Welding of amorphous and semicrystalline PLA Bead Foams (EPLA)

• Applicants: Professor Dr.-Ing. Volker Altstädt; Professor Dr.-Ing. Christian Bonten
• Subject Area: Plastics Engineering ; Polymer Materials
• Term: from 2018 to 2022
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 392851979

• Final Report Year: 2022

Final Report Abstract

In dem Forschungsvorhaben wurden drei verschiedene Herstellungsrouten für PLA-Partikelschäume untersucht. Dabei konnten Partikelschäume auf Basis von PLA mit allen PLA-Variationen hergestellt werden. In Anlehnung an EPS wurde ein amorphes PLA verwendet. Bevor es zur eigentlichen Herstellung kam, wurde der Einfluss des Treibmittels CO2 auf die thermischen Eigenschaften betrachtet. Dabei hat sich gezeigt, dass das Treibmittel zu einer signifikanten Reduzierung des Glasübergangs führt, wodurch ein Schäumen bereits bei Raumtemperatur beobachtet werden konnte. Um einen direkten Vergleich zu EPS erlangen zu können, wurde PLA im selben Herstellungsprozess verarbeitet. Basierend auf Vorarbeiten wurde PLA erfolgreich chemisch modifiziert und mit einem Nukleierungsmittel versetzt und anschließend expandierbare Partikel mittels Extrusion mit Unterwassergranulierung und einem IR-Konvektionsofen vorgeschäumt und geschweißt. Die zweite Herstellungsvariante behandelte das teilkristalline PLA, welches ebenfalls chemisch modifiziert wurde, bevor es im Rührautoklavprozess geschäumt wurde. Aufgrund der auftretenden Hydrolyse während dieses Prozesses erfolgte eine Modifizierung des PLA, die dem entgegenwirkt. Am effektivsten hat sich dabei herausgestellt, zwei verschiedene Modifikatoren gleichzeitig zu verwenden. Einmal ein Peroxid, um die Viskosität und Schmelzefestigkeit zu erhöhen, und als zweites ein Polycarbodiimid, um die Endgruppen zu blockieren und somit den hydrolytischen Abbau zu verhindern. Im letzten Herstellungsprozess wurden Blends aus PLA und PHBV hergestellt und mittels Extrusion mit anschließender Unterwassergranulierung expandierte Partikel geschäumt. Zudem wurde untersucht, wie sich das Blenden auf die rheologischen und thermischen Eigenschaften auswirkt. Dabei wurde insbesondere ein Einfluss auf das Kristallisationsverhalten bemerkt, da das PHBV die Kristallnukleierung fördert. Im Forschungsvorhaben konnte gezeigt werden, dass PLA in drei verschiedenen Herstellungsvarianten zu Partikelschäumen verarbeitet werden konnte. In einem nächsten Schritt könnte die Übertragbarkeit auf andere Biokunststoffe stehen sowie die Herstellung in großtechnischem Maßstab, damit EPS substituiert werden kann.

Publications

• (2019), Chemical Modification and Foam Processing of PLA (PLA), Polymers (11(2):306
  T. Standau, C. Zhao, S.M. Castellon, C. Bonten, V. Altstädt
  
• (2021) A Review on Multifunctional Epoxy-Based Joncryl®ADR Chain Extended Thermoplastics, Polymer Reviews
  T. Standau, M. Nofar, D.Dörr, H. Ruckdäschel, V. Altstädt
  
• (2021), Investigation of the Thermal and Hydrolytic Degradation of Polylactide during Autoclave Foaming, Polymers 13(16):2624
  J. Dreier, C. Brütting, H. Ruckdäschel, V. Altstädt, C. Bonten
  
• (2021). Amorphous Polylactide Bead Foam–Effect of Talc and Chain Extension on Foaming Behavior and Compression Properties, Journal of Renewable Materials, 9(11), 1859–1868
  C. Brütting, J. Dreier, C. Bonten, V. Altstädt, H. Ruckdäschel
  
• Bio-Based Polymer Alternatives for Bead Foams. In: Kunststoffe International 3/2021, S. 46-49
  J. Dreier, C. Brütting, V. Altstädt und C. Bonten
  
• Modifizierung von amorphem Polylactid für das Partikelschäumen. 27. Stuttgarter Kunststoffkolloquium, 1. Aufl. Stuttgart, 2021, S. 347-352, ISBN 978-3-9818681-2-8
  J. Dreier, C. Brütting, V. Altstädt und C. Bonten
  
• SPE Foams 2021 – Virtual Conference. Effect of Blend Composition on foaming behavior of biobased PLA-PHBV Blends
  Christian Brütting, Volker Altstädt and Holger Ruckdäschel, Julia Dreier, Christian Bonten
  
• (2022), A machine learning investigation of low-density polylactide batch foams, e-Polymers 22(1): 318-332
  R. de Albuquerque, C. Brütting, T. Standau, H. Ruckdäschel
  
• (2022), Progress in the development of bead foams - A Review, Journal of Cellular Plastics 58(4):707-735
  J. Kuhnigk, T. Standau, D. Dörr, C. Brütting, V. Altstädt, H. Ruckdäschel