KraussMaffei Extrusie en Synergy Horizon Poland hebben een proces ontwikkeld voor de productie van met lignine versterkt PLA: een 100% biobased versterkt thermoplastisch materiaal.

"Met onze expertise op het gebied van bereidingen en de unieke kennis van onze projectpartner op het gebied van ligninebereiding zijn we erin geslaagd om tot 30% lignine in de PLA-matrix op te nemen en een verbinding te produceren met een natuurlijke antioxiderende capaciteit/activiteit, verbeterde mechanische eigenschappen en gecontroleerde biologische afbreekbaarheid", aldus Lars Darnedde van KraussMaffei Extrusie.

Met een focus op de valorisatie van lignine door hydrolyse transformeert de Synergy Horizon-bedrijvengroep lignine, een biopolymeer dat vaak wordt weggegooid als bijproduct van de bio-ethanolindustrie, in waardevolle producten voor verschillende toepassingen. Hun competenties omvatten de zuivering van lignine, de chemische modificatie en functionaliteit ervan. Ze bieden van lignine afgeleide producten voor verschillende toepassingen, zoals olie- en gaswinning, batterijproductie, waterzuivering, veevoer en meer. 

Van afvalproduct tot vulmiddel

Synergy Horizon Poland heeft onlangs een proces ontwikkeld voor de productie van vrijstromend ligninepoeder dat als vulmiddel in de extruder kan worden gedoseerd. Lignine is een 100% natuurlijke stof en volgens het bedrijf na cellulose het meest voorkomende organische materiaal op aarde. Lignine kan op verschillende manieren uit lignocellulosebiomassa worden gewonnen. Eén methode is de hydrolyse van biomassa voor de productie van bio-ethanol, waarbij als bijproduct hydrolyse van lignine ontstaat. Jaarlijks ontstaat wereldwijd 50 miljoen ton lignine-afval in de papier- en bio-ethanolindustrie, waarvan 98% wordt verbrand. Verschillende onderzoeksprojecten hebben zich al beziggehouden met de hernieuwbare biohulpbron, maar het gebruik ervan als vulmiddel in een biopolymeermatrix is tot nu toe uniek. "De verwerking van hydrolyselignine is echter geen gemakkelijke taak", zegt Alexander Gonchar, hoofd onderzoek en ontwikkeling bij Synergy Horizon. 

Procesoptimalisatie

KraussMaffei heeft de integratie van de natuurlijke grondstof in de PLA-matrix gedemonstreerd in zijn technisch centrum op de locatie Laatzen. Zowel de laboratoriumextruder, een ZE Blue Power 28, als de kleine ZE Blue Power 42-productiecompounder zijn erin geslaagd tot 30% lignine te verwerken. "We hebben de schroefconfiguratie aangepast aan de lignine met zwaargevoelige mengelementen, werken op een temperatuur van maximaal 160°C en maken gebruik van zowel een 6 D-lange vulzone als zijdelingse ontgassing", geeft Lars Darnedde inzicht in het proces configuratie. De ZE BluePower-generatie biedt met zijn optimale Da/di van 1,65 al deze mogelijkheden 'out of the box' en is daarmee uitstekend geschikt voor het verwerken van deze schuif- en temperatuurgevoelige polymeren.

Voordelen

Vergeleken met puur PLA zorgt de lignineversterking ervoor dat de buig- en trekmodulus met ongeveer 30% wordt verhoogd. Dit kan nuttig zijn bij verpakkingstoepassingen waarbij het materiaal stijf genoeg moet zijn om zijn vorm te behouden onder belasting. Een ander voordeel is dat lignine voldoende antioxidantcapaciteit toevoegt die vooral bij de toepassing van voedselverpakkingen kan helpen om oxidatie van het voedsel te voorkomen en de kwaliteit en veiligheid ervan te behouden door de radicale oxidatie te remmen en de vorming van onaangename smaken, geuren of giftige verbindingen te voorkomen. Bovendien heeft de bioverbinding met lignine geen geur, in tegenstelling tot andere soorten lignine. De biocompound zou kunnen worden toegepast op biologisch afbreekbare kunststoffen voor landbouwdoeleinden, zoals mulchfilms, om ze te beschermen tegen oxidatieve afbraak.

In tegenstelling tot puur PLA, dat een beperkte biologische afbreekbaarheid heeft vanwege de afhankelijkheid van specifieke enzymen en industriële omstandigheden, vertonen PLA-bioverbindingen die lignine bevatten verbeterde biologische afbreekbaarheidseigenschappen met een biologische afbraaksnelheid van meer dan 90% in 99 dagen.