Biostabilisatoren als Teil der Nachhaltigkeitswende

Kunststoffe durchlaufen im Zuge ihres Lebenszyklus von Verarbeitung, Anwendung bis hin zum Recycling verschiedenste Belastungen, welche in der Folge zu einem Verlust ihrer mechanischen und visuellen Eigenschaften führen. Entsprechend ist es erst der Zusatz von Additiven, der es dem Kunststoff erlaubt, den höheren Anforderungen an Lebensdauer, Dauergebrauchstemperatur und Qualität gerecht zu werden. Im Rahmen des Exzellenzclusters (CCPE) werden am Fraunhofer LBF in Kooperation mit Partnerinstituten des Clusters neue, innovative Stabilisatorsysteme auf Basis von biogenen Bausteinen entwickelt und evaluiert.

Probleme der bisher verwendeten Stabilisatorsysteme

Stabilisatoren stellen die Verarbeitung und Langzeitanwendung von Kunststoffen sicher, indem sie die stattfindenden, oxidativen Prozesse unterbinden. Mit Blick auf die bisher eingesetzten Kunststoffstabilisatoren lässt sich festhalten, dass diese bislang vorrangig petrochemischen Ursprungs sind. Problematisch ist überdies, dass bisher kommerziell eingesetzte Stabilisatoren infolge ihres geringen Molekulargewichts aus der Kunststoffmatrix migrieren können. Um eine solche Kontamination mit fossil-basierten Derivaten zu verhindern, nachhaltige Alternativen zu schaffen und Kreislaufwirtschaft zu etablieren, bietet sich der Einsatz von natürlich vorkommenden Strukturen an.

Herausforderungen und Konzepte für eine nachhaltige Transformation

Die stabilisierende Wirkung solcher natürlich vorkommenden Verbindungen ist dabei hoch, teilweise den kommerziellen Antioxidantien auf petrochemischer Basis sogar überlegen. Demgegenüber stehen allerdings auch einige Nachteile, wie die Neigung zur Verfärbung, die geringe Löslichkeit in Polymeren und die teilweise zu geringe thermische Stabilität der natürlichen Antioxidantien, was deren Einsatzgebiet häufig entscheidend einschränkt. Den beschriebenen Problematiken kann durch eine gezielte synthetische Modifizierung von biogenen Bausteinen entgegengewirkt werden. Die basierend auf natürlichen Strukturen aufgebauten Stabilisatoren können hinsichtlich ihrer Anwendung und Einsatzgebiet maßgeschneidert werden. Neben klassischen niedermolekularen Strukturen lassen sich so makromolekulare Stabilisatoren erzeugen, welche infolge ihres hohen Molekulargewichts von oberhalb 10000 g/mol eine verringerte Migrationstendenz aufweisen, sodass eine Freisetzung der Additive in die Umwelt verhindert wird.

Biostabilisatoren: mehr als nur eine grüne Alternative

Um die stabilisierende Wirkung der am Fraunhofer LBF entwickelten sowie patentierten niedermolekularen und makromolekularen Strukturen zu ermitteln, werden die nach der Einarbeitung erhaltenen Compounds mittels verschiedenster Methoden analysiert. Dazu gehören die Bestimmung der Oxidationsinduktionszeit (OIT) als Maß für einen Beitrag des Stabilisators zur thermooxidativen Stabilität des Matrixpolymers. Weiterhin wird die prozess- und Schmelze stabilisierende Wirkung der Stabilisatoren durch kontinuierliche Extrusion unter Betrachtung von rheologischen Parametern ermittelt. Der Beitrag der entwickelten Strukturen zu einer Langzeitwärmestabilisierung wird über eine beschleunigte Alterung unter periodischer Analyse der mechanischen und rheologischen Eigenschaften examiniert.

Die am Fraunhofer LBF entwickelten Stabilisatorsysteme zeigen sich hinsichtlich ihrer stabilisierenden Wirkung in Polyolefinen wie Polypropylen sowie in Biopolymeren, wie Polymilchsäure und Naturkautschuk, den gängigen kommerziellen Beispielen ebenbürtig, in gewissen Bereichen sogar überlegen. Für den Kunden ergibt sich daraus die Möglichkeit, sein Portfolio mit leistungsfähigen Alternativen zu ergänzen und gleichzeitig dem Wunsch von Gesellschaft und Politik nach nachhaltigen, neuen Lösungen gerecht zu werden.