Компания KraussMaffei Extrusion (Германия) совместно с польской Synergy Horizon разработала процесс производства армированного термопласта на 100% биологической основе: полилактид (ПМК, PLA), армированный лигнином (lignin-reinforced PLA).
«Благодаря нашему опыту в области составления рецептур и уникальным знаниям нашего партнера по проекту в области получения лигнина нам удалось включить до 30% лигнина в матрицу полилактида и получить соединение с естественной антиоксидантной способностью, улучшенными механическими свойствами и контролируемой биоразлагаемостью», — рассказал Ларс Дарнедде (Lars Darnedde) из отдела разработки технологических процессов и менеджер проектов KraussMaffei Extrusion.
Изделие из полилактида (PLA), усиленного лигнином 30 %: природные антиоксиданты, более высокая прочность, контролируемая разлагаемостьИзображение: KraussMaffei
Сосредоточив внимание на повышении ценности гидролизного лигнина, Группа компаний Synergy Horizon превращает этот биополимер, который часто выбрасывается как побочный продукт производства биоэтанола, в ценные продукты для различных применений.
Сильные компетенции компании включают очистку лигнина, его химическую модификацию и функционализацию. Synergy Horizon предлагает продукты на основе лигнина для различных применений, таких как добыча нефти и газа, производство аккумуляторов, очистка воды, корм для животных и многое другое.
Движение от отходов к наполнителю
Synergy Horizon Polska на своем польском предприятии в Познани разрабатывает процесс производства сыпучего порошка лигнина, который можно дозировать в экструдер в качестве наполнителя.
Лигнин — это 100% натуральное вещество, которое занимает второе место после целлюлозы по распространенности органического материала на Земле. Лигнин можно экстрагировать из лигноцеллюлозной биомассы различными методами.
Одним из таких методов является гидролиз биомассы для производства биоэтанола, при котором в качестве побочного продукта образуется лигнин. Гидролизные лигнины обладают уникальными свойствами, отличающими их от других видов лигнинов. Около 50 млн т лигнина, включая гидролизный лигнин, ежегодно производится во всем мире как отходы деревообработки в бумажной и биоэтанольной промышленности, 98% из которых сжигается.
Специальная конфигурация шнеков лабораторного экструдера KraussMaffei ZE Blue Power 28 и инновационные технологии обеспечивают точное смешивание лигнина в матрицу PLA при низкой температуре макс. 160°С до 30% Изображение: KraussMaffei
«Однако переработка гидролизного лигнина — задача непростая. Мы гордится тем, что благодаря интенсивной опытно-конструкторской работе его компания теперь управляет коммерческой линией по производству порошка лигнина», — говорит Александр Гончар (Alexander Gonchar), руководитель отдела исследований и разработок Synergy Horizon. Ценный возобновляемый биоресурс уже затрагивался в различных исследовательских проектах, но его использование в качестве наполнителя биополимерной матрицы пока уникально.
Интеграция до 30% лигнина в матрицу PLA
KraussMaffei продемонстрировал включение природного сырья в матрицу PLA в своем недавно созданном техническом центре на площадке в Лаатцене. Лабораторный экструдер ZE Blue Power 28 и небольшой производственный компаундер ZE Blue Power 42 сумели ввести до 30% лигнина.
«Мы специально адаптировали конфигурацию шнека к лигнину с помощью высокочувствительных смесительных элементов, работаем при низкой температуре максимум 160 °C и используем как зону заполнения длиной 6 D, так и боковую дегазацию. Поколение ZE BluePower с оптимальным соотношением Da/di 1,55 предлагает все эти возможности „из коробки“ и, таким образом, идеально подходит для обработки полимеров, чувствительных к сдвигу и температуре», — рассказывает Ларс Дарнедд.
Тот факт, что как технологическая схема экструдера-смесителя, так и подготовка лигнина в Synergy Horizon идеальны, также был подтвержден обширными механическими испытаниями. По сравнению с чистым PLA, армирование лигнином позволяет увеличить модуль упругости при изгибе и растяжении примерно на 30%.
Это может быть полезно при упаковке, где материал должен быть достаточно жестким, чтобы сохранять форму под нагрузкой. Еще одним преимуществом является то, что лигнин обладает достаточной антиоксидантной способностью, что может помочь, в частности, в упаковке пищевых продуктов, предотвратить окисление пищевых продуктов и сохранить их качество и безопасность путем ингибирования радикального окисления и предотвращения образования посторонних привкусов, запахов или токсичных соединений.
Кроме того, биосоединение с лигнином не имеет запаха, в отличие от других видов лигнина, что делает его более подходящим для упаковки пищевых продуктов. Новое биосоединение, проявляющее антиоксидантные свойства, может быть применено к биоразлагаемым пластикам сельскохозяйственного назначения, таким как мульчирующие пленки, для защиты их от окислительной деградации.
В отличие от чистого полилактида, биоразлагаемость которого ограничена из-за зависимости от специфических ферментов и промышленных условий, биосоединения PLA, содержащие лигнин, проявляют повышенные биоразлагаемые свойства со скоростью биоразложения более 90% за 99 дней.