Auch Additive sollen zunehmend biobasiert sein. Besonders interessant ist es dabei, wenn deren Rohstoffe aus Abfällen bestehen.

Aus den Oliven wird Olivenöl gepresst. Die Kerne lassen sich als Rohstoff nutzen und werden dadurch zu einem wertvollen Nebenprodukt. 

Biobasierte Zusatzstoffe aus Nebenprodukten der Lebensmittelproduktion

Biokunststoffe

Kunststoff Werkstoffe

Füllstoffe, allgemein

Füllstoffe für Kunststoffe

Additive

Additive aus Olivenkernen

Auf der K 2022 zeigten die Hersteller von Additiven und Füllstoffen interessante Neuheiten und spannende Anwendungsbeispiele.

Der Flow Chair besteht vollständig aus recyceltem PETG und wurde für sein Design ausgezeichnet.

Additive und Füllstoffe auf der K 2022

Kautschuk / Elastomere

Messe K-Kunststoffmesse

kunststoffe-international.com

kunststoffe.de

Füllstoffe, mineralisch

Streifinger, Florian

Attraktives Design und bessere  Eigenschaften

SWARCOFORCE Glasfüllperlen von SWARCO Indusferica sind bedeutende Füll- und Verstärkungsstoffe für Kunststoffe und optimieren deren mechanische Eigenschaften.

M. Swarovski GmbH / SWARCO INDUSFERICA  

https://www.swarco.com/indusferica

Additive Fertigung

Compoundieren

Kunststoff-Aufbereitung

Kunststoffverarbeitung: Verfahren

Duroplaste

Glas

Andere Werkstoffe

Kunststoffverarbeitung: Maschinen und Komponenten

Oberflächentechnik

Pigmente

Thermoplastische Elastomere

Thermoplaste

Verstärkungsstoffe

Als Füllstoff für PLA eignete sich Lignin bisher nur bedingt. Modifizierte Varianten in Kombination mit PLA-Copolymeren sind jedoch eine interessante Variante.

Das Riesengras Miscanthus ist eine der Rohstoffquellen für Lignin.

Blends aus PLA-Copolymeren und Lignin

PLA und Lignin – eine gewinnbringende Kombination

Mit pflanzlichen Reststoffen verstärkte Biocompounds kommen selten im 3D-Druck zum Einsatz. Noch spannender wird es, wenn sie dabei geschäumt werden.

Das schäumbare Compound ist beispielsweise für die Herstellung passgenauer Verpackungen geeignet und kann nach der Verwendung rezykliert werden.

Geschäumte Kunststoffteile aus Biocompounds additiv fertigen

Schäumen / Reaktive Verarbeitung

3D-gedruckt, geschäumt und bio

Der Additivhersteller Quarzwerke stellt auf der Fakuma Füllstoffe für Kunststoffe in der Elektromobilität, Windkraft und für Folien vor. Diese sollen dabei helfen, die hohen Anforderungen an die Materialien in diesen Branchen bewältigen zu können.

Die Füllstoffe beruhen auf unterschiedlichen Mineralien

Batterien

Energiespeicherung

Elektromobilität

Mobilität

Windkraft

Energieerzeugung

Erneuerbare Energie

Kunststoff

Bauwesen

Baustoffe

Folien

Halbzeuge und Zwischenprodukte

Kunststoff-Halbzeuge

Füllstoffe verbessern Batterien und Windkraftanlagen

Das Unternehmen hat einen Nachfolger für Dr. Christian Seeger ernannt. Der neue Mann kommt von Henkel.

Dr. Mikhail Meilikhov leitet den Bereich F&E und Riskmanagement bei Hoffmann Mineral.

Neuer F&E-Leiter bei Hoffmann Mineral

Beim Wärmemanagement ersetzen Kunststoffe immer häufiger Metalle. Das Unternehmen Quarzwerke hat spezielle wärmeleitfähige mineralische Füllstoffe entwickelt.

Das Wärmemanagement wird bei elektronischen Baugruppen immer wichtiger und komplexer. Mit mineralischen Füllstoffen gefüllte Kunststoffe ersetzen dabei immer häufiger Metalle.

Elektrisch leitende Füllstoffe (Metalllegierungen, Ruß, Graphit)

Mehr als Lückenfüller

Die Folien von Gewächshäusern sollen durchlässig für sichtbares Licht sein und gleichzeitig Infrarotstrahlung im Gewächshaus halten. Letzteres lässt sich mit reinen PE-Folien nur unvollständig umsetzen. Mithilfe von passenden Füllstoffen erreichen die Folien jedoch eine hohe IR-Barriere.

Die Folien müssen die Photosynthese fördern und gleichzeitig Wärme in den Gewächshäusern halten. 

Folien sollen Infrarotstrahlung in Gewächshäusern halten. Reine PE-Folien erfüllen das nur unzureichend. Mit Füllstoffen erreichen sie eine hohe IR-Barriere.

Neuburger Kieselerde verbessert die Leistung von PE-Gewächshausfolien

Reiche Ernte durch passende Erde

Mit mikrofibrillierter Cellulose können die Eigenschaften von Elastomeren verbessert werden. Eine Oberflächenmodifizierung erleichtert nun deren Einsatz.

Die Oberflächenmodifizierung soll den Einsatz von Cellulose anstatt von Aramidfasern ermöglichen.

Füll- und Verstärkungsstoff für Elastomere

Fasern

Aramidfasern

Cellulose anstatt Aramidfasern

Im ersten Quartal 2021 erfolgt der offizielle Start eines neuen HPF-Produktionswerks für Hochleistungsfüllstoffe in Dangjin, Südkorea. Die Investition unterstreicht den Wachstumskurs der Quarzwerke Division HPF The Mineral Engineers in Asien.

Hightech-Werk für Hochleistungsfüllstoffe in Dangjin, Südkorea

16:9

Hilfs-und Zusatzstoffe für die Kunststoff-Industrie

Kunststoff-Erzeugung

HPF nimmt Produktion in Südkorea auf

In modernen Fahrzeugen spielt die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) eine immer wichtigere Rolle. EMV-Kunststoffe helfen dabei, Störungen durch elektromagnetische Felder sicher und kosteneffizient zu verhindern.

Interieur des Konzeptfahrzeugs Rinspeed MetroSnap: Bei aktuellen Fahrzeugentwicklungen spielt die EMV-Abschirmung eine immer größere Rolle. Dafür bieten sich in vielen Fällen entsprechend gefüllte Kunststoffe an. 

Fahrzeugelektronik gegen elektrische und magnetische Felder abschirmen

Glasfasern / -matten

Technische Kunststoffe

Kunststofffasern

EMV-Schutz für den  rollenden Computer

Additive bestehen oft aus Zusatzstoffmischungen heterogener Komponenten. Deren Anisometrie führt dabei zu Bauteileigenschaften, die sehr stark von der Ausrichtung der Zusatzstoffe abhängig sind.

Simulierte Faserorientierung für eine Zusatzstoffmischung aus Fasern und Kugeln mit jeweils einem Volumenanteil von 4 %

Orientierungsverhalten von Zusatzstoffmischungen simulieren

Faserverarbeitung

Additiv-Konzentrate

Prozesssimulation

Software

Simulation

Spritzgießsimulation

Additiv-Batches

Faserverbundwerkstoffe

Wenn die Faser mit dem Plättchen

Die Integration wärmeleitfähiger Kunststoffe in Baugruppen bietet Vorteile in puncto Designfreiheit und Funktionalität. Werden bereits in der Entwicklung die Weichen gestellt, kann die Anwendung das gesamte Potenzial dieser Werkstoffe nutzen.

Orientierung des Füllstoffs Bornitrid  im Bereich der Bindenaht auf der Blende eines Navigationsgeräts

Über den Einfluss wärmeleitfähiger Füllstoffe auf die Bindenahtfestigkeit

Spritzgießen

Werkstoffprüfung, mechanisch

Messtechnik

Werkstoffprüfung

Bruchmechanische Prüfung

Zug-und Druckfestigkeitsprüfgeräte

Eine Frage der Orientierung

Biobasierten Fasern und Füllstoffe werden unter hohen Temperaturen oft geschädigt. An dieser Stelle kommt ein Prozesshilfsmittel von Polytives ins Spiel.

Aus den PLA-Compounds können etwa Freizeitgeräte und Lebensmittelverpackungen hergestellt werden. Der verwendete Fließverbesserer senkt die notwendige Verarbeitungstemperatur der PLA-Compounds. Dadurch können auch temperatursensible Füllstoffe eingearbeitet werden. 

Temperatursensible Füllstoffe und Additive besser verarbeiten

Biokunststoffe mit Kaffeesatz als biobasiertem Füllstoff

Kaffeesatz ist deutlich mehr als ein Abfallprodukt. Nach Entölung und Trocknung lässt er sich als Füll- und Farbstoff in Kunststoffcompounds einarbeiten. Er wirkt sich zudem auf das Kristallisationsverhalten aus und beeinflusst die weiterführende Kunststoffverarbeitung. Beim Spritzgießen können dadurch Kühl- und Zykluszeiten verringert werden, ohne dass die Materialeigenschaften signifikant darunter leiden.

Biokunststoffe werden überwiegend als nachhaltige Alternative zu herkömmlichen Kunststoffen eingesetzt. Häufig stammen die zugesetzten Additive allerdings aus fossilen Quellen, was dem Nachhaltigkeitsanspruch widerspricht. Deshalb wird intensiv an biobasierten Zusatzstoffen geforscht. Eine Möglichkeit stellt beispielsweise Kaffeesatz dar, der sich sowohl als Füll- als auch als Farbstoff für Biokunststoffe verwenden lässt. Das Material erfüllt dabei den Nachhaltigkeitsanspruch gleich doppelt: Es ist biobasiert und als Abfallprodukt entspricht es auch noch dem Kreislaufgedanken.

Wie sich das Material als Füllstoff verwenden lässt, wurde am IfBB – Institut für Biokunststoffe und Bioverbundwerkstoffe an der Hochschule Hannover untersucht. Bei dem verwendeten Biopolymer handelte es sich um ein Stereokomplex-Polylactid (PLA; Typ: IfBB-Blend HD130x) der Hochschule Hannover basierend auf PLLA (Poly-L-Lactid) und PDLA (Poly-D-Lactid) sowie Talk als mineralischem Füllstoff. Dieses Material wird bereits im Office-Bereich eingesetzt und wurde für die Untersuchungen weiter mit Kaffeesatz modifiziert. Durch die Additivierung von PLLA mit PDLA als Nukleierungsmittel und die Kombination mit einer erhöhten Werkzeugtemperatur von 100 °C entstehen im Spritzgießprozess sogenannte Stereokomplexe (scPLA), die wiederum das Kristallisationsvermögen des Materials bestimmen und die Materialeigenschaften, insbesondere die Wärmeformbeständigkeit, begünstigen. [1]

Um den Einfluss des Kaffeesatzes zu analysieren, wurde dieser zunächst in einem ersten Schritt in verschiedenen Konzentrationen von 5 – 15 Gew.-% zudosiert. Außerdem wurde ein Compound mit jeweils 5 Gew.-% Kaffeesatz und Talkum hergestellt. Dieses diente zur Überprüfung, ob der mineralische Füllstoff weiterhin als Nukleierungsmittel notwendig ist. Der dabei verwendete Kaffeesatz (Partikelgröße: d50 -Wert = 362 µm) stammt von der Firma abc advanced biomass concepts aus Köln.

Die Herstellung der Kaffeesatz-Compounds erfolgte auf einem Extruder ZE 34 Basic des Unternehmens KraussMaffei Extrusion. Die biopolymere Matrix wird am Anfang des Extruders in der Aufschmelzzone zugeführt. Die Dosierung des Kaffeesatzes (5,4 Gew.-% Feuchtigkeit) erfolgt über eine Seitenfüttereinrichtung, auch Side Feeder genannt. Angepasste Schneckenkonfigurationen ermöglichen eine schonende Einarbeitung, ohne dass das PLLA und der Reststoff dadurch geschädigt werden. Durch einen speziellen Extruderaufbau mit Entgasungszonen kann Feuchtigkeit aus dem Prozess entfernt werden, wodurch eine Vortrocknung entfällt.

Für die Herstellung der Vielzweckprüfkörper (Typ 1A) wurde eine Spritzgießmaschine KM 50-180 AX des Herstellers KraussMaffei mit einer Werkzeugtemperatur von 100 °C verwendet. Um einen Materialabbau durch Hydrolyse vorzubeugen, wurden die Granulate vor der Verarbeitung getrocknet (Feuchtegehalt &lt; 500 ppm) [2]. Temperaturzonen, Nachdruck sowie Einspritzzeit und -druck wurden spezifisch angepasst, um ein optimal gefülltes Bauteil herzustellen. Im Anschluss an die Verarbeitung wurden die mechanischen, thermischen und rheologischen Materialeigenschaften in Anlehnung an die entsprechenden Normen ermittelt. Dass sich die hergestellten Kaffeesatz-Compounds beispielsweise für Computerzubehör sowie den Gastronomie- und Office-Bereich verwenden lassen, zeigen exemplarisch zwei daraus am IfBB hergestellte Produkte: ein Flaschenöffner und das Gehäuse einer Computermaus (Titelbild).

Die Extrusion der Kaffeesatz-Compounds erfolgte ohne Prozessprobleme mit einem Durchsatz von 50 kg/h. Beim Spritzgießen zeigte sich, dass sich die Zykluszeiten mit zunehmendem Kaffeesatzgehalt (5 – 15 Gew.-%) um bis zu 28 s verlängern (Tabelle 1). Die Kühlzeit musste verlängert werden, um Abdrücke der Auswerfer, aufgrund einer geringen Formstabilität, zu vermeiden. Durch den Zusatz des mineralischen Füllstoffs wird das Kristallisationsvermögen der Compounds positiv beeinflusst. Die Zykluszeit kann dadurch verglichen mit der Referenz um weitere 9 s reduziert werden.

Mit steigendem Kaffeesatzgehalt kommt es zu einer Reduktion der Zugfestigkeit, des Zug-E-Moduls und der Schlagzähigkeit. Wie auch bei der Additivierung mit Naturfasern oder Holzmehl sinken die Zugfestigkeit und die Schlagzähigkeit in Abhängigkeit der Dosierungsmenge [2]. Im Vergleich zur Referenz, einem scPLA mit 10 Gew.-% Talk, hat der Kaffeesatz bis zu einem Füllstoffgehalt von 15 Gew.-% keine verstärkende Wirkung. Ein signifikanter Unterschied der mechanischen Eigenschaften in Abhängigkeit der Dosierungsmenge ist somit nicht gegeben. Die Wärmeformbeständigkeit liegt bei allen Materialien über 100 °C.

Durch den Einsatz von Talk in das Kaffeesatz-Compound erhöht sich der Zug-E-Modul im Vergleich zum Compound mit 5 Gew.-% Kaffeesatz. Das Material wird dadurch steifer, aber nicht spröder. Die Additivierung mit Talk hat keinen signifikanten Einfluss auf die Zugfestigkeit und Schlagzähigkeit. [3]

Um das Kristallisationsverhalten genauer zu analysieren, besonders im Hinblick auf die unzureichende Entformung während dem Spritzgießen aufgrund der geringen Formstabilität einiger Compounds, wurden Differentialthermoanalysen (DSC-Untersuchungen) durchgeführt. Die DSC-Abkühlkurven zeigen, dass es mit zunehmendem Kaffeesatzanteil zu einer Verbreiterung und Verschiebung des Kristallisationspeaks (Tc) hin zu geringeren Temperaturen kommt (Bild 1). Das Ende der Kristallisation der Proben mit 10 bzw. 15 Gew.-% Kaffeesatz lag unterhalb der eingestellten Werkzeugtemperatur von 100 °C. Das lässt darauf schließen, dass die Kristallisation während des Spritzgießprozesses nicht abgeschlossen war. Da sich der Kristallisationspeak bei höheren Kühlraten zu geringeren Temperaturen hin verschiebt, kommt es zu den langen Zykluszeiten. [4]

Um das Kristallisationsverhalten genauer beurteilen zu können, wurden mittels Heiztischmikroskop Bildaufnahmen unter polarisiertem Licht erstellt. Die Probe wurde dabei über den Schmelzpunkt (175 °C für PLLA; 245 °C für scPLA) erhitzt und definiert abgekühlt (10 K/min). Mikroskopisch wurden der Beginn und die Ausbildung der Kristalle während der Abkühlung erfasst und ausgewertet.

Beispielhaft ist das Kristallisationsverhalten der mit Kaffee und Talk additivierten Probe (scPLA + 5 Gew.-% Talk + 5 Gew.-% Kaffeesatz) in Bild 2 dargestellt. Der Polymeranteil ist bei 245 °C vollständig aufgeschmolzen. Die pinken Bereiche zeigen den flüssigen, kristallfreien Zustand des Compounds. Die homogen verteilten Kaffeepartikel sowie die leuchtenden kristallinen Strukturen des Talks sind zu erkennen. Während der Abkühlung entstehen unter 130 °C erste Kristalle im Randbereich der Probe. Kleine Sphärolithe bilden sich mit abnehmender Temperatur, ähnlich wie bei Spitzgussbauteilen, von außen nach innen und an den Kaffeepartikeln aus. Die Kristallisation ist bereits zwischen 109 und 110 °C vollständig abgeschlossen und liegt somit 9 °C über der eingestellten Werkzeugtemperatur. Dieses Ergebnis deckt sich mit der DSC-Abkühlkurve (Bild 1). Die Additivierung mit Talk führt zu einer Erhöhung der Kristallisationstemperatur und somit zu einer Nukleierung und einer Verkürzung des Kristallisationszeitraums des Kaffeesatz-Compounds.

Aufgrund der Ergebnisse wurden die Compounds mit 10 und 15 Gew.-% Kaffeesatz erneut mit einer geringeren Werkzeugtemperatur von 90 °C verarbeitet und analysiert. Die Ergebnisse zeigen, dass durch Anpassung der Werkzeugtemperatur die Zykluszeit um 7 – 12 % reduziert werden kann (Tabelle 2). Die erhöhte Kristallbildung, bedingt durch eine geringere Werkzeugtemperatur, führt zu einer ausreichenden Formstabilität und somit zu einer besseren Entformung. Diese Vermutung wurde durch weitere DSC-Messungen am Bauteil bestätigt. Einhergehend mit zunehmendem Kristallisationsgrad verringert sich die Zugfestigkeit um ca. 13 %, der Zug-E-Modul um etwa 3 % und auch die Schlagzähigkeit.

Eine industrielle Verarbeitung der Kaffeesatz-Compounds ist ohne Prozessprobleme realisierbar. Durch Adaptionen und Anpassungen der Peripherien können Zeit und somit Kosten eingespart werden. Die Materialeigenschaften verändern sich durch die Additivierung mit Kaffeesatz, ähnlich wie bei der Verwendung von Naturfasern oder Holzmehl. Zugfestigkeit, Schlagzähigkeit und ebenfalls die Fließfähigkeit nehmen mit steigendem Kaffeesatzanteil ab. Besonders die Kombination von Kaffeesatz und dem mineralischen Füllstoff Talk sind vielversprechend. Sowohl die Materialeigenschaften als auch Verarbeitungsparameter wie etwa die Kühl- und Zykluszeit verbessern sich durch eine Verkürzung des Kristallisationszeitraums.

[1] Siebert-Raths, A. Modifizierung von Polylactid (PLA) für technische Anwendungen: verfahrenstechnische Optimierung der Verarbeitungs- und Gebrauchseigenschaften. Rostock: s.n., 2012. Dissertation.

[2] Institut für Biokunststoffe und Bioverbundwerkstoffe. Identifizierung und praktische Umsetzung von Synergien im Bereich der Biopolymere, Biopolymerfasern und Verbundwerkstoffe inklusive Optimierung zugehöriger Prozesstechnik und Verarbeitung zur anwendungsorientierten Weiterentwicklung. Hannover: Hochschule Hannover, IfBB – Institut für Biokunststoffe und Bioverbundwerkstoffe, 2018. S. 45–48, 61, 65–69, 78, Schlussbericht. Förderkennzeichen: 22024711, 11NR247.

[3] Jahn, D. und Siebert-Raths, A. IBÖM02: KaVe – Entwicklung eines hochwertigen Bioverbundwerkstoffs auf Basis von Kaffeesatz. Kunststoffverarbeitung, Hochschule Hannover, IfBB – Institut für Biokunststoffe und Bioverbundwerkstoffe. Hannover: s.n., 2020. Schlussbericht.

[4] Ehrenstein, Gottfried W. Thermische Analyse – Brandprüfung, Wärme- und Temperaturleitfähigkeit, DSC, DMA, TMA. München: Carl Hanser Verlag, 2020. S. 88 - 89. 978–3–446–46258–8.

IfBB - Institut für Biokunststoffe und Bioverbundwerkstoffe Hochschule Hannover

http://ifbb.wp.hs-hannover.de/

Ausgabenartikel KU10-21

Die mit Kaffeesatz gefüllten Compounds lassen sich etwa für Computerzubehör wie das Gehäuse dieser Maus verwenden

Tabelle 1. Materialeigenschaften der Kaffeesatz-Compounds (Werkzeugtemperatur beim Spritzgießen 100 °C)

Tabelle 2. Die mechanischen Eigenschaften der im Spritzgießen hergestellten Bauteile unterscheiden sich bei verschiedenen Werkzeugtemperaturen

Bild 1. Bei zunehmendem Anteil des Kaffeesatzes kommt es zu einer Verbreiterung und Verschiebung des Kristallisationspeaks hin zu geringeren Temperaturen

Bild 2. Heiztischmikroskopaufnahmen für eine Probe aus scPLA mit jeweils 5 Gew.-% Talk und Kaffeesatz: Links ist der aufgeschmolzene Zustand der Probe bei 245 °C zu sehen. Die mittlere Aufnahme zeigt die Kristallbildung im Randbereich bei 126 °C. Bei 110 °C ist die Kristallisation abgeschlossen (rechts)

KU 10-21_IfBB_Kroll - Hauptartikel

B. Eng. Daniela Jahn ist wissenschaftliche Mitarbeiterin am IfBB – Institut für Biokunststoffe und Bioverbundwerkstoffe an der Hochschule Hannover und arbeitet dort in der Materialentwicklung und thermischen Analyse; <a href="mailto:daniela.jahn@hs-hannover.de">daniela.jahn@hs-hannover.de</a>

Dr. Stephen Kroll ist Oberingenieur am IfBB und leitet das Team Nachhaltigkeit; <a href="mailto:stephen.kroll@hs-hannover.de">stephen.kroll@hs-hannover.de</a>

Prof. Andrea Siebert-Raths ist Professorin für Produkte und Verarbeitung nachwachsender Rohstoffe und Leiterin des IfBB; <a href="mailto:andrea.siebert-raths@hs-hannover.de">andrea.siebert-raths@hs-hannover.de</a>

Das Projekt „KaVe – Entwicklung eines hochwertigen Bioverbundwerkstoffs auf Basis von Kaffeesatz“ wurde vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert (Förderkennzeichen 031B0383C). Die Autoren bedanken sich für die Förderung und die Unterstützung durch die Projektpartner abc – advanced biomass concepts GmbH und Maschinenfabrik Reinartz GmbH & Co. KG.