Circular Plastics Economy: Biokunststoffe für den technischen Einsatz

Additive, Biokunststoffe, Nachhaltigkeit

Kunststoffe werden über ihren kompletten Lebenszyklus von Verarbeitung, Anwendung bis hin zum Recycling hohen Belastungen ausgesetzt. Erhöhte Temperatur, Feuchtigkeit und UV-Strahlung schädigen das Material und sorgen für einen Verlust der mechanischen Eigenschaften. Erst der Einsatz von Kunststoffadditiven ermöglicht die Nutzung von (Bio-)Kunststoffen in Langzeitanwendungen sowie in zirkulären Systemen. Ergebnisse der Forschungen im Excellenzcluster Circular Plastics Economy (CCPE) bieten Kunden neue Lösungen für Langzeitanwendungen zum Beispiel in der Elektro- oder Automobilindustrie.

Innovative Additivsyteme verlängern den Lebenszyklus von Biokunststoffen
Innovative Stabilisatorsysteme reduzieren den Molekulargewichtsabbau bei der Hydrolyse

Herausforderungen für die Kunststoffindustrie

Gesellschaftlicher und politischer Druck zwingt die Kunststoffindustrie, die Abhängigkeit von erdölbasierten Rohstoffen zu reduzieren, Möglichkeiten zur CO2-Einsparung zu realisieren und auf Nachhaltigkeit zu setzen. In diesem Themenkomplex werden biobasierte Kunststoffe für die Industrie immer wichtiger. Haupteinsatzgebiete der hochwertigen Biokunststoffe liegen derzeit mehrheitlich in single-use oder Kurzzeitanwendungen (Einwegbesteck, Verpackungen, Tragetaschen …). Kompostierbare Biokunststoffe sind hier eine Alternative zu konventionellen Kunststoffen, jedoch können die Potentiale hochwertiger biobasierter Polymere wie PLA hier nicht vollumfänglich genutzt werden.

Insbesondere für technische Anwendungen steigen die Anforderungen an Kunststoffcompounds immer weiter. Im Hinblick auf Langzeiteigenschaften und Dauergebrauchstemperaturen, können Biokunststoffe wie PLA auf Grund ihrer Struktur und der damit einhergehenden Empfindlichkeit gegen Hydrolyse und hohen Temperaturen nicht mit erdölbasierten Alternativen mithalten. An dieser Stelle muss der Rohstoff durch eine gezielte Additivierung modifiziert werden, sodass er den höchsten Ansprüchen an die Langzeitstabilität genügen kann.

Verlängerter Lebenszyklus von Biokunststoffen

Bei der Entwicklung von langzeitstabilen Kunststoffcompounds sind verschiedene Bereiche des Produktlebenszyklus zu betrachten. Dieser startet mit der Eincompoundierung der Additivsysteme in den Basiskunststoff, der anschließenden Formgebung (z. B. Spritzguss), der Anwendung und der Verwertung. Unter zirkulären Gesichtspunkten ist eine thermische Verwertung auszuschließen und eine werkstoffliche Wiederverwertung zu realisieren. Bei der Umsetzung eben dieser, werden in einem weiteren Verarbeitungsschritt Additivsysteme zur Wiederherstellung mechanischer Eigenschaften sowie der Einstellung einer Langzeitstabilisierung zugegeben und das Compound für Langzeitanwendungen einsatzfähig gemacht.

Der Molekulargewichtsabbau und der damit einhergehende Verlust der mechanischen Eigenschaften wird bei Biokunststoffen primär durch die hydrolytische Spaltung der Polymerkette verursacht. Zur Bewertung der Stabilisierungswirkung verschiedener Additive bzw. Additivsysteme, werden diese in Biokunststoffe eingearbeitet und die hergestellten Compounds einer Wasserlagerung unterzogen. Zur Beschleunigung der Alterung wird diese bei erhöhter Temperatur (60°C) durchgeführt und die Schmelzeviskosität des Kunststoffs als Indikator für die Molekulargewichtsänderung bestimmt.

Langzeitstabile Biokunststoffe durch Additivierung

Bisher werden die Langzeiteigenschaften von hydrolyseempfindlichen (Bio-)kunststoffen durch den Einsatz von Hydrolyseinhibitoren verbessert. Untersuchungen am Fraunhofer LBF zur Stabilität gegen Abbau haben gezeigt, dass der Einsatz innovativer Additivsysteme ggü. konventioneller Stabilisatoren einen nennenswerten Vorteil in Sachen Hydrolysebeständigkeit bringt. Der MVR-Wert als Indikator für das Molekulargewicht zeigt nach 2-wöchiger Wasserlagerung einen Anstieg der Fließfähigkeit um ca. 30 % mit dem neu entwickelten Stabilisatorsystem. Dem gegenüber steht ein 300-prozentiger Anstieg für den kommerziellen Stabilisator und ein Anstieg von > 5000 % für das unstabilisierte PLA.

Ein wichtiger Faktor für Langzeitanwendungen ist weiterhin die Dauergebrauchstemperatur. Maßgeblich bestimmt wird diese durch die Morphologie des Kunststoffes. Zur Erhöhung des Kristallisationsgrades lassen sich dem Compound weiterhin Nukleierungsmittel beimischen. Für den Kunden ergibt sich so durch den Einsatz der am LBF entwickelten Additivsysteme neben der verbesserten Hydrolysebeständigkeit auch eine erhöhte Dauergebrauchstemperatur sowie eine verkürzte Zykluszeit. Hiermit ergeben sich für den Kunden neue Anwendungsgebiete für den Einsatz biobasierter Kunststoffe in Langzeitanwendungen zum Beispiel in Elektro- oder Automobilindustrie.

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