Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWSBiobasierte Kunststoffe werden immer häufiger im Spritzguss genutzt. Sie verbessern die Nachhaltigkeitsbilanz und Kompatibilität mit Recyclingsystemen, zudem können sie auch neue Funktionen möglich machen. Für die zuverlässige Verarbeitung zu hochbelastbaren Bauteilen spielt die Polymerkristallisation eine entscheidende Rolle. Gemeinsam mit Partnern hat das Fraunhofer IMWS effiziente Strategien zur Steuerung von Morphologie und mikromechanischen Prozessen ermittelt, um die Schlagzähigkeit von Biopolymeren zu erhöhen.
Biopolymere im Spritzguss: Nachhaltigkeit, Verarbeitung und Leistungssteigerung durch Kristallisationssteuerung
Einsatz schlagzähmodifizierter Polymerwerkstoffe am PKW: a) schlagzähmodifiziertes Polypropylen (PP-EPDM, PP-EPR) mit zusätzlicher Verstärkung durch anorganische Füllstoffe, b) ABS-Kunststoff.
Spritzguss ist in der Kunststoffverarbeitung eines der wichtigsten Verfahren, weil es Geschwindigkeit, Präzision, Vielfalt und Wirtschaftlichkeit in Serienfertigungen zusammenbringt. Durch die Produktion in hohen Stückzahlen und kurzen Zykluszeiten, die enorme Produktionsreproduzierbarkeit sowie den hohen Automatisierungsgrad ist es die effizienteste Lösung für die Herstellung komplexer thermoplastischer Bauteile in großen Stückzahlen.
Dabei werden zunehmend auch biobasierte Kunststoffe wie PLA (Polymilchsäure) oder PBS (Polybutylensuccinat) eingesetzt, auch als Teil von Mischungen/Blends. Gegenüber Materialien auf fossiler Basis bringen sie allerdings einige Herausforderungen mit sich, etwa Leistungsdefizite hinsichtlich Wärmebeständigkeit, Schlagzähigkeit, Alterungs- und Dauerbelastbarkeit. Eine besondere Rolle spielen auch die längeren Kristallisationszeiten, denn die Polymerkristallisation beeinflusst sowohl Verarbeitung und Eigenschaften als auch den Lebenszyklus. Für die Verarbeitung von PLA, PBS oder Bio-PET muss deshalb die Prozessführung (Formtemperatur, Abkühlrate und Haltezeiten) optimiert werden. Leistungsfähige Methoden der Charakterisierung wie DSC oder XRD sind dabei enorm wertvoll, um Kristallinität und Kristallstruktur aufzuklären und damit Aussagen über das Bauteilverhalten zu ermöglichen.
Biopolymere fit machen für mechanisch anspruchsvolle Spritzgussanwendungen
Im Verbundprojekt: »Schlagzähigkeitserhöhung biobasierter und biologisch abbaubarer Kunststoffe für Spritzgussanwendungen (HiBiKus)« hat das Fraunhofer IMWS gemeinsam mit Partnern die Einsatzmöglichkeiten von Biopolymeren zur Bauteilherstellung für mechanisch anspruchsvolle Spritzgussanwendungen erforscht. Der Schwerpunkt lag dabei auf der Steuerung von Morphologie und mikromechanischen Prozessen. Dabei stand einerseits die Optimierung der Materialeigenschaften durch gezielte Steuerung der Mikro- und Nanostruktur sowie der Funktionalisierung von Grenzflächen und andererseits die Entwicklung anwendungsbezogene Prozesse zur Herstellung und Verarbeitung innovativer Produkte im Vordergrund.
Durch die Auswahl der Ausgangsstoffe, die Rohstoffgewinnung aus nachhaltigen Quellen und das gewählte Verarbeitungsverfahren wurden die Substitution erdölbasierter Massenkunststoffe und die Verbesserung der CO2-Bilanz erreicht. Ein recyclinggerechtes Materialdesign trägt zur verbesserten Kreislauffähigkeit von Kunststoffen bei.
Wirksame Schlagzähmechanismen mit geeigneten morphologischen Parametern
Im Mittelpunkt der Untersuchungen stand PBS als vollständig biobasierter Kunststoff, der vergleichsweise schnell kristallisiert, gute mechanische Eigenschaften und biologische Abbaubarkeit mitbringt. Allerdings neigt PBS mit der für den effizienten Spritzguss erforderlichen Fließfähigkeit zu einer deutlichen Versprödung und Weißbruchempfindlichkeit. Durch die hohe Kristallisationsneigung kann ein unerwünschter Bauteilverzug auftreten.
Die Forschungen im Zeitraum von 2023 bis 2025 konzentrierten sich auf Kristallisationsverhalten und Kristallisationssteuerung zur Einstellung der optimalen teilkristallinen Morphologie, wirksame Schlagzähmechanismen mit geeigneten morphologischen Parametern und auf die Aufbereitung, Stabilisierung und Kompatibilisierung der Naturkautschuk-Derivate.
Das Projekt (Förderkennzeichen 03XP0556B) wurde vom Bundesministerium für Bildung und Forschung geförder.
(27. Januar 2026)