Anwendungsmöglichkeiten biobasierter Kunststoffe im Innen- und Außenraum von Gebäuden : beispielhafte Entwicklung

Abstract

Die vorliegende Arbeit stellt Anwendungsmöglichkeiten biobasierter Kunststoffe in Gebäuden dar. Dies erfolgt an beispielhaften Modifikationen von Polylactid, einem Milchsäurekunststoff, zur Anpassung für eine Innen- und für eine Außenanwendung. Kunststoffe werden in der Architektur aufgrund ihrer mannigfachen Gestaltungsmöglichkeit hinsichtlich Lichtdurchlässigkeit, Farb- und Formgebung oder ihrer geringen Wärmeleitfähigkeit als Baustoff gewählt und finden in dieser Branche zunehmend Absatz. Die Frage, wie sich Biokunststoffe als Baumaterialien einsetzen lassen, stellt eine zeitgemäße Weiterentwicklung dar. Die Rohstoffsituation lässt es sinnvoll erscheinen, Biomasse vor einer direkten energetischen Verwertung zunächst werkstofflich zu nutzen. Nach Gebrauchsende können biobasierte Werkstoffe, abzüglich ihrer Additive, die nicht auf nachwachsenden Rohstoffen basieren, klimaneutral verbrannt werden. Für die Entwicklung möglichst transparenter Sandwichplatten zur Raumtrennung in öffentlichen Innenräumen, galt es im Rahmen eines von der DBU geförderten Forschungsprojektes einen biobasierten Kunststoff hinsichtlich seines Brandverhaltens und der Wärmeformbeständigkeit zu optimieren. Die akustisch wirksamen Platten sollen nach der Idee des Projektpartners Nimbus Group auf zwei Halbschalen basieren, deren mikroperforierte Deckschicht spritzgegossen wird. Die Compoundierung von Polylactid (PLA) mit verschiedenen Flammschutzmitteln zeigte, dass nur Triphenylphosphat (TPP) die optischen Eigenschaften nicht beeinträchtigt. Durch Zugabe von sieben Gewichtsprozent TPP war es auf Materialebene möglich, ein selbst verlöschendes Compound zu entwickeln und die Brandklasse UL-94-V0 zu erreichen. Einzig durch Erhöhung der Werkzeugtemperatur auf 100 °C und Verlängerung der Kühlzeit von etwa 25 auf 240 Sekunden bei der Formgebung, konnte mit durchschnittlich 80 °C eine ausreichende Wärmeformbeständigkeit (HDT-B) erzielt werden. Diese Maßnahme zur Erhöhung des Kristallisationsgrades von PLA verteuert durch geringere Stückzahlen pro Maschinenstunden die Fertigungskosten. Der Granulatpreis des Compounds hingegen ist konkurrenzfähig. Der Anteil nachwachsender Rohstoffe im modifizierten Polylactid liegt bei über 90 %. Nach einer fast dreijährigen Innenraum-Lagerung hinter Fensterglas zeigen sich die Probekörper farblich gleich. Auch die mechanischen Eigenschaften des PLA-TPP-Compounds bleiben unvermindert. Untersucht man jedoch die Prüfstäbe, die aus oben genannten Gründen einer längeren Verweildauer im Werkzeug bei höherer Temperatur ausgesetzt waren, so zeigt sich die Streckspannung um ca. 23 % und die Streckdehnung um etwa 11 % vermindert. Thermostabilisatoren würden hier das Compound vor Prozesswärme schützen und die Dauerhaftigkeit erhöhen. Es hat sich gezeigt, dass es möglich ist, Polylactid für eine Innenraumanwendung anzupassen. Die Verbesserung des Brandverhaltens und der Wärmeformbeständigkeit unter Berücksichtigung der Lichtdurchlässigkeit ist realisierbar, jedoch unwirtschaftlich. Bei der exemplarischen Modifikation von Polylactid für Fassadenplatten konnte mit den umweltfreundlichen Flammschutzmitteln Ammoniumpolyphosphat (APP) sowie mit rotem Phosphor auf Materialebene jeweils ein schwer entflammbarer Werkstoff konzipiert werden. Während der 18-monatigen Freibewitterung sinkt die Streckdehnung um etwa 12 %. Die Streckspannung nimmt nicht ab. Die mechanischen Eigenschaftsverluste nach der Alterungssimulation durch Globalstrahlung sind in etwa 9 % höher als Polycarbonat (PC). Die untersuchte PC-Type enthält allerdings neben dem Flammschutz bereits einen UV-Stabilisator. Bei PC wurde eine größere Farb- und Glanzänderung durch die künstliche Alterung ermittelt als beim modifizierten Polylactid, welches kein UV-Schutz enthält.

The study demonstrates potential applications for bio-based plastics in buildings. This is done using examples of polylactide modifications, a lactic acid plastic which can be adapted for interior and exterior application. Plastics are architectural building materials chosen for their diverse scope for design in relation to translucency, colouring and shaping or their minimal heat conductivity and are increasingly finding a ready market in this sector. The question of how bioplastics could be implemented as building materials represents a topical further development. The raw material situation appears to make it sensible to at first mechanically recycle biomass from a direct energy recovery. After the end of its useful life, bio-based materials can be burned climate-neutrally, minus the inorganic additives. To develop sandwich composite panels that are as transparent as possible for use as room dividers in public interior spaces in the context of a German Environment Foundation (DBU) research project, a bio-based plastic needed to be optimised with regard to its fire behaviour and heat resistance. Based on an idea by the project partner Nimbus Group, the acoustically effectively panels are to be based on two half-shells in which the micro-perforated surface layer will be injection moulded. The compounding of polylactide (PLA) with various flame retardants shows that only tri-phenylphosphate (TPP) does not compromise the optical characteristics. With the addition of seven weight percentages of TPP, it was possible on a material level to develop a self-extinguishing compound and to achieve a flammability rating of UL-94-V0. Only by raising the mould temperature to 100 °C and lengthening the cooling period from around 25 to 240 seconds during the shaping could sufficient heat resistance (HDT-B), with an average of 80 °C, be achieved. This measure to increase the crystallisation level of PLA increases unit costs due to the lower number of units per machine hour. The transparent polylactide becomes translucent as the translucency reduces with increasing levels of crystallisation. The milky matte optics are nonetheless acceptable. The proportion of renewable materials in modified polylactide is above 90 %. After almost three years' interior storage behind window glass, the samples exhibit identical colour. The mechanical properties of the PLA-TPP compound also remain unimpaired. However, when examining the test pieces which have been exposed in the mould for longer periods of time and at higher temperatures for the reasons mentioned above, the yield stress is reduced by approx. 23 % and the yield strain by around 11 %. Thermostabilisors would protect the compound from process heat and increase durability here.