Biokunststoff Polylactide – Meer taaiheid door toevoeging van gluten

Fig. 1: Spannungs-Dehnungsdiagrammen voor PLA_6202-Blend met 40 wt% GN_10, GN_40 en GN_85; links: met 4,5 wt% RAT, rechts: met 4,5 wt% RAT en OA

Fig. 2: Gietgegoten spoelen (geel gekleurd) uit PLA_6202/GN_40 (60/40 w/w)

Polylactide (PLA) is een polyester die via een meerstaps proces uit suiker wordt vervaardigd. Hierbij wordt suiker gefermenteerd tot melkzuur en vervolgens gepolymeriseerd tot PLA. De biobased en biologisch afbreekbare kunststof PLA heeft weliswaar een zeer hoge sterkte van tot 70 MPa en een extreem hoge stijfheid van tot 6 GPa, maar zonder passende additieven is het bros, wat de mogelijke toepassingen sterk beperkt. Huidige maatregelen om de plastische vervormbaarheid en daarmee de taaiheid te verhogen, betreffen vooral het mengen van PLA met elastische, afbraakresistente polymeren op basis van petrochemische grondstoffen, zoals thermoplastisch polyurethane of ethyleencopolymers.

In het kader van het door het BMWi gefinancierde samenwerkingsproject GLUPLAST is het KUZ samen met de industriële partner CompraXX GmbH gelukt om met behulp van de natuurlijke stof tarwegluten een slagvastheidsmodificatie van de biokunststof PLA te realiseren. Het doel van het project was om de netwerkingsneiging van het glutensysteem bij warmtebehandeling te benutten voor de productie van een netwerkte elastomeerfase, die bij de mengverwerking met behulp van een twin-screw extruder fijn verdeeld in de PLA-matrix ligt en bij goede hechting leidt tot een duidelijke verhoging van de taaiheid van de basismateriaal PLA.

Beïnvloeding van de glutennetvorming

De glutennetvorming begint al bij een temperatuur van ongeveer 80 °C. Glutenhoudende PLA- blends, die bij 160 °C werden verwerkt, vertoonden aanvankelijk een onvoldoende afbraakgraad van de glutenfase, waardoor de intensieve en snelle temperatuurafhankelijke netvorming een significante vermindering van de fasediameter en dus een fijne verdeling verhinderde. Hier lag de breukdeformatie (ongeveer 1,4%) en de slagvastheid (ca. 1,5 kJ/m²) duidelijk onder het PLA-niveau.

Om een fijnere verdeling van de glutenfase in de PLA-matrix te verkrijgen, volgde het KUZ twee oplossingsrichtingen:

1. Tijdelijke onderdrukking van de netvorming door toevoeging van chemische additieven,
2. Verzwakking van de netvorming door het verdunnen van het tarwegluten met -meel.

Materialen voor de generatie van glutenhoudende polymeren blends

Gebruikte materialen:

1. Biokunststoffen:
PLA Ingeo 6202D, PLA Ingeo 3001D, PLA-Blend Bioflex 6514 (referentie),
2. Glutenhoudende natuurlijke stoffen (GN):
Tarwegluten (eiwitgehalte van ongeveer 85 gew%, GN_85), Tarwemeel (GN_10), Gluten-meelmengsel (GN_40),
3. Weekmakers:
Glycerine (GL),
4. Hechtmiddelen (en viscositeitsverlagers):
Oxaalzuur (OA),
5. Reductiemiddelen, antioxidant, trappingreagens (RAT):
Natriumhydrogensulfit (NHS), Acetylsalicylzuur (ASS), L-Cystein (LC).

Positieve beïnvloeding van de materiaaleigenschappen

De in het project GLUPLAST beoogde slagvastheidsmodificatie van polylactide (PLA) met glutenhoudende natuurlijke stoffen (GN) kon worden gerealiseerd. Voor de modificatie werd PLA geselecteerd met een breukdeformatie van ca. 3,5% en een slagvastheid van ongeveer 2 kJ/m². Door de toevoeging van GN aan PLA kon de deformatie (hier tot 30%) en de slagvastheid (4 kJ/m²) positief worden beïnvloed. De waarden lagen hier duidelijk boven het PLA-niveau. Ook toont de blendmechaniek een sterke afhankelijkheid van het eiwitgehalte van de GN-fase (Figuur 1).

Een fijnere verdeling van GN in de PLA-matrix werd bereikt door enerzijds het eiwitgehalte van GN te verlagen en anderzijds door het toevoegen van chemische additieven (RAT), zoals natriumhydrogensulfit, L-Cystein en acetylsalicylzuur. Een duidelijke verbetering van de fasenhechting en daarmee de mechaniek van de PLA-blend kon worden gerealiseerd door toevoeging van oxaalzuur aan GN. Het glutenpercentage in de blend bedroeg bij voorkeur 40 gew%. De in het project behaalde materiaaleigenschappen worden door de partners positief beoordeeld.

Succesvolle materiaaltests in het spuitgietproces

De glutenblends kunnen probleemloos in spuitgieten worden verwerkt, zie Figuur 2. De door de Maillard-reactie veroorzaakte verkleuring van het materiaal, die toeneemt met het eiwitgehalte van de natuurlijke stoffase, kan worden gecamoufleerd door toevoeging van een kleurbatch.

De commercialisering van de onderzoeksresultaten wordt nagestreefd door de industriële partner CompraXX GmbH. Tijdens het project heeft CompraXX GmbH een succesvolle overdracht van resultaten van het laboratorium naar de technische schaal gerealiseerd. De combinatie van PLA met tarwegluten levert interessante materiaaleigenschappen op, die bijvoorbeeld in de huishoud- en kantoortoepassingen spannende toepassingen mogelijk maken.