Dieses Projekt endete zum 31.01.2018 – alle Partner stehen dennoch für Fragen zur Verfügung!

„Bio“-Kunststoffe – ein Vergleich

() Am 17.09.2015 lud der Forschungsverbund von IAP, IfBB, SKZ und SLK zur Verarbeitung von Biokunststoffen nach Chemnitz ein. Vorgestellt wurden Ergebnisse aus dem über die Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e. V. (FNR) geförderten Projekt, das sich mit verarbeitungsrelevanten KMU-Fragestellungen befasst. Die gewonnen Erkenntnisse sollen mit Ende des Projektes online und kostenlos Praktikern zur Verfügung stehen mit dem Ziel, die Verarbeitung von Biokunststoffen durch entsprechende verarbeitungstechnische Informationen zu erleichtern.

„Derartig geförderte Projekte bieten eine ausgezeichnete „Spielwiese“ für junge Wissenschaftler und sind oftmals Initiator zukunftsfähiger Ideen“, so Prof. Lothar Kroll, Leiter der Professur für Strukturleichtbau und Kunststoffverarbeitung, in seiner Begrüßung.
Dieses Projekt soll allerdings einem weitaus höheren Anspruch gerecht werden. Es soll die Brücke zwischen Praxis und Forschung schlagen und technische Aspekte berücksichtigen. Für die FNR, Projektträger des Bundesministeriums für Ernährung und Landwirtschaft, steht dabei die Realisierung der politischen Strategie zur Bioökonomie im Vordergrund. Dr. Andreas Schütte, Geschäftsführer der FNR, hofft, dass es durch diese Vernetzung gelingt, die biobasierte Wirtschaft international voranzutreiben. Dabei werden aus seiner Sicht Dialoge im gesellschaftlichen Kontext zunehmend wichtiger.

Prof. Hans-Josef Endres, Projektleiter und Leiter des IfBB, hielt bei seiner Vorstellung des Projektes mit seiner persönlichen Meinung nicht hinterm Berg: „Wir werden das Konsumverhalten nicht signifikant verändern können, wir können aber etwas dazu beitragen, dass die Konsumgüter nachhaltiger werden. Produkte aus Biokunststoffen sind ein Beitrag!“

Was aber ist Bio?

„Was aber ist Bio?“, so eine Frage aus dem industriegeprägtem Plenum von 50 Teilnehmern. Für Schütte gehört die Frage in den gesellschaftlichen Dialog und er sieht Zertifizierung als eine Grundlage zur Begriffsklärung. Denn derzeit gibt es keine Definition für die Vorsilbe „Bio“ und solange hält es Endres für die Pflicht der Hersteller, den Bioanteil auszuweisen.
Aus dieser Diskussion ging die Tagung über in die Vortragsblöcke zu den speziellen Verarbeitungsverfahren.
Neben der Faserherstellung standen die Themen Spritzgießen, Profilextrusion, Extrusionsblasformen und Folienherstellung auf dem Tagungsprogramm. Danach folgten drei Praxisberichte von Industriepartnern, die im Rahmen des Projektes durch die Verbundpartner bei der Erarbeitung von Lösungswegen zu technischen Fragestellungen begleitet wurden. Es wurde aber auch deutlich, dass neben der wachsenden Marktrelevanz von Biokunststoffen verantwortliches Handeln seitens der Unternehmen zum Umdenken in der Materialbeschaffung führt.

„Letztlich sind Biokunststoffe auch nur Kunststoffe“, so Endres, „auch sie weisen materialspezifische Verarbeitungseigenschaften auf, die bei der Bauteilherstellung bedacht werden müssen“.

Es geht also weiter im Verarbeitungsprojekt und alle Praktiker sind dazu aufgerufen, sich mit Fragestellungen an die Verbundpartner zu richten.

Faserherstellung aus Biokunststoffen

Untersuchte Materialien: PLA 6201D und 6400D sowie biobasiertes PA 11 und PA 4 10.

  • Die PA-11 Fasern weisen die höchsten mechanischen Eigenschaften auf.
  • Im Vergleich der beiden PLA untereinander lassen sich mit dem 6400D bessere Eigenschaften realisieren.
  • Polyamidfasern haben erwartungsgemäß höhere Zugfestigkeiten als PLA-Fasern.

Haftungsverhalten von TPE-Verbunden – Biopolymere für Hart-/Weich-Verbindungen

Das Haftungsverhalten lässt sich in der Regel nicht abschätzen. Jedes Material bzw. Materialkombination muss daher abgemustert werden. Grundsätzlich zeigt sich aber, dass Hart-/Weich-Kombinationen markttauglich zur Verfügung gestellt werden können.

Chemisches und physikalisches Schäumen von Biokunststoffen

Für biobasierte Polyester stehen geeignete Treibmittel zur Verfügung.

  • Auswahlkriterien sind: Reaktionsprodukte und Zersetzungstemperatur.
  • Staudruck und Einspritzgeschwindigkeit beeinflussen den Schäumgrad und die Zellmorphologie.
  • Physikalisch geschäumte Bauteile weisen tendenziell bessere Eigenschaften auf als chemisch geschäumte. Grundsätzlich aber funktioniert auch das Aufschäumen von Biokunststoffen!

Dünnwandtechnik bei Biokunststoffen

Generell sind die rheologischen Eigenschaften für die Dünnwandeignung der Werkstoffe ausschlaggebend.

  • Biokunststoffe weisen polymertypische Eigenschaften auf.
  • Für Biokunststoffe bedarf es keiner eigenen Anlagentechnik.
  • Für die Dünnwandanwendung steht ein breites Portfolio an Biokunststoffen zur Verfügung.

Modifizierung von PLA für Extrusionsanwendungen

Das physikalisch und chemisch Modifizierung von PLA führt zur Erhöhung der Molmasse und damit zur Zunahme der Viskosität und der Schmelzfestigkeit.

  • Der Extrusionsprozess wird somit erleichtert.
  • Durch die Modifikation des PLA mit PAK kann die Profilqualität deutlich verbessert werden.
  • Die Modifikationen haben keine Einfluss auf den Vicat-Erweichungspunkt, und nur einen geringfügigen auf Biegemodul, Biegefestigkeit und Charpy-Schlagzähigkeit.

Verarbeitung von Biokunststoffen im Extrusionsblasformen

Dem Prozess stehen für viele Anwendungsbereiche Biokunststoffe zur Verfügung.

  • Eine Anpassung an prozessspezifische Besonderheiten muss in vielen Fällen noch erfolgen. Dies betrifft z.B. die Schmelzfestigkeit, das Schwellverhalten und die Schlagzähigkeit.
  • Eine Verarbeitung auf Standardblasformmaschinen ist in den meisten Fällen ohne große Anpassung möglich.
  • Biokunststoffe sind Kunststoffe und sie einzusetzen bedeutet den gleichen Umstellungsaufwand wie beim Austausch eines konventionellen Materials gegen ein anders.

Einsatz von Biopolymeren in der Folienherstellung

Die untersuchten Biopolymere lassen sich ohne Modifizierung gut zu Folien verarbeiten.

  • Bei der Auswahl der Werkstoffe ist der jeweilige Einsatzzweck der Folie genau zu prüfen.
  • Biofolien lassen sich gut weiterverarbeiten.
  • Bei hohen Ansprüchen an die mechanischen Eigenschaften besteht weiterer Entwicklungsbedarf.
  • Da bei vergleichbaren mechanischen Eigenschaften gegenüber konventionellen Materialien, die Preise für Biopolymeren noch etwas höher liegen, bieten Mehrschichtfolien einen Lösungsansatz. Hieraus ergeben sich verbesserte mechanische Eigenschaften und eine höhere Wirtschaftlichkeit.