Extrusion
Extrudieren bezeichnet die kontinuierliche Herstellung von Endlosprodukten mittels Extrudern. Durch Extrusion hergestellte Halbzeuge wie Rohre oder Profile stellen dank ihrem erheblichen Anteil an Kunststoffanwendungen einen Massenmarkt dar und sind in Technik, Bauwesen usw. stark verbreitet.
Im Extruder wird der Kunststoff aufgeschmolzen und unter Druck durch ein formgebendes Werkzeug gedrückt. Grund für die geringe Marktdurchdringung von Biopolymeren ist unter anderem die zu geringe Viskosität und Schmelzefestigkeit. Im Rahmen des Projekts wurden die relevanten Einflussfaktoren für Biokunststoffe untersucht und Modifizierungskonzepte erarbeitet, um Biopolymere extrusionsfähig zu machen.
Materialien
Bei den im Kapitel Extrusion untersuchten Biokunststoffen handelt es sich um kommerziell erhältliche Biokunststoffe mit entsprechender Marktrelevanz. Die untersuchten Materialien sind in der folgenden Tabelle aufgeführt:
| Materialklasse | Hersteller | Typ |
|---|---|---|
| PLA | NatureWorks | 2003 D |
| PLA | NatureWorks | 8052 D |
| PLA | NatureWorks | 4043D |
| PLA | NatureWorks | 7001D |
| PLA+Vinnex | NatureWorks | 2003D+Vinnex 2505 10, 20, 30% |
| PBS | Bionelle 1001 | |
| PBSA | Bionelle 3001 | |
| PLA+PBA+Vinnex | ||
| Green PE | SHC 7260 | |
| Green PE | SGD 4960 |
Im Bereich der extrudierten Kunststoffprofile sucht man vergeblich nach biobasierten Alternativen, da die verfügbaren Ausgangsstoffe nur selten den Anforderungen entsprechen. Biokunststoffe werden deshalb überwiegend zu Verpackungsmaterialien verarbeitet, wie beispielsweise PLA im Spritzguss- oder Folienextrusionsverfahren. Die Profilextrusion selbst steckt hier noch in den Kinderschuhen und dementsprechend sind am Markt nur bedingt geeignete Typen für diesen Prozess erhältlich. Erste Versuche zur Monoextrusion von PLA zu Profilen schlugen fehl. Grund dafür waren die zu geringen Fließeigenschaften als auch die zu geringe Schmelzestabilität. Für die Etablierung von Biokunststoffen zur Herstellung von Halbzeugen war es deshalb zum Teil notwendig, mittels gezielter Modifikation den negativen Trends entgegenzuwirken und somit die Kunststoffe für die Extrusion zu modifizieren.
Modifikation und Extrusion
Mit Hilfe chemischer und physikalischer Modifikationen konnten die Schmelzefestigkeit und Viskosität von handelsüblichen PLA-Typen signifikant um einen Faktor von bis zu 25 % erhöht werden.
Mit diesem modifizierten Materialien und einer schonenden Prozessführung konnten schließlich Profile in guter Qualität hergestellt werden.
Neben dem auf diese Weise modifizierten PLA konnten weitere unterschiedliche kommerziell verfügbare Typen wie Naturewroks 2003D, 4043D, 7001D extrudiert werden, wobei die Schmelzestabilität nicht gegeben war und es zu minderer Rohrqualität kam. Vielversprechender war die Modifikation mit dem Bindemittel VINNEX, welches in einer unterschiedlichen prozentuellen Zugabe gute Resultate lieferte.
Neben dem am weitesten verbreiteten Werkstoff PLA konnten auch weitere kommerziell auf dem Markt vorhandene Biokunststoffen getestet werden. Dabei wurden PBS (Bionolle 1001), PBSA (Bionolle 3001) und 2 Typen Green PE (SHC 7260, SGD 4960) geprüft, mit denen Rohre in geeigneter Qualität hergestellt werden.
Materialtests
Die Qualität der Materialien konnte mit den gängigsten Analysemethoden bestätigt werden. Dabei wurden die Rohre mittels DSC, Platte-Platte-Rheometer und MFI analysiert. (BILD TU Chemnitz?) Im Bereich der Mechanischen Prüfungen wurden die Rohre Zug- und Biegebeanspruchungen unterzogen als auch die Schlagzähigkeit HDT (A/B) ermittelt. Die Ergebnisse der Testreihen können in der Datenbank eingesehen werden.
Co-Extrusion
Die Schnelllebigkeit und die hohen Ansprüche der Rohrbranche machten es zusätzlich nötig, nicht nur die Materialien im Bereich der Monoextrusion zu testen. Intelligente Rohrsystem sind Schichtverbunde, bei denen nicht nur ein Werkstofftyp zum Einsatz kommt. Vor diesem Hintergrund wurde ein 3-Schicht-Rohrkopf gefertigt, mit welchem die Coextrusion von drei Schichten möglich ist. Das Werkzeug wurde fließtechnisch modifiziert, um eine schonende Schmelzeführung zu gewährleisten.
Zusammenfassung
Im Rahmen dieses Projektes konnten die Potentiale von Biokunststoffen im Bereich der Extrusion aufgezeigt werden. Mit Hilfe von optimierten Kunststoffen und Prozessen ist es möglich, Biokunststoffe in diesem Marktsegment zu etablieren. Zwar ist die Anzahl kommerziell verfügbarer Extrusionstypen gering, eine Optimierung und Einstellung der notwendigen Eigenschaften ist analog zu konventionellen Kunststoffen aber möglich.