Vernetzen
– ist ein denkbarer Ansatz zur Aufwertung von Kunststoffen durch energiereiche Strahlung.
Hierbei ermöglicht die Rekombination strahleninduzierter Radikale eine dreidimensionale Kettenverzweigung und somit eine Verbesserung der Materialeigenschaften des vernetzten Kunststoffs. Die verschiedenen Polymere reagieren unterschiedlich auf Strahlung, insbesondere wenn es um die Vernetzung im Vergleich zur Kettenspaltung geht. Diese Reaktionen sind neben den Bestrahlungsparametern und Umgebungsbedingungen (An-/Abwesenheit von Sauerstoff, Temperatur) von der chemischen Strukturen der Polymere abhängig und diese wiederum lassen sich grob in drei Gruppen aufteilen:
- den Vernetzungstyp
- den Abbautyp
- den strahlungsresistenten Typ.
Materialien
Im Rahmen des Projektes wurde die Möglichkeit der Vernetzung von Biokunststoffen untersucht. Hierzu erfolgte eine Forschungsabfrage, um die Wahrscheinlichkeit einer Vernetzung der Biopolymeren auf der Grundlage ihrer chemischen Struktur und der physikalisch-chemischen Eigenschaften zu bewerten. Tabelle 1 enthält Informationen über die Reaktion marktgängiger Biokunststoffe auf Elektronenbestrahlung.
| Biokunststoff | Primärstrahlenwirkung (virgin) | Effektive Vernetzungshilfsmittel (PFM) | Vernetzung mit PFM |
|---|---|---|---|
| PA 610 | Abbau/Neutral | TAIC | leicht |
| PA 1010 | |||
| PA 410 | |||
| PA 11 | |||
| PBAT, PBST | Vernetzung | keine Angabe | mittel |
| PBS | Vernetzung | TMAIC | leicht |
| PBT | Neutral (vor Strahlung stabil) | TAIC | leicht |
| PCL | Vernetzung | TMAIC | leicht |
| PE | Vernetzung | TAC, AMA (allyl methacrylate) | leicht |
| PET | Neutral (vor Strahlung stabil) | Potenziell TAIC | schwer |
| PHAs (PHB/PHV) | Abbau | keine Angabe | mittel, leichter für Copolymer PHBV |
| PLA | Abbau | TAIC, di-, tri- acrylate | leicht |
| PPA | Neutral | Keine Angabe | mittel bis schwer |
| PVOH | Abbau/Vernetzung in Wasser löslich | keine Angabe | schwer |
Die Vernetzung eines thermoplastischen Kunststoffs verändert seine Polymerstruktur, sodass sie der eines Duroplasten ähnelt. Ferner wurde für den Zweck der praktischen Forschungen ein PLA ausgewählt, um die Veränderungen gegenüber reinen PLA-Spritzgießtypen sowie die Wirkung von Vernetzungshilfen aufzuzeigen. Das untersuchte PLA zeigt Veränderungen der mechanischen und thermischen Eigenschaften durch Elektronenbestrahlung. Abbildung 2 stellt den Einfluss der Elektronen bestrahlung auf PLA mit und ohne Vernetzungshilfsmittel (VHM) im Vergleich zum Referenzmaterial dar. Eine große Schwankung von mechanischen und thermischen Eigenschaften beim PLA ohne VHM bedeutet, dass das bestrahlte Material beginnt sich abzubauen. Im Gegensatz dazu zeigt PLA mit VHM verbesserte mechanische Eigenschaften, was insbesondere hinsichtlich der Biegefestigkeit sichtbar wurde. Die verbesserten mechanischen Eigenschaften erlauben damit den Schluss, dass die Polymerketten eine Vernetzung erfuhren. Dies bestätigt die DSC-Untersuchung: Das bestrahlte PLA zeigt keine Anzeichen typischer Kristallisationsbereiche auf und wurde somit vernetzt.
Zusammenfassung
Die Untersuchungen bestätigen, dass die Vernetzung von Biopolymeren möglich ist und zu signifikanten Eigenschaftsveränderungen führen kann. Wie stark sich die Eigenschaften verändern, hängt von der Bestrahlungsdosis und der damit einhergehenden Veränderung der Makrostruktur des Materials ab. Für erfolgreiche Vernetzungen wird jedoch häufig ein polymerspezifisches Vernetzungshilfsmittel benötigt. Materialbestrahlungen in Abwesenheit von VHM verursachen einen Abbau des Materials und reduzieren die Materialeigenschaften
Grundsätzlich bietet die Elektronenbestrahlung von Polymeren im Vergleich zu anderen Vernetzungsverfahren viele Vorteile. Der Vernetzungsgrad kann leicht durch die Dosis gesteuert werden. Es ist ein sauberer Prozess, der durch weniger (oder keine) Verwendung von Additiven kaum (oder keine) unerwünschte(n) Rückstände im Produkt hinterlässt. Dies ist insbesondere im medizinischen Bereich von großer Bedeutung. Zudem führt die Bestrahlung auch gleichzeitig zur Sterilisation des Materials. Die Bestrahlung steht im Gegensatz zur herkömmlichen thermomechanischen Vernetzung, bei der bereits Umgebungstemperaturen Reaktionen auslösen. Allerdings ist die Elektronenbestrahlung im Allgemeinen teurer als die Silan- oder Peroxidvernetzung. Die Rentabilität der industriellen Elektronenbestrahlungsverfahren und der damit verbundene Produktmehrwert kann nur bei hohem Produktdurchsatz gewährleistet werden.
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Zu den Ergebnissen