Verarbeitung von Biopolymeren mittels unterschiedlicher Compoundierkonzepte

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1 1 Verarbeitung von Biopolymeren mittels unterschiedlicher Compoundierkonzepte Dr.-Ing. Marieluise Lang Matthias Wilhelm 19. September 2014 Inhalt Biopolymere Problematik & Chancen Anwendungsgebiete und Parallelen zu konventionellen Kunststoffen Verarbeitung von Biopolymeren auf dem DSE Upscaling Veredelung im Produktionsmaßstab Noch schonendere Verarbeitung Buss Ko-Kneter & Gneuß MRS Ausblick und weitere Forschungsthemen am SKZ 2

2 2 Was sind Biokunststoffe? Biobasiert & nicht abbaubar Biobasiert & abbaubar Petrobasiert & abbaubar 3 Chancen und Konflikte Es besteht kein Wettbewerb um Anbauflächen Kunststoffproduktion p.a. [10 6 t] Biopolymerproduktion 2015 p.a. [10 6 t] Benötigte Anbaufläche in 2015 [km²] Vorhandene Anbaufläche [km²] Welt 250 1, Mio. EU 65 0, ,8 Mio. Deutschland 20 0, ,17 Mio. Lediglich 0,03 % der weltweit verfügbaren Anbaufläche wird derzeit genutzt Ausweitung auf 5 % würde den gesamten Kunststoffbedarf decken Biopolymere offerieren eine Alternative zu konventionellen Kunststoffen 4 Quelle: [End12]

3 3 Chancen und Konflikte Produktion von Kautschuk aus Löwenzahn Fakten: Industriell einsetzbares Verfahren zur Herstellung von Naturkautschuk aus Löwenzahn Löwenzahnanbau auf Brachflächen möglich (weltweit 1,0 Mio. km² vorhanden) 200 km² könnten Bedarf von Naturkautschuk in Deutschland decken [Che14] 5 Chancen für Biopolymere Vorteile des Werkstoffes in den Bereichen: Lebensmittelkontakt Spielwaren & Kontakt zu Menschen Medizintechnik Recycling 6

4 4 Chancen für Biopolymere Biopolymere bieten ein ergänzendes Eigenschaftsprofil Gezielte Modifizierung offeriert zusätzliche Möglichkeiten Quelle: [EnS09] 7 Problematik des Einsatzes Dennoch: Biokunststoffe sind noch nicht etabliert Gründe: 1. anhaltender Vorbehalt der potentiellen Verarbeiter 2. Verarbeitungsproblematik: Stabilisierung und Molekulargewichtsabbau Quelle: [DoW11] Ansatzpunkt SKZ: Erweiterung Kenntnisstand & Aufzeigen von Chancen 8

5 5 Inhalt Biopolymere Problematik & Chancen Anwendungsgebiete und Parallelen zu konventionellen Kunststoffen Verarbeitung von Biopolymeren auf dem DSE Upscaling Veredelung im Produktionsmaßstab Noch schonendere Verarbeitung Buss Ko-Kneter & Gneuß MRS Ausblick und weitere Forschungsthemen am SKZ 9 Heutige Anwendungsgebiete Bereits etablierte Anwendungen vorwiegend für kurzlebige Produkte: Verpackungsindustrie Medizinische Produkte Naturfaserverstärkte Produkte Trend geht zu technischen und langlebigen Produkten 10 Quelle: [Mue13] & [Hel11]

6 6 Beispiel-Projekt: Bio-TPV Ziel Entwicklung einer neuartigen Materialklasse von TPV mit >90 % nachwachsenden Rohstoffen Inhalte Entwicklung geeigneter Rezepturen und Verfahrenstechniken Upscale, Demonstratoren Ökoeffizienzanalyse Ergebnisse Einstellung von Härte gut möglich Empfindlich gegen Scherung und Temperatur (=> Geruch) Angenehme Haptik Bedrucken/Lackieren gut möglich Bio-TPV Std-TPV (EPDM/PP) Härte (Shore A) Druckverformungsrest (%) Reißfestigkeit (MPa) 3,5 4,7 3,5 8,5 Reißdehnung (%) längs Reißdehnung (%) quer Partner: Tecnaro GmbH und Schleich GmbH 11 Beispiel-Projekt: Bio-TPV Spielzeugfiguren von Fa. Schleich (werden nächstes Jahr vermarktet) Dichtungen für Aufbewahrungsboxen von Fa. ajaa 12

7 Parallelen zu konventionellen Kunststoffen 7 PP PET PLA CA Zug-E-Modul [GPa] 1,2 2,7 5,2 3,0 Charpy [kj/m²] T g [C] Wärmeformbeständigkeit VST B50 [ C] Vortrocknung nein ja ja Ja Hydrolyseanfälligkeit nein ja ja nein Abbau gering stark stark mittel PLA und PET mit ähnlichen Verarbeitungseigenschaften vergleichbar Maschinenkonzepte können von PET auf PLA übertragen werden Insgesamt Verarbeitungseigenschaften von Biopolymeren vergleichbar zu scher- und temperaturempfindlichen konventionellen Kunststoffen Modifizierung im Fokus 13 Inhalt Biopolymere Problematik & Chancen Anwendungsgebiete und Parallelen zu konventionellen Kunststoffen Verarbeitung von Biopolymeren auf dem DSE Upscaling Veredelung im Produktionsmaßstab Noch schonendere Verarbeitung Buss Ko-Kneter & Gneuß MRS Ausblick und weitere Forschungsthemen am SKZ 14

8 8 Ausstattung Technikum 15 Vorteile DSE & untersuchte Größen Einstellgrößen Durchsatz Drehzahl Temperierung Vakuum Schnecke Gehäuse Werkzeug Material Feuchte Prozessgrößen Drehmoment Leistung pro Schnecke Druckverlauf Temperatur SEI Verweilzeit Aufschmelzverhalten Mischgüte Materialeigenschaften Wie stark bauen Biopolymere während dem Prozess ab?? Einzug Aufschmelzen Schmelzen / Mischen Dispergieren / Homogenisieren Vorteile: Modularer Aufbau Sehr gute Mischwirkung & Entgasung Schonende Verarbeitbarkeit des Polymers Dosierung von Granulaten, Pulvern und Flüssigkeiten möglich 16

9 9 Ergebnisse DSE Thermische und mechanische Belastung stellen signifikante Größen dar 17 Ergebnisse DSE Je höher der aus den beiden größer gebildete SEI ist, desto stärker ist auch der Abbau 18

10 10 Ergebnisse DSE Thermischer und mechanischer Einfluss kann sogar Feuchtgehalt und notwendigen Entgasungsdruck überlagern Hochvakuum ist entscheidend Verhindert hydrolytischen Abbau Bei schlechtem n-m-verhältnis führt hoher Entgasungsdruck zu hoher Schmelzetemperatur 19 Aufbereitung Celluloseacetat PLA - Strang Anfahren CA mit 200 C Temperierung Strangaufweitung bei 200 C Temperierung 20

11 11 Entgasung Celluloseacetat atmosphärisch 200 mbar relativer Entgasungsdruck 50 mbar relativer Entgasungsdruck Starkes Vakuum zieht Weichmacher aus CA Erhöhte Dissipation führt zu Temperaturerhöhung und Verbrennen des Materials 21 Inhalt Biopolymere Problematik & Chancen Anwendungsgebiete und Parallelen zu konventionellen Kunststoffen Verarbeitung von Biopolymeren auf dem DSE Upscaling Veredelung im Produktionsmaßstab Noch schonendere Verarbeitung Buss Ko-Kneter & Gneuß MRS Ausblick und weitere Forschungsthemen am SKZ 22

12 12 Warum Scale-Up Scale-Up wird zur Übertragung der Ergebnisse auf Produktionsmaschinen durchgeführt Dadurch wird wirtschaftliches Arbeiten bei gleichzeitig maximalem Durchsatz gewährleistet Scale Up Übertragung der Betriebspunkte Zusätzlich: Optimierung des Durchsatz-Drehzahlverhältnisses Ziel: möglichst geringer spezifischer Energieeintrag 23 Scale-Up Durch perfektes n-m-verhältnis kann der Abbau auf fast 0% reduziert werden Erhöhter SEI führt zu stärkerem Abbau Kein Unterschied bei unterschiedlichem D a /D i feststellbar Erhöhter Einfluss des Entgasungsdruckes mit gesteigertem Durchsatz 24

13 13 Inhalt Biopolymere Problematik & Chancen Anwendungsgebiete und Parallelen zu konventionellen Kunststoffen Verarbeitung von Biopolymeren auf dem DSE Upscaling Veredelung im Produktionsmaßstab Noch schonendere Verarbeitung Buss Ko-Kneter & Gneuß MRS Ausblick und weitere Forschungsthemen am SKZ 25 Konzept Buss Ko-Kneter Kontinuierlicher Kneter Oszillierende Schneckenwelle Schonender dispersiver Mischeffekt Scher-/temperaturempfindliche Produkte Quelle: [Rie12] 26

14 14 Verweilzeitabhängigkeit Abbau Mw [%] 12,00 10,00 8,00 6,00 4,00 2,00 0, Zugabeposition Sinkender Abbau mit sinkender Verweilzeit Entgasung nicht optimal Maximaler Abbau bei 10% M w Gneuß MRS Extruder Gehäuse und Schnecke einteilig Mischwirkung eher gering (abhängig von der Schneckenauslegung) Geringe Selbstreinigung breite Verweilzeitverteilung Entgasungsleistung sehr gut Einzug von Granulat (Agglomerat) möglich, Pulver problematisch Gutes Druckaufbauvermögen 28

15 15 Gneuß MRS Extruder Ursprüngliches Molekulargewicht g/mol Quelle: [Gne13] 29 Inhalt Biopolymere Problematik & Chancen Anwendungsgebiete und Parallelen zu konventionellen Kunststoffen Verarbeitung von Biopolymeren auf dem DSE Upscaling Veredelung im Produktionsmaßstab Noch schonendere Verarbeitung Buss Ko-Kneter & Gneuß MRS Ausblick und weitere Forschungsthemen am SKZ 30

16 16 Ausblick - Modifizierung Compoundieren Spritzgießen Zugversuche Druckvervormungsrest-Bestimmung Ziele Entwicklung einer neuartigen Materialklasse von TPE-V, welche zu >90 % aus nachwachsenden Rohstoffen bestehen Erstellen geeigneter Rezepturen und Entwicklung der Verfahrenstechnik Weitere Schwerpunkte Entwicklung und Modifizierung von biobasierten Polymeren für die Extrusionsanwendungen Rezepturgestaltung und Mischungsherstellung von biobasierten Weich - PVC-Alternativen 31 Extrusion von Biopolymeren Kompetenz Extrusion Kompetenz Direktextrusion WPC Kompetenz Extrusion Biopolymere Ziele: Konstruktion eines Profilextrusionswerkzeuges Optimierung von Fließwegen, Druckabfall und Peripherie Aufbau der notwendigen Kompetenzen 32

17 17 Weitere Forschungsgebiete Schweißen von Biofolien Direktverarbeitung WPC Inline- Farbmessung &Thermographie Aktuelle Projekte Verfahrensauslegung Extrusion Verfahrenskonzept Spritzguss Additivierung & Modifizierung 33 Quellen [End12] Endres (2012): Vortrag am SKZ - Das Kunststoffzentrum am [Che14] [EnS09] [DoW11] [Mue13] [Hel11] [Rie12] [Gne13] CHEManager (2014): Löwenzahn gibt Gummi! Forschungsprojekt untersucht großtechnische Gewinnung von Latex aus Löwenzahnmilch für Autoreifen. Tübingen. GIT Verlag. Artikel im CHEManager 10/2014 Endres, Siebert-Raths (2009): Technische Biopolymere: Rahmenbedingungen, Marktsituation, Herstellung, Aufbau und Eigenschaften. Carl Hanser Fachbuchverlag, München 2009 Dörner, Wortberg (2011): Umfrage zur Markteinschätzung und zum Zukunftspotential von Biopolymeren. Vortrag auf der 4. BioKunststoffe- Hannover am Muelhaupt (2013): Ist die Zukunft der Biokunststoffe grün Trendbericht Teil 1. München: Carl Hanser Verlag: Online verfügbar unter: Helmke (2011): Entwicklungsaktiviität zu Biopolymeren und NFK in der Volkswagen Komponenten Eigenfertigung. Hannover: Präsentation auf der 4. Biokunststoffe; 12.&13. April in Hannover Rieck (2012): Die jüngste Generation des Buss Kneters: Chancen für die Folienherstellung mit dem Kalander. Vortrag Compoundiertage 2012 in Würzburg Gneuss (2013): innovative biopolymer processing: the mrs devolatilising extruder. Vortrag Bioplastics Compounding&Processing 2013 am Mai 34

18 18 Vielen Dank für die Aufmerksamkeit!