Polylactid mit Gluten zäher machen

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Das Verbundprojekt „Gluplast“ am KUZ ist jetzt abgeschlossen. Das Ergebnis: Durch Zugabe von Gluten gewinnt der Biokunststoff Polylactid (PLA) an Zähigkeit.

Der Biokunststoff Polylactid (PLA) ist ein Polyester, der über einen mehrstufigen Prozess aus Zucker hergestellt wird. Dabei wird Zucker zu Milchsäure fermentiert und im Anschluss zu PLA polymerisiert. Der biobasierte sowie bioabbaubare Kunststoff PLA besitzt zwar eine sehr hohe Festigkeit von bis zu 70 MPa und eine extrem hohe Steifigkeit von bis zu 6 GPa, ist jedoch ohne entsprechende Additivierung sehr spröde.

Um die Zähigkeit von PLA und damit auch seine plastischen Verformbarkeit zu erhöhen, wird meist elastisches TPU oder eine Ethylen-Copolymer zugegeben, beides abbauresistente Polymeren auf Basis petrochemischer Rohstoffe. Diese PLA-Blends sind damit nicht mehr zu 100 % biobasiert und auch nicht mehr zu 100 % bioabbaubar.

Gluten als Schlagzähmodifikator für Polylactid

Im Rahmen des Verbundprojektes Gluplast ist es dem Kunststoffzentrum Leipzig (KUZ ) gemeinsam mit dem Industriepartner Compraxx gelungen, mit Hilfe des Naturstoffes Weizengluten eine Schlagzähmodifizierung des Biokunststoffes PLA zu realisieren.

Die Idee dabei: Gluten neigen bei Wärmebehandlung zur elastischen Vernetzung. Werden Gluten mittels Zweischneckenextruder in der PLA-Matrix feinverteilt eingearbeitet und vernetzen sich dann in der Elastomerphase, entsteht eine PLA-Blend mit einer deutlich höheren Zähigkeit als der Grundwerkstoff PLA aufweist.

Vernetzung der Gluten

Die Glutenvernetzung setzt bereits bei einer Temperatur von ca. 80 °C ein. Glutenhaltige PLA-Blends, deren Aufbereitung bei 160 °C erfolgte, zeigten zunächst einen unzureichenden Zerteilungsgrad der Glutenphase, demzufolge die intensive sowie rasche temperaturbedingte Vernetzung einer feinen Verteilung entgegenstand. Hier lag die Bruchdehnung (rd. 1,4 %) und Kerbschlagzähigkeit (ca. 1,5 kJ/m²) deutlich unter dem PLA-Niveau.

Für eine feinere Verteilung der Gluten in der PLA-Matrix wurden vom KUZ zwei Lösungsansätze verfolgt: Eine temporäre Unterdrückung der Vernetzung durch Zugabe chemischer Additive oder eine Abschwächung der Vernetzung durch Verdünnen des Weizenglutens mit Weizenmehl.

Positive Beeinflussung der Werkstoffmechanik

Die im Projekt Gluplast angestrebte Schlagzähmodifizierung von Polylactid (PLA) mittels glutenhaltiger Naturstoffe (GN) konnte realisiert werden. Für die Modifizierung wurde PLA mit einer Bruchdehnung von ca. 3.5 % und Kerbschlagzähigkeit von rund 2 kJ/m² ausgewählt. Durch die Zugabe des GN zum PLA konnte die Dehnung (hier bis zu 30 %) und Kerbschlagzähigkeit (4 kJ/m²) positiv beeinflusst werden. Die Werte lagen hier deutlich über dem PLA-Niveau. Ebenso zeigt die Blendmechanik eine starke Abhängigkeit vom Proteingehalt der GN-Phase.

Eine feinere Verteilung des GN in der PLA-Matrix wurde zum einen durch die Absenkung des Proteingehaltes des GN und zum anderen durch die Zugabe von chemischen Additiven wie Natriumhydrogensulfit, L-Cystein und Acetylsalicylsäure erreicht.

Eine deutliche Verbesserung der Phasenhaftung und somit PLA-Blendmechanik konnte durch die Zugabe von Oxalsäure zum GN realisiert werden. Der Glutenanteil im Blend betrug vorzugsweise 40 % (Masseanteil). Die im Projekt erzielte Werkstoffmechanik wird von den Partnern positiv bewertet.

Erfolgreiche Materialtestung im Spritzgießprozess

Die PLA-Gluten-Blends können problemlos im Spritzguss verarbeitet werden. Die durch die Maillard-Reaktion bedingte Bräunung des Materials, welche mit steigendem Proteingehalt der Naturstoffphase zunimmt, lässt sich durch die Zugabe von Farbbatches kaschieren.

Die Vermarktung der Blends ist durch den Industriepartner Compraxx angestrebt. Compraxx konnte im Projekt einen erfolgreichen Ergebnistransfer vom Labor- in den Technikumsmaßstab realisieren. Die Kombination von PLA mit Weizengluten ergibt interessante Materialeigenschaften, welche z. B. im Bereich der Haushalts- und Büroartikel spannende Anwendungen ermöglichen.

mg

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