Thermoplastische Stärke

Das Ziel des Entwicklungsprojekts im Rahmen des Projektes PolyRegion ist es, thermoplastisches Material für Spritzguss, das  biologisch basierend und  auf heimischem Kompost abbaubar ist, zu synthetisieren. Nach der Überprüfung der Literatur, haben wir beschlossen, thermoplastische Stärke aus Stärke, Wasser, Glycerin und Gleitmittel zu synthetisieren. Angesichts der verfügbaren Daten aus der Literatur auf verschiedenen Synthesewege und das Mischungsverhältnis der Komponenten prognostizierten wir mehrere verschiedene Rezepturen und infolgedessen ihre Optimierung nach den Tests.

Synthese wurde in zwei Schritten durchgeführt. Zuerst haben wir im Labor eine Mischung aus Stärke, Glycerin und Wasser vorbereitet, so dass eine viskose Mischung durch das Mischen und Erhitzen entstanden ist. Die so hergestellte Mischung wurde auf einem Doppelschneckenextruder extrudiert. Vor dem Extrudieren der Mischung wurde 3% des Gleitmittels beigemischt, das dafür sorgt, daß die Viskosität während der Extrusion nicht  erhöht wird, was wir bei ersten vier Tests von Rezepturen  rausgefunden haben. Das Material wurde durch ein rundes Loch extrudiert, so dass wir einen Faserdurchmesser von 1,5 bis 3 mm erhalten haben. Nach einem Tag haben wir mit Granulator Granulate in der Länge von etwa 5 mm hergestellt. Granulat wurde für den Spritzguss, die zusammen mit Experten  von PolyRegion Partner TECOS, Slowenisches Werkzeug-und Formenentwicklungszentrum verwendet. Während der Tests wurde gefunden, daß die thermoplastische Stärke ein nützliches Material für die Produkte mit unterschiedlichen Eigenschaften ist, je nachdem, wieviel Feuchtigkeit Granulat vor dem Spritzgießen enthält. In nicht getrocknetem Granulat bekommen wir physikalisch geschäumtes Produkt - Restfeuchte in Granulat verursacht physikalisches Schäumen vom Endprodukt im Werkzeug. Im Falle des getrockneten Granulats bekommen wir ein vollständiges Produkt, dessen Elastizitätsmodul ist mit der Elastizitätsmodul der Polypropylen gleichwertig ist (Tabelle 1).

Tabelle 1: Mechanische und thermische Eigenschaften vom Granulat und Produkte aus thermoplastischer Stärke

Jeder Synthesephase wurden in der Laboreinrichtung charakterisiert. Die Herstellung des Gemisches für thermoplastische Stärke wurde durch ATR-FT-IR-Analyse überwacht. Wir haben die Parameter der Herstellung der Mischung im Labor und die Extrusionsbedingungen so bestimmt, dass eine reproduzierbare Qualität der thermoplastischen Stärke gegeben wurde. Extrudierte Filamente wurden zusätzlich mittels Zugmaschine, DMA, TGA in teilweise DSC charakterisiert. Diese Tests wurden auf nicht getrockneten und getrockneten Filamenten durchgeführt. Alle Tests wurden dann auf die fertigen Spritzgussprodukten wiederholt, wo sich ein großer Unterschied zwischen getrockneten und nicht getrockneten Granulaten gezeigt hat. Mit der Hilfe von Partner TECOS optimierten wir die Technologiefenster für thermoplastische Stärke für Spritzgießen für Spritzgussschnecke mit einem Durchmesser von 15 mm.

Durch Marktanalyse fanden wir zwei Produkte, die besonders für die Verwendung von biologisch abbaubarem Material in heimischen Kompost geeignet sind. Erstes Produkt ist die Konsole für Golfbälle, bei denen der Wunsch ist, dass die Reste zersetzen, wenn die auf der Rasenfläche liegen bleiben. Zweites Produkt sind die Töpfe für  die Hopfensetzlinge, wo der Wunsch ist, die Setzlinge zusammen mit den Töpfen in die Erde gepflanzt werden und die Töpfe in der Erde innerhalb von 3 Wochen zersetzen.

Im Hinblick auf diese beiden Produkte wurden auch Tests der biologischen Abbaubarkeit von thermoplastischer Stärke im heimischen Kompost durchgeführt. Die Versuche wurden bei Raumtemperatur durchgeführt und dabei wurde festgestellt, daß im feuchten Kompost beide Produkte schon nach erstem Tag zu zersetzen beginnen. Nach einer Woche zersetzt bereits etwa 50% des Materials (Bild 1). Der Vorteil der Zersetzung von der Stärke, im Falle unserer Produkte, ist, daß die Zersetzungsprodukte als die Nahrung für das Gras bzw. für die Hopfen dienen können. Bei den Tests verwendeten wir getrocknetes Granulat für die Konsole für Golfbälle und nicht getrocknetes Granulat für Töpfe für Hopfensetzlinge.

Bild 1: Produkt vor und nach 1 Woche der Kompostierung auf heimischem Kompost

Da wir ein völlig neues thermoplastisches Material synthetisiert haben, haben wir auch die notwendigen Tests für die Simulation von Spritzgießen durchgeführt. Die Tests wurden mit dem PolyRegion Partner Montan Universität Leoben geführt. Bei Tests haben wir festgestellt, daß die Scherrate einen sehr großen Einfluss auf den physikalischen Schäumen von nicht getrocknetem Granulat hat, bei dem getrockneten Granulat ist die Auswirkung der Scherrate kleiner. Angesichts auf diesen Ergebnissen ergab sich die Möglichkeit weiterer Studien auf diesem Material, sowohl auf Montan Universität Leoben als auch auf VŠTP. Nächste geplante Schritte bei der thermoplastischen Stärke sind Tests unter industriellen Bedingungen - auf größerer für Spritzgießmaschine mit mehreren Kavitäten.

Der Projektfortschritt und die Ergebnisse wurden auf folgenden Veranstaltungen vorgestellt:

Slowenische Biopolymer-Tage 2014 (Slovenj Gradec)