Biokunststoff Polilaktid – Több szakítószilárdság a glutén hozzáadásával

Ábra. 1: Feszültség-nyúlás diagramok a PLA_6202-keverékekhez 40 ma% GN_10, GN_40 és GN_85-tel; balra: 4,5 ma% RAT-tal, jobbra: 4,5 ma% RAT-tal és OA-val

Ábra. 2: Spritzöntött fonaltekercsek (sárgára festve) PLA_6202/GN_40 (60/40 w/w) anyagból

Polilaktid (PLA) egy poliészter, amely egy többlépcsős folyamat során készül cukorból. Ez során a cukrot tejsavvá fermentálják, majd ezt követően PLA polimerizálásával állítják elő. A biobázisú és biológiailag lebomló műanyag PLA rendkívül magas szilárdsággal rendelkezik, akár 70 MPa-ig, valamint rendkívül magas merevséggel, akár 6 GPa-ig, azonban megfelelő adalékanyagok nélkül törékeny, ami jelentősen korlátozza alkalmazási lehetőségeit. A jelenlegi intézkedések a plasztikus alakíthatóság növelése és így a szívósság javítása érdekében elsősorban a PLA rugalmassá tételét célozzák, elastikus, ellenálló polimerekkel való keverésével, például petrochemiai nyersanyagokon alapuló termoplasztikus poliuretánokkal vagy etilén-polimerekkel.

A BMWi által támogatott GLUPLAST közös projekt keretében a KUZ és az ipari partner, a CompraXX GmbH sikeresen megvalósította a búzagluten nevű természetes anyag segítségével a bioplastikák, a PLA ütésállóságának módosítását. A projekt során a glutén hálózatosodási hajlamát hőkezelés során használták fel, hogy egy hálószerű elasztomer fázist hozzanak létre, amely finom eloszlásban található meg a PLA mátrixban a kétcsavaros extruderrel történő keverék előállításakor, és a tapadási tulajdonságok révén jelentősen növeli a PLA alapanyag szívósságát.

A glutén hálózatosodásának befolyásolása

A glutén hálózatosodása már kb. 80 °C-on megkezdődik. A 160 °C-on előállított gluténtartalmú PLA-keverékek kezdetben nem mutattak megfelelő gluténfázis feldarabolási fokot, mivel a intenzív és gyors hőmérsékletfüggő hálósodás jelentős csökkenést okozott a fázis átmérőjében, ezáltal finom eloszlásban. Itt a törési nyúlás (kb. 1,4%) és a szívósság (kb. 1,5 kJ/m²) jelentősen elmaradt a PLA szintjétől.

A finomabb gluténfázis eloszlás elérése érdekében a KUZ két megközelítést alkalmazott:

1. Ideiglenes hálósodás gátlása kémiai adalékok hozzáadásával,
2. A hálósodás mérséklése a búzagluten vízoldható fehérje (mehl) hígításával.

Anyagok gluténtartalmú polimerkeverékek előállításához

Felhasznált anyagok:

1. Bioplastikák:
PLA Ingeo 6202D, PLA Ingeo 3001D, PLA-keverék Bioflex 6514 (referencia),
2. Gluténtartalmú természetes anyagok (GN):
Búzagluten (fehérjetartalom kb. 85 ma%), búzaliszt (GN_10), glutén-por-mix (GN_40),
3. Lágyítók:
Glicerin (GL),
4. Tapadószer (és viszkozitáscsökkentő):
Oxálsav (OA),
5. Redukálószerek, antioxidánsok, trapper reagensek (RAT):
Nátrium-hidrogén-szulfít (NHS), acetilszalicilsav (ASS), L-Cisztein (LC).

Pozitív hatás a anyagmechanikára

A GLUPLAST projekt keretében sikerült megvalósítani a polilaktid (PLA) ütésállóságának módosítását gluténtartalmú természetes anyagok (GN) segítségével. A módosításhoz olyan PLA-t választottak, amelynek törési nyúlása kb. 3,5% és szívóssága kb. 2 kJ/m² volt. A GN hozzáadásával a nyúlás (akár 30%-ig) és a szívósság (4 kJ/m²) pozitívan befolyásolható volt. Ezek az értékek jelentősen meghaladták a PLA szintjét. Ugyancsak a keverék mechanikája erősen függ a GN fehérjetartalmától (1. ábra).

A GN finomabb eloszlását a PLA mátrixban egyrészt a fehérjetartalom csökkentésével, másrészt kémiai adalékok (RAT), például nátrium-hidrogén-szulfít, L-Cisztein és acetilszalicilsav hozzáadásával érték el. Jelentős javulás érhető el a fázis tapadásában és így a PLA-keverék mechanikájában az oxálsav hozzáadásával a GN-hez. A keverékben a glutén aránya elsősorban 40 ma% volt. A projekt során elért anyagmechanika pozitívan értékelik a partnerek.

Sikeres anyagtesztelés injection molding során

A gluténkeverékek problémamentesen feldolgozhatók injection molding módszerrel, lásd a 2. ábrát. A Maillard reakció eredményeként kialakuló anyagbarnulás, amely a növekvő fehérjetartalommal nő, a színadagoló hozzáadásával elfedhető.

A kutatás eredményeinek értékesítése az ipari partner, a CompraXX GmbH által történik. A CompraXX GmbH sikeresen átültette a laboratóriumi eredményeket a technológiai méretarányra a projekt során. A PLA és búzagluten kombinációja érdekes anyagtulajdonságokat eredményez, amelyek például a háztartási és irodai termékek területén izgalmas alkalmazásokat tesznek lehetővé.