Der Einsatz fossil basierter Materialien für Einmalanwendungen ist derzeit noch weit verbreitet. Dies gilt insbesondere für geschäumte Kunststoffe in Verpackungs- und Bauanwendungen. Speziell im Verpackungsbereich werden wertvolle Ressourcen für Anwendungen mit sehr kurzer Nutzungsphase und anschließender thermischer Verwertung eingesetzt. Durch das wachsende Bewusstsein der Allgemeinheit für die aus dem Einsatz endlicher Ressourcen resultierenden Probleme, steigt die Nachfrage nach Lösungen zur Substitution derartiger Materialen durch solche, die auf nachwachsenden Rohstoffen basieren. Stärkebasierte Materialien bieten hier ein großes Potential, was der inzwischen weit verbreitete Einsatz von Lose-Fill-Verpackungschips zeigt. Im Bereich stärkebasierter Schaumfolien fehlen jedoch derzeit marktfähige Lösungen. Im Rahmen des Projektes wird durch Arbeiten in den Bereichen Werkstoffrezeptur, Verarbeitbarkeit und Verarbeitung sowie Verwertung am Ende der Nutzungsdauer ein ganzheitlicher Ansatz für eine stärkebasierte Schaumfolie entwickelt, deren Eigenschaften maßgeschneidert für Verpackungs- und Bauanwendungen sind. Die theoretischen Arbeiten werden durch umfangreiche experimentelle Versuchsreihen und Parameterstudien begleitet, was im Anschluss eine schnelle Überführung der Ergebnisse in den industriellen Maßstab ermöglicht.
Zielsetzung und Anlass:
Vollsynthetische, wasserlösliche Polymere finden sich als Rohstoffe in vielen Haarpflegeprodukten. Ihre Funktion besteht darin, für einen besseren Glanz und eine bessere Kämmbarkeit und Frisierbarkeit des Haares zu sorgen. Um solche Fähigkeiten zu erlangen, bedarf es chemischer Modifikationen am Rückgrat des Polymers, welche diesem eine positive Ladung verleihen. Beim Waschen der Haare gelangen diese Polymere größtenteils in das Abwasser. Wieviel davon am Ende in den Kläranlagen tatsächlich herausgefiltert werden kann und wieviel in die Umwelt gelangt, ist in Zahlen bisher nicht bekannt. Mikroplastik und in dem Zusammenhang auch flüssiges Plastik werden jedoch immer mehr als Problem erkannt und sollen nach dem Vorsorgeprinzip kontinuierlich weiter eingeschränkt werden, um möglichen Schaden von Mensch und Umwelt abzuwenden. Ein großes Problem besteht vor allem in der schlechten biologischen Abbaubarkeit vieler zur Haarpflege eingesetzter Polymere. Einmal in die Umwelt gelangt, benötigen solche synthetischen Polymere oft Jahrzehnte, um abgebaut zu werden. Daher besteht zum einen durch vermehrte regulatorische Maßnahmen aber auch aufgrund einer wachsenden Nachfrage durch immer umweltbewusstere Verbraucher ein Druck zur Entwicklung biologisch abbaubarer, ökologischer Rohstoffalternativen. Zwar existieren bereits einige Alternativen, auf Basis natürlicher Polymere (Stärke), diese büßen jedoch durch die chemischen Modifikationen, die notwendig sind, um die Haarpflegeeigenschaften zu erhalten, ihre eigentlich gute biologische Abbaubarkeit zu einem erheblichen Teil wieder ein.
Ziel dieses Projektes ist es daher, ein auf natürlichen Bausteinen basierendes, kationisches Polymer zu entwickeln, welches an die gleichen Haarpflege-Eigenschaften, die ein vollsynthetisches Polymer mitbringt, heranreicht. Gleichzeitig soll es aber eine gute biologische Abbaubarkeit von mehr als 60 % in 28 Tagen aufweisen. Zu diesem Zweck sollen kationische Substituenten auf alternative Art und Weise an natürliche, stärkebasierte Polymere geknüpft werden. Unter den Anwendungsbedingungen von Haarpflegeprodukten soll deren Bindung an das Polymer stabil sein. Nach dem Abspülen und der Einleitung ins Abwasser sollen diese Substituenten jedoch von den in Klärschlämmen vorkommenden Mikroorganismen leicht gespalten und das Polymer damit insgesamt leicht abgebaut werden können. Als Polymerbasis sollen verschiedene Stärken oder abgebaute Stärken Verwendung finden. Damit sollen neben dem Verhältnis von Amylose und Amylopektin auch der Einfluss verschiedener Molekülgrößen auf die Haarpflege-Eigenschaften der hergestellten Polymere untersucht werden.
Ein weiterer Aspekt des Projektes liegt in der Entwicklung und Optimierung von Verfahren zur Bindung alternativer kationischer Substituenten an Stärkepolymere. Auf andere Polysaccharid-Polymere übertragen, könnten solche Verfahren auch über Haarpflegeprodukte hinaus einen Zugang zu anderen Pflegeprodukten oder Textilpflegeprodukten eröffnen und so weitere im Markt befindliche synthetische Polymere substituieren.
Stärke eignet sich als Füllstoff für thermoplastische Kunststoffe. Eine Vernetzung von getrockneter Stärke führt zu höheren mechanischen Eigenschaften. Hierzu ist aber ein weiterer Prozessschritt (Vernetzung) vor der eigentlichen Compoundierung erforderlich. Durch die Einarbeitung von vernetzter Stärke in einen biobasierten Kunststoff wie PLA kann der 'carbon footprint' verbessert werden. Die direkte Nutzung des Biopolymeres Stärke ist energieeffizienter und somit nachhaltiger als die Verwendung von Biokunststoffen wie PLA (mehr Prozessschritte). Ein Nachteil bei der Verarbeitung von Stärke ist die erforderliche Trocknung. Dies ist mit erhöhten Kosten (Energie, Personal etc.) verbunden. Aufgrund der zuvor aufgezählten Schwierigkeiten bei der Compoundierung von Stärkeblends soll das Vorhaben folgendes Ziel erreichen: Die Entwicklung einer Compoundieranlage auf Basis eines konventionellen Doppelschneckenextruders, welche die Trocknung und Vernetzung von nativer Stärke sowie das anschließende Blenden mit biobasierten Thermoplasten innerhalb eines Prozesses ermöglicht. Eine Trocknung der Stärke vor der Compoundierung führt zu höheren mechanischen Eigenschaften und verhindert die Hydrolyse des PLA. Daher soll die native Stärke prozessintegriert getrocknet werden. Die MTI Mischtechnik International GmbH soll ein Konzept entwickeln um eine Trocknung der Stärke in einem Heiz-/Kühlmischer und anschließende Modifizierung zu gewährleisten. Die modifizierte Stärke soll im Anschluss am IfW mit PLA geblendet werden. Des Weiteren soll am IfW die native Stärke in einem einstufigen Prozess im Doppelschneckenextruder getrocknet sowie vernetzt und anschließend mit PLA geblendet werden. Die Aufgabe des IAP liegt vor allem in der Auswahl und Analyse von geeigneten Vernetzern/Additiven, der Modifikation der nativen Stärke sowie der Untersuchung der Compounds. Die Compounds sollen zu Probekörpern (IfW, IAP) sowie Bauteilmustern (Projektpartner) verarbeitet und untersucht werden.