Възобновяеми суровини за сектора на пластмасите - химия; Повече ▼
Ренесансът на биополимерите
Устойчивост, ефективно използване на ресурсите, емисии на CO2 - това са основните въпроси на глобализираното социално развитие, които също се разглеждат от производството и преработката на полимери. Местните полимери като целулоза, лигнин или нишесте, но също така (частично) биоактивни полиамиди или полилактид (PLA) стават фокус на интерес. Подобрените свойства на материала и обработката на този полимерен клас са предмет на изследователската работа, представена тук в рамките на финансирания от FNR съвместен проект "Biopolymer Verbund".
Целулозата, най-разпространената възобновяема суровина и основният компонент на дървесината, винаги е играла важна роля в строителната, мебелната, хартиената и текстилната промишленост. Но целулозните влакна също се използват все по-често като подсилващи компоненти в сектора на пластмасите и продукти като WPC (композити от дърво от пластмаса) се произвеждат в профилна екструзия или в процесите на пресоване се използват постелки от естествени влакна. Скок в нивото на свойства се постига чрез използването на целулозни щапелни влакна. Тези влакна се произвеждат чрез разтваряне на целулоза или целулозни производни и след това преденето им и в момента се използват в текстила (вискоза) или като армировка в високопроизводителни гуми (вискоза). Подходът, преследван в проекта за укрепване на термопласти на биологична основа като PLA или био-полиамид с вискоза, доведе до отлични свойства на нивото на композитите от стъклени влакна [1] [2]. В сътрудничество с производителя на влакна Cordenka GmbH бяха разработени и по-термично стабилни влакна, които позволяват използването на термопласти с по-висока топимост [3].
Друг основен компонент на дървесината е лигнинът, полиароматна макромолекула, състояща се от променливи пропорции на кумарилов, кониферилов и синапилов алкохол, който в момента се използва главно за генериране на енергия в целулозни мелници. Изследвани са възможностите за използване на материали за системи на епоксидна смола на биологична основа и смеси с полиолефини. В сътрудничество с Pracht Lichttechnik GmbH, корпусите на LED лампи бяха разработени по прототип, които се състоят от тъкани от естествени влакна, свързани с лигнин. Заедно с Tecnaro GmbH са разработени оптимизирани за морфология смеси от лигнин и полиолефини [4] с до 70% лигнин, които имат отлични механични свойства, включително висока якост на удар и предлагат ценови предимства в сравнение с чистите полиолефини.
Друга важна възобновяема суровина е нишестето, което се използва широко извън хранителния сектор в хартиената индустрия. Смесите с полиолефини (също на биологична основа) и PLA представляват друга възможност за технически приложения, която не е добре проучена.Тук заедно с Biotec бяха разгледани възможностите за формоване на пяна в Engel Austria GmbH и преработка в издухани филми и термоформовани изделия. В сравнение с конвенционалните смеси партньори като алифатни полиестери, има предимства по отношение на намаляване на теглото, подобрена твърдост и здравина, намалена абсорбция на вода [5] и разходи.
Биопластмасите са пластмаси на основата на възобновяеми суровини, които в зависимост от химическата си структура също могат да бъдат биоразградими. Най-известните търговски биопластици включват полилактид (PLA), био-полиетилен (bio-PE) и за дълго време различни био-полиамиди (bio-PA). Суровините, използвани за синтеза на тези пластмаси, са предимно въглехидрати от царевица или захарна тръстика, но също така и растителни масла като рициново масло.
Като част от проекта бяха проучени възможностите за подобряване на поведението за обработка на PLA чрез използване на удължители на вериги заедно с компанията Clariant Masterbatches GmbH. Вискозитетът, ударното огъване и свойствата на опън могат да бъдат значително подобрени. Този резултат се постига чрез добавяне на избрани катализатори, за да се намали температурата и скоростта на реакцията. За компаниите за преработка на пластмаси това води до предимства при преработката, както и до икономически предимства, които правят използването на биопластмасите по-привлекателно. Заедно с производителя на медицински технологии B. Braun Melsungen AG може да се определи и положителен ефект на удължителя на веригата върху якостта на удар на стерилизирани проби от PLA.
Модификаторите на въздействието на базата на етиленови съполимери бяха изследвани като допълнителна добавка за сравнително чупливия биопластичен PLA. Те показаха значително увеличение на удължението при скъсване и абсорбцията на енергия в случай на внезапно напрежение, така че е възможно по-голяма област на приложение [6].
По отношение на технологията на обработка, оптимизирани настройки на процеса на двушнековия екструдер и тяхното влияние върху свойствата на материала бяха изследвани заедно с производителя на машини Zeppelin Systems GmbH и Albis Plastic GmbH. В сравнение с изследваните РР съединения е установено значително влияние на конфигурацията на екструдера върху обработваемостта на PLA съединенията, от което могат да се получат оптимизирани условия на процеса.
Подобно на конвенционалните пластмаси, биопластмасите могат да бъдат подсилени с влакна, за да разширят обхвата на свойствата. В допълнение към широко разпространените армировъчни влакна, направени от стъкло или въглерод, особено влакна от възобновяеми суровини са изследвани за биопластмаси. В комбинация с биопластмасите PLA и Bio-PA, те позволяват производството на композитни материали на напълно биологична основа. Поради ниската плътност на целулозата, подсилените с целулозни влакна компоненти имат по-ниско тегло от подсилените със стъклени влакна компоненти със същото съдържание на влакна. Фокусът на изследванията беше върху вече споменатите целулозни щапелни влакна.
По отношение на технологията на процеса, включването на целулозни влакна в полиамиди, които имат температура на обработка над 200 ° C, е взискателно. Използвайки процес на пултрузия и адаптирани параметри на процеса, тук бяха постигнати отлични механични свойства [2]. Подсилените с къси влакна термопластични материали с вискозни влакна имат значително по-висока якост на удар от тези с конвенционална армировка от стъклени влакна. В допълнение, новоразработените вискозни влакна с по-висока товароносимост [3] предлагат допълнителен потенциал в областта на механичните свойства на техническите биокомпозитни материали.
Под ръководството на Zeppelin Systems GmbH е разработен индустриално приложим, енергийно ефективен и спестяващ влакна процес на смесване за био-PA, използващ специални месещи елементи в двушнековия екструдер. Може също така да се покаже, че PLA композитите от непрекъснато работещия смесител за нагряване и охлаждане постигат свойства, сравними с тези от двушнековия екструдер.
Като част от почти серийни тестове за обработка при шприцоване и екструдиране на профили при партньорите по проекта Denk Kunststoff Technik GmbH, Technoform Kunststoffprofile GmbH и Hettich GmbH, компонентите бяха произведени от композити от влакна на биологична основа, които не само показват значително тегловно предимство в сравнение с композитните влакна, използвани в серията.
В момента биополимерите, произведени от възобновяеми суровини, преживяват ренесанс. Тук централна роля играят аспектите на устойчивост и намаляване на емисиите на CO 2. За да се постигне по-голямо навлизане на пазара, трябва да се разработят икономически ефективни производствени процеси, да се намерят оптимизирани методи за обработка и да се подобрят свойствата на материала по отношение на специфичните приложения. Целта тук е да се навакса 60-годишният лидер на пластмасите на петролна основа, за което приложните изследвания допринасят.