Herstellung biobasierter Schmelzklebstoffe auf Basis von Polysacchariden und deren Anwendung in Papier- und Kartonverpackungen - BioGlyk

Abstract

Das Ziel des vorliegenden Forschungsvorhabens bestand darin, die für die industrielle Anwendbarkeit von stärkebasierten Schmelzklebstoffen notwendige Thermostabilität sicherzustellen. Hierzu war vorgesehen, eine neuartige Rezeptierung zu untersuchen, welche Stärkederivate als Basispolymere und nanoskalige Stärkepartikel als zusätzliche Verstärkungskomponente enthalten. Ergänzt wird der Ansatz um eine effiziente Form der Prozesstechnik durch Extrusion. Durch den Ersatz der petrolchemischen Basiskomponente durch biobasierte Stärkederivate wird der Anspruch erhoben, den biobasierten Anteil der Schmelzklebstoff-Rezeptur deutlich zu erhöhen. Die mit biobasiertem Schmelzklebstoff verschlossenen Verpackungen sollen vollständig recyclebar und für die Verpackung von Lebensmitteln geeignet sein. Der Fokus der Arbeiten an der PTS lag auf der Erzeugung thermoplastischer Stärkeester durch Reaktivextrusion im Laborextruder, die als biobasierte Basiskomponente für Schmelzklebstoffe zum Einsatz kamen. Es wurden zwei Reaktionsrouten (mit Anhydriden, mit Vinylestern) unter heterogenen Synthesebedingungen getestet. Ziel war es, Stärkeester mittels Reaktivextrusion zu synthetisieren, die aufgrund hoher Substitutionsgrade thermoplastisches Verhalten zeigen. Mit dem klassischen Ansatz der Stärkeveresterung konnten im Extruder erfolgreich Stärkeacetate, -propionate, -butyrate bzw. -acetopropionate und -acetobutyrate hergestellt werden, die umfangreich charakterisiert wurden. Ein weiteres Augenmerk der PTS lag in der maßstäblichen Übertragung der entwickelten Schmelzklebstoffrezepturen in einen kontinuierlich laufendenden Mischprozess im Extruder. Alle Vorzugsvarianten ließen sich kontinuierlich und reproduzierbar im Extruder herstellen. Die Schmelzklebstoffrezeptur BioGlyk 130-140, bestehend aus Stärkebutyrat, PBAT-basiertem Polymer und Kolophoniumderivat wurde auf diese Weise für anwendungstechnische Tests bei einem Klebstoffsystemhersteller im kg-Maßstab produziert. Die praxisnahen Untersuchungen haben bestätigt, dass die Applikation des entwickelten Bio-Schmelzklebstoffes mit aktuellem Equipment für klebstoffschonende Verarbeitung generell möglich ist und die dafür benötigten Systemparameter in den empfohlenen Betriebsbereichen der jeweiligen Systemkomponenten liegen. Allerdings zeigten alle Entwicklungsrezepturen nicht die erhoffte Thermostabilität über einen längeren Zeitraum bei Verarbeitungstemperatur. Es sind weitere Optimierungen, wie z.B. der Einsatz von geeigneten Stabilisatoren, notwendig. Ausgewählte Schmelzklebstoffrezepturen wurden hinsichtlich Rezyklierbarkeit der damit verschlossenen Verpackungen und bezüglich Lebensmittelkonformität im Vergleich zu herkömmlichen Schmelzklebstoffen getestet. Alle geprüften Schmelzklebstoffvarianten zeigten keine negativ auffallenden Effekte beim Rezyklieren. Das Migrationsverhalten in verschiedene Lebensmittelsimulanzen (z.B. Isooctan und Tenax®) für ausgewählte Schmelzklebstoffentwicklungen wurde mittels non-target-GC/MS-Screening-Analyse untersucht. Es wurde bei allen geprüften Schmelzklebstoffen kein Übergang bedenklicher Substanzen in kritischen Mengen auf das Simulanz Tenax® festgestellt. In den Chromatogrammen der Schmelzklebstoffformulierungen mit Anteilen an Stärkeester bzw. Stärkemischester wurden noch geringe Mengen an Buttersäure gefunden. Diese kann zu starker sensorischer Beeinträchtigung des Endproduktes führen. Für einige in den Schmelzklebstoffen gefundene Substanzen ist eine Prüfung der Migration auf verpackte Lebensmittel empfehlenswert. Weiterer Projektgegenstand war die gesamtheitliche Wirtschaftlichkeitsbetrachtung von Schmelzklebstoffvorzugsvarianten. Es wurden Kosten für Personal, Material, und Energie für alle Prozesse, die zur Herstellung eines stärkebasierten Schmelzklebstoffes notwendig werden können, wie Extrusion (Reaktiv- und Mischextrusion) und nachfolgende Prozesse zur Aufreinigung, kalkuliert. Aus dieser Betrachtung ging hervor, dass die Materialkosten die Gesamtproduktionskosten dominieren. Im Umkehrschluss bedeutet dies, dass die Energiekosten seitens Extrusionstechnologie vergleichsweise gering sind und dieses Verfahren prinzipiell für eine kontinuierliche und zeitlich effektive Herstellung von Schmelzklebstoffen geeignet ist. Der Fokus der Arbeiten am IPF lag in der Herstellung kolloidaler Verstärkerfüllstoffe und in der Schmelzklebstoffentwicklung. Ziel der Zugabe von Verstärkerfüllstoff zur Schmelzklebstoffformulierung sollte sein, den Abbindemechanismus durch Kristallisationskeimbildung zu beschleunigen und die Festigkeit des Schmelzklebstoffes durch Bildung eines kohäsiven Netzwerkes zu erhöhen. Weiterhin werden Synergieeffekte zwischen Füllstoff und Biopolymer erwartet, die u.a. zu einer Erhöhung der thermischen Stabilität führen können. Zur Erzeugung von Verstärkerfüllstoffen wurden zunächst Nanostärkepartikel aus Kartoffel-, Mais- und Weizenstärke hergestellt, indem deren aufgekochte Lösungen bzw. Dispersionen durch tropfenweise Zugabe von Ethanol ausgefällt und getrocknet wurden. Bei der Synthese zu Nanostärkepartikel wurden mit der Weizenstärke die kleinsten Partikel mit Partikelgrößen von 17-30nm gewonnen. Es kamen mehrere Verfahren zur anschließenden Herstellung von Verstärkerfüllstoffen zum Einsatz. Die aus Weizenstärke erzeugten Nanostärkepartikel wurden mit Chitosan ummantelt. Eine weitere Gruppe an Verstärkerfüllstoffen wurde mit Mischungen aus Kaolin/ Weizenstärke, Kaolin/ Pektin und Kaolin/ Chitosan erhalten und ihr Einsatz in Schmelzklebstoffen anhand von Zugschertests bewertet. Der Schmelzklebstoff mit Verstärkerfüllstoff, bestehend aus 50% Kaolin mit in Wasser dispergiertem Chitosan, zeigte höhere Bruchspannungswerte als ohne Füllstoff. Wesentliche Schmelzklebstoffversuche wurden im kleinteiligen Maßstab im Batch-Reaktor durchgeführt. Dabei kamen hochsubstituierte Stärkeester bzw. -mischester aus den Entwicklungen der PTS, PBAT-basiertes Polymer und thermoplastisches Stärkeblend als Basiskomponenten zum Einsatz. Weitere Abmischungen mit Kolophonium, Kolophoniumderivaten, Wachsen, Ölen und Weichmachern wurden getestet und charakterisiert. Es erfolgten Vorversuche zum Schmelzverhalten an einer Kolbenspinnanlage, bevor ausgewählte Schmelzklebstoffvarianten im Extruder erzeugt wurden. Verglichen mit Standard- Schmelzklebstoffen zeigte das PBAT-basierte Polymer als alleinige Basiskomponente bzw. in Kombination mit den Entwicklungsprodukten Stärkeester bzw. -mischester und dem Zusatz von Kolophoniumderivat die besten Klebkraftergebnisse. Das Ziel des Vorhabens wurde erreicht. Das Forschungsvorhaben IGF 21788 BR der Forschungsvereinigung PTS wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) gefördert. Hierfür sei an dieser Stelle herzlich gedankt. Unser Dank gilt außerdem dem projektbegleitenden Ausschuss aus der Industrie für die Unterstützung der Arbeiten.