KraussMaffei Extrusion: Entwicklung von ligninverstärktem PLA - Kooperation mit Synergy Horizon

Bis zu 30 Prozent Lignin in PLA-Matrix können mit dem Laborextruder ZE BluePower 28 eingearbeitet werden. Spezielle Schneckenkonfiguration und innovative Technologien ermöglichen dabei die präzise Verarbeitung bei niedriger Temperatur von max. 160°C - (Bilder: KraussMaffei).

KraussMaffei Extrusion hat gemeinsam mit dem polnischen Mitglied der zypriotischen Synergy Horizon Gruppe ein Verfahren zur Herstellung eines zu 100 Prozent biobasierten verstärkten Thermoplasten entwickelt: ligninverstärktes PLA.

„Mit unserem Compoundier-Know-how und dem einzigartigen Wissen unseres Projektpartners über die Ligninaufbereitung ist es uns gelungen, bis zu 30 Prozent Lignin in die PLA-Matrix einzubringen und ein Compound mit natürlicher antioxidativer Kapazität/Aktivität, verbesserten mechanischen Eigenschaften und kontrollierter biologischer Abbaubarkeit herzustellen", erklärt Lars Darnedde aus der verfahrenstechnischen Entwicklung und Projektleiter bei KraussMaffei Extrusion.

Die Unternehmensgruppe Synergy Horizon hat sich auf die Verwertung von Lignin durch Hydrolyse spezialisiert. Lignin ist ein Biopolymer, das häufig als Nebenprodukt in der Bioethanolindustrie anfällt. Synergy Horizon wandelt es in wertvolle Produkte für verschiedene Anwendungen um. Zu den Kernkompetenzen gehören die Reinigung, chemische Modifizierung und Funktionalisierung von Lignin. Die Gruppe bietet aus Lignin gewonnene Produkte für verschiedene Anwendungen wie Öl- und Gasförderung, Batterieherstellung, Wasseraufbereitung, Tierfutter und vieles mehr an.

Ligninverstärktes PLA: 30 Prozent Lignin für verbesserte Eigenschaften: Natürliche Antioxidantien, höhere Festigkeit und kontrollierte Abbaubarkeit.

Vom Abfall zum Füllstoff
Synergy Horizon Poland Sp. z o.o. hat an seinem polnischen Standort in Poznan kürzlich ein Verfahren zur Herstellung von rieselfähigem Ligninpulver entwickelt, das als Füllstoff in den Extruder dosiert werden kann. Lignin ist ein zu 100 Prozent natürlicher Stoff, der nach der Zellulose als das weltweit am häufigsten vorkommende organische Material gilt. Lignin kann mit verschiedenen Methoden aus lignozellulosehaltiger Biomasse gewonnen werden. Eines dieser Verfahren ist die Hydrolyse von Biomasse zur Herstellung von Bioethanol, bei der Lignin als Nebenprodukt anfällt. Hydrolyse-Lignin hat einzigartige Eigenschaften, die es von anderen Ligninarten unterscheiden. Weltweit fallen jährlich etwa 50 Millionen Tonnen Lignin, darunter auch Hydrolyse-Lignin, als Abfallprodukt bei der Holzverarbeitung in der Papier- und Bioethanolindustrie an und werden zu 98 Prozent verbrannt. Verschiedene Forschungsprojekte haben sich bereits mit diesem wertvollen nachwachsenden Biorohstoff beschäftigt, aber seine Verwendung als Füllstoff in einer Biopolymermatrix ist nach Angaben des Unternehmens bisher einzigartig. „Die Verarbeitung von Hydrolyse-Lignin ist allerdings keine leichte Aufgabe“, weiß Alexander Gonchar, Leiter Forschung und Entwicklung bei Synergy Horizon, und ist stolz darauf, dass sein Unternehmen heute eine wirtschaftliche Produktionslinie zur Herstellung von Ligninpulver betreibt.

Erfolgreiche Verfahrensoptimierung
Die Einarbeitung des natürlichen Rohstoffs in die PLA-Matrix hat KraussMaffei den weiteren Angaben zufolge in seinem neu eingerichteten Technikum am Standort Laatzen durch umfangreiche Tests bestätigt. Sowohl mit dem Laborextruder ZE BluePower 28 als auch mit dem kleinen Produktionscompounder ZE BluePower 42 gelang es demnach, bis zu 30 Prozent Lignin einzuarbeiten. „Wir haben die Schneckenkonfiguration mit hochempfindlichen Mischelementen speziell auf das Lignin abgestimmt, arbeiten mit einer niedrigen Temperatur von maximal 160°C und nutzen sowohl eine 6 D lange Füllzone als auch eine Seitenentgasung“, gibt Lars Darnedde einen Einblick in die Prozesskonfiguration. Die ZE BluePower-Generation mit ihrem optimalen Da/di von 1,65 biete all diese Möglichkeiten „out of the box“ und sei damit perfekt für die Verarbeitung dieser scher- und temperaturempfindlichen Polymere geeignet.

Die erfolgreiche Verfahrensabstimmung des Compoundierextruders und der Ligninaufbereitung wurde durch umfangreiche mechanische Tests bestätigt. Im Vergleich zu reinem PLA soll die Ligninverstärkung eine Erhöhung des Biege- und Zugmoduls um etwa 30 Prozent ermöglichen. Dies könnte sich bei Verpackungsanwendungen als nützlich erweisen, bei denen das Material steif genug sein muss, um unter Belastung seine Form zu behalten. Als weiterer Vorteil gilt, dass Lignin eine ausreichende antioxidative Kapazität besitzt, die insbesondere bei Lebensmittelverpackungen dazu beitragen kann, die Oxidation von Lebensmitteln zu verhindern. Darüber hinaus können Qualität und Sicherheit durch die Hemmung der radikalischen Oxidation und die Verhinderung der Bildung von Fehlaromen, Gerüchen oder toxischen Verbindungen gewahrt werden. Darüber hinaus soll das Biocompound mit Lignin im Gegensatz zu anderen Ligninarten geruchsneutral sein, wodurch es sich besser für Lebensmittelverpackungen eignen soll. Ein neuartiges Biocompound mit antioxidativen Eigenschaften könnte auch in biologisch abbaubaren Kunststoffen für die Landwirtschaft, wie beispielsweise Mulchfolien, eingesetzt werden, um diese vor oxidativem Abbau zu schützen.

Im Gegensatz zu reinem PLA, das aufgrund seiner Abhängigkeit von spezifischen Enzymen und industriellen Bedingungen nur begrenzt biologisch abbaubar ist, weisen ligninhaltige PLA-Biocompounds eine verbesserte biologische Abbaubarkeit mit einer Abbaurate von mehr als 90 Prozent in 99 Tagen auf.

Weitere Informationen: www.kraussmaffei.com, www.synergyhorizon.com

KraussMaffei Extrusion GmbH, Laatzen

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