Thermisch beständige eigenverstärkte PLA-Composite

Fraunhofer CCPE Forschende untersuchen Composite aus thermisch beständigen PLA-Filamenten und einer chemisch identischen Matrix. In Recyclingprozessen haben diese Materialien einen deutlichen Vorteil gegenüber etablierten faserverstärkten Systemen und bieten damit eine Option, um zu den UN-Zielen für nachhaltige Entwicklung beizutragen.

Die Stoffklasse der konventionellen, erdölbasierten Polyester, mit Polyethylenterephthalat (PET) als Hauptvertreter, dominiert seit vielen Jahrzehnten den Fasermarkt und wird sowohl in textilen als auch technischen Segmenten angewandt. Beim biobasierten und bioabbaubaren Vertreter Polymilchsäure (PLA) limitiert hingegen die relativ geringe Schmelztemperatur von ca. 170 °C die potentiellen Einsatzbereiche. Diese Schwachstelle kann behoben werden, wenn die Stereokomplexierung ausgenutzt wird, wodurch eine Steigerung der Schmelztemperatur um ca. 60 K möglich wird. In den zurückliegenden Jahren befasste sich die Forschergemeinschaft mit diesem Thema hauptsächlich im Labormaßstab, sodass Stereokomplex-PLA (scPLA) basierte Produkte bislang nicht kommerziell verfügbar sind. Dabei wird die Implementierung des Herstellungsprozesses für scPLA-Fasern nach dem wirtschaftlich rentablen Schmelzspinnverfahren industrieseitig sowohl von führenden europäischen Material- als auch Faserherstellern begrüßt, da daraus eine signifikante Ausweitung der Anwendungsgebiete für PLA-basierte Materialien erwartet wird.

Noch größeres Potenzial liegt in der damit ermöglichten Entwicklung von PLA-basierten Einkomponentenverbundwerkstoffen. Der erhöhte Schmelzpunkt der scPLA-Fasern erlaubt deren Einbringung in eine chemisch identische PLA-Matrix. Dadurch kann mit Hinblick auf den Recyclingprozess ein Vorteil gegenüber den etablierten faserverstärkten Systemen generiert werden und ein Beitrag zur Umsetzung der UN-Ziele für nachhaltige Entwicklung geleistet werden.

Nach zweijähriger Forschungsaktivität im Rahmen des Fraunhofer CCPE gelang es den Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern einen Herstellungsprozess für scPLA-Fasern zu implementieren, um Mustermengen im kg-Maßstab im Spinntechnikum am Fraunhofer IAP herstellen zu können. Diese Entwicklungen waren entscheidend, um die gegenwärtig laufenden institutsübergreifenden Forschungen zu ermöglichen. Hierbei werden Gewebe aus scPLA-PLA Mischgarn am Fraunhofer ICT zu eigenverstärkten Organoblechen umgeformt, um den Verstärkungseffekt zu verifizieren und die Entwicklung der PLA-basierten Einkomponentenverbundwerkstoffe für technische Komponenten einzuleiten. Darüber hinaus beginnt im Rahmen eines BMEL-geförderten Projektes am 1. Juni 2021 eine Kooperation des Fraunhofer IAP mit Trevira GmbH sowie tesa SE. Die Ziele des gemeinsamen Forschungsvorhabens liegen in der Überführung der Herstellungsprozesse für scPLA-Fasern sowie -Folien auf industriellen Produktionsanlagen und in der Entwicklung von eigenverstärktem PLA-Granulat für Spritzgussanwendungen.

Ansprechperson:

Dr. Evgueni Tarkhanov (evgueni.tarkhanov@iap.fraunhofer.de)