Biologisch verstärkter Biokunststoff
Krauss Maffei und Synergy Horizon gelingt die Entwicklung eines biologisch mit Lignin verstärkten PLA-Biokunststoffs mit überzeugenden Eigenschaften.
Gemeinsam mit dem polnischen Mitglied der zypriotischen Synergy Horizon Gruppe hat Krauss Maffei Extrusion ein Verfahren zur Herstellung eines zu 100 % biobasierten verstärkten Thermoplasts entwickelt. Für die Herstellung dieses Biokunststoffs wird Lignin in eine PLA-Matrix integriert.
„Mit unserem Compoundier-Know-how und dem einzigartigen Wissen unseres Projektpartners über die Ligninaufbereitung ist es uns gelungen, bis zu 30 % Lignin in die PLA-Matrix einzubringen und ein Compound mit natürlicher antioxidativer Kapazität/Aktivität, verbesserten mechanischen Eigenschaften und kontrollierter biologischer Abbaubarkeit herzustellen", freut sich Lars Darnedde aus der verfahrenstechnischen Entwicklung und Projektleiter bei Krauss Maffei Extrusion.
Die Unternehmensgruppe Synergy Horizon hat sich auf die Lignin-Valorisierung durch Hydrolyse spezialisiert. Lignin ist ein Biopolymer, das häufig als Nebenprodukt der Bioethanolindustrie anfällt. Synergy Horizon wandelt dieses in wertvolle Produkte für verschiedene Anwendungen um. Ihre Kernkompetenzen umfassen die Ligninreinigung, chemische Modifizierung und Funktionalisierung. Die Gruppe bietet Produkte an, die aus Lignin gewonnen wurden und für unterschiedliche Anwendungen wie Öl- und Gasextraktion, Batterieherstellung, Wasseraufbereitung, Tierfutter und mehr genutzt werden.
Lignin: Vom Abfallprodukt zum biologischen Füllstoff
Synergy Horizon Poland hat an seinem polnischen Standort in Poznan kürzlich ein Verfahren zur Herstellung von frei fließendem Ligninpulver entwickelt, das als Füllstoff in den Extruder dosiert werden kann. Lignin ist eine zu 100 % natürliche Substanz, die nach Zellulose das weltweit am häufigsten vorkommende organische Material ist. Lignin kann mit verschiedenen Methoden aus lignozellulosehaltiger Biomasse extrahiert werden. Eines dieser Verfahren ist die Hydrolyse von Biomasse für die Bioethanolproduktion, bei der Lignin als Nebenprodukt anfällt. Hydrolyse-Lignin weist einzigartige Eigenschaften auf, die sie von anderen Ligninarten unterscheiden.
Weltweit fallen jährlich rund 50 Mio. t Lignin, darunter auch Hydrolyse-Lignin, als Abfallprodukt bei der Holzverarbeitung in der Papier- und Bioethanolindustrie an, das heute zu 98 % verbrannt wird. Verschiedene Forschungsprojekte haben sich bereits mit dem wertvollen nachwachsenden Biorohstoff beschäftigt, doch wie Krauss Maffei erklärt, ist seine Verwendung als Füllstoff in einer Biopolymermatrix bisher einzigartig. „Die Verarbeitung von Hydrolyse-Lignin ist jedoch keine leichte Aufgabe“, weiß Alexander Gonchar, Leiter der Forschung und Entwicklung bei Synergy Horizon und ist stolz darauf, dass sein Unternehmen heute eine wirtschaftliche Produktionslinie zur Herstellung von Ligninpulver betreibt.
Biokunststoff mit bis zu 30 % Lignin in PLA-Matrix
Die Einarbeitung des natürlichen Rohstoffs in die PLA-Matrix hat Krauss Maffei in seinem neu eingerichteten Technikum am Standort Laatzen durch umfangreiche Tests bestätigt. Sowohl mit dem Laborextruder ZE Blue Power 28 als auch mit dem kleinen Produktionscompounder ZE Blue Power 42 gelang es, bis zu 30 % Lignin einzuarbeiten.
„Wir haben die Schneckenkonfiguration mit hochempfindlichen Mischelementen speziell auf das Lignin abgestimmt, arbeiten mit einer niedrigen Temperatur von maximal 160 °C und nutzen sowohl eine 6 D lange Füllzone als auch eine Seitenentgasung“, gibt Lars Darnedde einen Einblick in die Prozesskonfiguration. Die ZE Blue Power-Generation mit ihrem optimalen Da/di von 1,65 bietet all diese Möglichkeiten „out of the box“ und ist damit perfekt für die Verarbeitung dieser scher- und temperaturempfindlichen Polymere geeignet, so Krauss Maffei.
Biege- und Zugmodul um etwa 30 % verbessert
Die erfolgreiche Verfahrensabstimmung des Compoundierextruders und die Aufbereitung des Lignins wurden durch umfangreiche mechanische Tests bestätigt. Im Vergleich zu reinem PLA ermöglicht die Ligninverstärkung eine Steigerung des Biege- und Zugmoduls um etwa 30 %. Dies könnte sich bei Verpackungsanwendungen als nützlich erweisen, bei denen das Material steif genug sein muss, um unter Belastung seine Form zu behalten.
Ein weiterer Vorteil ist, dass Lignin eine ausreichende antioxidative Kapazität aufweist, die insbesondere bei Lebensmittelverpackungen dazu beitragen kann, die Oxidation von Lebensmitteln zu verhindern. Darüber hinaus kann die Qualität und Sicherheit bewahrt werden, indem sie die radikalische Oxidation hemmen und die Bildung von Fehlaromen, Gerüchen oder toxischen Verbindungen verhindern. Außerdem ist die Bioverbindung mit Lignin im Gegensatz zu anderen Ligninarten geruchsneutral, was sie für Lebensmittelverpackungen geeigneter macht.
Eine neuartige Biocompound-Verbindung, die antioxidative Eigenschaften aufweist, könnte auch für biologisch abbaubare Kunststoffe für landwirtschaftliche Zwecke, wie zum Beispiel Mulchfolien, angewendet werden, um sie vor oxidativem Abbau zu schützen.
Besser biologisch abbaubar als reines PLA
Weiterer Vorteil der Ligninverstärkung: Im Gegensatz zu reinem PLA, das aufgrund seiner Abhängigkeit von spezifischen Enzymen und industriellen Bedingungen nur begrenzt biologisch abbaubar ist, weisen ligninhaltige PLA-Bioverbindungen nach Erfahrung von Krauss Maffei Extrusion eine verbesserte biologische Abbaubarkeit mit einer Abbaugeschwindigkeit von mehr als 90 % in 99 Tagen auf. gk
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