Polylactide
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| Bezeichner | |
|---|---|
| ChemSpider |
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| Eigenschaften | |
| Dichte | 1.210-1.430 g-cm-3 |
| Schmelzpunkt | 150 bis 160 °C (302 bis 320 °F; 423 bis 433 K) |
Löslichkeit in Wasser
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0 mg/ml |
| Gefahren | |
| NFPA 704 (Feuerdiamant) |  
0
1
0 |
Sofern nicht anders angegeben, gelten die Daten für Materialien im Standardzustand (bei 25 °C [77 °F], 100 kPa).
Infobox Referenzen
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Polymilchsäure, auch bekannt als Poly(milchsäure) oder Polylactid (PLA), ist ein thermoplastischer Polyester mit der Grundgerüstformel (C
3H
4O
2)
n oder [-C(CH
3)HC(=O)O-]
n, der formell durch Kondensation von Milchsäure C(CH
3)(OH)HCOOH unter Verlust von Wasser (daher der Name). Es kann auch durch ringöffnende Polymerisation von Lactid [-C(CH
3)HC(=O)O-]
2, dem cyclischen Dimer der Grundeinheit, hergestellt werden. ⓘ
PLA ist zu einem beliebten Material geworden, da es wirtschaftlich aus erneuerbaren Ressourcen hergestellt werden kann. Im Jahr 2010 hatte PLA das zweithöchste Verbrauchsvolumen aller Biokunststoffe der Welt, obwohl es noch immer kein Standardpolymer ist. Seine breite Anwendung wird durch zahlreiche physikalische und verarbeitungstechnische Unzulänglichkeiten behindert. PLA ist das am häufigsten verwendete Filamentmaterial für den 3D-Druck. Sein niedriger Schmelzpunkt, seine hohe Festigkeit, seine geringe Wärmeausdehnung, seine gute Schichthaftung und seine hohe Wärmebeständigkeit im getemperten Zustand machen es zu einem idealen Material für diesen Zweck. Ohne Tempern hat PLA jedoch die geringste Wärmebeständigkeit der gängigen 3D-Druck-Kunststoffe. ⓘ
Obwohl die Bezeichnung "Polymilchsäure" weit verbreitet ist, entspricht sie nicht der IUPAC-Standardnomenklatur, die "Poly(milchsäure)" lautet. Der Name "Polymilchsäure" ist potenziell zweideutig oder verwirrend, da PLA keine Polysäure (Polyelektrolyt), sondern ein Polyester ist. ⓘ
| Strukturformel ⓘ | |||
|---|---|---|---|
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| Polylactide der (S)-Milchsäure (oben) und der (R)-Milchsäure (unten) | |||
| Allgemeines | |||
| Name | Polylactide | ||
| Andere Namen |
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| CAS-Nummer |
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| Monomer |
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| Summenformel der Wiederholeinheit | C3H4O2 | ||
| Molare Masse der Wiederholeinheit | 72,06 g·mol−1 | ||
| Art des Polymers |
Thermoplast | ||
| Eigenschaften | |||
| Aggregatzustand |
fest | ||
| Dichte |
1,21–1,43 g/cm3 | ||
| Schmelzpunkt |
150–160 °C | ||
| Glastemperatur |
45–65 °C | ||
| Schlagzähigkeit |
0,16–1,35 J/cm | ||
| Elastizitätsmodul |
3500 MPa | ||
| Wasseraufnahme |
0,5–50 % | ||
| Zugfestigkeit |
10–60 MPa | ||
| Bruchdehnung |
1,5–380 % | ||
| Sicherheitshinweise | |||
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| Soweit möglich und gebräuchlich, werden SI-Einheiten verwendet. Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen. | |||
Polylactide, umgangssprachlich auch Polymilchsäuren (kurz PLA, vom englischen Wort polylactic acid) genannt, sind synthetische Polymere, die zu den Polyestern zählen. Sie sind aus vielen, chemisch aneinander gebundenen Milchsäuremolekülen aufgebaut. Daher ist die Bezeichnung Polymilchsäure nach IUPAC-Nomenklatur irreführend, da es sich nicht um ein Polymer mit mehreren sauren Gruppen handelt. Polylactide und Polymilchsäuren werden durch unterschiedliche Verfahren erzeugt. ⓘ
Erstmals beschrieben wurden Polylactide 1845 von Théophile-Jules Pelouze. Bei dem Versuch, Milchsäure durch Erhitzen und Entfernen von Wasser aufzureinigen, beobachtete er eine Kondensation der Milchsäuremoleküle und die Bildung von Oligomeren und Polymeren. Wallace Hume Carothers, ein Mitarbeiter von DuPont, entwickelte 1932 ein Verfahren zur Herstellung von Polylactiden aus Lactiden, das 1954 für DuPont patentiert wurde. ⓘ
PLA kann durch Wärmezufuhr verformt werden (Thermoplast). Polylactid-Kunststoffe sind biokompatibel. ⓘ
Chemische Eigenschaften
Synthese
Das Monomer wird in der Regel aus fermentierter Pflanzenstärke wie Mais, Maniok, Zuckerrohr oder Zuckerrübenschnitzeln hergestellt. ⓘ
Es gibt mehrere industrielle Verfahren, um brauchbares (d. h. hochmolekulares) PLA herzustellen. Es werden hauptsächlich zwei Monomere verwendet: Milchsäure und der zyklische Diester, Lactid. Der gängigste Weg zur Herstellung von PLA ist die ringöffnende Polymerisation von Lactid mit verschiedenen Metallkatalysatoren (in der Regel Zinnoktoat) in Lösung oder als Suspension. Die metallkatalysierte Reaktion führt tendenziell zu einer Racemisierung der PLA, was ihre Stereoregularität im Vergleich zum Ausgangsmaterial (in der Regel Maisstärke) verringert. ⓘ
Die direkte Kondensation von Milchsäuremonomeren kann ebenfalls zur Herstellung von PLA verwendet werden. Dieser Prozess muss bei weniger als 200 °C durchgeführt werden; oberhalb dieser Temperatur entsteht das entropisch begünstigte Lactidmonomer. Bei dieser Reaktion wird für jeden Kondensationsschritt (Veresterung) ein Äquivalent Wasser erzeugt. Die Kondensationsreaktion ist reversibel und unterliegt einem Gleichgewicht, so dass die Entfernung von Wasser erforderlich ist, um hochmolekulare Spezies zu erzeugen. Die Wasserentfernung durch Anlegen eines Vakuums oder durch azeotrope Destillation ist erforderlich, um die Reaktion in Richtung Polykondensation zu treiben. Auf diese Weise lassen sich Molekulargewichte von 130 kDa erzielen. Durch sorgfältiges Auskristallisieren des Rohpolymers aus der Schmelze können sogar noch höhere Molekulargewichte erreicht werden. Die Endgruppen der Carbonsäure und des Alkohols sind dann im amorphen Bereich des festen Polymers konzentriert und können so reagieren. Auf diese Weise lassen sich Molekulargewichte von 128-152 kDa erzielen. ⓘ
Eine andere Methode besteht darin, Milchsäure mit einem Zeolithen in Kontakt zu bringen. Bei dieser Kondensationsreaktion handelt es sich um einen einstufigen Prozess, der bei einer um etwa 100 °C niedrigeren Temperatur abläuft. ⓘ
Stereoisomere
Aufgrund der chiralen Natur der Milchsäure gibt es verschiedene Formen von Polylactid: Poly-L-Lactid (PLLA) ist das Produkt aus der Polymerisation von L,L-Lactid (auch als L-Lactid bekannt). Die Fortschritte in der Biotechnologie haben zur Entwicklung der kommerziellen Produktion der enantiomeren Form D geführt. ⓘ
Die Polymerisation eines racemischen Gemischs aus L- und D-Lactiden führt normalerweise zur Synthese von Poly-DL-Lactid (PDLLA), das amorph ist. Die Verwendung stereospezifischer Katalysatoren kann zu heterotaktischem PLA führen, das eine gewisse Kristallinität aufweist. Der Grad der Kristallinität und damit viele wichtige Eigenschaften werden weitgehend durch das Verhältnis der verwendeten D- zu L-Enantiomere und in geringerem Maße durch die Art des verwendeten Katalysators bestimmt. Neben Milchsäure und Lactid wurde auch Milchsäure-O-Carboxyanhydrid ("lac-OCA"), eine fünfgliedrige zyklische Verbindung, in der Wissenschaft verwendet. Diese Verbindung ist reaktiver als Lactid, da ihre Polymerisation durch den Verlust von einem Äquivalent Kohlendioxid pro Äquivalent Milchsäure angetrieben wird. Wasser ist kein Nebenprodukt. ⓘ
Es wurde über die direkte Biosynthese von PLA auf ähnliche Weise wie bei der Herstellung von Poly(hydroxyalkanoaten) berichtet. ⓘ
Physikalische und mechanische Eigenschaften
PLA-Polymere reichen von amorphen glasartigen Polymeren bis hin zu teilkristallinen und hochkristallinen Polymeren mit einem Glasübergang von 60-65 °C, einer Schmelztemperatur von 130-180 °C und einem Elastizitätsmodul von 2,7-16 GPa. Hitzebeständiges PLA kann Temperaturen von 110 °C standhalten. Die grundlegenden mechanischen Eigenschaften von PLA liegen zwischen denen von Polystyrol und PET. Die Schmelztemperatur von PLLA kann um 40-50 °C und die Wärmeformbeständigkeit von ca. 60 °C auf bis zu 190 °C erhöht werden, indem das Polymer mit PDLA (Poly-D-Lactid) physikalisch gemischt wird. PDLA und PLLA bilden einen sehr regelmäßigen Stereokomplex mit erhöhter Kristallinität. Die Temperaturstabilität wird maximiert, wenn eine 1:1-Mischung verwendet wird, aber auch bei niedrigeren Konzentrationen von 3-10 % PDLA wird noch eine erhebliche Verbesserung erzielt. Im letzteren Fall wirkt PDLA als Keimbildner und erhöht dadurch die Kristallisationsgeschwindigkeit. Der biologische Abbau von PDLA ist aufgrund der höheren Kristallinität von PDLA langsamer als bei PLA. Der Biegemodul von PLA ist höher als der von Polystyrol, und PLA ist gut heißsiegelfähig. ⓘ
Um die mechanischen Eigenschaften von PLA-Polymeren zu verbessern, wurden verschiedene Technologien eingesetzt, z. B. Tempern, Zugabe von Keimbildnern, Bildung von Verbundwerkstoffen mit Fasern oder Nanopartikeln, Kettenverlängerung und Einführung von Vernetzungsstrukturen. Polymilchsäure kann wie die meisten Thermoplaste zu Fasern (z. B. mit herkömmlichen Schmelzspinnverfahren) und Folien verarbeitet werden. PLA hat ähnliche mechanische Eigenschaften wie PETE-Polymere, weist jedoch eine deutlich niedrigere maximale Dauergebrauchstemperatur auf. ⓘ
Racemisches PLA und reines PLLA haben eine niedrige Glasübergangstemperatur und sind daher wegen ihrer geringen Festigkeit und ihres niedrigen Schmelzpunkts unerwünscht. Ein Stereokomplex aus PDLA und PLLA hat eine höhere Glasübergangstemperatur, was ihm eine höhere mechanische Festigkeit verleiht. ⓘ
Die hohe Oberflächenenergie von PLA führt zu einer guten Druckbarkeit, weshalb es im 3D-Druck weit verbreitet ist. Die Zugfestigkeit von 3D-gedrucktem PLA wurde zuvor bestimmt. ⓘ
PLA weist zahlreiche Eigenschaften auf, die für vielerlei Einsatzgebiete von Vorteil sind:
- Eine geringe Feuchtigkeitsaufnahme mit hoher Kapillarwirkung, dadurch geeignet für Sport- und Funktionsbekleidung.
- Eine geringe Flammbarkeit, hohe UV-Beständigkeit und Farbechtheit, wodurch Anwendungen im Möbelbereich für Innen- und Außenbereiche denkbar werden.
- Zudem ist das Festigkeits-/Gewichtsverhältnis relativ hoch, wodurch es sich auch für Leichtbauanwendungen eignet.
- Die Biegefestigkeit liegt bei 0,89–1,03 MPa. ⓘ
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. Auch hat PLA eine niedrigere Temperaturbeständigkeit. Der Preis für PLA von etwa 2 € pro Kilogramm ist höher als der für PET, jedoch wird davon ausgegangen, dass die Produktionskosten von PLA in den kommenden Jahren mit steigenden Produktionsmengen etwas sinken werden. ⓘ
Lösungsmittel
PLA ist in einer Reihe von organischen Lösungsmitteln löslich. Ethylacetat wird häufig verwendet, weil es leicht zugänglich und risikoarm ist. Es wird in 3D-Druckern zur Reinigung der Extruderköpfe und zum Entfernen von PLA-Trägern verwendet. ⓘ
Zu den anderen sicheren Lösungsmitteln gehört Propylencarbonat, das sicherer ist als Ethylacetat, aber im Handel nur schwer zu bekommen ist. Pyridin kann verwendet werden, riecht aber deutlich nach Fisch und ist weniger sicher als Ethylacetat. PLA ist auch in heißem Benzol, Tetrahydrofuran und Dioxan löslich. ⓘ
Herstellung
PLA-Objekte können durch 3D-Druck, Gießen, Spritzgießen, Extrusion, maschinelle Bearbeitung und Lösungsmittelschweißen hergestellt werden. ⓘ
PLA wird als Ausgangsmaterial für die Herstellung von Schmelzfilamenten in Desktop-3D-Druckern, wie z. B. RepRap-Druckern, verwendet. Der Siedepunkt von Ethylacetat ist niedrig genug, um PLA-Oberflächen in einer Dampfkammer zu glätten, ähnlich wie bei der Verwendung von Acetondampf zum Glätten von ABS. ⓘ
PLA kann mit Dichlormethan verschweißt werden. Aceton erweicht auch die Oberfläche von PLA und macht sie klebrig, ohne sie aufzulösen, um sie mit einer anderen PLA-Oberfläche zu verschweißen. ⓘ
PLA-gedruckte Feststoffe können in gipsähnliche Formmassen eingeschlossen und dann in einem Ofen ausgebrannt werden, so dass der entstandene Hohlraum mit geschmolzenem Metall gefüllt werden kann. Dies wird als "verlorener PLA-Guss" bezeichnet, eine Art Feinguss. ⓘ
Anwendungen
Das PLA-Wachstum der vergangenen Jahre basiert maßgeblich auf dem Einsatz von PLA-Blends für Verpackungen kurzlebiger Güter. Hierbei wird insbesondere die biologische Abbaubarkeit betont. Diese PLA-Blends verfügen über andere mechanische Eigenschaften als das Roh-PLA. Meist können durch die Blends die herkömmlichen Verpackungskunststoffe Polyethylen (PE) und Polypropylen (PP) ersetzt werden, wie etwa Beutel oder Netze. Folien oder Netze für Beutelanwendungen müssen schlagartigen Belastungen beim Befüllvorgang standhalten und eine hohe Schweißnahtfestigkeit aufweisen. Folien aus einem PLA-Blend werden unter anderem auch für Babywindeln und andere Hygieneprodukte verwendet. Weitere Beispiele für PLA-basierte Verpackungsanwendungen sind Bio-Tragetaschen und Luftpolsterbeutel. ⓘ
Kosmetiktiegel aus PLA-Blend
Sparschwein aus PLA-Blend
Blumenfolie aus PLA-Blend
Luftpolsterbeutel aus PLA-Blend
Teebeutel aus PLA-Fasermaterial ⓘ
Konsumgüter
PLA wird für eine Vielzahl von Konsumgütern verwendet, z. B. für Einweggeschirr, Besteck, Gehäuse für Küchengeräte und Elektronik wie Laptops und Handheld-Geräte sowie für mikrowellengeeignete Tabletts. (Allerdings ist PLA wegen seiner niedrigen Glasübergangstemperatur nicht für mikrowellengeeignete Behälter geeignet). Es wird für Kompostbeutel, Lebensmittelverpackungen und loses Verpackungsmaterial verwendet, das gegossen, spritzgegossen oder gesponnen wird. In Form einer Folie schrumpft es bei Erwärmung, so dass es in Schrumpftunneln verwendet werden kann. In Form von Fasern wird es für monofile Angelschnüre und Netze verwendet. In Form von Vliesstoffen wird es für Polstermöbel, Einwegkleidung, Markisen, Damenhygieneprodukte und Windeln verwendet. ⓘ
PLA findet Anwendung in technischen Kunststoffen, bei denen der Stereokomplex mit einem kautschukartigen Polymer wie ABS gemischt wird. Solche Mischungen haben eine gute Formstabilität und visuelle Transparenz, was sie für einfache Verpackungsanwendungen nützlich macht. ⓘ
PLA wird für Automobilteile wie Fußmatten, Verkleidungen und Abdeckungen verwendet. Seine Hitzebeständigkeit und Haltbarkeit sind geringer als die des weit verbreiteten Polypropylens (PP), aber seine Eigenschaften werden durch Maßnahmen wie die Verkappung der Endgruppen zur Verringerung der Hydrolyse verbessert. ⓘ
Landwirtschaft
In Form von Fasern wird PLA für monofile Angelschnüre und Netze zur Vegetations- und Unkrautbekämpfung verwendet. Es wird für Sandsäcke, Pflanzgefäße, Bindebänder und Seile verwendet. ⓘ
Medizinisch
PLA kann zu unschädlicher Milchsäure abgebaut werden und eignet sich daher für medizinische Implantate in Form von Ankern, Schrauben, Platten, Stiften, Stäben und Netzen. Je nach verwendetem Typ baut es sich im Körper innerhalb von 6 Monaten bis 2 Jahren ab. Diese allmähliche Zersetzung ist für eine Stützstruktur wünschenswert, da sie die Last allmählich auf den Körper (z. B. den Knochen) überträgt, während dieser Bereich heilt. Die Festigkeitseigenschaften von PLA- und PLLA-Implantaten sind gut dokumentiert. ⓘ
Dank seiner Biokompatibilität und biologischen Abbaubarkeit ist PLA als polymeres Gerüst für die Verabreichung von Arzneimitteln von Interesse. ⓘ
Die Kompositmischung aus Poly(L-Lactid-co-D,L-Lactid) (PLDLLA) und Tricalciumphosphat (TCP) wird als PLDLLA/TCP-Gerüst für die Knochentechnik verwendet. ⓘ
Poly-L-Milchsäure (PLLA) ist der Hauptbestandteil von Sculptra, einem Volumenvergrößerer für das Gesicht, der zur Behandlung von Lipoatrophie der Wangen eingesetzt wird. ⓘ
PLLA wird verwendet, um die Kollagensynthese in Fibroblasten durch eine Fremdkörperreaktion in Gegenwart von Makrophagen zu stimulieren. Makrophagen wirken als Stimulans bei der Sekretion von Zytokinen und Mediatoren wie TGF-β, die die Fibroblasten zur Abgabe von Kollagen an das umliegende Gewebe anregen. Daher hat PLLA potenzielle Anwendungen in dermatologischen Studien. ⓘ
PLLA wird als Gerüst untersucht, das über den piezoelektrischen Effekt eine geringe Menge an elektrischem Strom erzeugen kann, der das Wachstum von mechanisch robustem Knorpel in mehreren Tiermodellen stimuliert. ⓘ
Mulchfolie aus PLA-Gemisch "bio-flex"
Biologisch abbaubare PLA-Becher
Teebeutel aus PLA. Pfefferminztee ist enthalten.
3D-Druck einer Mikrospule mit einer leitfähigen Mischung aus Polylactid und Kohlenstoffnanoröhren.
3D-gedruckter menschlicher Schädel mit Daten aus der Computertomografie. Transparentes PLA. ⓘ
Abbaubarkeit
PLA wird abiotisch über drei Mechanismen abgebaut:
- Hydrolyse: Die Estergruppen der Hauptkette werden abgespalten, wodurch sich das Molekulargewicht verringert.
- Thermische Zersetzung: Ein komplexes Phänomen, das zur Entstehung verschiedener Verbindungen wie leichtere Moleküle, lineare und zyklische Oligomere mit unterschiedlichem Molekulargewicht und Lactid führt.
- Photodegradation: UV-Strahlung führt zu einer Zersetzung. Dies ist vor allem dann der Fall, wenn PLA bei seinen Anwendungen in der Kunststoffindustrie, bei Verpackungsbehältern und Folien dem Sonnenlicht ausgesetzt ist. ⓘ
Die hydrolytische Reaktion ist: Fehler beim Parsen (Syntaxfehler): {\displaystyle \ce{-KUH + H2O -> -KUH + -OH- <span title="Aus: Englische Wikipedia, Abschnitt "Degradation"" class="plainlinks">[https://en.wikipedia.org/wiki/Polylactic_acid#Degradation <span style="color:#dddddd">ⓘ</span>]</span>}}
Die Abbaugeschwindigkeit ist bei Umgebungstemperaturen sehr langsam. In einer Studie aus dem Jahr 2017 wurde festgestellt, dass PLA bei 25 °C in Meerwasser über ein Jahr hinweg keinen Masseverlust aufweist, aber in der Studie wurde der Abbau der Polymerketten oder die Wasseraufnahme nicht gemessen. Infolgedessen wird es auf Mülldeponien und in Haushaltskompost schlecht abgebaut, aber in heißeren industriellen Kompostanlagen wird es effektiv verdaut, wobei es normalerweise bei Temperaturen von über 60 °C am besten abgebaut wird. ⓘ
Reine PLA-Schaumstoffe werden in Dulbeccos modifiziertem Eagle's Medium (DMEM), das mit fötalem Rinderserum (FBS) angereichert ist (eine Lösung, die Körperflüssigkeit imitiert), selektiv hydrolysiert. Nach 30 Tagen in DMEM+FBS verlor ein PLLA-Gerüst etwa 20 % seines Gewichts. ⓘ
PLA-Proben mit verschiedenen Molekulargewichten wurden mit Hilfe eines Metallkomplex-Katalysators zu Methyllactat (einem grünen Lösungsmittel) abgebaut. ⓘ
PLA kann auch durch einige Bakterien, wie Amycolatopsis und Saccharothrix, abgebaut werden. Eine gereinigte Protease aus Amycolatopsis sp., die PLA-Depolymerase, kann ebenfalls PLA abbauen. Enzyme wie die Pronase und vor allem die Proteinase K aus Tritirachium album bauen PLA ab. ⓘ
Ende der Lebensdauer
Vier mögliche End-of-Life-Szenarien sind die gängigsten:
- Recycling: Dies kann entweder chemisch oder mechanisch erfolgen. Derzeit gilt für PLA der SPI-Harz-Identifizierungscode 7 ("andere"). In Belgien hat Galactic die erste Pilotanlage für chemisches Recycling von PLA (Loopla) in Betrieb genommen. Im Gegensatz zum mechanischen Recycling kann das Abfallmaterial verschiedene Verunreinigungen enthalten. Polymilchsäure kann durch thermische Depolymerisation oder Hydrolyse chemisch zu Monomer recycelt werden. Nach der Reinigung kann das Monomer für die Herstellung von neuem PLA verwendet werden, ohne dass die ursprünglichen Eigenschaften verloren gehen (Cradle-to-Cradle-Recycling). Alt-PLA kann durch Umesterung chemisch zu Methyllactat recycelt werden.
- Kompostierung: PLA ist unter industriellen Kompostierungsbedingungen biologisch abbaubar, zunächst durch chemische Hydrolyse, dann durch mikrobielle Verdauung, um schließlich die PLA abzubauen. Unter industriellen Kompostierungsbedingungen (58 °C) kann sich PLA innerhalb von 60 Tagen teilweise (etwa zur Hälfte) in Wasser und Kohlendioxid zersetzen, während der Rest sehr viel langsamer zerfällt, wobei die Geschwindigkeit vom Kristallisationsgrad des Materials abhängt. In Umgebungen, in denen die erforderlichen Bedingungen nicht gegeben sind, erfolgt die Zersetzung sehr langsam, ähnlich wie bei Nicht-Biokunststoffen, die erst nach Hunderten oder Tausenden von Jahren vollständig abgebaut werden.
- Verbrennung: PLA kann verbrannt werden, ohne dass chlorhaltige Chemikalien oder Schwermetalle entstehen, da es nur Kohlenstoff-, Sauerstoff- und Wasserstoffatome enthält. Da es kein Chlor enthält, entstehen bei der Verbrennung auch keine Dioxine oder Salzsäure. PLA kann ohne Rückstände verbrannt werden. Diese und andere Ergebnisse legen nahe, dass die Verbrennung eine umweltfreundliche Entsorgung von PLA-Abfällen ist.
- Deponierung: Die Deponierung ist die am wenigsten zu bevorzugende Option, da PLA bei Umgebungstemperaturen nur sehr langsam abgebaut wird, oft genauso langsam wie andere Kunststoffe. ⓘ
Der Recycling-Code für Polylactide ist 07 („others“, also „andere“ als 01-06). ⓘ
Eigenschaften
Chemische Eigenschaften
Polylactide zählen zu den Polyestern. Diese aufgrund des asymmetrischen Kohlenstoffatoms optisch aktiven Polymere treten in der Form von D- oder als L-Lactiden auf, je nachdem, ob sich diese von L-(+)-Milchsäure [Synonym: (S)-(+)-Milchsäure] oder von D-(−)-Milchsäure [Synonym: (R)-(−)-Milchsäure] ableiten. ⓘ
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 Lösungsmitteln löslich (z. B. Dichlormethan, Trichlormethan; durch Zugabe eines Lösungsmittels wie Ethanol, in dem das Polylactid schlechter löslich ist, kann es wieder ausgefällt werden). Zur Verbesserung der Gebrauchseigenschaften der Polylactide können diese bei ihrer Verarbeitung (z. B. Spritzgießen, Extrusion) auch faserverstärkt werden. ⓘ
Biologische Abbaubarkeit
Polylactide weisen aufgrund der Molekülstruktur eine biologische Abbaubarkeit auf, wobei hierfür bestimmte Umweltbedingungen nötig sind, die in der Regel nur in industriellen Kompostieranlagen zu finden sind. Zudem ist die Abbaubarkeit stark von der chemischen Zusammensetzung sowie dem Einsatz eventueller Copolymere abhängig. Unter industriellen Kompostbedingungen vollzieht sich der Abbau jedoch innerhalb weniger Monate. In der Natur wird sich PLA langsamer zersetzen. ⓘ
Als Mikroplastik führt PLA bei der Gemeinen Miesmuschel zu einer Proteinstoffwechselstörung – einer Veränderung des Hämolymphenproteoms. Dies zeigt, dass auch biologisch abbaubarer Kunststoff die Gesundheit von Gemeinen Miesmuscheln verändern kann. ⓘ
Synthese
Polylactide sind vor allem durch die ionische Polymerisation von Lactid, einem ringförmigen Zusammenschluss von zwei Milchsäuremolekülen, zugänglich. Neben der Erzeugung von Polylactiden durch diese Ringöffnungspolymerisation können Polylactide ebenfalls durch die direkte Kondensationsreaktionen von Milchsäuremolekülen über Polymilchsäuren erzeugt werden.
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Umwandlung von Lactid (links) zum Polylactid (rechts) durch thermische und katalytische Ringöffnungspolymerisation
Bei Temperaturen zwischen 140 und 180 °C sowie der Einwirkung katalytischer Zinnverbindungen (z. B. Zinnoxid) findet eine Ringöffnungspolymerisation statt. So werden Kunststoffe mit einer hohen Molekülmasse und Festigkeit erzeugt. Lactid selbst lässt sich durch Vergärung von Melasse oder durch Fermentation von Glucose mit Hilfe verschiedener Bakterien herstellen. ⓘ
Darüber hinaus können hochmolekulare und reine Polylactide mit Hilfe der sogenannten Polykondensation direkt aus Milchsäure erzeugt werden. In der industriellen Produktion ist allerdings die Entsorgung des Lösungsmittels problematisch. ⓘ
Typische Verarbeitungsverfahren für reines PLA ist das Faserspinnen und die Flachfolienextrusion (selten). ⓘ
Verwendung
Verbundwerkstoffe
Neben Anwendungen im Verpackungsbereich und in der Medizintechnik besitzt PLA auch großes Potential als Matrixmaterial für Verbundwerkstoffe. Durch die Verbindung von PLA mit Naturfasern lassen sich biologisch abbaubare Verbundwerkstoffe aus nachwachsenden Rohstoffen herstellen, die eine Alternative zu den konventionellen glasfaserverstärkten oder gefüllten Kunststoffen darstellen. Durch seinen thermoplastischen Charakter ist PLA für den Einsatz im (Naturfaser-)Spritzguss- und Extrusionsbereich geeignet. Bereits realisierte Bauteile sind zum Beispiel Aschekapseln für Urnen, Messergriffe, aber auch Sitzunterflächen von Bürostühlen. Auch wurde bereits ein Prototyp für eine Handyoberschale entwickelt. Durch den Zusatz hoch dehnbarer Naturfasern ließ sich ein Werkstoff herstellen, der in der Lage ist, mit den heutzutage gängigen rohölbasierten Kunststoffen zu konkurrieren. ⓘ
Neben den vergleichsweise hohen Kosten ist vor allem die geringe Temperaturbeständigkeit von PLA ein Problem bei der Anwendung im industriellen Bereich. Da der Kunststoff bereits bei etwa 50–60 °C weich wird, eignet er sich nur für Anwendungen im niedrigen Temperaturbereich, was für viele dauerhafte Anwendungen nicht akzeptabel ist. Laut Herstellerangaben kann allerdings die Temperaturbeständigkeit durch das Kombinieren von Polylactiden, die aus rechtsdrehender Milchsäure hergestellt wurden, mit solchen aus linksdrehender Milchsäure verbessert werden. Außerdem lässt sich durch eine Verstärkung mit Naturfasern die Temperaturbeständigkeit in einem Bereich von etwa 100 °C erhöhen und gleichzeitig könnten die Kosten durch die Einbringung der günstigeren Naturfaser bezogen auf das Preis-Leistungs-Verhältnis verringert werden. ⓘ
Markt
Erst 2002 wurde von NatureWorks LLC die erste kommerzielle Anlage zur Herstellung des Kunststoffes mit einer Kapazität von 150.000 Tonnen gebaut. Die in Deutschland erste Pilotanlage zur PLA-Herstellung der deutsch-schweizerischen Firma Uhde Inventa-Fischer ist 2011 mit einer Jahresproduktion von 500 Tonnen in Guben/Brandenburg in Betrieb genommen worden. ⓘ
Kommerziell erhältliches PLA stellen zudem die Unternehmen Supla Bioplastics (Mitglied der weforyou-Gruppe), Biopearls, Guangzhou Bright China, Hisun Biomaterials, Kingfa Science & Tech., Nantong, Natureworks, Synbra und Toray her. Die weforyou-Gruppe ist der weltweit zweitgrößte Hersteller von PLA mit einer jährlichen Kapazität von 50.000 Tonnen an reinem PLA und Compounds. ⓘ