Gemeinsam mit dem polnischen Mitglied der zypriotischen Synergy Horizon Gruppe hat die Extrusionssparte des Maschinenbauers ein Verfahren zur Herstellung eines zu 100 % 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 % 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, Laatzen.
Mit bis zu 30 % Lignin verstärktes PLA bietet natürliches Antioxidationsverhalten, höhere Festigkeit und kontrollierte Abbaubarkeit. (Foto: KraussMaffei)
Die Unternehmensgruppe Synergy Horizon hat sich auf die Lignin-Valorisierung durch Hydrolyse spezialisiert. Lignin ist ein Biopolymer, das häufig als Nebenprodukt der Bioethanolindustrie anfällt. Synergy Horizon wandelt dieses in wertvolle Produkte für verschiedene Anwendungen um. Ihre Kernkompetenzen umfassen die Ligninreinigung, chemische Modifizierung und Funktionalisierung. Die Gruppe bietet Produkte an, die aus Lignin gewonnen wurden und für unterschiedliche Anwendungen wie Öl- und Gasextraktion, Batterieherstellung, Wasseraufbereitung, Tierfutter und mehr genutzt werden.
Vom Abfallprodukt zum Füllstoff
Synergy Horizon Poland Sp. z o.o., hat an seinem polnischen Standort Poznan kürzlich ein Verfahren zur Herstellung von frei fließendem Ligninpulver entwickelt, das als Füllstoff in den Extruder dosiert werden kann. Lignin ist eine zu 100 % natürliche Substanz, die nach Zellulose das weltweit am häufigsten vorkommende organische Material ist. Lignin kann mit verschiedenen Methoden aus lignozellulosehaltiger Biomasse extrahiert werden. Eines dieser Verfahren ist die Hydrolyse von Biomasse für die Bioethanolproduktion, bei der Lignin als Nebenprodukt anfällt. Hydrolyse-Lignin weist besondere Eigenschaften auf, die sie von anderen Ligninarten unterscheiden. Weltweit fallen jährlich rund 50 Mio. t Lignin, darunter auch Hydrolyse-Lignin, als Abfallprodukt bei der Holzverarbeitung in der Papier- und Bioethanolindustrie an, das zu 98 % verbrannt wird. Verschiedene Forschungsprojekte haben sich bereits mit dem wertvollen nachwachsenden Biorohstoff beschäftigt, doch seine Verwendung als Füllstoff in einer Biopolymermatrix ist bisher neu. „Die Verarbeitung von Hydrolyse-Lignin ist jedoch keine leichte Aufgabe“, weiß Alexander Gonchar, Leiter der Forschung und Entwicklung bei Synergy Horizon und ist stolz darauf, dass sein Unternehmen heute eine wirtschaftliche Produktionslinie zur Herstellung von Ligninpulver betreibt.
Erfolgreiche Verfahrensoptimierung
Mit dem Laborextruder ZE BluePower 28 können bis zu 30 % Lignin in die PLA-Matrix eingearbeitet werden. (Foto: KraussMaffei)
Die Einarbeitung des natürlichen Rohstoffs in die PLA-Matrix hat KraussMaffei in seinem neu eingerichteten Technikum am Standort Laatzen durch umfangreiche Tests untersucht. Sowohl mit dem Laborextruder ZE BluePower 28 als auch mit dem kleinen Produktionscompounder ZE BluePower 42 gelang es, bis zu 30 % 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 6D 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 bietet all diese Möglichkeiten „out of the box“ und ist damit für die Verarbeitung dieser scher- und temperaturempfindlichen Polymere geeignet.
Die erfolgreiche Verfahrensabstimmung des Compoundierextruders und die Aufbereitung des Lignins wurden durch umfangreiche mechanische Tests bestätigt. Im Vergleich zu reinem PLA ermöglicht die Ligninverstärkung eine Steigerung des Biege- und Zugmoduls um etwa 30 %. Dies könnte sich bei Verpackungsanwendungen als nützlich erweisen, bei denen das Material steif genug sein muss, um unter Belastung seine Form zu behalten. Ein weiterer Vorteil ist, dass Lignin eine ausreichende antioxidative Kapazität aufweist, die insbesondere bei Lebensmittelverpackungen dazu beitragen kann, die Oxidation von Lebensmitteln zu verhindern. Darüber hinaus kann die Qualität und Sicherheit bewahrt werden, indem sie die radikalische Oxidation hemmen und die Bildung von Fehlaromen, Gerüchen oder toxischen Verbindungen verhindern. Außerdem ist die Bioverbindung mit Lignin im Gegensatz zu anderen Ligninarten geruchsneutral, was sie für Lebensmittelverpackungen geeigneter macht. Eine neuartige Biocompound-Verbindung, die antioxidative Eigenschaften aufweist, könnte auch für biologisch abbaubare Kunststoffe für landwirtschaftliche Zwecke, wie z. B. Mulchfolien, angewendet werden, um sie 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-Bioverbindungen eine verbesserte biologische Abbaubarkeit mit einer Abbaugeschwindigkeit von mehr als 90 % in 99 Tagen auf.
