Відновлювана сировина для сектору пластмас - хімія; більше
Відродження біополімерів
Стійкість, ефективність використання ресурсів, викиди СО2 - ось ключові проблеми глобалізованого соціального розвитку, які також вирішуються виробництвом та переробкою полімерів. Народні полімери, такі як целюлоза, лігнін або крохмаль, але також (частково) поліаміди на основі біологічної основи або полілактид (PLA) стають предметом інтересу. Покращені матеріальні та технологічні властивості цього класу полімерів є предметом досліджень, представлених тут у рамках спільного проекту, що фінансується FNR "Біополімер Вербунд".
Целюлоза, найпоширеніша відновлювана сировина та основний компонент деревини, завжди відігравала важливу роль у будівельній, меблевій, паперовій та текстильній промисловості. Але целюлозні волокна також все частіше використовуються в якості армуючих компонентів у секторі пластмас, і такі вироби, як WPC (композити з деревини із пластику), виробляються в екструзійному профілі або в процесах пресування використовуються килимки з натуральних волокон. Стрибок рівня властивостей досягається за рахунок використання целюлозних штапельних волокон. Ці волокна виробляються шляхом розчинення целюлози або похідних целюлози, а потім їх прядінням і в даний час використовуються в текстилі (віскоза) або як арматура у високоефективних шинах (віскоза). Підхід, застосований у проекті посилення термопластів на біологічній основі, таких як PLA або біополіамід, штучним випромінюванням привів до чудових властивостей на рівні композитів зі скловолокна [1] [2]. У співпраці з виробником волокон Cordenka GmbH також були розроблені більш термостійкі волокна, які дозволяють використовувати термопласти з високим плавленням [3].
Іншим головним компонентом деревини є лігнін, поліароматична макромолекула, що складається із змінних пропорцій кумарильного, коніферилового та синапілового спирту, який в даний час в основному використовується для виробництва енергії на целюлозних комбінатах. Досліджено можливості використання матеріалів для систем на основі епоксидних смол на основі біологічної основи та сумішей з поліолефінами. У співпраці з Pracht Lichttechnik GmbH були розроблені прототипи корпусів світлодіодних ламп, які складаються з тканин з натуральних волокон, пов’язаних із лігніновою смолою. Спільно з Tecnaro GmbH були розроблені оптимізовані за морфологією суміші лігніну та поліолефінів [4] із вмістом до 70% лігніну, які мають відмінні механічні властивості, включаючи високу ударну в'язкість та пропонують цінові переваги порівняно з чистими поліолефінами.
Ще однією важливою відновлюваною сировиною є крохмаль, який широко використовується поза харчовим сектором у паперовій промисловості. Суміші з поліолефінами (включаючи ті, що містять біологічну основу) і PLA представляють ще один варіант технічного застосування, який не був вивчений дуже добре.Тут разом із Biotec були розглянуті можливості лиття під дією піни в Engel Austria GmbH та переробки в видувні плівки та витягнуті вироби. Порівняно зі звичайними партнерами з суміші, такими як аліфатичні поліефіри, є переваги щодо зменшення ваги, поліпшення жорсткості та міцності, зменшення водопоглинання [5] та витрат.
Біопластика - це пластмаса на основі відновлюваної сировини, яка залежно від хімічної структури може бути також біологічно розкладається. Найвідоміші комерційно доступні біопластики включають полілактид (PLA), біополіетилен (bio-PE) і тривалий час різні біо-поліаміди (bio-PA). Сировиною, яка використовується для синтезу цих пластмас, є в основному вуглеводи кукурудзи або цукрової тростини, а також рослинні олії, такі як рицинова олія.
В рамках проекту спільно з компанією Clariant Masterbatches GmbH було розглянуто можливості поліпшення поведінки PLA за допомогою обтяжувачів ланцюгів. В'язкість, ударний вигин і розтягуючі властивості можуть бути значно покращені. Цей результат був досягнутий додаванням вибраних каталізаторів з метою зниження температури реакції та швидкості. Це призводить як до переробки, так і до економічних переваг для підприємств з переробки пластмас, що робить використання біопласту більш привабливим. Спільно з виробником медичних технологій B. Braun Melsungen AG можна також визначити позитивний вплив подовжувача ланцюга на ударну в'язкість стерилізованих зразків PLA.
Модифікатори впливу на основі сополімерів етилену досліджувались як додаткова добавка для порівняно крихкого біопластичного PLA. Вони показали значне збільшення подовження при розриві та поглинання енергії у разі раптового напруження, завдяки чому стає можливим більша область застосування [6].
Що стосується технології обробки, спільно з виробником верстатів Zeppelin Systems GmbH та компанією Albis Plastic GmbH досліджували оптимізовані налаштування процесу на двошнековому екструдері та їх вплив на властивості матеріалу. Порівняно з досліджуваними РР-сполуками було виявлено значний вплив конфігурації екструдера на технологічність сполук PLA, з чого можна було отримати оптимізовані умови процесу.
Як і звичайні пластмаси, біопласти можуть бути зміцнені волокнами, щоб розширити діапазон властивостей. На додаток до широко розповсюджених арматурних волокон зі скла або вуглецю, особливо для біопластів досліджували волокна, виготовлені з відновлюваної сировини. У поєднанні з біопластиками PLA та Bio-PA вони дозволяють виробляти композиційні матеріали на повністю біологічній основі. Через низьку щільність целюлози компоненти, армовані целюлозним волокном, мають меншу вагу, ніж компоненти, армовані скловолокном, з однаковим вмістом волокна. Дослідження зосереджувались на целюлозних основних волокнах, про які вже згадувалося.
Що стосується технології процесу, включення целюлозних волокон у поліаміди, які мають температуру обробки понад 200 ° C, є вимогливим. За допомогою процесу пултрузії та адаптованих параметрів процесу тут були досягнуті чудові механічні властивості [2]. Термопласти, зміцнені короткими волокнами з віскозними волокнами, мають значно вищу міцність на удар, ніж ті, що мають звичайне армування зі скловолокна. Крім того, нещодавно розроблені віскозні волокна з вищою термостійкістю [3] надають додатковий потенціал в області механічних властивостей технічних біокомпозитних матеріалів.
Під керівництвом Zeppelin Systems GmbH був розроблений промислово застосовний, енергоефективний та енергозберігаючий процес складання біопатогену з використанням спеціальних замішуючих елементів у двошнековому екструдері. Також можна продемонструвати, що композити PLA з постійно працюючого змішувача нагрівання-охолодження досягають властивостей, порівнянних із властивостями двошнекового екструдера.
В рамках майже серійних випробувань обробки литтям під тиском та екструзії профілів у партнерів проекту Denk Kunststoff Technik GmbH, Technoform Kunststoffprofile GmbH та Hettich GmbH, компоненти виготовлялися з композитів волокон на біологічній основі, що не лише демонструє значну перевагу у вазі порівняно з волокнистими композитами, що використовуються в серії.
В даний час біополімери, виготовлені з відновлюваної сировини, переживають ренесанс. Тут центральну роль відіграють аспекти сталості та скорочення викидів CO 2. Для досягнення посиленого проникнення на ринок необхідно розробляти економічно ефективні виробничі процеси, знаходити оптимізовані методи обробки та вдосконалювати властивості матеріалів з урахуванням конкретних застосувань. Мета тут полягає в тому, щоб наздогнати 60-річний провід пластмас на нафтовій основі, до яких прикладні дослідження вносять свій внесок.