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Entwicklung neuartiger biobasierter Kunststoff- und Papiermaterialien mit Biopolymer-Faser-Masterbatches

Ziel eines gemeinsamen Forschungsprojektes der Papiertechnischen Stiftung, der Professur für Forstliche Biomaterialien an der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg und  des Fraunhofer-Institutes für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik UMSICHT war die Herstellung von Masterbatches - das sind in Form von Granulaten vorliegende Mischungen aus Fasern und biobasierten Polymeren - zur Entwicklung neuartiger Papier- und Verbundwerkstoffe mit biobasierter Matrix und optimiertem Eigenschaftsprofil. Hierzu galt es, die Extrusionsprozesse der Kunststoffverarbeitung weiterzuentwickeln, um thermoplastische Materialeigenschaften und Festigkeitssteigerungen in Papierwerkstoffen zu erzielen, ebenso wie eine optimierte Faserdosierung und verbesserte Festigkeitseigenschaften in faserverstärkten biobasierten Kunststoffen.

Die Fertigung der fibrillierten Fasern mit anschließender Masterbatcherzeugung (Zwei-Stufen-Prozess) ermöglichte die Herstellung von rieselfähigen Masterbatches mit bis zu 80 % Fasern auf konventionellen Extrusionsmaschinen der kunststoffverarbeitenden Industrie. Diese konnten ohne Brückenbildungen mit üblicher Dosiertechnologie der kunststoffverarbeitenden Industrie gravimetrisch in den Compoundierprozess eingespeist werden. Noch zu lösende Herausforderungen sind zukünftig die Steuerung der Wasserverdampfung aus den Zellstoffasern und die mechanische Dispergierung der verhornten Agglomerate im Faser-Kunststoff-Compound.

Aus einigen Masterbatches ließen sich Papiere mit verbesserten Eigenschaften herstellen. Insbesondere die nicht auflösbaren Agglomerate führten zu Inhomogenitäten im Papierblatt. Alternativ eingesetzte Polymere wie Xylan und Polyvinylalkohol führten zu signifikant erhöhten Papierfestigkeiten und ab 6% PVOH-Gehalt zu einer beginnenden Thermoplastizität des Papiers.

Durch die Einbringung von 20 % Verstärkungsfasern aus Zellstoff in eine HDPE-Matrix wurden Verbundwerkstoffeigenschaften des Compounds signifikant gesteigert. Positiv auf die Compoundfestigkeit wirkte sich der Einsatz von kommerziellen Haftvermittlern aus. Die Faserfibrillierung hatte teilweise einen signifikanten Einfluss. Insgesamt konnten Verbundwerkstoffe für Anwendungen mit unterschiedlicher Priorität der Eigenschaften erzeugt werden.

Die im Projekt erarbeiteten Grundlagen zur verbesserten Verbindung der Fasern im Papiervlies eröffnen neue Perspektiven für erhöhte Papierfestigkeiten einerseits, sowie eine formstabile Umformung des Papiers zu innovativen Packmitteln mittels Tiefziehen und Biegeumformen andererseits. Die Herstellung von qualitativ hochwertigen Verbundwerkstoffen aus biobasiertem PE und Cellulosefasern verbreitert die Produktpalette von biobasierten Werkstoffen deutlich. Produkte aus Cellulosefasern mit Ursprung in der Papierindustrie und biobasierten Thermoplasten können mit reproduzierbareren Eigenschaften hergestellt werden. Durch die Aufbereitung zu Masterbatches sind diese flexibel bei Kunststoffverarbeitenden Betrieben für Produkte nutzbar. Zudem wird während der Masterbatcherzeugung das Wasser entzogen, womit trockene, in Granulatform vorliegende Papierfasern bereit stehen. Durch den Einsatz dieser Werkstoffe werden vor allem kleine, spezialisierte Unternehmen aus der fasererzeugenden und der kunststoffverarbeitenden Industrie gestärkt.

Das Forschungsvorhaben IGF 17939 wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Dafür sei an dieser Stelle herzlich gedankt. Unser Dank gilt außerdem den beteiligten Firmen für die Probenbereitstellung und für die freundliche Unterstützung bei der Projektdurchführung.