"GluPlast" - Glutenhaltige Polylactidblends
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).
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.
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.
links: mit 4.5 ma% RAT, rechts: mit 4.5 ma% RAT als auch OA
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.
Gefördert durch: Bundesministerium für Wirtschaft und Energie
Reg.-Nr.: ZF4165403SL7
Kontakt
Christoph Thieroff
+49 341 4941-608
thieroffnoSpam@kuz-leipzig.de
Veröffentlichter Fachartikel zum Thema
Mehr Zähigkeit durch Zugabe von Gluten
Herausgeber SIGWERB GmbH, KunststoffXtra, 09/2020, S. 6 - 7
