PLA (Polylactide, Polymilchsäure)

Wichtigsten Fakten über PLA

Biobasierter Anteil	100% biobasiert
Verarbeitung	Spritzguss Extrusion Thermoformen Faserspinnen 3D-Druck
Recycling	Möglich, aber im industriellen Maßstab nicht lohnenswert
Abbaubarkeit	Biologisch abbaubar (Industriekompost)
Zertifikate	Industriell kompostierbar Biobasiert Lebensmittelecht

Allgemein

Polylactide sind biobasierte, biologisch abbaubare, thermoplastisch synthetisierte Biopolymere, welche zu den Polyestern zählen. Wie der Name auch schon verrät werden Sie aus chemisch aneinander gebundenen Milchsäuremolekülen aufgebaut.

Struktur

PLA ist ein Polymer, das durch die Ringöffnungspolymerisation von Lactid (cyclisches Dimer von Milchsäure) als Monomer erhalten wird. Da Lactid 3 optische Isomere als L-Lactid, D-Lactid und DL-Lactid aufweist, werden die aus L-Lactid, D-Lactid und DL-Lactid erhaltenen Polymere mit PLLA, PDLA bzw. PDLLA abgekürzt. Die chemischen Eigenschaften von L-Lactid und D-Lactid sind gleich, während ihre sterischen Strukturen unterschiedlich sind. Grundsätzlich sind PLLA und PDLA sogenannte "optische Isomere" der Polymilchsäure, was bedeutet, dass beide polarisiertes Licht in einem gewissen Winkel nach links oder rechts drehen. Sie haben aufgrund ihrer supramolekularen Strukturen leicht unterschiedliche physikalische und chemische Eigenschaften.

Abbildung 1: chemische Struktur von PLA

Eigenschaften

Der geruchslose Biokunststoff PLA besitzt eine hohe Festigkeit und Klarheit bis hin zur Transparenz. Er lässt sich einfärben, bedrucken und zu Gegenständen mit hochglänzenden Oberflächen verarbeiten.

Chemische Eigenschaften

Die Eigenschaften der Polylactide hängen vor allem von der Molekülmasse, dem Kristallinitätsgrad und gegebenenfalls dem Anteil von Copolymeren ab. Eine höhere Molekülmasse steigert die Glasübergangs- sowie die Schmelztemperatur, die Zugfestigkeit sowie den E-Modul und senkt die Bruchdehnung. Aufgrund der Methylgruppe verhält sich das Material wasserabweisend (hydrophob), wodurch die Wasseraufnahme und somit auch die Hydrolyserate der Hauptbindung gesenkt wird. Weiterhin sind Polylactide in vielen organischen Lö-sungsmitteln löslich (z. B. Dichlormethan, Trichlormethan; durch Zugabe eines Lösungsmittels wie Ethanol, in dem das Polylactid schlechter löslich ist, kann es wieder ausgefällt werden). PLA besitzt eine hohe Beständigkeit gegenüber Ölen und Fetten, versprödet aber durch UV-Strahlung. Der Biokunststoff kann in einem Temperaturbereich von –10 °C bis +40 °C verwendet werden.

Physikalische Eigenschaften

Die mechanischen Eigenschaften von reinem PLA ähneln sehr denen von Polyethylenterephthalat (PET). Insbesondere seine Transparenz und niedrige Migrationswerte prädestinieren PLA für einen Einsatz im Lebensmittelverpackungsbereich, allerdings weist es im Vergleich zu PET eine wesentlich höhere CO2-, Sauerstoff- und Feuchte-Durchlässigkeit auf und absorbiert UV-Strahlung ab deutlich niedrigeren Wellenlängen. PLA weist zahlreiche Eigenschaften auf, die für vielerlei Einsatzgebiete von Vorteil sind: • Geringe Feuchtigkeitsaufnahme mit hoher Kapillarwirkung: Sport- und Funktionsbekleidung • Geringe Flammbarkeit, hohe UV-Beständigkeit und Farbechtheit: Möbel • Geringe Dichte: Leichtbauanwendungen

Biologische Abbaubarkeit

PLA ist nach EN 13432 biologisch abbaubar, allerdings sind hierfür bestimmte Umweltbedingungen nötig, die in der Regel nur in industriellen Kompostieranlagen (70 °C oder mehr und 70 % Feuchtigkeit) zu finden sind. Bei Raumtemperatur und normalen Umgebungsbedingungen ist PLA unbegrenzt stabil. Darüber hinaus ist die biologische Abbaubarkeit stark von der chemischen Zusammensetzung sowie den Einsatz eventueller Copolymere abhängig. Obwohl PLA und deren Copolymere biologisch abbaubar sind, verrotten sie auf dem normalen Kompost oder in der Natur eher schlecht. Die erforderlichen Bedingungen bieten derzeit nur industrielle Kompostieranlagen.

Herkunft/Quellen

PLA wird in der Umgangssprache auch Polymilchsäure genannt. Um diese Milchsäuren zu erhalten, benötigt es Stärke, die sich in Pflanzen wie Mais, Kartoffeln oder Rüben durch die Photosynthese entwickelt. Gärt die aus dem Gewächs gewonnene Stärke – bei PLA größtenteils aus der Maispflanze –, entstehen Milchsäuren. Durch den nachfolgenden Polymerisationsprozess wird die Milchsäure synthetisiert und in weiteren Schritten zu Granulaten geformt.

Verarbeitung

PLA kann in verschiedenster Weise verarbeitet werden. Zu beachten ist dabei die relativ hohe Feuchtigkeitsaufnahme, die in der Regel eine Vortrocknung voraussetzt. PLA hat einen relativ geringen Aufschmelzbereich (180 bis 200 °C), deshalb sollte das Material durch ein gestuftes Temperaturprofil bei der Compoundierung schnell und schonend aufgeschmolzen werden. Eine Vortrocknung bei 80 °C für ca. 6 Stunden ist beim PLA unabdingbar. Im Markt sind bereits unterschiedliche PLA-Typen etabliert. Die PLA-Typen mit hohem MFI sind vergleichbar mit dem PS und können im Spritzgussbereich bereits erfolgreich eingesetzt werden.

PLA kann am besten mit dem PET-A verglichen werden und kann auf denselben Linien (Extrusion, Thermoformen) verarbeitet werden.

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  Abbildung 3: Blasfolienextrusion von PLA

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  Abbildung 4: Thermoformen von PLA

Dieses Biopolymer ist auch sehr gut geeignet für die Faserextrusion, wo es als Ersatz zum PP eingesetzt werden kann.

Nachhaltigkeit

PLA ist durch seine Herstellung aus nachwachsenden Rohstoffen und der theoretischen Möglichkeit zum biologischen Abbau etwas nachhaltiger als kommerzielle Kunststoffe aus fossilen Brennstoffen. Jedoch ist die Nachhaltigkeit eines Werkstoffes stark von den Rohstoffen abhängig (Wasser- und Flächenbedarf). PLA hat einen Treibhausgaspotential (GWP) von ca. -3 bis -4,5 kg CO2-Äqivalente. Zertifikate

Kompostierung

PLA ist vom TÜV Österreich (OK Compost S478) und von European Bioplastics (Seedling 7W2030) bis zu einer Dicke von 3,5 mm als kompostierbar nach der Norm EN-13432 zertifiziert. Da die Kompostierbarkeit des Endprodukts auch von der Produktgeometrie abhängt, liegt es in der Verantwortung des Herstellers des Endprodukts, für die Einhaltung der Vorschriften zu sorgen.

Biobasierten Anteil

PLA hat einen biobasierten Anteil von 100% und einen biobasierten Kohlenstoffanteil von 100% gemäß EN16785-1 unter der Zertifikatsnummer DIC-00001. PLA ist gemäß ASTM D6866 im Rahmen des USDA Biopreferred-Programms zu 100% biobasiert zertifiziert.

Lebensmittelkontakt

In der Europäischen Union entsprechen alle PLA-Typen der Verordnung 10/2011 der EU-Kommission vom 14. Januar 2011 über Materialien und Gegenstände aus Kunststoff, die dazu bestimmt sind, mit Lebensmitteln in Berührung zu kommen. Milchsäure gilt als Dual-Use-Stoff, da Milchsäure als Lebensmittelzusatzstoff zugelassen ist (Zusatznummer E270).

Recycling

PLA ist recyclebar, jedoch nicht auf dieselbe Weise, wie die kommerziellen Kunststoffe. PLA besitzt einen niedrigeren Schmelzpunkt als erdölbasierte Kunststoffe, so dass es nicht im selben Bündel mit dem Rest verwertet werden kann. Die Wiederverwendung von PLA bringt einige Nachteile mit sich. Für das Recycling von PLA müssen neue Recyclingprozesse aufgebaut werden. Da keine hohen Mengen von PLA in den Abfallströmen vorhanden sind lohnt sich der Aufbau eines solchen Recyclingprozesses für PLA nicht. Eine nachhaltige Alternative zum Recycling ist die Kompostierung von PLA. Wenn PLA ungestört bleibt, kann es aufgrund seines organischen Ursprungs größtenteils biologisch abgebaut werden und schließlich von natürlich vorkommenden Mikroorganismen wie Pilzen und Bakterien abgebaut werden. Zu dem idealen Abbau von PLA wird ein gewisses Verhältnis von Kunststoff zu organischer Masse benötigt. Recycling-Dienste, die sich auf PLA spezialisiert haben, verfügen über die nötige Ausrüstung, welche die richtige Temperatur und Zusammensetzung für eine schnelle Zersetzung hat. Die professionelle Kompostierung in solchen Zentren dauert ca. drei Monate, wohingegen die Kompostierung im Eigenheim ca. sechs Monate betragen kann.

Substituenten für

Ein wichtiger Substituent für Polyethylenterephthalat [PET] ist das PLA. Jedoch hat PLA im Gegensatz zu PET eine niedrigere Temperaturbeständigkeit. Der Preis für PLA von etwa 2 €/kg ist höher als der für PET, jedoch wird davon ausgegangen, dass die Produktionskosten von PLA in den kommenden Jahren mit steigenden Produktionsmengen noch etwas sinken werden. Weitere wichtige Substituenten sind:

• Polyamid [PA]
• Polystyrol [PS]