a bio-polietilén (bio-PE) és hosszú ideig a különféle bio-poliamidok (bio-PA). A műanyagok szintéziséhez használt alapanyagok főleg kukoricából vagy cukornádból származó szénhidrátok, de növényi olajok, például ricinusolaj is.
A projekt részeként a Clariant Masterbatches GmbH céggel közösen megvizsgálták a PLA feldolgozási viselkedésének javítását a lánchosszabbítók használatával. A viszkozitás, az ütéshajlítás és a húzó tulajdonságok jelentősen javíthatók. Ezt az eredményt kiválasztott katalizátorok hozzáadásával érjük el a reakció hőmérsékletének és sebességének csökkentése érdekében. A műanyagfeldolgozó vállalatok számára ez mind feldolgozással, mind gazdasági előnyökkel jár, ami vonzóbbá teszi a bioműanyagok alkalmazását. A B. Braun Melsungen AG orvostechnikai gyártóval együtt meghatározható a lánchosszabbító pozitív hatása a sterilizált PLA tesztminták ütésállóságára is.
Az etilén kopolimereken alapuló hatásmódosítókat további adalékként vizsgáltuk az összehasonlítóan törékeny bioplasztikus PLA-hoz. Ezek szignifikáns növekedést mutattak a törésnél nyújtott nyúlás és az energiaelnyelés hirtelen stressz esetén, így nagyobb alkalmazási terület lehetővé vált [6].
A feldolgozási technológiát illetően az ikercsavaros extruder optimalizált folyamatbeállításait és azok anyagtulajdonságokra gyakorolt hatását a Zeppelin Systems GmbH gépgyártóval és az Albis Plastic GmbH céggel együtt vizsgáltuk. A vizsgált PP vegyületekhez képest az extruder konfigurációjának jelentős hatása volt a PLA vegyületek feldolgozhatóságára, amelyből optimalizált eljárási körülmények származtathatók.
A hagyományos műanyagokhoz hasonlóan a bioműanyagokat is megerősíthetjük szálakkal a tulajdonságok tartományának bővítése érdekében. Az elterjedt üvegből vagy szénből készült erősítő szálak mellett megújuló nyersanyagokból készült szálakat vizsgáltak a bioműanyagok szempontjából. A PLA és a Bio-PA bioplasztikus műanyagokkal kombinálva ezek teljesen biológiai alapú kompozit anyagok előállítását teszik lehetővé. A cellulóz alacsony sűrűsége miatt a cellulózszállal erősített alkatrészek kisebb súlyúak, mint az azonos rosttartalmú üvegszállal erősített alkatrészek. A vizsgálatok középpontjában a már említett cellulóz vágott rostok álltak.
Az eljárástechnika szempontjából a cellulózszálak beépítése olyan poliamidokba, amelyek feldolgozási hőmérséklete meghaladja a 200 ° C-ot, igényes. Pultróziós eljárás és adaptált folyamatparaméterek alkalmazásával itt kiváló mechanikai tulajdonságokat értek el [2]. A viszkózszálas, rövidszálas erősítésű hőre lágyuló műanyagok lényegesen nagyobb ütésállósággal rendelkeznek, mint a hagyományos üvegszálerősítéssel. Ezenkívül az újonnan kifejlesztett, nagyobb hőállóságú viszkózszálak [3] további lehetőségeket kínálnak a műszaki biokompozit anyagok mechanikai tulajdonságainak területén.
Ipari szempontból alkalmazható, energiatakarékos és szálkímélő keverési eljárást fejlesztettek ki a bio-PA számára speciális dagasztóelemek alkalmazásával az ikercsavaros extruderben a Zeppelin Systems GmbH vezetésével. Megmutatható az is, hogy a szakaszosan működő fűtő-hűtő keverőből származó PLA kompozitok hasonló tulajdonságokat érnek el, mint az ikercsavaros extruderből.
A projektpartnereknél, a Denk Kunststoff Technik GmbH-nál, a Technoform Kunststoffprofile GmbH-nál és a Hettich GmbH-nál a fröccsöntés és a profil extrudálás közeli sorozat-feldolgozási tesztek részeként a bioalapú rost-kompozitokból olyan alkatrészeket állítottak elő, amelyek nem csak jelentős súlyelőnyt mutatnak a sorozatban használt rost-kompozitokhoz képest.
A megújuló nyersanyagokból előállított biopolimerek jelenleg reneszánszát élik meg. A fenntarthatóság és a CO 2 -kibocsátás csökkentésének szempontjai itt központi szerepet játszanak. A fokozott piaci behatolás elérése érdekében költséghatékony gyártási folyamatokat kell kidolgozni, optimalizált feldolgozási módszereket kell találni, és javítani kell az anyag tulajdonságait a konkrét alkalmazások tekintetében. A cél itt felzárkózni a kőolaj alapú műanyagok 60 éves vezetésével, amelyhez az alkalmazott kutatás hozzájárul.