Blendsysteme mit biobasierten Kunststoffen

In Polymerblends werden mehrere Kunststoffe zusammengeführt, um durch die Kombination der jeweiligen Materialeigenschaften, eine bessere Performance des Werkstoffs zu erreichen oder neue Anwendungsmöglichkeiten zu erschließen. Mit der gezielten Auswahl der Blendpartner können somit unter bestimmten Bedingungen Materialien entstehen, die im Vergleich zu den Einzelkomponenten überlegene Eigenschaften aufweisen. In einem neuen Projekt arbeiten Forscher des Fraunhofer-Instituts für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS daran, auch biobasierte Kunststoffe für den Einsatz in Polymerblends mit petrochemisch hergestellten Kunststoffen zu optimieren. So können erdölbasierte Kunststoffe eingespart und die Anwendungsmöglichkeiten für Polymere, die aus nachwachsenden Rohstoffen gewonnen werden, verbessert werden.

Mikrostruktur PP-Blend Polyamid
© Foto Fraunhofer IMWS

Grobe Morphologie eines nativen PLA-PP-Blend ohne Kompatibilisierung

Polymer Aktivierung optimiertes PLA-PP-Blend
© Foto Fraunhofer IMWS

Optimiertes PLA-PP-Blend mit hydrolytischer Aktivierung und Kompatibilisierung (feine Morphologie)

Im bis zum 11. Juli 2019 laufenden Projekt setzen die Wissenschaftler auf die Kombination von Polymilchsäure (PLA) als biobasierten Kunststoff und Polypropylen (PP). Das angestrebte Blendsystem soll sich durch einen hohen Anteil an biobasierten Materialien (> 70%), eine hohe Beständigkeit gegenüber Umwelteinflüssen sowie durch optimierte Verarbeitungseigenschaften auszeichnen und im Preis-Leistungs-Verhältnis mit herkömmlichen Materialsystemen konkurrieren können.

Damit das gelingt, sind einige Herausforderungen zu bewältigen: Zum einen ist der Einsatz von nachhaltigen Werkstoffen auf Basis von Polymilchsäure (PLA) noch vergleichsweise teuer. Auch die Verarbeitung ist komplex, etwa wegen der relativ aufwändigen Vorkonditionierung der Materialien.

Um die Eigenschaften der beiden Systeme optimal zu verschmelzen, sind deshalb maßgeschneiderte Entwicklungen nötig, die sowohl die Verträglichkeit der neuen Materialsysteme als auch ökonomische Einsatzbedingungen ermöglichen. Dieses Ziel soll im Forschungsvorhaben »Untersuchungen zur Blendmodifikation biobasierter und fossiler Zweiphasensysteme« gemeinsam mit der CompraXX GmbH aus Sandersdorf-Brehna zunächst im Labormaßstab erreicht werden.

»Wir wollen herausfinden, wie leistungsfähig Blends sein können, in denen Polymilchsäure und Polypropylen kombiniert werden, und welche Parameter für einen möglichst günstigen Verarbeitungsprozess entscheidend sind. Damit bildet dieses Projekt eine Basis für zukünftige Bauteilentwicklungen mit nachhaltigen Werkstoffen aus dem Bereich der BioÖkonomie «, sagt Stefanie Meyer, Projektleiterin am Fraunhofer IMWS.

Eine der Schwierigkeiten bei der Herstellung von Blends im Allgemeinen liegt in der Phasenhaftung der Polymere. Aufgrund unterschiedlicher Oberflächenenergien der meisten Polymermischungen, wie auch Polymilchsäure (PLA) und Polypropylen (PP), gelten diese als unverträglich und müssen durch Haftvermittler in die Lage versetzt werden, zueinander zu passen. Um diese Haftvermittlung erfolgreich durchzuführen, sind freie reaktive Gruppen in der Polymilchsäure notwendig, die sich an den Koppler binden können. Großtechnisch verfügbare PLA-Typen sind allerdings zumeist so stabilisiert, dass diese Gruppen nicht zugänglich sind. Der innovative Ansatz des Projektes: Die Polymilchsäure wird hydrolytisch aktiviert – es erfolgt also eine Spaltung der Polymerkette mittels verschiedener Reaktionsadditive, beispielsweise Wasser. So werden funktionelle Gruppen zugänglich gemacht und neue Kopplungsmechanismen möglich, die ein verbessertes Zusammengehen mit Polypropylen (PP) bewirken.

Die Entwicklung der biobasierten Blendsysteme erfolgt durch planmäßiges und kritisches Erforschen der Ausgangsmaterialien sowie die Untersuchung der gezielten Veränderung und Anpassung durch aktivierende Hydrolyse. Die Untersuchungen schließen eine umfangreiche methodische Charakterisierung der neuartigen Materialien ein. Es folgen Optimierungen hinsichtlich des geforderten Eigenschafsprofils sowie Untersuchungen zur Verarbeitung zu einem mit Naturfasern verstärkten Demonstratorhalbzeug.

Extruder-Schnecken Polymer Spritzguss
© Foto Torsten Proß

Mischelemente für Extruder-Schnecken – Übertragung von Verarbeitungsprozessen vom Labormaßstab in den Produktionsmaßstab.