Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Langkettenverzweigtes Polybutylensuccinat als biobasierter Ersatz für LDPE-Typen im Verpackungsfolien-Markt

Polybutylensuccinat (PBS) ähnelt in seinen thermomechanischen Eigenschaften den Polyolefinen, kann jedoch potenziell auf Basis nachwachsender Rohstoffe hergestellt und in der Umwelt unter geeigneten Bedingungen abgebaut werden. Die Herstellung flexibler Folien aus PBS leidet jedoch unter zu niedrigen Viskositäten, einer mangelnden Schmelzestabilität und unzureichender Weiterreiß- und Durchstoßfestigkeit der Folien. Dies kann auf die lineare Kettenstruktur des PBS zurückgeführt werden.

Die Ziele des Projektes sind es, diese Schwächen durch Variation der Kettenarchitektur des Polymers zu beseitigen und die daraus resultierenden Verbesserungen bei der Herstellung und den Eigenschaften flexibler Folien zu demonstrieren. In Analogie zum Polyethylen mit seinen unterschiedlich verzweigten Typen (LDPE, HDPE und LLDPE) ist der wesentliche Ansatz die Bereitstellung langkettenverzweigter PBS-Typen über verschiedene Synthesewege, die den Einsatz mehrfunktioneller Comonomere, die Reaktivextrusion mit verzweigungsgenerierenden Substanzen und die Festphasenpolykondensation umfassen. Ein weiteres Ziel ist es, ein besseres Verständnis zur Relation zwischen Verzweigungsgrad und den Verarbeitungs- bzw. Folieneigenschaften für dieses Polymer zu etablieren und damit Anwendern erste Handlungsempfehlungen zur Auswahl eines geeigneten Materialtyps zur Verfügung stellen zu können.

Bei erfolgreicher Eignung der langkettenverzweigten PBS-Typen könnte es erstmals gelingen, dem durch LDPE dominierten Markt flexibler Folien einen Kunststoff zur Verfügung zu stellen, der sowohl biobasiert als auch umweltabbaubar ist. Hier eröffnet sich gerade für kmU eine Chance, derartige Produkte zunächst in Nischenmärkten (Agrarfolien, Verpackung von Produkten mit „ökosensiblem“ Kundenkreis mit „Bio“ als Marketingargument) zu platzieren und davon ausgehend mittelfristig breitere Marktsegmente zu erobern.

Ergebniszusammenfassung:

Polybutylensuccinat (PBS) kann aus nachwachsenden Rohstoffen hergestellt und in der Umwelt abgebaut werden. Die Herstellung flexibler Folien aus PBS leidet jedoch unter niedrigen Viskositäten, mangelnder Schmelzestabilität und unzureichender Weiterreißfestigkeit der Folien. Die lineare Kettenstruktur des PBS wurde als Ursache vermutet. Projektziel war es, verzweigte PBS-Typen in Analogie zum Polyethylen mit seinen unterschiedlich verzweigten Typen bereitzustellen und zu untersuchen, welche Relationen zwischen dem Verzweigungsgrad und den Verarbeitungs- bzw. Folieneigenschaften existieren. Es gelang, langkettenverzweigtes PBS über den Einsatz mehrfunktioneller Comonomere in der Polykondensation sowie durch die Reaktivextrusion mit Peroxiden herzustellen. Für beide Synthesewege ist der Verzweigungsgrad gut kontrollierbar. Zusätzlich zu den geplanten Zielen führten die Untersuchungen zur Aufdeckung eines bisher unbekannten Autoverzweigungsmechanismus im PBS, der wesentliche Konsequenzen für Synthese und Verarbeitung hat. Syntheseseitig steht damit nach Abschluss des Projektes Know-How zur Verfügung, um PBS-Grades von streng linear (nicht auf dem Markt) über leicht verzweigt mit mittlerer Schmelzeviskosität (kommerziell erhältlich) bis stärker verzweigt mit sehr hoher Schmelzeviskosität (nicht auf dem Markt) herzustellen.

Die Verzweigung des Polymers hat Einfluss auf die Verarbeitungsstabilität. Im Projekt hergestellte verzweigte Typen konnten nach einigen Optimierungsschritten stabil zu Blasfolien verarbeitet werden. Gleichzeitig zeigte sich, dass zu starke Verzweigungen die Verarbeitung erschweren oder verunmöglichen, da die Fließfähigkeit der Schmelze bei hohen Verzweigungsgraden nicht mehr gegeben ist. Nicht explizit bestätigt werden konnte dagegen die Hypothese, dass Verzweigungen eine höhere Weiterreißfestigkeit der Folien bedingen. Möglicherweise ist die Analogie zu den PE-Typen aufgrund der unterschiedlichen Größenordnungen der Molmassen nicht tragfähig.