Biobasierte Wickelhülsen aus Holzmehl und Stärke

© Thermoplast GmbH
Die Thermoplast GmbH bringt unter an-derem ihre Expertise in der Extrusionstechnologie in das Projekt ein.
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Wickelhülsen müssen leicht und sehr präzise geformt sein

Holzmehl und Stärke sind gut verfügbare, natürliche Rohstoffe. In einem gemeinsamen Forschungsprojekt wollen die Thermoplast GmbH und das Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS diese Bio-Materialien zur Fertigung von Kunststoff-Bauteilen nutzen. Sie wollen umweltfreundliche Holzmehl-Stärke-Compounds und die dazugehörige Verarbeitungstechnologie entwickeln. Die umweltfreundlichen, thermoplastisch verarbeitbaren Compounds sollen für Wickelhülsen genauso leistungsfähig sein wie solche aus erdölbasierten Kunststoffen.

Wickelhülsen sind überall dort gefragt, wo Materialien aufgewickelt werden, etwa Folien oder Teppiche. Die Hülsen bilden den Kern der Rolle und sind je nach mechanischen Anforderungen entweder aus Papier oder aus Kunststoff. Sie müssen leicht und sehr präzise geformt sein. »Schon kleinste Abweichungen in der Größe oder Unebenheiten auf der Oberfläche können dazu führen, dass das empfindliche Material, mit dem sie umwickelt sind, Schaden nimmt«, erklärt Markus Weissgärber von der Thermoplast GmbH, die solche Hülsen herstellt.

In einem zwei Jahre laufenden Forschungsprojekt will das Unternehmen nun gemeinsam mit dem Fraunhofer IMWS untersuchen, ob sich solche und ähnliche Bauteile in gleicher Qualität und zu konkurrenzfähigen Preisen auch aus nachwachsenden Rohstoffen herstellen lassen. Die Vorteile liegen auf der Hand: Wickelhülsen sind Einwegprodukte, statt Erdöl könnten Materialien genutzt werden, die gut verarbeitbar und biologisch abbaubar sind. Die Kombination aus Holzmehl und Stärke bietet sich dafür an: Holzmehl wird werkstofflich bereits in erheblichem Umfang in Terrassendielen aus Wood-Plastic-Composites (WPC, englisch für Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoffe) eingesetzt, Stärke wird bei der Papierherstellung und in vielen anderen Branchen genutzt. »Wir erhoffen uns davon einen deutlich verbesserten CO2-Fußbadruck, den wir im Projekt genau berechnen werden. Auch die Wiederverwertbarkeit des Holz-Stärke-Compounds werden wir untersuchen«, so Weissgärber.

Aus den Ausgangsmaterialien Stärke, Holzmehl und Additiven entstehen am Fraunhofer IMWS bei der sogenannten Compoundierung die Holzmehl-Stärke-Compounds in Form von Granulaten. Die Granulate werden dann bei der Thermoplast GmbH mittels Extrusion zu Profilen weiterverarbeitet.

»Die Eigenschaften von Stärke beim Einsatz für technische Anwendungen sind noch nicht umfassend untersucht. Auch der angestrebte hohe Anteil von Holzmehl in den Compounds bringt offene Fragen hinsichtlich des Materialverhaltens, der Verarbeitbarkeit und der Gebrauchseigenschaften mit sich. Diese wollen wir gemeinsam beantworten«, sagt Dr. Michael Busch, der das Projekt am Fraunhofer IMWS leitet.

Zunächst gilt es für die Projektpartner, geeignete Ausgangskomponenten zu finden. Die native Stärke muss dann zu thermoplastischer Stärke (sogenannte »TPS«) aufbereitet werden. Dies erfolgt im Doppelschneckenextruder unter Zugabe von umweltverträglichen Weichmachern. Sowohl die Rezeptur (Anteile von Stärke, Wasser und Weichmacher) als auch die Verarbeitungsbedingungen (Schneckenkonfiguration, Temperatur, Drehzahl, Entgasung) wirken sich erheblich auf die späteren Eigenschaften wie Viskosität, Feuchtegehalt vor und nach der Verarbeitung, Wasserbeständigkeit der Compounds, Reißdehnung und Festigkeit aus.

In die TPS wird anschließend das Holzmehl eingearbeitet. Angestrebt wird dabei ein Anteil von mehr als 50 Masseprozent. Eine besondere Herausforderung ist die effiziente TPS-Herstellung und Einarbeitung von Holzmehl in einem Schritt, also direkt von den Ausgangskomponenten zum fertigen Granulat. »Das macht die Herstellung deutlich energie- und kosteneffizienter«, sagt Busch.

Die Expertise der Thermoplast GmbH in Werkzeugentwicklung, Extrusionstechnologie und beim Test der Gebrauchseigenschaften der entstehenden Kunststoff-Profile wird im Projekt mit den Kompetenzen des Fraunhofer IMWS in der Materialcharakterisierung gebündelt und mit den dort bestehenden Vorkenntnissen bei der Verarbeitung von Stärke mit Doppelschneckenextrudern sowie in der Herstellung von hochgefüllten Holzmehl-Compounds erweitert. Diese Kombination soll es ermöglichen, ein neues Anwendungsfeld für biologische Rohstoffe zu erschließen und die Produktpalette des Unternehmens noch umweltfreundlicher zu machen.