Bio-Alternativen für weichgemachte Vinylchloridpolymere

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1 Bio-Alternativen für weichgemachte Vinylchloridpolymere Nikola Kocic 22. Oktober 2014 Agenda Vorstellung SKZ Einleitung, Problemstellung, Zielsetzung und Lösungsweg Bisher durchgeführte Arbeiten Zusammenfassung und Ausblick 2 1

2 Agenda Vorstellung SKZ Einleitung, Problemstellung, Zielsetzung und Lösungsweg Bisher durchgeführte Arbeiten Zusammenfassung und Ausblick 3 Das SKZ Zahlen und Fakten Mitglieder: > 330 Firmen, Institute, Behörden 320 Mitarbeiter (davon 90 in FuE) Umsatz: 27,7 Mio. EUR (2013) (davon ca. 7,4 Mio EUR in FuE) Hauptsitz in Würzburg 7 Ausbildungsstätten weltweit 3 Forschungsstandorte in Deutschland Hauptsitz Ausbildungsstätten FuE Standorte 4 2

3 Biopolymere im SKZ Rezepturentwicklung Prozessoptimierung Prüfung Fügen Nachhaltigkeit Verschiedene Forschungsprojekte, z. B. - Bio-TPV - Heißkanalsystem für Biopolymere - Schweißen von Biofolien - Kompetenznetzwerk im Rahmen des Biopolymernetzwerkes der FNR - Bio-Alternativen für PVC-P Fachtagungen 5 Agenda Vorstellung SKZ Einleitung, Problemstellung, Zielsetzung und Lösungsweg Bisher durchgeführte Arbeiten Zusammenfassung und Ausblick 6 3

4 Einleitung: PVC Exzellente mechanische Eigenschaften UV-Stabilität Gute chemische Beständigkeit Gute Verarbeitbarkeit Gute Bedruckbarkeit Niedriger Preis Nach Polyolefinen der meistverwendete Kunststoff Anwendungsbeispiele von PVC-P: - Ummantelungen (Kabel und Leitungen) - Schläuche - Boden- und Tischbeläge - Spielzeuge - Verpackungsfolien 7 Problemstellung Preissteigerung und Endlichkeit bei fossilen Rohstoffen Fokus PVC: Wahrnehmung in der Öffentlichkeit Zusätzlich bei PVC-P: Kritik an klassischen Phthalate-Weichmachern Alternativen gesucht für PVC-P Migrationsproblematik bleibt bestehen Forschungsbedarf 8 4

5 Zielsetzung Bio-Alternative zu PVC-P Zielsetzung - Anforderungen Basis - Homogen - Migrationsstabil - Härte 90 Shore A Spielzeug (Spritzguss) - Niedrige Schmelzviskosität - Gute Entformbarkeit Folie (Kalander) - Hohe Schmelzviskosität - Kein Plate Out - Geringe Klebeneigung - Einfärbbar, Lackierbar, Bedruckbar - Trägerhaftung - Beständig gegen Ethanol, Säuren und Wasser - Farbänderung (1 Woche / 80 ºC): de 3 - Einfärbbar, Lackierbar, Verklebbar - UV-beständig - Zugfestigkeit > 20 MPa - Gute Wärmeformbeständigkeit - Bruchdehnung > 200 % (Wärmeofen 24h bei 54 C) - Zugfestigkeit 20 MPa - E-Modul 16 MPa - Bruchdehnung 250 % 10 5

6 Lösungsweg Erstellen geeigneter Rezepturen Prozessoptimierung Upscale Demonstratoren Meilenstein 1 (Laborkneter) - Homogenität - Migrationsstabilität - Härte (max. 95 Shore A) Meilenstein 2 (Doppelschneckenextruder) - Konzeption der Compoundiertechnik - Härte (max. 90 Shore A) - Lackierbarkeit/Bedruckbarkeit Meilenstein 3 (scale-up) - Validierung der Verfahrenstechnik - Härte (max Shore A) - Demonstratoranwendungen 11 Agenda Vorstellung SKZ Einleitung, Problemstellung, Zielsetzung und Lösungsweg Bisher durchgeführte Arbeiten Zusammenfassung und Ausblick 12 6

7 Rohstoffe Biopolymer Matrix, z. B: - PLA - PHB - CA - TPS Bio-Weichmacher, z. B: - Polyole - Ester - Pflanzenöle Füllstoffe z. B: - Kreide - Talkum Zusatzstoffe z. B: - Viskositäts-modifier - Trennmittel - Stabilisator Vorgehensweise Vorversuche (Laborkneter) Hauptversuche - Visuelle Beobachtung - Mischen (Laborkneter) - Voroptimierung des Prozesses - Zusammensetzung const. - Herstellung der Probenkörper (Presse) - Charakterisierung Massenverlust Ausgewählte (Lagerung 7 Tage, 70 ºC) Proben Härte (vor und nach der Lagerung) 14 7

8 Vorversuche: Beispiel Schlecht Gut 15 Ergebnisse: Vielversprechendste Mischungen Polymermatrix: PHB Weichmacher: - Triacetin - Zitronensäureester Prozessparameter - Temperatur: 170 ºC - Drehzahl: 35 min -1 - Verweilzeit: 5 min PHB O O CH 3 H 3 C O O CH3 Zitronensäureester O Triacetin O 16 8

9 Ergebnisse: PHB-1 + Triacetin Massenverlust von 12 bis 20 % Härte von 28 Shore D (ungelagert) bis 44 Shore D (gelagert) 17 Ergebnisse: PHB-1 + Zitronensäureester Niedrige Massenverlust bis zu ca 1,7 Gew.-% Niedrige Härte von 26 bis 45 (Shore D) Fast kein Unterschied in der Härte vor und nach der Lagerung 18 9

10 Ergebnisse: Vergleich Optimale Zusammensetzung PHB-1 + Triac. PHB-1 + Zitronensäureest. PHB-2 + Zitronensäureest. Massenverlust (Gew.-%) Härte (ungelagert) (Shore D) Härte (gelagert) (Shore D) 19 1,7 1, (bzw. 90 Shore A) 19 Agenda Vorstellung SKZ Einleitung, Problemstellung, Zielsetzung und Lösungsweg Bisher durchgeführte Arbeiten Zusammenfassung und Ausblick 20 10

11 Zusammenfassung Verschiedene biobasierte Polymere und Weichmacher wurden ausgewählt Kompatibilität wurde auf einem Laborkneter untersucht Vielversprechende Mischungen wurden zu Platten verarbeitet Massenverlust nach Lagerung sowie Härte wurden ermittelt PHB-2 + Zitronensäureester - Härte: 90 Shore A - Massenverlust (nach 7 Tagen bei 70 ºC): 1,3 Gew.-% 21 Ausblick Aufbereitung der Granulate auf Doppelschneckenextruder (läuft) - Optimierung der Prozessparameter - Erstellung von zwei Basisrezepturen (Spritzgießen, Kalandrieren) - Charakterisierung Variation der Rohstoffe, z. B. - Verschiedene Füllstoffe (Partikelgröße, Oberflächenbehandlung,...) - Stabilisatoren - Verarbeitungshilfsmittel Fertigung von Demonstratoren und Überprüfung der produktspezifischen Eigenschaften wie z. B. - Gesundheitliche Verträglichkeit - Lackierbarkeit, Einfärbbarkeit, Verklebbarkeit - Sicherheit von Spielzeug 22 11

12 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Kontakt: Nikola Kocić SKZ KFE ggmbh Materialentwicklung Tel