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Biokunststoffe und Gluten Mit der Zugabe von Gluten werden Biokunststoffe zäher

| Redakteur: Peter Königsreuther

Wer hätte gedacht, dass der ernährungstechnisch teilweise in Verruf geratene Stoff Gluten in der Biokunststoffentwicklung ein „gefundenes Fressen“ abgibt? Lesen Sie hier warum...

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Die Spezialisten am Kunststoff-Zentrum Leipzig (KUZ) haben bewiesen, dass man durch die Zugabe von Gluten die Zähigkeit des Biokunststoffs Polylactid (PLA) erhöhen kann. Hier spritzgegossene Garnspulen daraus. Damit ist das Projekt Gluplast erfolgreich abgeschlossen.
Die Spezialisten am Kunststoff-Zentrum Leipzig (KUZ) haben bewiesen, dass man durch die Zugabe von Gluten die Zähigkeit des Biokunststoffs Polylactid (PLA) erhöhen kann. Hier spritzgegossene Garnspulen daraus. Damit ist das Projekt Gluplast erfolgreich abgeschlossen.
(Bild: KUZ)

Polylactid (PLA) ist ein Polyester, der über einen mehrstufigen Prozess aus Zucker hergestellt wird, erklären die KUZ-Forscher. Dabei wird Zucker zu Milchsäure fermentiert und im Anschluss zu PLA polymerisiert, also zu langkettigen Molekülen umgewandelt. Der biobasierte sowie bioabbaubare Kunststoff PLA besitze zwar eine sehr hohe Festigkeit von bis zu 70 MPa und auch eine hohe Steifigkeit von durchaus 6 GPa, sei jedoch ohne Zugabe von Additiven spröde. Das limitiert die Anwendungsmöglichkeiten, heißt es. Hauptsächlich das Blenden von PLA mit elastischen, abbauresistenten Polymeren auf Basis petrochemischer Rohstoffe (thermoplastische Polyurethane oder Ethylencopolymere) wurde bisher dagegen angewandt.

Weizengluten – vielversprechend, aber zu vernetzungsfreudig

Im Rahmen des vom BMWi geförderten Verbundprojektes Gluplast ist es dem KUZ gemeinsam mit der Compraxx GmbH nun aber gelungen, mit Weizengluten eine Schlagzähmodifizierung von PLA zu erreichen. Dabei galt es, die Vernetzungsneigung von Gluten unter Wärmeeinfluss für die Erzeugung einer vernetzten Elastomerphase zu nutzen. Diese Elastomerphase sollte bei der Blendaufbereitung mittels Zweischneckenextruder in der PLA-Matrix feinverteilt werden. Bei gegebener Haftung sollte dadurch die Zähigkeit des Grundwerkstoffes PLA erhöht werden.

Die Glutenvernetzung beginnt aber schon bei einer Temperatur von rund 80 °C, heißt es weiter.

Glutenhaltige PLA-Blends, deren Aufbereitung bei 160 °C erfolgte, hatten deshalb zuerst einen suboptimalen Zerteilungsgrad der Glutenphase. Denn die intensive sowie rasche, temperaturbedingte Vernetzung der beabsichtigten Verringerung des Phasendurchmessers, und somit eine feine Verteilung, funktionierten so nicht. Die Bruchdehnung (etwa 1,4 %) und die Kerbschlagzähigkeit (circa 1,5 kJ/m²) erreichten das PLA-Niveau deshalb nicht, so die KUZ-Forscher. Um eine feineren Verteilung der Glutenphase in der PLA-Matrix zu erreichen, wurden vom KUZ zwei Ideen verfolgt:

  • Temporäre Unterdrückung der Vernetzung durch Zugabe chemischer Additive;
  • Abschwächung der Vernetzung durch Verdünnen des Weizenglutens mit -mehl.

Mit diesen Rohstoffen wurde an glutenhaltigen Polymerblends gearbeitet:

  • Biokunststoffe: PLA Ingeo 3001D, PLA-Blend Bioflex 6514 als Referenz;
  • Glutenhaltige Naturstoffe (GN): Weizengluten von 85 ma%(GN_85), Weizenmehl (GN_10), Gluten-Mehl-Mix (GN_40);
  • Weichmacher: Glyzerin (GL);
  • Haftvermittler und Viskositätssenker: Oxalsäure (OA);
  • Reduktionsmittel, Antioxidantz und Trappingreagenz (RAT): Natriumhydrogensulfit (NHS), Acetylsalicylsäure (ASS), L-Cystein (LC).

Erfolgreich modifiziertes PLA kann spritzgegossen werden

Die im Projekt Gluplast angestrebte Schlagzähmodifizierung von PLA durch glutenhaltige Naturstoffe (GN) konnte realisiert werden, schicken die Forscher voraus. Für die Modifizierung wurde PLA mit einer Bruchdehnung von rund 3.5 % und einer Kerbschlagzähigkeit von etwa 2 kJ/m² ausgewählt. Durch die Zugabe des GN zum PLA konnte die Dehnung (hier bis zu 30 %) und die Kerbschlagzähigkeit (4 kJ/m²) im Sinne des Projektzieles positiv beeinflusst werden. Die Werte lagen hier deutlich über dem Niveau des reinen PLA. Ebenso zeigt die Blendmechanik eine starke Abhängigkeit vom Proteingehalt der GN-Phase (siehe Diagramm).

(Bild: KUZ)

Eine feinere Verteilung des GN in der PLA-Matrix wird erreicht, wenn der Proteingehaltes des GN verringert wird, und durch die Zugabe der genannten chemischen Additive (RAT), stellte sich heraus. Die Phasenhaftung und somit die PLA-Blendmechanik konnte durch die Zugabe von Oxalsäure zum GN optimiert werden. Der Glutenanteil im Blend liegt dabei vorzugsweise um die 40 ma%, sagen die KUZ-Forscher. Die im Projekt erzielte Werkstoffmechanik werde von den Industriepartnern als positiv bewertet.

Auch zeigte sich, dass man das Material ohne Weiteres spritzgießen kann (siehe Aufmacherbild). Der durch die sogenannte Maillard-Reaktion auftretenden Bräunung des Kunststoffs, die mit zunehmendem Proteingehalt stärker wird, kann man laut KUZ durch Farbbatchzugabe kaschieren.

Wie es weiter heißt, konnten die Erkenntnisse anschließend von Compraxx erfolgreich vom Labor in den Technikumsmaßstab übertragen werden. Mögliche Produktanwendungen sehen die Partner etwa bei Haushalts- und Büroartikeln.

(ID:46665705)