Projekt 23903/01

Entwicklung von Biokunststoffen auf Getreidemehlbasis als Alternative zu thermoplastischen Werkstoffen aus fossilen Energieträgern

Projektträger

Kunststoff-Zentrum in Leipzig gGmbH
Erich-Zeigner-Allee 44
04229 Leipzig
Telefon: 0341/4941500

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Ziel des Projektes war die Entwicklung von kostengünstigen thermoplastischen Getreidemehlen mit akzeptablen mechanischen Eigenschaften sowie geringen Wasseraufnahmen. Diese Zielstellung sollte durch die Verwendung nanoskaliger Teilchen mit hoher H2O-Sperrwirkung sowie derivatisierter Getreidemehle zur Strukturfestigkeitssteigerung erreicht werden. Diese nanofüllstoffhaltigen sowie derivatisierten thermoplastischen Getreidemehle sollen in Fortführung der F&E-Arbeiten als Basiskomponente für die Generierung von Biokunststoffen dienen, die bezüglich Werkstoffmechanik sowie H2O-Aufnahme ei-ne echte Alternative zu kostenintensiven erdölbasierten Kunststoffen in ausgewählten Anwendungen darstellen.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenIm Projekt wurden Weizenmehle vom Typ 550 sowie Roggenmehle vom Typ 997 mit einem Derivatisierungsgrad von 0, 0.0005 sowie 0.01 ausgewählt. Als Nanofüllstoff verwendeten wir die unmodifizierten Bentonittypen Nanofil® 588 und Nanofil® 116 sowie die modifizierten Typen Nanofil® 5 und Nanofil® 32. Die Mehlderivatisierung realisierte der Kooperationspartner Ceresan Erfurt GmbH in einem trockenchemischen Direktmodifizierungsverfahren. Die Erzeugung von spritzgussfähigen thermoplastischen Getrei-demehlen wurde vom KuZ in Analogie zur Gewinnung thermoplastischer Stärken vorgenommen. Die Aufbereitung der nanofüllstoffhaltigen thermoplastischen Getreidemehle erfolgte mit Hilfe eines Zweischneckenextruder ZE25A-UT bei einer Temperatur von 125 °C sowie einer Extruderdrehzahl von 100 bis 150/min. Mehl, Nanofüllstoff sowie Weichmacher wurden im Vorfeld der Aufbereitung mittels Mi-scher LUK III vorgemischt. Als Weichmacher verwendeten wir ein Glyzerin/Sorbitol-Gemisch. Die Weichmacherzugabe erfolgte vorzugsweise mit 25 ma%. Der Nanofüllstoffgehalt betrug bis zu 10 ma%. Im Ergebnis der Aufbereitung erhielten wir spritzgussfähige thermoplastische Getreidemehle mit variierenden Nanofüllstoffgehalten sowie -typen (= Composite). An spritzgegossenen Probekörpern wurden mechanische Kennwerte im Zug- sowie Kerbschlagbiegeversuch ermittelt sowie deren Wasseraufnahme bestimmt. Die Untersuchungen wurden in Abhängigkeit von den wichtigen Einflussgrößen Weichmachergehalt, Nanofüllstoffgehalt, -typ, Getreidemehlderivatisierungsgrad und -typ durchgeführt. Eine Auswahl an thermoplastischen Getreidemehlen wurde mit Polyestern geblendet (Tests für Nachfolgeprojekt). Ziel des Blendens war eine H2O-Aufnahmereduktion und Optimierung der Werkstoffmechanik.


Ergebnisse und Diskussion

Die Compositechanik weist eine starke Abhängigkeit vom verwendeten Nanofil®-Typ sowie Getreidemehlderivatisierungsgrad auf.
Fall 1: Die Zugabe der modifizierten NF-Typen Nanofil® 5 und Nanofil® 32 zum unmodifizierten thermoplastsichen Getreidemehl führt tendenziell zu einer Composit-Festigkeits- und Steifigkeitsreduktion sowie zu einer Dehnbarkeits- und Zähigkeitszunahme. Hingegen bewirkt der Nanofil® 588- sowie Nanofil® 116-Zusatz zum Getreidemehl eine Composit-Festigkeits- und Steifigkeitszunahme sowie eine Dehnbahrkeits- und Zähigkeitsabnahme. Eine Compositverstärkung infolge der Nanofil®-Zugabe wurde hier nicht realisiert. Eine Optimierung der Werkstoffmechanik durch eine Verbesserung der Nanofüllstoffdispergierung mittels Dispergierhilfsmitteln blieb erfolglos.
Fall 2: Für derivatisierte thermoplastische Getreidemehle wurde festgestellt, dass die Festigkeit und Steifigkeit zunimmt sowie die Dehnbarkeit mit einem steigenden DG abnimmt. Demzufolge bewirkt die Getreidemehlvernetzung die erwünschte Strukturfestigkeitserhöhung. Die Zugabe der modifizierten NF-Typen Nanofil® 5 und Nanofil® 32 zum derivatisierten Getreidemehl führt tendenziell zu einer Steigerung der Composit-Festigkeit, -Steifigkeit sowie -Zähigkeit, die Dehnbarkeit nimmt geringfügig ab. Es liegt ein Verstärkungseffekt vor.
Die höchsten Compositeigenschaftsänderungen registrierten wir größtenteils bei 2.5 und 5 ma% NF, was als Indiz für eine optimale NF-Dispergierung bei den entsprechenden NF-Gehalten gewertet wird.
Rheologische Untersuchungen zeigten, dass die Compositschmelzen in jedem Fall ein strukturviskoses Fließverhalten aufweisen sowie bei einer Scherrate von 100/s eine Viskosität von < 500 Pa·s besitzen. Die Spritzgussverarbeitung der Composite ist somit unproblematisch.
Die besten Resultate hinsichtlich einer H2O-Sperrwirkung wurden für Nanofil® 5-haltige thermoplastische Getreidemehle erzielt. Hingegen zeigen Nanofil® 116- sowie Nanofil® 588-haltige thermoplastische Getreidemehle bei einer Steigerung des Nanofüllstoffgehaltes eine unerwünschte Steigerung der Wasseraufnahme.
Die bis dato generierten Composite können auf Grund ihres Eigenschaftsprofils, wie ausgeprägte Hydropholie, geringe Festigkeit und Steifigkeit, nicht als eigenständige Werkstoffgruppe betrachtet werden. Das Nanofüllstoffpotenzial hinsichtlich H2O-Sperrwirkung sowie Werkstoffverstärkung wird bei Weitem nicht ausgeschöpft.
Hinsichtlich einer weiteren Reduzierung der Wasseraufnahme sowie Werkstoffmechanikoptimierung, dies betrifft insbesondere das Festigkeit/Zähigkeit-Verhältnis, ist die geplante Generierung von Bioblends, bestehend aus nanofüllstoffhaltigen sowie derivatisierten thermoplastischen Getreidemehl und synthetischen Polymer, vorzugsweise Polyester, sehr erfolgversprechend. Vorversuche hierzu stellen sich positiv dar.
Der angestrebte Compositpreis von 1 Euro pro Kilogramm wurde nicht erreicht, jedoch berücksichtigen die von uns überschlägig kalkulierten 1.30 Euro pro Kilogramm Mindermengenzuschläge für Weichma-cher und Vernetzer.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Geplant ist die Veröffentlichung der Projektergebnisse im Rahmen von Fachtagungen, wie NAROSSA® und NAROTECH®, und Messen, wie K® und FAKUMA®.


Fazit

Die besten Resultate hinsichtlich der Werkstoffmechanik zeigten Composite mit derivatisiertem Getreidemehl und modifiziertem Nanofüllstoff. In Hinblick auf die H2O-Aufnahme waren es Composite mit modifiziertem Nanofüllstoff, der Mehlderivatisierungsgrad spielte hier keine Rolle. Die bis dato generierten Composite sind nicht für eine kommerzielle Nutzung im Bereich der Spritzgussartikel vorgesehen. Sie dienen vielmehr als Basiskomponente für die Erzeugung alternativer Bioblends, bestehend aus Composit und Polyester, die kunststoffähnliche Eigenschaften besitzen