Obnoviteľné suroviny pre plastový priemysel - chémia; viac
Renesancia biopolymérov
Udržateľnosť, efektívne využívanie zdrojov, emisie CO2 - to sú kľúčové problémy globalizovaného sociálneho rozvoja, ktorým sa venuje aj priemysel výroby a spracovania polymérov. Stredobodom záujmu sa stávajú natívne polyméry, ako je celulóza, lignín alebo škrob, ale aj (čiastočne) bioamidy na báze polyamidov alebo polylaktid (PLA). Vylepšené vlastnosti materiálu a spracovania tejto triedy polymérov sú predmetom tu prezentovanej výskumnej práce v rámci spoločného projektu „Biopolymer Verbund“ financovaného FNR.
Celulóza, najhojnejšia obnoviteľná surovina a hlavná zložka dreva, vždy hrala dôležitú úlohu v stavebnom, nábytkárskom, papierenskom a textilnom priemysle. Ale celulózové vlákna sa čoraz viac používajú aj ako výstužné komponenty v plastikárskom priemysle a výrobky ako WPC (drevoplastové kompozity) sa vyrábajú extrúziou profilov alebo sa pri lisovaní používajú rohože z prírodných vlákien. Skok v úrovni vlastností sa dosiahne použitím celulózových strižných vlákien. Tieto vlákna sa vyrábajú rozpustením celulózy alebo derivátov celulózy a ich následným zvlákňovaním a v súčasnosti sa používajú v textíliách (viskóza) alebo ako výstuž vo vysokovýkonných pneumatikách (umelý hodváb). Prístup sledovaný v rámci projektu vystuženia bioplastov termoplastov, ako je PLA alebo bio-polyamid, umelým hodvábom, viedol k vynikajúcim vlastnostiam na úrovni kompozitov zo sklenených vlákien [1] [2]. V spolupráci s výrobcom vlákien Cordenka GmbH boli vyvinuté aj tepelne stabilnejšie vlákna, ktoré umožňujú použitie v termoplastoch s vyššou teplotou topenia [3].
Ďalšou hlavnou zložkou dreva je lignín, polyaromatická makromolekula pozostávajúca z rôznych podielov kumarylu, koniferylu a sinapylalkoholu, ktorá sa v súčasnosti používa hlavne na výrobu energie v celulózkach. Boli skúmané možnosti použitia materiálu pre systémy na báze epoxidových živíc a zmesí s polyolefínmi. V spolupráci so spoločnosťou Pracht Lichttechnik GmbH boli prototypovo vyvinuté puzdrá LED žiaroviek, ktoré pozostávajú z tkanín z prírodných vlákien viazaných na lignínovú živicu. Spolu s Tecnaro GmbH boli vyvinuté morfologicky optimalizované zmesi z lignínu a polyolefínov [4] s obsahom až 70% lignínu, ktoré majú vynikajúce mechanické vlastnosti vrátane vysokej rázovej húževnatosti a ponúkajú cenové výhody v porovnaní s čistými polyolefínmi.
Ďalšou dôležitou obnoviteľnou surovinou je škrob, ktorý sa široko používa mimo potravinárskeho sektoru v papierenskom priemysle. Zmesi s polyolefínmi (vrátane biologických) a PLA predstavujú ďalšiu možnosť pre technické aplikácie, ktorá nebola dobre preskúmaná. Tu boli spolu s Biotecom preskúmané možnosti formovania vstrekovaním peny v spoločnosti Engel Austria GmbH a spracovania na fúkané filmy a hlbokoťažné výrobky. V porovnaní s konvenčnými zmiešavacími partnermi, ako sú alifatické polyestery, existujú výhody v podobe redukcie hmotnosti, zlepšenej tuhosti a pevnosti, zníženej absorpcie vody [5] a nákladov.
Bioplasty sú plasty na báze obnoviteľných surovín, ktoré môžu byť v závislosti od svojej chemickej štruktúry aj biologicky odbúrateľné. Najznámejšie komerčne dostupné bioplasty zahŕňajú polylaktid (PLA), bio-polyetylén (bio-PE) a po dlhú dobu rôzne bio-polyamidy (bio-PA). Suroviny používané na syntézu týchto plastov sú hlavne sacharidy z kukurice alebo cukrovej trstiny, ale aj rastlinné oleje, ako je ricínový olej.
V rámci projektu boli spolu so spoločnosťou Clariant Masterbatches GmbH preskúmané možnosti zlepšenia spracovateľského správania PLA pomocou predlžovačov reťazí. Viskozita, rázové ohyby a ťahové vlastnosti by sa mohli výrazne zlepšiť. Tento výsledok sa dosiahol pridaním vybraných katalyzátorov, aby sa znížila reakčná teplota a rýchlosť. Pre spoločnosti na spracovanie plastov to vedie k spracovateľským aj ekonomickým výhodám, ktoré zatraktívňujú použitie bioplastov. Spolu s výrobcom lekárskej technológie B. Braun Melsungen AG sa dal určiť aj pozitívny vplyv napínača reťaze na rázovú pevnosť sterilizovaných skúšobných telies PLA.
Ako ďalšia prísada do porovnateľne krehkého bioplastu PLA sa skúmali modifikátory nárazu založené na etylénových kopolyméroch. Ukázali významné zvýšenie predĺženia pri pretrhnutí a absorpcie energie v prípade náhleho namáhania, takže je možná väčšia oblasť použitia [6].
Pokiaľ ide o technológiu spracovania, spolu s výrobcom strojov Zeppelin Systems GmbH a spoločnosťou Albis Plastic GmbH boli skúmané optimalizované nastavenia procesu na dvojzávitovkovom extrudéri a ich vplyv na vlastnosti materiálu. V porovnaní so skúmanými PP zlúčeninami sa zistil významný vplyv konfigurácie extrudéra na spracovateľnosť PLA zlúčenín, z ktorých sa dali odvodiť optimalizované podmienky procesu.
Rovnako ako bežné plasty, aj bioplasty je možné vystužiť vláknami, aby sa rozšírila škála ich vlastností. Okrem rozšírených výstužných vlákien vyrobených zo skla alebo uhlíka boli pre bioplasty skúmané najmä vlákna vyrobené z obnoviteľných surovín. V kombinácii s bioplastmi PLA a Bio-PA umožňujú produkciu úplne biologických kompozitných materiálov. Vďaka nízkej hustote celulózy majú komponenty vystužené celulózovými vláknami nižšiu hmotnosť ako komponenty vystužené sklenenými vláknami s rovnakým obsahom vlákien. Výskum sa zameral na už spomenuté celulózové strižné vlákna.
Z hľadiska technologického postupu je náročné zabudovanie celulózových vlákien do polyamidov, ktoré majú teplotu spracovania vyššiu ako 200 ° C. Použitím procesu pultruzie a prispôsobených parametrov procesu sa tu dosiahli vynikajúce mechanické vlastnosti [2]. Termoplasty vystužené krátkymi vláknami s viskózovými vláknami majú výrazne vyššiu rázovú húževnatosť ako tie, ktoré majú bežné výstuže zo sklenených vlákien. Novo vyvinuté viskózové vlákna s vyšším tepelným odporom [3] navyše ponúkajú ďalší potenciál v oblasti mechanických vlastností technických biokompozitných materiálov.
Pod vedením spoločnosti Zeppelin Systems GmbH bol vyvinutý priemyselne použiteľný, energeticky efektívny a pre vlákna priateľský proces miešania pre bio-PA s použitím špeciálnych hnetacích prvkov v dvojzávitovkovom extrudéri. Mohlo by sa tiež preukázať, že kompozity PLA z diskontinuálne pracujúceho mixéra na vykurovanie a chladenie dosahujú vlastnosti porovnateľné s vlastnosťami dvojzávitovkového extrudéra.
V rámci sériových testov spracovania vo vstrekovaní a extrúzii profilov u projektových partnerov Denk Kunststoff Technik GmbH, Technoform Kunststoffprofile GmbH a Hettich GmbH boli komponenty vyrobené z vláknových kompozitov na báze biomasy, ktoré nielenže vykazujú významnú hmotnostnú výhodu v porovnaní s vláknitými kompozitmi používanými v sériách.
Biopolyméry vyrobené z obnoviteľných surovín zažívajú v súčasnosti renesanciu. Ústrednú úlohu tu zohrávajú aspekty udržateľnosti a znižovania emisií CO 2. Na dosiahnutie väčšieho prieniku na trh je potrebné vyvinúť nákladovo efektívne výrobné procesy, nájsť optimalizované spôsoby spracovania a vylepšiť vlastnosti materiálov s ohľadom na konkrétne aplikácie. Cieľom je dohnať 60-ročný náskok ropných plastov, ku ktorému prispieva aplikovaný výskum.