{"id":94560,"date":"2021-09-07T07:32:00","date_gmt":"2021-09-07T05:32:00","guid":{"rendered":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/?p=94560"},"modified":"2021-09-02T13:37:33","modified_gmt":"2021-09-02T11:37:33","slug":"fossile-ressourcen-einsparen-warum-partikelschaumverpackungen-aus-biokunststoff-sein-sollten","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/fossile-ressourcen-einsparen-warum-partikelschaumverpackungen-aus-biokunststoff-sein-sollten\/","title":{"rendered":"Fossile Ressourcen einsparen: Warum Partikelschaumverpackungen aus Biokunststoff sein sollten"},"content":{"rendered":"\n
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Polylaktid (PLA) ist einer der bedeutendsten Biokunststoffe weltweit und stellt wegen der vergleichbaren Eigenschaften zu PS somit einen potentiellen Substituenten dar. Eine Herausforderung von kommerziell erh\u00e4ltlichem PLA ist jedoch die geringe Schmelzefestigkeit und -dehnf\u00e4higkeit,Anzeige<\/small>die beim Sch\u00e4umen eine wichtige Rolle spielt. Eine Variante, um diese Materialeigenschaften zu verbessern, ist der Einsatz von Modifikatoren. Der Einsatz von Modifikatoren beeinflusst zudem das Kristallisationsverhalten und wirkt sich somit auf das Sch\u00e4umverhalten aus.<\/p>\n\n\n\n
Partikelsch\u00e4ume sind eine besondere Klasse unter den Polymersch\u00e4umen und besitzen im Vergleich mit extrudierten Sch\u00e4umen des gleichen Dichtebereichs eine ebenso niedrige thermische Leitf\u00e4higkeit und gute akustische Isolationseigenschaften. Ihr Vorteil liegt jedoch in der Produktion von Bauteilen mit komplexer Geometrie. Ihre Einsatzbereiche reichen daher auch von Verpackungen \u00fcber elektronische Ger\u00e4te bis hin zu M\u00f6beln und Anwendungen in der Automobilindustrie. In den letzten Jahren haben sich Partikelsch\u00e4ume aus Polystyrol, Polyethylen, Polypropylen und thermoplastischem Polyurethan auf dem Markt etabliert [1].<\/p>\n\n\n\n
Allerdings basieren alle diese Polymere auf fossilen Rohstoffen, was den Fokus auf eine auf nachwachsenden Ressourcen basierende Alternative lenkt. F\u00fcr das Herstellen von Partikelsch\u00e4umen existieren verschiedene Verfahren. F\u00fcr kommerziell erh\u00e4ltliche teilkristalline Materialien wie EPP werden die Schaumpartikel \u00fcber einen R\u00fchrautoklavprozess hergestellt. Amorphe Partikelsch\u00e4ume wie EPS werden \u00fcber Suspensionspolymerisation und Beladung im R\u00fchrautoklaven hergestellt und anschlie\u00dfend zum Schaumpartikel vorgesch\u00e4umt. Au\u00dferdem kann dies auch \u00fcber einen kontinuierlichen Prozess, bei dem die Schaumextrusion mit der Unterwassergranulierung gekoppelt wird, hergestellt werden. PLA, welches sowohl amorph als auch teilkristallin vorliegen kann, kann folglich \u00fcber die genannten HerstellungsroutenAnzeige<\/small>produziert werden [1, 2].<\/p>\n\n\n\n
Warum die Modifikation des PLA erforderlich ist<\/strong><\/h3>\n\n\n\n
\u00a0PLA besitzt viele vorteilhafte Eigenschaften, wie ein hoher E-Modul, eine hohe Kratzfestigkeit, eine sehr gute Bedruckbarkeit, ist lebensmittelrechtlich zugelassen und ist best\u00e4ndig gegen Fett und Alkohol. Allerdings verf\u00fcgt es auch \u00fcber einige Nachteile, die besonders f\u00fcr technische Anwendungen und auch f\u00fcr das Sch\u00e4umen eine Herausforderung darstellen. Der Werkstoff ist hydrolyseanf\u00e4llig beim Verarbeiten, was eine gute Vortrocknung unverzichtbar macht und m\u00f6glichst kurze Verweilzeiten beim Herstellen erfordert. Des Weiteren ist das Material spr\u00f6de und hat eine geringe Schlagz\u00e4higkeit und W\u00e4rmeformbest\u00e4ndigkeit. Neben der geringen Schmelzefestigkeit und Viskosit\u00e4t ist das Kristallisationsverhalten au\u00dferdem daf\u00fcr verantwortlich, dass reines, unmodifiziertes PLA schwer sch\u00e4umbar ist [3\u20135]. Verschiedene Methoden, wie beispielsweise der Einsatz von Modifikatoren oder Additiven als heterogene Keimbildner, haben sich zum Verbessern des Sch\u00e4umverhaltens als effizient erwiesen. In der Literatur finden sich bereits viele Ans\u00e4tze, konventionelle chemische Modifikatoren einzusetzen, um das Molekulargewicht zu erh\u00f6hen und\/oder vernetzte oder verzweigte Strukturen einzuf\u00fchren. Der Einsatz von Peroxiden f\u00fchrte zu verzweigten und\/oder teilvernetzten Molek\u00fclstrukturen, die eine Erh\u00f6hung des Molekulargewichtes und der Schmelzefestigkeit erzeugten. \u00c4hnliche Effekte wurden mit Epoxiden und Oxazolinen beobachtet. Eine g\u00e4nzlich andere Variante der Modifikation ist die Bildung von Stereokomplexen, bei denen ein physikalisches Netzwerk ausgebildet wird, welches die Kristallisationsrate und die Kristallinit\u00e4t erh\u00f6ht [6\u201312]. Die reaktiveAnzeige<\/small>Extrusion bietet hierbei eine kosteng\u00fcnstige und sehr praktikable Methode zum Einstellen gew\u00fcnschter Eigenschaften, da die Modifikatoren direkt in die PLA-Schmelze zugegeben werden k\u00f6nnen.<\/p>\n\n\n\n
Bild 1: Ergebnisse der rheologischen Charakterisierung der untersuchten Materialien. (Bild: IKT) <\/figcaption><\/figure><\/div>\n\n\n\n
Wie das Erh\u00f6hen des Molekulargewichts durch Compoundierung und Charakterisierung erm\u00f6glicht wird<\/strong><\/h3>\n\n\n\n
PLA Ingeo Biopolymer 2003D von Nature Works, USA, wurde als Ausgangsmaterial verwendet. Dieses wurde mit einem organischen Peroxid, Dicumylperoxid (DCUP), von Sigma Aldrich, USA, und einem Polycarbodiimid (PCDI) von Lanxess, K\u00f6ln, modifiziert. Alle Angaben zur Zusammensetzung beziehen sich auf Masseanteile. Das Herstellen der Compounds erfolgte mit einem institutseigenen Doppelschneckenextruder ZSK 26 von Coperion, Stuttgart. Die hergestellten Compounds wurden mit einem Discovery HR2 hybrid Platte-Platte-Rheometer von TA Instruments, Gro\u00dfbritannien, bei einer Temperatur von 180 \u00b0C untersucht. In Bild 1 sind die Ergebnisse der rheologischen Charakterisierung dargestellt. Diese dienen als Indikator f\u00fcr eine erfolgreiche reaktive Extrusion und eine Erh\u00f6hung des Molekulargewichtes von reinem PLA.<\/p>\n\n\n\n
Alle Materialien weisen einen scherverd\u00fcnnenden Verlauf auf. Der Kurvenverlauf des reinen, unmodifizierten Werkstoffs ist typisch f\u00fcr lineare Polymere. Die Modifizierung mit dem organischen Peroxid sorgt daf\u00fcr, dass die Nullviskosit\u00e4t ansteigt, was auf eine \u00c4nderung der Kettenstruktur des Polymers hindeutet. PCDI wurde als Stabilisator hinzugegeben, um die Hydrolyse des Materials w\u00e4hrend der Verarbeitung zu verhindern. Auch diese Modifikation sorgt f\u00fcr einen Anstieg der Nullviskosit\u00e4t, jedoch nicht so ausgepr\u00e4gt wie f\u00fcr das organische Peroxid. Werden jedoch beide Modifikatoren w\u00e4hrend der reaktiven Extrusion hinzugef\u00fcgt, wird die h\u00f6chste Viskosit\u00e4t aller hergestellten Compounds erzielt. Somit kann zum einenAnzeige<\/small>die rheologischen Eigenschaften des Biopolymers verbessert werden und zum anderen ist das Polymer vor dem hydrolytischen Abbau gesch\u00fctzt. Mit Hilfe dieser Modifikationen kann die Prozessierbarkeit von PLA-basierten Sch\u00e4umen vereinfacht werden.<\/p>\n\n\n\n
Bild 2: Die Rasterelektronenmikroskopieaufnahmen lassen die unterschiedlichen Zellstrukturen gut erkennen. (Bild: IKT)\u00a0<\/figcaption><\/figure><\/div>\n\n\n\n
Wie die modifizierten Materialien gesch\u00e4umt wurden<\/strong><\/h3>\n\n\n\n
Die modifizierten Proben wurden \u00fcber einen Hochdruckautoklav an der Universit\u00e4t Bayreuth, Bayreuth, gesch\u00e4umt. Hierbei wurde CO2<\/sub> als Treibmittel bei einem Beladungsdruck von 180 bar mit einer S\u00e4ttigungsdauer von 15 min und einer Sch\u00e4umtemperatur von 122,5 \u00b0C verwendet. Anschlie\u00dfend wurden die Materialien \u00fcber eine Dichtewaage (Mettler Toledo, Greifensee, Schweiz) untersucht und die Zellstruktur mittels Rasterelektronenmikroskopie dargestellt. In Bild 2 sind die Rasterelektronenmikroskopaufnahmen des gesch\u00e4umten Reinmaterials und der drei modifizierten Materialien dargestellt. Hierbei konnten mit dem Reinmaterial Dichten von circa 62 g\/l erzielt werden. Das PLA mit 0,2 % Peroxid wurde bei identischen Bedingungen auf 80 g\/l gesch\u00e4umt und das gegen Hy-drolyse stabilisierte auf 73 g\/l. Die Kombination der beiden Modifikatoren folgte zur geringsten Dichte von 51 g\/l. Der Einsatz von Modifikatoren beeinflusst erkennbar das Sch\u00e4umverhalten. Neben der Dichte sind Zellverteilung und Zellgr\u00f6\u00dfe von erheblicher Bedeutung f\u00fcr die mechanischen Eigenschaften. Das Reinmaterial weist mit einer mittleren Zellgr\u00f6\u00dfe von 21 \u00b5m die h\u00f6chste Dichte auf. Die modifizierten Materialien mit h\u00f6heren Flie\u00dfwiderst\u00e4nden besitzen durchweg geringere Zellgr\u00f6\u00dfen (0,2 % DCUP \u2013 13 \u00b5m; 0,5 % PCDI \u2013 17 \u00b5m; 0,5 % PCDI + 0,5 % DCUP \u2013 14 \u00b5m), was zu besseren mechanischen Werten f\u00fchrt [7]. Das Sch\u00e4umen von Polymeren ist ein komplexer Prozess mit vielen Einfluss- und Zielgr\u00f6\u00dfen. Im weiteren Forschungsvorhaben wird eine Struktureigenschaftsbeziehung zwischen den Modifikationen, dem Verarbeitungsprozess und den Materialeigenschaften aufgestellt.<\/p>\n\n\n\n
![\"Ergebnisse](\"https:\/\/www.plastverarbeiter.de\/assets\/images\/b\/bild1--490b79db.jpg\")
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