Verarbeitung von Biokunststoffen zu Folien und Fasern

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1 Verarbeitung von Biokunststoffen zu Folien und Fasern Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung - FAKUMA 2015

2 Biopolymere in der Folienherstellung Untersuchte Kunststoffe Rohstoff- Handelsname Hersteller Einsatzgebiet bezeichnung LDPE 310 E DOW (Referenzfolie, MFI 2,0 g/10min) HDPE Egda 6888 Equate (Referenzfolie, MFI 0,2 g/10min) PBAT/PLA Ecovio F 2341 BASF T-Shirt-Beutel, Gemüsebeutel, Beutel für Biomüll PBAT/PLA Ecovio F Mulch C 2311 BASF Landwirtschaftsfolien, Abdeckfolien, Silofolien Co-Polyester/PLA Mater-Bi CE 01 B Novamont Lebensmittelverpackungen Co-Polyester/TPS Mater-Bi CF 06 A Novamont T-Shirt-Beutel, Müllbeutel Co-Polyester/PLA Mater-Bi EF 51 L Novamont Lebensmittelverpackungen, T-Shirt-Beutel PBS GS Pla FD 92 WD Mitsubishi Chem. Verpackungsfolien, landwirtschaftliche Folien, geschäumte Anwendungen PBS GS Pla FZ 91 PD Mitsubishi Chem. PBS Bionolle 1001 MD ShowaDenko Verpackungsfolien, landwirtschaftliche Folien, geschäumte Anwendungen PLA Ingeo 4043D Nature Works Gemüseverpackung, Geschenkverpackungen, Verpackung von Süßwaren PLA Ingeo 4032D Nature Works Gemüseverpackung, Geschenkverpackungen, Verpackung von Süßwaren Verpackungsfolien, Kaschierfolien, Rohrextrusion, geschäumte Anwendungen PA11 Rilsan Besno TL Arkema (Komponente in Rohstoffkombinationen und Mittelschicht in 3-Sch.-Folien) PVAc (Pulver) Vinnex 2505 Wacker AG (Komponente in Rohstoffkombinationen) PVAc (Festharz) Vinnex 2525 Wacker AG (Komponente in Rohstoffkombinationen)

3 Biopolymere in der Folienherstellung Grundsätzliche Erfahrungen bei der Verarbeitung der Biopolymere Sämtliche Materialien ließen sich problemlos extrudieren. Schmelzehomogenität augenscheinlich gut. Der Einsatz von Schmelzesieben ist empfehlenswert. Sämtliche Materialien ließen sich nach der Produktion problemlos mit LDPE spülen. Es gab über den gesamten Zeitraum keine nennenswerten Verunreinigungen an Schnecke, Zylinder oder anderen schmelze-führenden Teilen. Herstellung von Regenerat aus Produktionsabfällen und Zugabe im Bereich von 10 % oder auch höher problemlos möglich.

4 Biopolymere in der Folienherstellung Grundsätzliche Erfahrungen bei der Verarbeitung der Biopolymere Die Fenster für die Verarbeitungstemperaturen sind enger als bei PE. (Z.B. PLA +/- 5 C, PBS +/- 10 C) Eine Trocknung des Granulates ist grundsätzlich zu empfehlen. Aber: Beim Einsatz von trocken innen gelagertem Material aus geschlossenen Gebinden wurden ohne Trocknung keine Nachteile festgestellt. Die erreichbaren Aufblasverhältnisse sind zum Teil kleiner als bei PE. (Z.B. PLA 1 : 2,4 PBS 1 : 3,3 Ecovio, Mater-Bi, PE > 1 : 4) Durch den Einsatz von Zusatzkomponenten wie PVAc (z.b. Vinnex) lassen sich Verarbeitungsverhalten und Folieneigenschaften verbessern.

5 Biopolymere in der Folienherstellung Grundsätzliche Erfahrungen bei der Verarbeitung der Biopolymere Trocknungstemperatur 50 C Restfeuchtegehalt in % 0,1 0,09 0,08 0,07 0,06 0,05 0,04 0,03 0,02 0,01 0 0,0921 0,0628 0,0312 0, Trocknungszeit in min Trocknungsversuch zur Bestimmung des Restfeuchtegehaltes mit PLA Ingeo 4032 in einem Trockenlufttrockner

6 Biopolymere in der Folienherstellung Zugprüfungen (ASTM D882) 1-Schicht-Schlauchfolien 100 % Rohmaterial Max. Zugfestigkeit [MPa] 80,0 60,0 40,0 20,0 MD CD A LDPE 310 E B HDPE Egda 6888 C1 Ecovio F 2341 C2 Ecovio F Mulch C 2311 D1 Materbi CE 01 B D2 Materbi CF 06 A D3 Materbi EF 51 L E1 GS Pla FD 92 WD E2 GS Pla FZ 91 PD F PBS Bionolle 1001MD G PLA 4043 Bruchdehnung [%] E-Modul [MPa] 0, A B C1 C2 D1 D2 D3 E1 E2 F G A B C1 C2 D1 D2 D3 E1 E2 F G MD CD MD CD 0 A B C1 C2 D1 D2 D3 E1 E2 F G

7 Oberflächenspannung von Biofolien (Bedruckbarkeit) A LDPE 310 E B HDPE Egda 6888 C1 Ecovio F 2341 C2 Ecovio F Mulch C 2311 D1 Materbi CE 01 B D2 Materbi CF 06 A D3 Materbi EF 51 L E1 GS Pla FD 92 WD E2 GS Pla FZ 91 PD F PBS Bionolle 1001 MD G PLA 4043 H PLA +30% % PBS 60% 2505 I 20% PLA+30%2525 AS/AS _ J PA11 MS PBS B.1001MD K AS/AS_PA11 MS PBS B MD+20%2505 L AS/AS_PA11 MS [mn/m] [dyn] A B C1 C2 D1 D2 D3 E1 E2 F G H I J K L Oberflächens pannung

8 Biopolymere in der Folienherstellung Fazit: Alle untersuchten Biopolymere lassen sich ohne Modifizierungen zu guten Folien verarbeiten. Sie sind maschinengängig und verursachen bei der Verarbeitung keine Probleme. Die Folieneigenschaften (Mechanik, Optik, Haptik etc.) können je nach Materialtype sehr unterschiedlich sein. Bei der Auswahl der Rohstoffe ist der jeweilige Einsatzzweck der Folie genau zu prüfen. Biofolien lassen sich gut weiterverarbeiten (Siegeln, Bedrucken). Bei hohen Ansprüchen an die mechanischen Eigenschaften ist weiterer Entwicklungsbedarf vorhanden. Dafür bieten sich chemische und physikalische Modifikation der Rohstoffe sowie die Coextrusionstechnik an.

9 Biobasierte Mehrschichtfolien Zugprüfungen (ASTM D882) 1-Schicht vs. 3-Schicht 100 % und Compounds Max. Zugfestigkeit [MPa] 80,0 60,0 40,0 20,0 MD CD A LDPE 310 E B HDPE Egda 6888 C1 Ecovio F 2341 D3 Materbi EF 51 L E1 GS Pla FD 92 WD H I J K L PLA 4043 V2505 PLA 4043/1001MD/V2505 PLA 4032 V2525 (AS/AS) PA11 Rilsan (MS) PBS B.1001MD (AS/AS) PA11 Rilsan (MS) PBS B.1001MD+V2505 (AS/AS) PA11 Rilsan (MS) Bruchdehnung [%] E-Modul [MPa] 0, A B C1 D3 E1 H I J K L A B C1 D3 E1 H I J K L A B C1 D3 E1 H I J K L MD CD MD CD

10 Biobasierte Mehrschichtfolien Ausblick: Durch Nutzung von geeignetem 3-Schichtaufbau können Biofolien hergestellt werden, deren spezifische mechanische Eigenschaften denen von PE-Folien überlegen sind. Somit besteht die Möglichkeit, dickenreduzierte Biofolien (3-Schicht) in Bereichen einzusetzen, in denen heute konventionelle PE-Folien normaler Dicke verarbeitet werden und so den wirtschaftlichen Nachteil von Biofolien zu verringern. Es besteht jedoch noch Bedarf, den Zusammenhalt der einzelnen Schichten aus den beteiligten Rohstoffen zu verbessern. Dann werden 3-Schicht-Biofolien für anspruchsvollere Anwendungen einsetzbar.

11 Textile Einsatzgebiete Bekleidung Baby- und Kleinkindertextilien Sport- und Erlebniskleidung Alltagskleidung Heimtextilien Gardinen- und Vorhangsstoffe Bett- und Tischwäsche Polster Textilien Industrie Fahrzeugbau und Luftfahrt Gurte im Transportwesen Filtrationsmittel Medizin medizinische Arbeits- und Spezialkleidung Verband- und Abdeckmaterialien intrakoporaler Ersatz

12 Schmelzspinnverfahren

13 Polylactid PLA Ingeo TM Biopolymer 6201D & Ingeo TM Biopolymer 6400D (NatureWorks) Ingeo TM 6201D C Ingeo TM 6400D C 1000 lufttrockene Probe getrocknete Probe in Pas in Pas , in 1/s Fließkurven bei 230 C (Kegel Platte Architektur, Rheometer RheoStress RS150 ) HAAKE T in C Ingeo TM 6201D - Nullscherviskositäten PET* Ingeo TM 6201D Ingeo TM 6400D Dichte 1,37 1,24 1,24 T g [ C] T m [ C] Spinntemperatur [ C]

14 Polylactid PLA Ingeo TM Biopolymer 6201D & Ingeo TM Biopolymer 6400D (NatureWorks) Wert Gesamtreckung = 215 / Titer = 1,7dtex Ingeo TM 6201 D Ingeo TM 6400 D Reißfestigkeit E-Modul Bruchdehnung Wert Gesamtreckung = 350 / Titer = 1,1 dtex Ingeo TM 6201 D Ingeo TM 6400 D Reißfestigkeit E-Modul Bruchdehnung Mechanische Eigenschaften von Ingeo TM 6400D aufgrund der höheren Molmasse besser als bei Ingeo TM 6201D Stabiler Fadenbildungprozess bei beiden Ingeo-Typen gewährleistet Niedrigere Verarbeitungstemperaturen gegenüber PET bei adäquater Spinnprozessführung

15 Mikrofaser aus Polyamid 11 Titer [dtex] Reißfestigkeit [cn/tex] E-Modul [cn/tex] Bruchdehnung [%] Feuchteaufnahme [%] 0,57 ±,05 43 ±3 220 ±10 53 ±6 1,6 Niedrigere Verarbeitungstemperaturen Geringere Wasseraufnahme ( PA 6 3,5-4,5 %)

16 Zusammenfassung Faserherstellung aus Biokunststoffen Gute Fließeigenschaften der Schmelzen ermöglichen hohe Fördergeschwindigkeiten Stabile Prozessführung mit den kommerziellen Typen absolut gegeben Textilphysikalische Werte von PLA mit PET sowie von PA11 mit PA6 vergleichbar

17 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit, für Fragen stehen wir gerne zur Verfügung!