Technische Textilien aus PLA und deren Materialeigenschaften nach industrieller Verarbeitung

Der weitreichende Ersatz von erdölbasierten Polymeren durch biobasierte Polymere erfordert hinreichende Kenntnisse über die Materialeigenschaften der resultierenden Produkte. Dafür werden die Eigenschaften von Kunststoffprodukten aus (semi-)industriellen Herstellungsanlagen untersucht und mit bestehenden Forschungsergebnissen aus Laboranlagen verglichen. Die gewählten Versuchsmedien gehören zur Gruppe der technischen Textilien und beinhalten homogene Monofilamente sowie inhomogene Spinnvliesstoffe. Diese bestehen aus dem Biopolymer Polymilchsäure (PLA) sowie biogenen PLA-Gemischen mit Polybutylensuccinat (PBS) oder Nukleierungsmitteln auf PLA-Basis. Zur Untersuchung werden vorrangig anwendungsnahe Standardmethoden wie Zugprüfungen und DSC-Messungen gewählt. Für die Betrachtung des Langzeitverhaltens von biologisch abbaubaren Polymeren wird ein neues Modell zur Lebensdauervorhersage auf Basis von Kurzzeit-Relaxationsmessungen entwickelt. Es wird gezeigt, dass zur Herleitung der Modellgleichung nur geringer experimenteller Aufwand erforderlich ist, während der Modellansatz für alle untersuchten Monofilamente gültig ist. Diese Gültigkeit schließt sowohl semikristalline Polymere als auch Polymer-Gemische ein. Die Kombination aus Standardmethoden und dem neuen Relaxationsmodell erlaubt eine umfassende Bewertung der Materialeigenschaften von Monofilamenten aus PLA nach industrieller Verarbeitung sowie deren Hydrolysebeständigkeit unter Anwendungsbedingungen. Die mechanischen und thermischen Kennwerte sind deutlich besser als für Versuchsmedien aus Laboranlagen üblicherweise beschrieben. Eine zusätzliche Optimierung der Monofilamente durch die Verwendung von Polymer-Gemischen kann nicht erreicht werden. Mit dem Zusatz des elastischen Polymers PBS wird die Elastizität erhöht und die Nukleierungsmittel auf PLA-Basis ändern das Kristallisationsverhalten. Bei den Gemischen erhöht sich jedoch auch die Inhomogenität der inneren Struktur, wodurch die Hydrolysebeständigkeit reduziert wird. Die Bewertung von Spinnvliesstoffen aus PLA und PLA-Gemischen gestaltet sich, unter Verwendung der Standardmethoden, als schwierig. Durch die starke Streuung der Messdaten können die Ergebnisse nicht zuverlässig ausgewertet werden. Zusätzliche Messmethoden wie FTIR oder WAXS, zur Analyse der chemischen und kristallinen Struktur, können ebenfalls keine verwertbaren Ergebnisse liefern. Mit der künstlichen Alterung im Anwendungsfall, der Durchführung von Filterprüfungen unter erhöhten Klimabedingungen, können signifikante Messdaten aufgenommen werden. Diese zeigen jedoch, dass insbesondere die Hydrolysebeständigkeit von Biopolymeren nicht nur von den Klimabedingungen, sondern auch von weiteren äußeren Einflüssen, z. B. der mechanischen Belastung, abhängig ist. Alle Ergebnisse verdeutlichen die Notwendigkeit zur Bewertung der individuellen Materialeigenschaften von Kunststoffprodukten aus Biopolymeren nach industrieller Verarbeitung. Dadurch wird das Potential zur Herstellung von beständigen Produkten aus Biopolymeren aufgezeigt, womit der weitreichenden Einsatz von biobasierten Polymeren ermöglicht werden ka

The wide replacement of petroleum-based polymers with bio-based polymers requires sufficient knowledge about the material properties of the resulting products. For this purpose, the properties of plastic products from (semi-)industrial manufacturing plants are investigated and compared with existing research results from laboratory plants. The chosen test media belong to the group of technical textiles and include homogeneous monofilaments as well as inhomogeneous spunbonded nonwovens. These consist of the biopolymer polylactic acid (PLA) as well as biogenic PLA mixtures with Polybutylensuccinat (PBS) or nucleating agents based on PLA. Standard methods close to the application, such as tensile tests and DSC measurements, are primarily chosen for the investigation. For the consideration of the long-term behavior of biodegradable polymers, a new model for lifetime prediction based on short-term relaxation measurements is developed. It is shown that only little experimental effort is required to derive the model equation, while the model approach is valid for all investigated monofilaments. This validity includes semicrystalline polymers as well as polymer blends. The combination of standard methods and the new relaxation model allows a comprehensive evaluation of the material properties of monofilaments made from PLA after industrial processing as well as their hydrolysis resistance under application conditions. The mechanical and thermal characteristics are significantly better than usually described for test media from laboratory plants. An additional optimisation of the monofilaments by the use of polymer blends cannot be achieved. With the addition of the elastic polymer PBS the elasticity is increased and the PLA-based nucleating agents change the crystallisation behaviour. However, the mixtures also increase the inhomogeneity of the internal structure, which reduces the hydrolysis resistance. The evaluation of spunbonded nonwovens made from PLA and PLA blends is difficult using standard methods. Due to the high scatter of the measurement data, the results cannot be reliably evaluated. Additional measuring methods such as FTIR or WAXS, for the analysis of the chemical and crystalline structure, also cannot provide usable results. With artificial ageing during application, the performance of filter tests under elevated climatic conditions, significant measurement data can be recorded. However, these show that the hydrolysis resistance of biopolymers in particular is not only dependent on the climatic conditions, but also on other external influences, e. g. the mechanical stress. All results highlight the need to evaluate the individual material properties of plastic products made from biopolymers after industrial processing. This demonstrates the potential for the production of durable products from biopolymers, which can enable the widespread use of biobased polymers.

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