Entwicklung von kreislauffähigen PLA-Blend-basierten Lebensmittelverpackungen - Teilprojekt 1: Rezepturentwicklung, Compoundierung und Verarbeitung; Teilvorhaben 2: Materialentwicklung von Blendpartnern und Up-Scaling für Flachfolien

Abstract

Das Forschungsprojekt PLA2Scale verfolgte das Ziel, kreislauffähige, biobasierte Lebensmittelverpackungen auf Basis von Polylactid (PLA) zu entwickeln, die sowohl material- und ressourceneffizient als auch recyclingfähig sind. Durch gezielte Materialentwicklung, Prozessoptimierung und ökologische Bewertung sollten drei Ansätze verfolgt und evaluiert werden: Spritzgegossene PLA-Transportkisten, PLA-Faser thermogeformte Schalen und PLA-Stärke-Composite thermogeformte Schalen. Ziel dieser Ansätze ist die Ausweitung der Anwendungsgebiete von PLA-basierten Verpackungen, die letztendlich in einem gemeinsamen Recycling von PLA münden. Durch die Erweiterung der Anwendungsgebiete von PLA, soll der PLA Stoffstrom perspektifisch erhöht werden damit ein Sortieren und Recycling dieses Biokunststoffs auch wirtschaftlich interessant wird. Zur Umsetzung wurden geeignete PLA-Typen, Blendpartner und Additive identifiziert und charakterisiert. Dabei kamen überwiegend biobasierte Weichmacher, Schlagzähmodifikatoren und Stabilisatoren zum Einsatz. Für Spritzgussanwendungen wurden schlagzähmodifizierte PLA-Compounds entwickelt und im industriellen Maßstab zu Transport- und Lagerkisten verarbeitet. Durch den gezielten Einsatz von Additiven konnte die Schlagzähigkeit um das bis zu Fünffache gesteigert werden, während die mechanischen Kennwerte den Anforderungen der Anwendung entsprachen. Die industriellen Abmusterungen bestätigten die prozessstabile Verarbeitbarkeit und Integration in bestehende Fertigungslinien. Zur Eigenschaftsmodifikation wurde außerdem die Strahlenvernetzung erprobt. Dabei konnten moderate Verbesserungen der Schlagzähigkeit und Wärmeformbeständigkeit erzielt werden, jedoch sind die Effekte anwendungsspezifisch zu bewerten. Im großtechnischen Spritzguss bei bekuplast wurden PLA-Behälter unter Serienbedingungen gefertigt, wobei alle Qualitätsanforderungen erfüllt wurden. Für die Folien bzw. thermogeformten Folien wurden die Ansätze PLA-Faser und PLA-Stärke-Composite verfolgt. Die PLA-Faser-Folien wurden mit dem Ziel entwickelt, durch gezielte Inkompatibilitäten zwischen Polymermatrix und Naturfasern die Gaspermeabilität zu erhöhen. Dies ist insbesondere für Verpackungsanwendungen mit respirierenden Lebensmitteln wie Obst und Gemüse von Bedeutung. Hierfür wurden insgesamt 13 Naturfaserprodukte aus industriellen Nebenströmen beschafft und anhand technischer und ökologischer Kriterien wie Treibhauspotenzial, Verfügbarkeit, Verarbeitbarkeit, Fasergeometrie und Lebensmitteltauglichkeit bewertet. Auf Basis dieser Bewertung wurden Apfelfasern und Holzfasen als geeignete Komponenten identifiziert, da sie sowohl eine gute Prozessstabilität als auch einen geringen CO₂-Fußabdruck aufwiesen. Die Compoundierung erfolgte im Technikumsmaßstab auf einem Zweischneckenextruder unter Einsatz biobasierter Weichmacher (z. B. Citrofol BII), um die Flexibilität und Verarbeitbarkeit der Blends zu verbessern. Insgesamt wurden acht Formulierungen hergestellt, von denen die Rezepturen PLA-Apfelfaser- und PLA-Holzfaser-Compounds mit 10% Faseranteil als besonders funktional bewertet wurden. Diese Compounds wurden im dreistelligen Kilogrammmaßstab skaliert und zur Herstellung von Folien im Industriemaßstab bzw. semi-industriellen Maßstab und thermoformbaren Schalen erfolgreich eingesetzt. Die mechanischen Prüfungen zeigten eine Abnahme der Zugfestigkeit durch die Fasereinbindung, während die Sauerstofftransmissionsrate (OTR) mit zunehmendem Faseranteil deutlich anstieg. Die Gasdurchlässigkeit konnte gezielt auf Werte von über 10.000 ml/m²·d·bar eingestellt werden, womit die Materialien die Anforderungen für respirierende Lebensmittel erfüllen. Auch die Wasserdampftransmissionsrate (WVTR) erhöhte sich mit steigendem Faseranteil und erreichte die Zielwerte von über 10 g/m²·d. Mikroskopische Analysen der Mikrotomschnitte der Folien zeigten eine raue, heterogene Folienstruktur mit Durchdringung der PLA-Matrix durch die Faserpartikel, was die gesteigerte Gas- und Wasserdampfdurchlässigkeit erklärt. Tiefgezogene PLA-Faser-Schalen wurden erfolgreich hergestellt und in Abpack- und Lagerversuchen mit Heidelbeeren und Tomaten getestet. Die Ergebnisse zeigten eine ausreichende Sauerstoffdurchlässigkeit ohne nennenswerte CO₂-Anreicherung, wodurch eine stabile Lageratmosphäre für respirierende Produkte gewährleistet war. Der dritte Ansatz verfolgt eine Kombination aus PLA und Stärke, wodurch Folien hergestellt werden sollten mit verbesserten Sauerstoffbarriereeigenschaften. Die Herstellung thermoplastischer Stärke (TPS) aus Nebenströmen erwies sich als herausfordernd. Die Nutzung von marktverfügbarer Stärke zur Herstellung von TPS gelang, allerdings zeigten die Folien aus PLA-TPS-Compounds Inhomogenitäten und keine signifikante Verbesserung der Sauerstoffbarriereeigenschaften. Dadurch wurde der Ansatz PLA-TPS als Sauerstoffbarrierefolien als nicht zielführend eingestuft. Die Ergebnisse dienten als Grundlage für einen neuartigen Ansatz zur Herstellung von PLA-Stärke-Composit-Folien, welche vielversprechende Ergebnisse hinsichtlich der Sauerstofftransmissionsrate zeigten. Der Prozess als auch das Produkt (rezyklierbare, >98% biobasierte PLA-Stärke-Composit- Folien bzw. thermogeformte Schalen) wurden als Erfindungsmeldung beim deutschen Patent- und Markenamt eingereicht. Aus den PLA-Stärke-Composit-Folien wurden im Labormaßstab thermogeformte Schalen hergestellt und für die Abpackung von empfindlichen Produkten wie Geflügel-Geschnetzeltes und Weichkäse getestet. Lagertestst mit Weichkäse in der PLA-Stärke-Composit Verpackung zeigten vergleichbare Ergebnisse zu marktverfügbaren petrochemischen Mehrschichtverbundverpackungen. Insbesondere die Kopfraumgaszusammensetzung zeigte vergleichbare Werte während der Lagerdauer von 9 Wochen und wies somit die prinzipielle Eigenung der entwickelten Verpackung für (Sauerstoff-)sensible Lebensmittel nach. Ein zentrales Arbeitspaket widmete sich der Sortier- und Recyclingfähigkeit der entwickelten Materialien. Mittels NIR-Sortiertechnik konnte eine klare Differenzierung von PLA-Materialien, einschließlich naturfasergefüllter Varianten, mit Reinheiten von bis zu 98% erreicht werden. Mechanische Recyclingversuche mit Regranulaten bestätigten die Rezyklierbarkeit über mindestens zwei Zyklen, wobei die Materialeigenschaften in einem tolerierbaren Bereich blieben. Die ökologische Bewertung (Life Cycle Assessment) zeigte, dass PLA-basierte Systeme ein signifikantes Minderungspotenzial der Treibhausgasemissionen bieten, sofern geschlossene Stoffströme etabliert werden. Ohne Recycling wirkt sich das höhere Materialgewicht negativ auf die Klimabilanz aus, während werkstoffliches Recycling und biogener Kohlenstoffspeicher zu einer deutlichen Entlastung führen. Abschließend wurde ein Bewertungsrahmen für das Substitutionspotenzial entwickelt, der technische, ökologische und ökonomische Kriterien berücksichtigt. Besonders hohe Substitutionspotenziale wurden für starre Verpackungen (Spritzgussanwendungen) und PLA-Faser Verpackungen für Obst und Gemüse identifiziert. Das Projekt PLA2Scale demonstrierte damit erfolgreich die technische Machbarkeit, Skalierbarkeit und ökologische Relevanz biobasierter PLA-Verpackungen. Es zeigte zugleich den Bedarf an weiterer Forschung zur Etablierung industrieller PLA-Recyclingströme. Durch die enge Zusammenarbeit von Forschungseinrichtungen und Industriepartnern konnte ein entscheidender Beitrag zur Erweiterung möglicher Anwendungsgebiete für PLA-basierte Verpackungen und zur Förderung der Kreislaufwirtschaft im Verpackungssektor geleistet werden.