Materii prime regenerabile pentru sectorul materialelor plastice - chimie; Mai Mult
Renașterea biopolimerilor
Sustenabilitatea, eficiența resurselor, emisiile de CO2 - acestea sunt problemele de bază ale dezvoltării sociale globalizate, care sunt, de asemenea, abordate de industria producătoare și de prelucrare a polimerilor. Polimerii nativi, cum ar fi celuloza, lignina sau amidonul, dar și (parțial) poliamide pe bază de bio sau polilactidă (PLA) devin centrul de interes. Materialul îmbunătățit și proprietățile de procesare ale acestei clase de polimeri fac obiectul lucrărilor de cercetare prezentate aici în cadrul proiectului comun „Biopolymer Verbund” finanțat de FNR.
Celuloza, cea mai abundentă materie primă regenerabilă și componenta principală a lemnului, a jucat întotdeauna un rol important în industria construcțiilor, a mobilierului, a hârtiei și a textilelor. Dar fibrele celulozice sunt, de asemenea, din ce în ce mai utilizate ca componente de armare în sectorul materialelor plastice și produse precum WPC (compozite din plastic din lemn) sunt produse în extrudarea profilului sau covoarele din fibre naturale sunt utilizate în procesele de presare. Un salt în nivelul proprietății se realizează prin utilizarea fibrelor discontinue celulozice. Aceste fibre sunt produse prin dizolvarea celulozei sau a derivaților de celuloză și apoi învârtirea lor și sunt utilizate în prezent în textile (vâscoză) sau ca armare în anvelopele de înaltă performanță (raion). Abordarea urmărită în proiectul de întărire a termoplastelor pe bază de bio, cum ar fi PLA sau bio-poliamida cu raion, a condus la proprietăți excelente la nivelul compozitelor din fibre de sticlă [1] [2]. În cooperare cu producătorul de fibre Cordenka GmbH, au fost dezvoltate și fibre mai stabile din punct de vedere termic, care permit utilizarea în termoplastice cu topire mai mare [3].
O altă componentă principală a lemnului este lignina, o macromoleculă poliaromatică formată din proporții variabile de alcool cumaril, coniferil și sinapilic, care este în prezent utilizat în principal pentru a genera energie în fabricile de celuloză. Posibilitățile de utilizare a materialului au fost investigate pentru sistemele de rășină epoxidică pe bază de bio și amestecurile cu poliolefine. În colaborare cu Pracht Lichttechnik GmbH, au fost dezvoltate prototip carcase pentru lămpi cu LED, care constau din țesături din fibre naturale legate de rășină ligninică. Împreună cu Tecnaro GmbH, au fost dezvoltate amestecuri de lignină și poliolefine [4] optimizate morfologic [4] cu până la 70% lignină, care au proprietăți mecanice excelente, inclusiv rezistență ridicată la impact și oferă avantaje de preț în comparație cu poliolefinele pure.
O altă materie primă regenerabilă importantă este amidonul, care este utilizat pe scară largă în afara sectorului alimentar în industria hârtiei. Amestecurile cu poliolefine (inclusiv cele pe bază de bio) și PLA reprezintă o altă opțiune pentru aplicațiile tehnice care nu a fost studiată foarte bine.Aici, posibilitățile de turnare prin injecție de spumă la Engel Austria GmbH și prelucrarea în filme suflate și articole desenate în profunzime au fost examinate împreună cu Biotec. Comparativ cu partenerii de amestec convenționali, cum ar fi poliesterii alifatici, există avantaje în ceea ce privește reducerea greutății, rigiditatea și rezistența îmbunătățite, absorbția redusă a apei [5] și costurile.
Bioplasticele sunt materiale plastice pe bază de materii prime regenerabile care, în funcție de structura lor chimică, pot fi și biodegradabile. Cele mai cunoscute bioplastice disponibile comercial includ polilactidă (PLA), bio-polietilenă (bio-PE) și, pentru o lungă perioadă de timp, diverse bio-poliamide (bio-PA). Materiile prime utilizate pentru sinteza acestor materiale plastice sunt în principal carbohidrați din porumb sau trestie de zahăr, dar și uleiuri vegetale precum uleiul de ricin.
Ca parte a proiectului, au fost examinate împreună cu compania Clariant Masterbatches GmbH posibilitățile de îmbunătățire a comportamentului de prelucrare a PLA prin utilizarea prelungitoarelor de lanț. Vâscozitatea, îndoirea impactului și proprietățile de întindere ar putea fi îmbunătățite semnificativ. Acest rezultat a fost obținut prin adăugarea de catalizatori selectați pentru a reduce temperatura și viteza de reacție. Pentru companiile de prelucrare a materialelor plastice, acest lucru are ca rezultat avantaje de procesare, precum și avantaje economice, care fac utilizarea bioplasticelor mai atractivă. Împreună cu producătorul de tehnologie medicală B. Braun Melsungen AG, ar putea fi de asemenea determinat un efect pozitiv al extensorului de lanț asupra rezistenței la impact a eșantioanelor de testare PLA sterilizate.
Modificatorii de impact pe bază de copolimeri de etilenă au fost investigați ca un aditiv suplimentar pentru PLA bioplastic comparativ fragil. Acestea au arătat o creștere semnificativă a alungirii la rupere și a absorbției de energie în caz de stres brusc, astfel încât o zonă mai mare de aplicare este posibilă [6].
În ceea ce privește tehnologia de procesare, setările de proces optimizate pe extruderul cu două șuruburi și influența acestora asupra proprietăților materialului au fost cercetate împreună cu producătorul de mașini Zeppelin Systems GmbH și Albis Plastic GmbH. Comparativ cu compușii PP examinați, s-a găsit o influență semnificativă a configurației extruderului asupra procesabilității compușilor PLA, din care ar putea fi derivate condiții de proces optimizate.
La fel ca materialele plastice convenționale, bioplasticele pot fi întărite cu fibre pentru a extinde gama de proprietăți. În plus față de fibrele de armare pe scară largă realizate din sticlă sau carbon, fibrele fabricate din materii prime regenerabile au fost examinate pentru bioplastice. În combinație cu bioplasticele PLA și Bio-PA, acestea permit producerea de materiale compozite complet bazate pe bio. Datorită densității reduse a celulozei, componentele armate cu fibre de celuloză au o greutate mai mică decât componentele armate cu fibră de sticlă cu același conținut de fibre. Accentul investigațiilor s-a concentrat pe fibrele discontinue celulozice deja menționate.
În ceea ce privește tehnologia de proces, încorporarea fibrelor de celuloză în poliamide, care au o temperatură de procesare de peste 200 ° C, este dificilă. Folosind un proces de pultruzie și parametri de proces adaptați, aici s-au obținut proprietăți mecanice excelente [2]. Termoplastele armate cu fibre scurte cu fibre de viscoză au rezistențe la impact semnificativ mai mari decât cele cu armături convenționale din fibră de sticlă. În plus, fibrele de viscoză nou dezvoltate cu rezistență termică mai mare [3] oferă un potențial suplimentar în domeniul proprietăților mecanice ale materialelor bio-compozite tehnice.
Sub conducerea Zeppelin Systems GmbH, a fost dezvoltat un proces de compunere aplicabil industrial, eficient din punct de vedere energetic și economisitor de fibre pentru bio-PA care utilizează elemente speciale de frământare în extruderul cu două șuruburi. De asemenea, s-ar putea arăta că compozitele PLA de la mixerul de încălzire-răcire care funcționează discontinuu obțin proprietăți comparabile cu cele ale extruderului cu două șuruburi.
Ca parte a testelor de prelucrare în serie aproape de turnare prin injecție și extrudare a profilurilor la partenerii proiectului Denk Kunststoff Technik GmbH, Technoform Kunststoffprofile GmbH și Hettich GmbH, componentele au fost produse din compozite din fibre bio-bazate, care nu numai că prezintă un avantaj semnificativ în greutate în comparație cu materialele compozite din fibră utilizate în serie.
Biopolimerii obținuți din materii prime regenerabile se confruntă în prezent cu o renaștere. Aspectele durabilității și reducerea emisiilor de CO 2 joacă un rol central aici. Pentru a obține o penetrare sporită a pieței, trebuie dezvoltate procese de fabricație eficiente din punct de vedere al costurilor, trebuie găsite metode de procesare optimizate și trebuie îmbunătățite proprietățile materialelor în ceea ce privește aplicațiile specifice. Scopul aici este de a ajunge din urmă la 60 de ani de plumb din materialele plastice pe bază de petrol, la care cercetarea aplicată își aduce contribuția.