Biokunststoff Polylactid – Větší pevnost přidáním lepku

Obrázek 1: Napěťově-rozměrové diagramy pro směsi PLA_6202 s 40 ma% GN_10, GN_40 a GN_85; vlevo: s 4.5 ma% RAT, vpravo: s 4.5 ma% RAT i OA

Obrázek 2: Vypékací navíjecí cívky (žlutě zbarvené) z PLA_6202/GN_40 (60/40 w/w)

Polylaktid (PLA) je polyester, který je vyráběn vícestupňovým procesem z cukru. Při tom je cukr fermentován na mléčnou kyselinu a následně polymerizován na PLA. Biobázovaný a biologicky rozložitelný plast PLA má sice velmi vysokou pevnost až 70 MPa a extrémně vysokou tuhost až 6 GPa, avšak bez odpovídající přídavné látky je křehký, což výrazně omezuje možné použití. Současná opatření ke zvýšení plastické deformovatelnosti a tím i tažnosti se týkají hlavně záměny PLA elastickými, odolnými proti rozkladu polymery na bázi petrochemických surovin, například termoplastickými polyuretanami nebo ethylenovými kopolymery.

V rámci projektu s podporou BMWi s názvem GLUPLAST se společně s průmyslovým partnerem CompraXX GmbH podařilo pomocí přírodního materiálu pšeničného lepku realizovat nárazově-tuhostní modifikaci bioplastu PLA. V rámci projektu měla být využita tendence lepku k síťování při tepelné úpravě pro tvorbu síťované elastomerové fáze, která je výsledkem mísení pomocí dvoušnekového extrudéru jemně rozptýlená v matrici PLA a při odpovídající adhezi vede k výraznému zvýšení tažnosti základního materiálu PLA.

Ovlivnění síťování lepku

Síťování lepku začíná již při teplotě cca 80 °C. PLA směsi obsahující lepek, jejichž zpracování probíhalo při 160 °C, zpočátku vykazovaly nedostatečnou velikost fáze lepku, což bránilo intenzivní a rychlé teplotně podmíněné síťování, které by vedlo ke zmenšení rozměru fáze a tím i k jemnějšímu rozložení. Tato směs měla tažnost (cca 1,4 %) a houževnatost (cca 1,5 kJ/m²) výrazně pod úrovní PLA.

Pro dosažení jemnějšího rozložení fáze lepku v matrici PLA byly společně s KUZ sledovány dva přístupy:

1. Dočasné potlačení síťování přidáním chemických přísad,
2. Zmírnění síťování ředěním pšeničného lepku moukou.

Materiály pro tvorbu polymerových směsí obsahujících lepek

Použité materiály:

1. Bioplasty:
PLA Ingeo 6202D, PLA Ingeo 3001D, PLA směs Bioflex 6514 (referenční),
2. Přírodní materiály obsahující lepek (GN):
Pšeničný lepek (obsah bílkovin cca 85 ma%), pšeničná mouka (GN_10), směs lepku a mouky (GN_40),
3. Maziva:
Glycerol (GL),
4. Adhezní činidla (a snižovače viskozity):
Oxalová kyselina (OA),
5. Redukční činidla, antioxidanty, zachytávací činidla (RAT):
Sulfid sodný (NHS), kyselina acetylsalicylová (ASS), L-cystein (LC).

Pozitivní ovlivnění mechanických vlastností materiálu

V projektu GLUPLAST se podařilo realizovat nárazově-tuhostní modifikaci polylaktidu (PLA) pomocí přírodních materiálů obsahujících lepek (GN). Pro modifikaci byl vybrán PLA s tažností cca 3,5 % a houževnatostí cca 2 kJ/m². Přidáním GN k PLA bylo možné pozitivně ovlivnit tažnost (až do 30 %) a houževnatost (4 kJ/m²). Tyto hodnoty byly výrazně nad úrovní čistého PLA. Stejně tak mechanika směsi vykazuje silnou závislost na obsahu bílkovin v GN fázi (obr. 1).

Jemnější rozložení GN v matrici PLA bylo dosaženo jednak snížením obsahu bílkovin v GN a jednak přidáním chemických přísad (RAT), jako jsou sulfid sodný, L-cystein a kyselina acetylsalicylová. Výrazné zlepšení přilnavosti fází a tím i mechaniky směsi PLA bylo možné dosáhnout přidáním oxalové kyseliny do GN. Podíl lepku ve směsi byl preferenčně 40 ma%. Mechanické vlastnosti materiálu dosažené v projektu jsou partnerům kladně hodnoceny.

Úspěšné testování materiálu ve vstřikovacím procesu

Směsi s lepkem lze bez problémů zpracovávat ve vstřikování, viz obr. 2. Zbarvení materiálu způsobené Maillardovou reakcí, které se s rostoucím obsahem bílkovin v přírodním materiálu zvyšuje, lze zakrýt přidáním barevných dávkovačů.

Využití výsledků výzkumu je plánováno průmyslovým partnerem CompraXX GmbH. Společnost CompraXX GmbH v rámci projektu úspěšně realizovala přenos výsledků z laboratoře do technického měřítka. Kombinace PLA s pšeničným lepkem vykazuje zajímavé vlastnosti materiálu, které umožňují například zajímavé aplikace v oblasti domácích a kancelářských produktů.