Verstrekking en kristallisatie verbeteren eigenschappen van PLA

PLA is een veelzijdig, 100% biobased en tevens composteerbaar plastic dat al in een breed scala producten wordt toegepast. De toepassingsmogelijkheden van PLA kunnen verder worden vergroot wanneer  eigenschappen zoals taaiheid, maximale gebruikstemperatuur en barrière-eigenschappen worden verbeterd. In het project PLA-StIC probeerden onderzoekers van de TU Eindhoven en Wageningen UR Food & Biobased Research samen met zeven industriële partners (uit de gehele keten: van grondstof tot eindtoepassing) deze eigenschappen te verbeteren door gebruik te maken van het specifieke kristallisatiegedrag van PLA tijdens het verwerkingsproces.  In het project is er voor gekozen om de gevonden resultaten te demonstreren aan de hand van de productie van flessen; de gevonden principes zijn ook toepasbaar voor de productie van vezels, folies, gethermoformeerde producten en schuimen.

Kristalvorming tijdens verstrekking

‘PLA kristalliseert relatief langzaam en de meeste PLA-producten die nu op de markt zijn, zijn niet of nauwelijks kristallijn’, zegt Gerald Schennink, onderzoeker bij Wageningen UR Food & Biobased Research. Een bekend voorbeeld zijn de PLA-bekertjes die nu op grote festivals gebruikt worden: deze zijn niet kristallijn maar amorf en daarom alleen geschikt voor koude dranken. ‘Toch is het zonder problemen mogelijk (semi-)kristallijne PLA-bekers te maken die ook geschikt zijn voor warme dranken.’ aldus Schennink. Hierbij wordt o.a. gebruik gemaakt van het oriëntatie- en verstrekproces dat tijdens de vervaardiging van deze producten toch al optreedt.

Zuiverheid PLA bepaalt kristallisatiegedrag

‘Het is daarbij belangrijk de grondstofkeuze en de productie parameters goed op elkaar af te stemmen,’ aldus Schennink. Voor PLA is van belang te weten of er tijdens de productie van het polymeer alleen linksdraaiend of rechtsdraaiend melkzuur is gebruikt of dat het gaat om een zogenaamd co-polymeer opgebouwd uit beide monomeren. Als daarnaast een polymeer van zuiver linksdraaiend melkzuur (PLLA) als additief toegevoegd wordt aan een PLA-(co)polymeer met weinig of geen linksdraaiend melkzuur, ontstaat bij processing een type kristal (stereocomplex) dat niet alleen een hoger smeltpunt heeft maar waardoor het gehele kristallisatieproces zich ook sneller voltrekt. In het onderzoek is van dit mechanisme gebruik gemaakt.

Hitte stabiele en transparante PLA flessen

Uit het onderzoek blijkt dat het mogelijk is een PLA fles te maken die transparant én taai is, en niet of nauwelijks vervormd bij temperaturen van 90 °C. De fles voldoet nog niet voor koolzuurhoudende dranken. ‘Koolzuur lekt weg door de wand van de fles’, vertelt Pim Lohmeijer, onderzoeker bij de capaciteitsgroep Polymer Materials van de TU Eindhoven. ‘Weliswaar verbeteren de gevormde kristallen de barrière-eigenschappen van de fles, maar tijdens het flessenblaasproces rekt het materiaal zoveel op dat er minuscule gaatjes ontstaan.’ Het ontstaan van gaten kan wellicht worden voorkomen door nog beter naar de condities van het verstrekproces te kijken.

Model geeft meer grip

Om meer grip te krijgen op de relatie tussen verstrekcondities, kristallisatiegedrag en de eigenschappen van het eindproduct hebben Lohmeijer en Schennink geprobeerd de diverse processen die optreden tijdens het verstrekken te vangen in een model. Onderzoekers van de TU Eindhoven concentreerden zich op het (in-line) bestuderen van het kristallisatiegedrag van PLA tijdens het 1D-verstrekken van tapes. Onderzoekers van Food & Biobased Research richtten zich op 2D-verstrektesten aan folies/sheets en de uiteindelijke productie van flessen. Gebundeld leverden de onderzoeken informatie op over de grondstofkeuze, kristalvorming en de uiteindelijke eigenschappen van verstrekte, kristallijne PLA-producten. Tenslotte ontdekte het onderzoeksteam dat niet alleen kristallisatie belangrijk is voor het uiteindelijke gedrag van een PLA-product maar ook de oriëntatie van het niet-gekristalliseerde materiaal. Van deze eigenschap kan gebruikt gemaakt worden tijdens bijvoorbeeld de productie van krimpfolies.