Biokunststoff Polylactid – Mehr Zähigkeit durch Zugabe von Gluten

Abb. 1: Spannungs-Dehnungsdiagramme für PLA_6202-Blends mit 40 ma% GN_10, GN_40 und GN_85; links: mit 4.5 ma% RAT, rechts: mit 4.5 ma% RAT als auch OA

Abb. 2: Spritzgegossene Garnspulen (gelb eingefärbt) aus PLA_6202/GN_40 (60/40 w/w)

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 als auch eine extrem hohe Steifigkeit von bis zu 6 GPa, ist jedoch ohne entsprechende Additivierung spröde, was die möglichen Anwendungen stark limitiert. Gegenwärtige Maßnahmen zur Erhöhung der plastischen Verformbarkeit und somit Zähigkeit betreffen hauptsächlich das Blenden von PLA mit elastischen abbauresistenten Polymeren auf Basis petrochemischer Rohstoffe, wie z. B. thermoplastische Polyurethane oder Ethylencopolymere.

Im Rahmen des vom BMWi geförderten Verbundprojektes GLUPLAST ist es dem KUZ gemeinsam mit dem Industriepartner CompraXX GmbH gelungen, mit Hilfe des Naturstoffes Weizengluten eine Schlagzähmodifizierung des Biokunststoffes PLA zu realisieren. Im Vorhaben sollte die Vernetzungsneigung des Glutens bei Wärmebehandlung für die Erzeugung einer vernetzten Elastomerphase genutzt werden, welche im Ergebnis der Blendaufbereitung mittels Zweischneckenextruder feinverteilt in der PLA-Matrix vorliegt und bei gegebener Haftung zu einer deutlichen Erhöhung der Zähigkeit des Grundwerkstoffes PLA führt.

Beeinflussung der Glutenvernetzung

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 signifikanten Reduktion des Phasendurchmessers und somit feinen Verteilung entgegenstand. Hier lag die Bruchdehnung (rd. 1.4 %) und Kerbschlagzähigkeit (ca. 1.5 kJ/m²) deutlich unter dem PLA-Niveau.

Zur Erzielung einer feineren Verteilung der Glutenphase in der PLA-Matrix wurden vom KUZ zwei Lösungsansätze verfolgt:

1. Temporäre Unterdrückung der Vernetzung durch Zugabe chemischer Additive,
2. Abschwächung der Vernetzung durch Verdünnen des Weizenglutens mit -mehl.

Materialien für die Generierung von glutenhaltigen Polymerblends

Verwendete Materialien:

1. Biokunststoffe:
PLA Ingeo 6202D, PLA Ingeo 3001D, PLA-Blend Bioflex 6514 (Referenz),
2. Glutenhaltige Naturstoffe (GN):
Weizengluten (Proteingehalt von rd. 85 ma%, GN_85), Weizenmehl (GN_10), Gluten-Mehl-Mischung (GN_40),
3. Weichmacher:
Glyzerin (GL),
4. Haftvermittler (und Viskositätsreduzierer):
Oxalsäure (OA),
5. Reduktionsmittel, Antioxidanz, Trappingreagenz (RAT):
Natriumhydrogensulfit (NHS), Acetylsalicylsäure (ASS), L-Cystein (LC).

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 rd. 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 (Abbildung 1).

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 (RAT), 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 ma%. Die im Projekt erzielte Werkstoffmechanik wird von den Partnern positiv bewertet.

Erfolgreiche Materialtestung im Spritzgießprozess

Die Glutenblends können problemlos im Spritzguss verarbeitet werden, siehe Abbildung 2. Die durch die Maillardreaktion bedingte Bräunung des Materials, welche mit steigendem Proteingehalt der Naturstoffphase zunimmt, lässt sich durch die Zugabe von Farbbatch kaschieren.

Die Vermarktung der Forschungsergebnisse ist durch den Industriepartner CompraXX GmbH angestrebt. Die Compraxx GmbH 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.