RePlaFlax: Flachsstroh aus der Leinölproduktion für Kunststoff-Komposite

Im März 2020 veröffentlichte die Europäische Kommission den Aktionsplan zur Kreislaufwirtschaft mit Schwerpunkt auf nachhaltiger Ressourcennutzung. Einer der Lösungsvorschläge, um die ökologischen Herausforderungen aufgrund des Kunststoffverbrauchs zu bewältigen, ist, den Recyclinganteil in Produkten zu erhöhen. Das Ziel des RePlaFlax-Projekts, Flachsstroh aus der Leinölproduktion als Verstärkung in Recycling- und Biokunststoffen zu verwenden, passt direkt in die Herausforderung der nachhaltigen Materialnutzung.

Drei Materialabfallströme werden im Projekt berücksichtigt: recyceltes Post-Consumer-Polyolefin (PP/PE), Polymilchsäure (PLA) und Flachsabfälle aus der Landwirtschaft. Die Einnahmen der Ölflachsindustrie beruhen ausschließlich auf der Menge der produzierten Samen. Die Stängel des Ölleins, die für die Textilindustrie ungeeignete Flachsfasern enthalten, haben für den Landwirt derzeit keinen zusätzlichen Wertaber das Potenzial, die Materialeigenschaften der Kunststoffe zu verbessern, ohne die Kosten des Materials wesentlich zu erhöhen. Die Herausforderung liegt in der Optimierung der Adhäsion zwischen der Kunststoffmatrix und dem Flachsstroh, das überwiegend aus holzähnlichen Schäben besteht.

Die Adhäsion zwischen Fasern und Matrix wird durch verschiedene Parameter beeinflusst, darunter Benetzbarkeit, chemische Bindungen und mechanische Verzahnung. Die Forschung zeigt, dass chemische Behandlungen, insbesondere die Maleierung zur Funktionalisierung der Oberflächen, effektiver sind als physikalische Verfahren.

Trotz des vielversprechenden Ansatzes zeigte sich, dass das Hinzufügen von mit Maleinsäureanhydrid (MA) gepfropftem PLA zum PLA-Flachs-Komposit die Adhäsion und die mechanischen Eigenschaften nicht verbesserte. Ähnlich verhielt es sich bei der Verwendung von Lignin aus Eukalyptus globulus als natürliches Kopplungsmittel. Die gewünschte verstärkende Wirkung durch den Einsatz von Flachsstroh wurde auch ohne Koppler festgestellt.

Herausforderung Faser-Matrix-Adhäsion

Der alleinige Zusatz von Flachsstroh in rezykliertem Post-Consumer Polypropylen (rPP) verbesserte die  Materialeigenschaften allerdings nicht ausreichend. Hier ergaben sich ähnliche Schwierigkeiten bei der Verwendung von MA als Koppler. Der Zusatz von 2 % MA gepfropfte PP (MAPP) in rPP-Flachs-Komposit erzielte nicht die erwartete Verbesserung der mechanischen Eigenschaften, die bei Neuware PP (vPP) mit Flachs erreicht wurde. Erste Analysen deuten darauf hin, dass Verunreinigungen im Recyclingprozess die Reaktion des MAPP blockieren könnten. Der Einfluss des im Rezyclat enthaltenen Polyethylen (PE) von bis zu 10 % auf den Koppler konnte durch einen Vergleich von Kompositen aus vPP/vPE/Flachs mit und ohne Koppler ausgeschlossen werden.

Durch die Erzeugung eines Masterbatches aus vPP, Flachs und MAPP, das anschließend mit rPP compoundiert wurde, konnte jedoch eine signifikante Verbesserung der mechanischen Eigenschaften erreicht werden. Das Endprodukt besteht aus einer Mischung von ca. 67% rPP, 11% vPP, 20% Flachs und 2% Koppler.

Alle entwickelten Komposite ließen sich erfolgreich zu Stufenplatten und Spiralen verarbeiten. Zum Schutz der Fasern wurde eine niedrige Dosiergeschwindigkeit gewählt und ein hoher Gegendruck verwendet, um eine homogene Verteilung zu erreichen.

Die Projektergebnisse zeigen, dass sich Flachsstroh aus der Ölleinproduktion als Verstärkung in Kunststoffen grundsätzlich eignet. Die Verbundwerkstoffe lassen sich durch angepasste Prozessparameter und entsprechende Additive oder Verarbeitungshilfsmittel für eine gezielte Anwendung weiter optimieren.

• Hochschule Bremen, Fakultät für Natur und Technik, Fachrichtung Bionik (HSB), AG Biologische Werkstoffe
• Centexbel-VKC
• KU Leuven, Faculty of Engineering Technology, Dept. of Materials Engineering