Die Entwicklung der Biopolymertechnologie

19. April 2023

10:33

Umweltanforderungen wie das Ziel der EU, bis 2050 der erste klimaneutrale Kontinent zu werden, sind für die Vliesstoffindustrie wichtig, und die Einführung neuartiger Materialien erfordert den Einsatz und die Zusammenarbeit von Material-, Textil-, Chemie- und Maschinenbauingenieuren. Als natürlicher Bereich der angewandten Forschung für das multidisziplinäre Expertenteam von NIRI untersucht Steven Neill, Chief Technology Officer bei NIRI, die Entwicklung der Biopolymertechnologie und hebt die Laboreinrichtungen im Prototypenmaßstab hervor, die dazu beitragen, neuartige Materialien mit geringerem finanziellen Risiko kommerziell nutzbar zu machen.

Die Forderung, die CO2-Emissionen weltweit zu reduzieren, umfasst diejenigen, die bei der Polymerproduktion, der Vliesstoffproduktion, Verarbeitungs- und Produktmontageprozessen sowie Bedenken hinsichtlich des Endes der Produktlebensdauer entstehen. Für Hersteller besteht eine wachsende Verpflichtung, sich auf eine Reihe von Produktionsfaktoren zu konzentrieren. Die Auswahl der Rohstoffe, die Umstellung auf erneuerbare Energien und eine Reduzierung des Gesamtenergieverbrauchs sind wichtige Anliegen. Ebenso sind die Entsorgung von Abfällen vor dem Verbraucher während des Herstellungsprozesses sowie das Bestreben, wasserintensive Prozesse zu reduzieren und das Abwassermanagement zu verbessern, dringende Produktionsprobleme. Neben der Produktion müssen Hersteller zunehmend auch den längerfristigen Produktlebenszyklus einschließlich der Wiederverwendung berücksichtigen. Recycling und Rückführung von Materialien in den Produktionskreislauf oder Rückführung von Materialien in das natürliche Ökosystem.

In diesem Zusammenhang führt die Abkehr von aus fossilen Brennstoffen gewonnenen Materialien zu alternativen Materialien zu einem Wandel bei Vliesstoffen, bringt jedoch eine Reihe von Herausforderungen mit sich – sei es die Anpassung neuer Materialien an herkömmliche Verarbeitungstechniken oder die Anpassung aktueller Verarbeitungstechniken an neuartige Materialien. Das Wachstum und die Entwicklung von Biopolymeren stellen eine klare Alternative zu aus fossilen Brennstoffen gewonnenen Kunststoffen dar, die in einer Vielzahl von Sektoren anwendbar sind. In ihrer natürlichen Form werden Biopolymere seit jeher verwendet: Naturfasern und Bindemittel, größtenteils auf tierischer, pflanzlicher oder mineralischer Basis. Betrachtet man jedoch alternative Biopolymere zur Faser-/Filamentbildung, stehen derzeit eine Reihe von Optionen zur Verfügung, darunter:

Die für jede dieser Optionen geeignete Vliesbildungstechnologie variiert, z. B. Kardieren, Luftlegen, Nasslegen, Schmelzblasen und Spunbonding. Obwohl dies alles gut etablierte Prozesse sind, bringt die Einführung neuer Materialien in jedem Sektor oder jeder Produktlinie große Herausforderungen mit sich. Eine solche Herausforderung besteht darin, neuartige Materialien mit konventionellen Anlagen problemlos verarbeiten und umwandeln zu können. Der aktuelle alternative Ansatz besteht darin, herkömmliche Geräte anzupassen, um eine störungsfreie Verarbeitung zu erreichen. Ganz gleich, welchen Weg man einschlägt: Um kommerziell nutzbar zu sein, müssen neuartige Materialien die Spezifikationen und Leistungsanforderungen der Materialien und Produkte erfüllen, die sie ersetzen sollen.

Die Kombination von Materialien mit den erforderlichen Eigenschaften zu einer Mischung, die das Beste beider Materialien vereint, ist eine Möglichkeit, solche Herausforderungen zu meistern und die gewünschte Leistung zu erzielen. Alternativ können Prozess- oder Leistungsadditive entweder während der Rohstoffaufbereitung oder während der Verarbeitung hinzugefügt werden. Das Mischen kann in der Polymervorbereitungsphase (Compoundierung) erfolgen, indem verschiedene Fasertypen vor dem Kardieren, Luftlegen oder Nasslegen gemischt werden. Beim Nasslegen können der Faseraufschlämmung Prozessadditive zugesetzt werden, während Leistungsverstärker in nichtfaseriger Form wie Pulver während des Faserlegeprozesses oder in die geformten Bahnen zugegeben werden können.

Mit Blick auf diese Prozessoptionen unterstreicht Neill die Bedeutung der Investition von NIRI in Labortechnologie: „Die Labore von NIRI sind einzigartig mit Geräten im Prototyping-Maßstab ausgestattet, um die Verarbeitbarkeit zu bewerten, Polymerkombinationen mit Verarbeitungs- und Leistungsadditiven zu erkunden und die Prozessbedingungen für die Biopolymer-Extrusion zu optimieren.“ Filamente, gesponnene und schmelzgeblasene Vliesstoffe.

„Gleichzeitig kann die Forderung erfüllt werden, die Spezifikation und Leistungseigenschaften neuartiger Materialien an herkömmliche Stoffe und Produkte anzupassen. Prototyping-Maschinen im Labormaßstab ermöglichen kostengünstige und zeitsparende Änderungen an den Prototypen. Das bedeutet, dass wir dies können.“ Nehmen Sie eine schnelle Abfolge von Anpassungen vor, die den Materialverbrauch verringern und zu einer effektiven Optimierung führen, um Vertrauen zu schaffen, bevor kostspieligere Pilot- und Produktionsversuche stattfinden.

Sobald Vliesstoffe erfolgreich geformt sind, müssen sie verklebt werden. Kardierte, luftgelegte und nassgelegte Bahnen aus neuartigen Biopolymeren können mithilfe der umfassenden Palette an Bindungstechniken von NIRI hinsichtlich ihrer Bindung beurteilt werden, einschließlich mechanischer (für die Verfestigung der Bahnen zu Stoffen sind keine zusätzlichen Materialien erforderlich), thermischer und chemischer Bindungstechniken. Die gebräuchlichste Form von Bindemitteln beim thermischen Verkleben sind Bikomponentenfasern. Die Experten von NIRI arbeiten mit Kunden an einer Reihe von Versuchen, um Kombinationen von Biopolymeren in die Form von Biokomponentenfasern zu koextrudieren, die Haftung an Fasern zu bewerten und das Verhalten während der thermischen Bindung und die Bindungsleistung zu bestimmen. Bei der chemischen Bindung werden Bindemittel auf die geformten Faserbahnen aufgetragen, wodurch chemische Bindungen entstehen und die Festigkeit des Gewebes erhöht wird. Die Hauptanforderungen an Bindemittel sind ihre Verträglichkeit mit verschiedenen Applikationsmethoden – einschließlich Sprühen, Beschichten, Drucken und Tränken –, ihre Affinität zu Fasern und ihre Bindungsstärke.

Steven Neill, Chief Technology Officer bei NIRI, weist auf die anhaltende Bedeutung von Laborgeräten im Prototyping-Maßstab für das Kleben hin: „Wie im Fall der Faser- und Vliesbildung sind die Bonding-Geräte im Prototyping-Maßstab von NIRI ideal für die Beurteilung der Verarbeitbarkeit des Bindemittels, die Erforschung von Polymerkombinationen, und Optimierung der Prozessbedingungen für die Extrusion von Bikomponenten-Biopolymeren zu Filamenten sowie die Implementierung von Bindungstechniken.

„Die Spezifikationen und Leistungseigenschaften der Biopolymer-Prototypen können mithilfe der Analyseeinrichtungen von NIRI gemäß Industriestandards getestet werden. Die Testergebnisse können schnell an das Prototyping-Team kommuniziert, Anpassungen vorgenommen und optimierte Prototypen geformt und erneut getestet werden. Dadurch.“ Mithilfe von Prozessen und unter Verwendung von Geräten im Prototyping-Maßstab bestimmen die Experten von NIRI die Parameter und die Leistung von Materialien auf Biopolymerbasis und den daraus resultierenden Stoffen.

„In ähnlicher Weise können Kunden die Einrichtungen und das Fachwissen von NIRI nutzen, um Prozesse mit geringem Energieverbrauch und weniger Wasserverbrauch zu implementieren, ihre Auswirkungen auf die Parameter und die Leistung der alternativen Stoffe zu bewerten und eine schnelle Optimierung durchzuführen. Auch hier gilt in der Herstellungsphase die Verwaltung der Wiedereinführung von Abfällen in die Produktion.“ - Vorverbraucherabfälle - untersucht und eine Folgenabschätzung durchgeführt werden.

Eine letzte, aber immer wichtiger werdende Überlegung betrifft das Lebensende. Vliesstoffe sind selten für die Wiederverwendung konzipiert und werden meist als langlebig eingestuft; halb haltbar oder wegwerfbar. Die End-of-Life-Strategien unterscheiden sich je nach Anwendung und die Materialzusammensetzung ist ebenso ein wichtiger Faktor wie die Produktionsmethoden. Das mechanische Recycling ist im Vliesstoffsektor seit langem etabliert und weit verbreitet. Die bestehende Infrastruktur kann derzeit die Sammlung und das Recycling herkömmlicher Polymere wie PET, PP, PE und PA verwalten und auch mit den biobasierten Alternativen umgehen. Da der Einsatz von Biopolymeren in zahlreichen Sektoren zunimmt, muss die Abfallsammel- und Recyclinginfrastruktur erweitert werden, um die Lebensdauer der Produkte in recycelte, wiederverwendete Materialien zu verlängern, bevor sie am Ende ihrer Lebensdauer zersetzt werden.

Mit Blick auf die Zukunft von Biokunststoffen kommt Neill zu dem Schluss: „Als aufstrebende Technologie sollte das chemische Recycling die echte Kreislaufwirtschaft von Polymermaterialien sicherstellen und sie wieder in die gleichen Extrusionsprozesse einführen wie ihre neuen Äquivalente. Wie beim mechanischen Recycling ist dies eine Technologie, die vernünftig ist.“ Entwickelt für herkömmliche Polymere wie PET und PP, aber der Drang, Materialien zu recyceln und wiederzuverwenden, deutet darauf hin, dass das chemische Recycling für eine nachhaltigere Zukunft auf Biopolymere ausgeweitet werden sollte. Angesichts der dringenden Notwendigkeit der Dekarbonisierung und der Nachhaltigkeit als treibende Kraft bei Vliesstoffen „Das Fachwissen und die Einrichtungen von NIRI stellen ein überzeugendes Paket dar. Hersteller können kostengünstig und schnell neue Materialien erforschen, um sicherzustellen, dass sie die Spezifikationen und die Leistung bestehender Produkte erfüllen, und um wichtige Aspekte auf dem Weg zu Net Zero anzugehen.“

19. April 2023

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