Ziel der Entwicklung
Polylactide stellen als bioabbaubare Polymere bzw. Polymere aus nachwachsenden Rohstoffen eine sehr interessante Polymerklasse der Zukunft dar. Für das Anforderungsprofil an die Polylactidmaterialien ist der Kernpunkt die Langzeitstabilität unter Einsatzbedingungen von mindestens 5 bis 10 Jahren. Daraus resultieren folgende Materialeigenschaften, die unabhängig von den späteren Anwendungsgebieten notwendig sind:
- kein/ verzögerter Polymerabbau im Temperaturbereich von -40 °C bis 80 °C
- keine/ minimierte Alterung unabhängig von der Luftfeuchtigkeit (auch bis 80 Prozent rel. Luftfeuchte)
- chemische Beständigkeit (z.B. bei Kontakt mit Wasser, Speichel, Körperschweiß)
- Kunststoffverarbeitung mit den herkömmlichen Technologien
- Gewährleistung der Recyclingfähigkeit
- Erhaltung der technischen Kompostierfähigkeit
- ausgewogenes Preis-Leistungs-Verhältnis für Konkurrenzfähigkeit mit erdölbasierenden Massenkunststoffen.
Eine Schlüsselfunktion ist neben der Technologieentwicklung die Schaffung einer umfassendenund flexiblen Systemlösung als Grundlage, um später gezielt nach Kundenanforderungenkostengünstig das Angebot an verschiedenen Polylactidmaterialien zu optimieren bzw. zu erweitern. Die Durchstimmbarkeit von mikroskopischen chemischen Parametern des Polylactidpolymers bei gezielter Einstellung der makroskopischen Kunststoffkennwerte für die langlebigen Fertigteile auf Polylactidbasis ist der innovative Kern dieses Forschungsvorhabens.
Vorteile und Lösungen
Lange Zeit ist man davon ausgegangen, dass Kunststoffe auf Polylactidbasis aufgrund ihrer Bioabbaubarkeit keine Einsatzmöglichkeiten bei langlebigen Produkten haben und deshalb werden diese Materialien hauptsächlich im Verpackungsbereich und bei Einwegprodukten (z.B. Blumentöpfen, Kunststoffbesteck) eingesetzt.
Es hat sich jedoch gezeigt, dass Polylactide wesentlich stabiler sind als zunächst angenommen. Dies hat dazu geführt, dass die Bioabbaubarkeit nicht mehr der wesentliche Vorteil der Polylactide ist, sondern ihre Herstellung auf der Basis von nachwachsenden Rohstoffen (z.B. Mais) oder aus biologischen Nebenprodukten (z.B. Molkeabflälle aus der Käseproduktion). Mit diesem Forschungsvorhaben ist ein wichtiger Beitrag zum Verständnis der Lebensdauer von Polylactid geleistet worden. Die bisherige Lehrmeinung vertrat die Auffassung, dass nur durch Reduzierung des Restmonomergehaltes und einer Verringerung der Restkatalysatormengeder Molmassenabbau von Polylactid und damit der Verlust an mechanischerFestigkeit verhindert werden kann.
Aufgrund dessen, dass in diesem Projekt von der Reinigung des Ausgangsstoffes, Dilactids, über die Synthese von Polylactid, die anschließende Kunststoffverarbeitung und die notwendigen Alterungsprüfungen der gesamte Herstellungsprozess und die Alterungssimulation mit den entsprechenden Analysenmethoden systematisch und umfassend betrachtet wurden, ist der Nachweis gelungen,dass entscheidend für die Alterung des Polylactides die Glasübergangstemperatur des polymeren Materials ist. Trotz einem mit Flüssigchromatographie bestimmten Restmonomergehalt von 0 Prozent und einem Zinngehalt von rund 20 ppb setzt bei Klimalagerung oberhalb von 50 °C der chemische Abbau des Polylactidmaterials ein. Es konnte gezeigt werden, dass der Bereich des Glasübergangs von Polylactid (45 °C bis 75 °C) – bestimmt mit der DSC-Analyse – sehr gut mit dem Schrumpf der Zugstäbe innerhalb von 24 h Lagerung bei 30 Prozent rel. Luftfeuchte in Abhängigkeit von der Temperatur bestimmt werden kann. Die Langzeitstabilität kann realisiert werden, wenn die Einsatztemperatur unterhalb der Offset-Temperatur für den Glasübergangsbereich bleibt. Die Molmasse, die Geometrie und die mechanischen Eigenschaften bleiben konstant sowohl im Konstantklima bei 45 °C als auch im Wechselklima von -40 °C bis 45 °C im Prüfzeitraum von 1000 h.
Im Gegensatz zu auf dem Markt befindlichen Erzeugnissen bzw. zu anderen laufenden Forschungsarbeiten wird im vorliegenden Fall nicht der Schmelzpunkt des PLA-Materials als entscheidendes Kriterium sondern der Erweichungs- bzw. Glasübergangsbereich gesehen.
Zielgruppe und Zielmarkt
Aufbauend auf den gesammelten Erkenntnissen und Erfahrungen werden in der weiterführenden Forschungstätigkeit Experimente durchgeführt, um mittels Copolymerisation die Glasübergangstemperatur des Polylactidbasismaterials deutlich zu erhöhen.
In den aktuellen Marktstudien werden für Biokunststoffe derzeit 20 Prozent Weltmarktanteil taxiert. Der Autobauer Toyota beispielsweise will mit seiner eigenen PLA(Polylactid)-Anlage bis 2020 66 Prozent des Weltbedarfs decken. Die Japaner rechnen dann mit einem Jahresumsatz von 38 Milliarden US-Dollar.