Weichmacher werden genutzt, um Kunststoffe bereits im Herstellungsprozess und/oder bei der späteren Nutzung flexibler und biegsamer zu machen. Gängige industriell hergestellte Weichmacher wie Phthalate werden allerdings kritisch betrachtet, weil einige von ihnen potenziell gesundheitsschädlich sein können und/oder die Umwelt belasten.

»Solche Weichmacher kommen nicht nur in traditionellen Kunststoffen häufig zum Einsatz, sondern auch in Biopolymeren, deren Umweltverträglichkeit sie dann beeinträchtigen. Weltweit wird deshalb nach Alternativen gesucht, die eine mindestens vergleichbare Qualität zu bezahlbaren Preisen bieten und idealerweise aus nachwachsenden Rohstoffen hergestellt werden können«, sagt Dr.-Ing. Patrick Hirsch, Gruppenleiter »Nachhaltige Werkstoffe und Prozesse«, der das Projekt am Fraunhofer IMWS leitet.

Genau diese Lösung wollen die Partner innerhalb des Projekts finden, das im Programm »WIR! – Wandel durch Innovation in der Region« durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung gefördert wird. Das Konsortium setzt dabei auf in Mitteldeutschland bereits vorhandene Kompetenzen und Möglichkeiten. Neben dem Fraunhofer IMWS bringen sich die GLACONCHEMIE GmbH und Polymer Service GmbH aus Merseburg ein, als assoziierte Partner werden das Folienwerk Wolfen, die Expinos GmbH und die Reifenwerk Heidenau GmbH die im Forschungsvorhaben entstehenden Produktmuster testen.

Die Projektpartner setzen auf bio-basierte Glycerinderivate, die im großtechnischen Maßstab beispielsweise aus Rapsöl gewonnen werden und speziell an die Anforderungen unterschiedlicher Polymerwerkstoffe angepasst werden können. Der neuartige Weichmacher soll ein verbessertes Migrationsverhalten in thermoplastischen und elastomeren Biopolymeren aufweisen, was Vorteile insbesondere für die Verarbeitbarkeit und die Dauergebrauchseigenschaften dieser Werkstoffe mit sich bringt. »Konkret wollen wir Alkohole aus diesem bio-basierten Glycerin erzeugen, die dann mit speziellen Fettsäuren verestert werden. Im zweiten Schritt der Synthese werden deren Doppelbindungen epoxidiert«, schildert Hirsch den Ansatz. Die entwickelten bio-basierten Weichmacher sollen anschließend in thermoplastische und elastomere Biopolymere eingearbeitet werden, etwa für Folien, Verpackungen oder Reifenmischungen.

Die Schwierigkeiten reichen dabei von der Wahl des eingesetzten Alkohols für Modellrezepturen über die Fettsäurezusammensetzung bis hin zur Modifizierung der Doppelbindungen der Fettsäuren. Zugleich führt jede neue Variante bei den Weichmachern zu spezifischen Wechselwirkungen im jeweiligen Polymer-System, damit auch zu unterschiedlichen Eigenschaften des Kunststoffs und zunächst unbekannten Auswirkungen auf die Verarbeitbarkeit. »Im Kern müssen wir erreichen, dass die neuartigen Weichmacher flexibel bleiben, aber ihre Migration einschränken, damit sie nicht Umwelt oder Gesundheit beeinträchtigen. Zudem müssen sie ideal mit den von uns gewählten Biopolymeren wechselwirken. Nicht zuletzt ist die wirtschaftliche Umsetzung sehr herausfordernd«, sagt Hirsch.

Das Fraunhofer IMWS wird sich, basierend auf seiner Expertise zu Struktur-Eigenschaftsbeziehungen von Materialien und zum Hochskalieren und Optimieren von Verarbeitungsprozessen, dabei insbesondere mit der Eigenschaftsmodifizierung von thermoplastischen Biopolymeren beschäftigen, die für Extrusionsanwendungen wie Folien oder Spritzgussanwendungen wie Verpackungen infrage kommen. So wird Elektronenmikroskopie für die morphologische Charakterisierung eingesetzt, die mechanischen und thermo-mechanischen Eigenschaften werden durch Zug-, Biege- und Kerbschlagversuche sowie dynamisch-mechanische Analyse ermittelt. Angestrebt wird zudem das Upscaling in den Technikumsmaßstab mit der Herstellung größerer Mengen der neuartigen Kunststoffe mittels Doppelschneckencompoundierung, wobei auch ein kontinuierliches Dosiersystem für das Einbringen der flüssigen Glycerinderivate in die Schmelzemische entwickelt werden soll.

Ziel sind vollständig bio-basierte Materialsysteme und passende Herstellungsverfahren in industriellen Größenordnungen, die für weitere Biopolymere adaptierbar und in bestehenden Verarbeitungsmaschinen ohne Umbau einsetzbar sind. Hirsch: »Wenn das gelingt, haben wir einen sehr attraktiven Weichmacher, der viele derzeitige Lösungen ersetzen kann. Und wir schaffen in Mitteldeutschland regionale Wertschöpfungsketten vom pflanzlichen Rohstoff bis zum fertigen Biokunststoffbauteil.«