Biokunststoffe auf Basis von Milchsäure erfreuen sich zunehmender Aufmerksamkeit in der Werkstofftechnik und der nachhaltigen Entwicklung. Polymilchsäure, besser bekannt als PLA, vereint die Vorteile von nachwachsenden Rohstoffen mit einer meist industriellen Kompostierbarkeit. Die vielseitigen Einsatzmöglichkeiten erstrecken sich von Lebensmittelverpackungen bis hin zu medizinischen Produkten. Im Folgenden werden wesentliche Aspekte rund um die Herstellung, Eigenschaften, Anwendungen und Entsorgung dieses Biokunststoffs erläutert.
Grundlagen und Herstellung
Als Ausgangsstoff für PLA dient in der Regel fermentierte Zucker- oder Stärkequelle, aus der durch mikrobiellen Stoffwechsel zunächst Milchsäure gewonnen wird. Im Anschluss folgt die chemische Polymerisation über zwei Hauptverfahren:
- Direkte Polykondensation der Milchsäure-Moleküle
- Ringöffnungspolymerisation von Lactid, dem zyklischen Dimer der Milchsäure
Bei der direkten Polykondensation entstehen oftmals niedrigere Molekulargewichte, während die Ringöffnungspolymerisation zu hochmolekularem PLA mit besseren mechanischen Werten führt. Wichtig ist dabei ein kontrollierter Wassergehalt, um die Reaktionseffizienz zu maximieren. Reaktoren mit Vakuum oder Inertgasatmosphäre werden eingesetzt, um Nebenprodukte abzuführen und die Polymerkettenlänge zu erhöhen.
Rohstoffquellen und Fermentation
Häufig genutzt werden Zuckerrohrmelasse, Maisstärke oder Zuckerrüben. Der mikrobiologische Prozess erfolgt mittels spezifischer Bakteriengattungen, die >80 % der Karbonquelle in Milchsäure umwandeln. Die beiden enantiomeren Formen L- und D-Milchsäure lassen sich durch Wahl der Mikroorganismen gezielt einstellen, was wiederum die Kristallinität und das Schmelzverhalten des Endpolymers beeinflusst.
Polymerisationsverfahren im Überblick
- Polykondensation: Temperatureinsatz bis 200 °C, Vakuum zur Wasserabtrennung
- Ringöffnungspolymerisation: Einsatz von Metallorganischen Katalysatoren, Temperaturen um 180 °C
- Stabilisierung: Additive zur Kontrolle von thermischer und hydrolytischer Degradation
Eigenschaften und Materialverhalten
PLA gehört zur Gruppe der Thermoplaste, zeichnet sich durch eine gute Transparenz, hohe Steifigkeit und moderate Schlagzähigkeit aus. Typische Charakteristika im Überblick:
- Glasübergangstemperatur (Tg): 55–65 °C
- Schmelzpunkt (Tm): 150–160 °C
- Dichte: 1,24–1,30 g/cm³
- Wasseraufnahme: relativ gering, jedoch sensitiv bei längerer Lagerung
Durch gezielte Copolymerisation und Zugabe von Naturfasern oder Nanopartikeln lässt sich das Eigenschaftsprofil weiter modifizieren. Dabei können Schlagzähigkeit, Wärmeformbeständigkeit und Gaspermeationen spezifisch angepasst werden.
Mechanische und thermische Modifikationen
Verstärkende Füllstoffe wie Cellulosefasern oder Calciumcarbonat erhöhen die Steifigkeit, während Weichmacher oder PLA-basiertes Polyhydroxybutyrat (PHB) die Zähigkeit verbessern. Für höhere Wärmeformbeständigkeit bieten sich auch PLA-Blends mit Polycarbonat oder biobasierenden Polyester-Polyolen an.
Barriereverhalten und Oberflächeneigenschaften
PLA weist eine mäßige Barriere gegen Sauerstoff und Wasserdampf auf, eignet sich daher besonders für trockene Lebensmittel. Oberflächen können durch Plasmabehandlung oder Coating hydrophober gestaltet werden, um die Permeabilität zu reduzieren und gleichzeitig die Haftung von Druckfarben zu verbessern.
Anwendungen und Einsatzbereiche
Aufgrund der vielfältigen Eigenschaften findet PLA Verwendung in zahlreichen Branchen. Die wichtigsten Anwendungsfelder sind:
- Verpackungsindustrie – Folien, Becher, Trays und Blisterverpackungen
- 3D-Druck – Filamente für additiv gefertigte Prototypen und Kleinserien
- Textilsektor – Biobasierte Faserstoffe für Vliesstoffe und textile Garne
- Medizintechnik – resorbierbare Implantate, chirurgische Fäden und Abdeckfolien
- Landwirtschaft – Mulchfolien und Pflanzenschutznetze
Der 3D-Druckmarkt profitierte besonders von der einfachen Verarbeitung und Farbvielfalt, während in der Medizintechnik die Abbaubarkeit im Körpermilieu einen entscheidenden Vorteil darstellt.
Recycling und Kompostierung
PLA ist bioabbaubar, jedoch hauptsächlich unter industriellen Kompostbedingungen (>55 °C, hohe Feuchte) vollständig zersetzbar. Im heimischen Kompost erfolgt nur eine langsame Teilhydrolyse. Folgende Verfahren stehen zur Verfügung:
- Mechanisches Recycling: Sammeln, Schreddern, Aufschmelzen und Regranulieren
- Chemisches Recycling: Depolymerisation zu Lactid oder Milchsäure
- Organisches Recycling: Industrielle Kompostierung mit gezielter Mikroflora und kontrollierten Bedingungen
Eine Sortiergenauigkeit bei der Kunststofftrennung ist essenziell, um Kontaminationen mit herkömmlichen Kunststoffen zu vermeiden. Biogene Kunststoffe im Gelben Sack müssen separat behandelt werden, da sie sonst die Recyclingkaskade herkömmlicher Polymere beeinträchtigen.
Hinweis zu Verwertung und Entsorgung
- Immer zertifizierte Kompostieranlagen nutzen, um optimale Abbaubarkeit zu gewährleisten.
- PLA-Folien nicht mit PET oder Polyethylen mischen.
- Für Produkte im Lebensmittelbereich auf Lebensmittelzulassungen achten.
