Biokunststoff Polylactid – Większa wytrzymałość dzięki dodatku glutenu

Abb. 1: Diagramy naprężenie-odkształcenie dla mieszanek PLA_6202 z 40 ma% GN_10, GN_40 i GN_85; po lewej: z 4,5 ma% RAT, po prawej: z 4,5 ma% RAT oraz OA

Abb. 2: Wtryskane szpule nici (żółto zabarwione) z PLA_6202/GN_40 (60/40 w/w)

Polilaktyd (PLA) jest poliestrem, który jest wytwarzany w wieloetapowym procesie z cukru. Podczas tego procesu cukier jest fermentowany do kwasu mlekowego, a następnie polimeryzowany do PLA. Biobazowy i biodegradowalny plastik PLA posiada bardzo wysoką wytrzymałość do 70 MPa oraz ekstremalnie wysoką sztywność do 6 GPa, jednak bez odpowiedniej dodatki jest kruchy, co znacznie ogranicza możliwe zastosowania. Obecne środki mające na celu zwiększenie plastyczności i tym samym twardości dotyczą głównie mieszania PLA z elastycznymi, odpornymi na rozkład polimerami na bazie surowców petrochemicznych, takimi jak termoplastyczne poliuretany lub kopolimery etylenowe.

W ramach projektu partnerskiego GLUPLAST finansowanego przez BMWi, KUZ we współpracy z partnerem przemysłowym CompraXX GmbH udało się zrealizować modyfikację udarową bioplastiku PLA za pomocą naturalnego surowca – glutenu pszennego. W ramach projektu wykorzystano tendencję do sieciowania glutenu podczas obróbki cieplnej do stworzenia sieciowanej fazy elastomerowej, która w wyniku przygotowania mieszanki za pomocą dwugłowicowego ekstrudera jest drobno rozproszona w matrycy PLA i, przy odpowiednim przyleganiu, prowadzi do wyraźnego zwiększenia twardości podstawowego surowca PLA.

Wpływ na sieciowanie glutenu

Sieciowanie glutenu rozpoczyna się już w temperaturze około 80 °C. Mieszanki PLA zawierające gluten, które były przygotowywane w temperaturze 160 °C, początkowo wykazywały niewystarczający stopień rozdrobnienia fazy glutenu, co utrudniało intensywne i szybkie sieciowanie termiczne, prowadzące do znacznej redukcji średnicy fazy i jej drobnego rozproszenia. W tym przypadku rozciągliwość (około 1,4%) i udarność (około 1,5 kJ/m²) były wyraźnie poniżej poziomu PLA.

Aby uzyskać drobniejsze rozproszenie fazy glutenu w matrycy PLA, KUZ zastosowało dwa rozwiązania:

1. Tymczasowe tłumienie sieciowania przez dodanie chemicznych dodatków,
2. Osłabienie sieciowania przez rozcieńczenie glutenu pszennego mąką.

Materiały do tworzenia mieszanych polimerów zawierających gluten

Użyte materiały:

1. Bioplastyki:
PLA Ingeo 6202D, PLA Ingeo 3001D, mieszanka PLA Bioflex 6514 (referencja),
2. Naturalne surowce zawierające gluten (GN):
Gluten pszenny (zawartość białka około 85 ma%, GN_85), Mąka pszenna (GN_10), Mieszanka mąki glutenowej (GN_40),
3. Plastyfikatory:
Glicerol (GL),
4. Środki adhezyjne (i reduktory lepkości):
Kwas szczawiowy (OA),
5. Środki redukujące, antyoksydanty, reagent trapiący (RAT):
Wodorosiarczan sodu (NHS), Kwas acetylosalicylowy (ASS), L-Cysteina (LC).

Pozytywny wpływ na mechanikę materiału

W ramach projektu GLUPLAST udało się zrealizować modyfikację udarową polilaktydu (PLA) za pomocą naturalnych surowców zawierających gluten (GN). Do modyfikacji wybrano PLA o rozciągliwości około 3,5% i udarności około 2 kJ/m². Dodanie GN do PLA pozwoliło pozytywnie wpłynąć na rozciągliwość (do nawet 30%) i udarność (do 4 kJ/m²). Wartości te znacznie przewyższały poziom PLA. Również mechanika mieszanki wykazuje silną zależność od zawartości białka w fazie GN (rysunek 1).

Drobniejsze rozproszenie GN w matrycy PLA osiągnięto zarówno poprzez obniżenie zawartości białka w GN, jak i przez dodanie chemicznych dodatków (RAT), takich jak wodorosiarczan sodu, L-Cysteina i kwas acetylosalicylowy. Wyraźną poprawę przyczepności faz i tym samym mechaniki mieszanki PLA uzyskano przez dodanie kwasu szczawiowego do GN. Udział glutenu w mieszance wynosił preferencyjnie 40 ma%. Mechanika materiału uzyskana w projekcie jest pozytywnie oceniana przez partnerów.

Udane testy materiału w procesie wtrysku

Mieszanki z glutenu można bez problemu przetwarzać w procesie wtrysku, patrz rysunek 2. Brązowienie materiału spowodowane reakcją Maillarda, które wzrasta wraz ze wzrostem zawartości białka w naturalnym surowcu, można zamaskować przez dodanie barwnika.

Komercjalizacja wyników badań jest planowana przez partnera przemysłowego CompraXX GmbH. Firma ta z powodzeniem przeniosła wyniki z laboratorium do skali technicznej. Połączenie PLA z glutenem pszennym daje interesujące właściwości materiałowe, które mogą znaleźć zastosowanie np. w produktach gospodarstwa domowego i biurowych.