Modernen Analytik für biobasierte Kunststoffe

Kreislaufwirtschaft, biobasierte Kunststoffe, Chromatografie

Biobasierte Kunststoffe sind Schlüsselelemente einer nachhaltigen Wirtschaft und gewinnen an kommerzieller Bedeutung. Das Fraunhofer LBF hat für biobasierte PLA/PBSA Blends eine moderne, leistungsfähige Analytik erarbeitet, die eine detaillierte Strukturermittlung ermöglicht. Dies liefert molekulare Informationen die zur Erschließung neuer Struktur-Eigenschaftsbeziehungen unerlässlich sind. Entwickler und Verarbeiter von biobasierten Kunststoffen erhalten neue Perspektiven zur Entwicklung innovativer biobasierter und bioabbaubarer Kunststoffprodukte.

a) 1H-NMR-Spektrum mit charakteristischer Quartett-Aufspaltung des Methin-Signals des PLA, b) 1H-NMR-Spektrum mit Homo-Entkopplung zur Analyse der PLA-Taktizität.
Multivariate Analyse der online-SEC-IR-Spektren zur Bestimmung der molmassen-abhängigen chemischen Zusammensetzung von PLA / PBSA-Blends.

Mit Struktur-Eigenschaftsbeziehungen zum Design von biobasierten Kunststoffprodukten

Poly(lactid, milchsäure) (PLA) ist der wichtigste, aus nachwachsenden Rohstoffen gewonnene biobasierte thermoplastische Kunststoff. Um den Anwendungsbereich zu erweitern wird PLA mit anderen biobasierten und/oder biologisch abbaubaren Polymeren compoundiert. Eine zentrale Herausforderung bei der zielgerichteten Entwicklung dieser Materialien besteht darin, die molekularen Heterogenitäten dieser Blends mit den Anwendungseigenschaften zu verknüpfen, d.h. Struktur-Eigenschaftsbeziehungen zu erarbeiten. Daraus erwächst ein großer Entwicklungsbedarf an analytischen Methoden, um an Blends aus biobasierten Kunststoffen die chemischen Heterogenitäten umfassend zu erfassen. Hierzu entwickelte das Fraunhofer LBF gemeinsam mit dem Fraunhofer IAP eine leistungsfähige Analytik zur Bestimmung der Molmassen-abhängigen chemischen Zusammensetzung und Mikrostruktur von PLA/PBSA Blends.

Mit gekoppelten Analysemethoden zu verbesserten Struktur-Eigenschaftsbeziehungen

Die nachhaltige Etablierung biobasierter Kunststoffe und erfolgreiche Konkurrenz mit Erdöl-basierten Thermoplasten setzt die Entwicklung von Materialien mit starker Eigenschaftsdifferenzierung und optimierten Materialeigenschaften voraus. Hierzu bedarf es eines tiefgehenden Verständnisses von Struktur-Eigenschaftsbeziehungen, basierend auf Kenntnissen der chemischen Heterogenitäten. Letztere können nur durch Kopplung einer chromatografischen Trennung mit einer spektroskopischen Detektion erreicht werden. Die am Fraunhofer LBF verwendete offline-Kopplung der Gelpermeationschromatografie (GPC) mit der 13C Kernresonanz (NMR) Spektroskopie hat für PLA/PBSA-Blends bisher nicht mögliche Aussagen zur Molmassen-abhängigen Verteilung der chemischen Zusammensetzung sowie der Mikrostruktur von PLA und PBSA geliefert. So konnte für eine gegebene Brutto-Zusammensetzung (50 / 50) eine Varianz der chemischen Zusammensetzung von 25 Gew-% bis 60 Gew-% entlang der Molmassenverteilung ermittelt werden. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass die Taktizität von PLA als auch die Regioregularität von PBSA eine Funktion der Molmasse sind.

Mit multivariate Analyse zur schnellen Materialanalytik

Etablierte Analytik-Methoden zeichnen sich durch Schnelligkeit und Kosteneffizienz aus. Um diesen Bedarf für die Analyse von PLA/PBSA-Blends zu decken, wurde vom Fraunhofer LBF eine online-GPC-IR mit multivariater Datenauswertung entwickelt. In einem Arbeitsschritt wird das Polymergemisch nach Molekulargewicht chromatisch aufgetrennt und spektroskopisch die chemische Zusammensetzung kontinuierlich erfasst. Durch den Einsatz multivariater Methoden gelingt es erstmals Adipat-und Succinat-Anteile individuell zu quantifizieren. Damit ergeben sich vollkommen neue Perspektiven für die Untersuchung von biobasierten und bioabbaubaren Kunststoffen und deren Blends.

Die im Rahmen dieses Projektes entwickelten Analysetechniken eignen sich auch für andere biobasierte Thermoplasten und deren Compounds. Sie können gleichermaßen zur Materialentwicklung als auch zur Optimierung von Verarbeitungsprozessen eingesetzt werden. Darüber hinaus sind die am Fraunhofer LBF eingesetzten Methoden hochtemperaturfähig, so dass sie auch für Hochleistungsthermoplaste eingesetzt werden können. Damit ergibt sich ein breites Potential für Entwickler und Verarbeiter von biobasierten Kunststoffen, welche die Ergebnisse in ihrer Material- und Prozessentwicklung einsetzen können.

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