Forscher aus Thailand haben Pionierarbeit bei der Umwandlung von HDPE-Milchflaschenabfällen in hochsteife Verbundwerkstoffe geleistet und dabei die PALF-Verstärkung eingesetzt, um die Biegefestigkeit um 162 % und den Modul um 204 % zu steigern. Dieses umweltfreundliche Upcycling verbessert die mechanischen Eigenschaften und bindet gleichzeitig Kohlenstoff, was einen vielversprechenden Weg für nachhaltige Materialien darstellt.
Um die UN-Ziele für nachhaltige Entwicklung zu erreichen, indem die Herstellung neuer Kunststoffmaterialien reduziert und Naturfasern aus Agrarabfällen verwendet werden, befasst sich diese Forschung mit dem Potenzial der Wiederverwendung von Milchflaschen aus hochdichtem Polyethylen (HDPE). Ziel ist es, durch Upcycling hochsteife Verbundwerkstoffe mit hoher Wärmeverformungstemperatur (HDT) herzustellen.
Die Verbundmatrix verwendet recyceltes Polyethylen hoher Dichte (rHDPE), das aus gebrauchten Milchflaschen gewonnen wird, während die verstärkenden Füllstoffe aus Ananasblättern gewonnen werden und sowohl Fasern (PALF) als auch nichtfaserige Materialien (NFM) umfassen. Die Forschung ist veröffentlicht im Tagebuch Polymere.
Zur Herstellung dieser Verbundwerkstoffe wird ein Zweiwalzenmischer eingesetzt, um rHDPE mit NFM und PALF zu mischen und so eine optimale Ausrichtung der Füllstoffe im resultierenden Prepreg sicherzustellen. Anschließend wird das Prepreg geschichtet und zu Verbundplatten verdichtet. Der Einbau von PALF als verstärkender Füllstoff spielt eine entscheidende Rolle bei der deutlichen Verbesserung der Biegefestigkeit und des Moduls des rHDPE-Verbundwerkstoffs.
Ein besonders bemerkenswertes Ergebnis wird bei einem PALF-Gehalt von 20 Gew.-% beobachtet, der zu einer beeindruckenden Steigerung der Biegefestigkeit um 162 % und einer bemerkenswerten Steigerung des Moduls um 204 % im Vergleich zu reinem rHDPE führt.
Während der rHDPE/NFM-Verbundwerkstoff auch verbesserte mechanische Eigenschaften aufweist, wenn auch in geringerem Maße als die Faserverstärkung, kommt es bei beiden Verbundwerkstoffen zu einer leichten Verringerung der Schlagfestigkeit. Bemerkenswert ist, dass die Zugabe von NFM oder PALF die Wärmeverformungstemperatur (HDT) erheblich erhöht, wodurch die HDT-Werte für die rHDPE/NFM- bzw. rHDPE/PALF-Verbundstoffe auf etwa 84 °C bzw. 108 °C ansteigen. Dies steht in krassem Gegensatz zum HDT von reinem rHDPE bei 71 °C.
Darüber hinaus werden die Gesamteigenschaften beider Verbundwerkstoffe durch die Verbesserung ihrer Kompatibilität durch den Einsatz von Maleinsäureanhydrid-modifiziertem Polyethylen (MAPE) weiter verbessert. Die Untersuchung der Schlagbruchflächen beider Verbundwerkstoffe zeigt eine erhöhte Kompatibilität und klare Ausrichtung der NFM- und PALF-Füllstoffe, was die verbesserte Leistung und Umweltfreundlichkeit von Verbundwerkstoffen unterstreicht, die aus recycelten Kunststoffen hergestellt werden, die mit Füllstoffen aus Ananasblattabfällen verstärkt sind.
Verbesserte mechanische Eigenschaften, insbesondere die Verformungsbeständigkeit bei normalen oder hohen Temperaturen, erhöhen die Möglichkeit, das Produkt mit reduziertem Gewicht oder einem dünneren Design zu verwenden. Dies ist für Anwendungen wie Automobilteile von entscheidender Bedeutung.
Diese Forschung unterstreicht den vielversprechenden Weg der Nutzung von Abfallmaterialien für die nachhaltige Entwicklung von Verbundwerkstoffen und trägt so zum umfassenderen Ziel der Reduzierung der Umweltbelastung in der Kunststoffindustrie bei. Es trägt auch zur Kohlenstoffentfernung bei, indem es Kohlenstoff in langlebigen Produkten bindet.
Associate Professor Kheng Lim Goh, technischer Berater der PALF-HDPE-Studie, hält das Upcycling von HDPE-Milchflaschen mit Fasern aus Ananasblättern für einen bedeutenden Fortschritt. Er ist begeistert, dass dieser Ansatz reichlich Abfall in hochsteife HDPE-Verbundmaterialien mit verbesserten mechanischen Eigenschaften umwandelt, was für verschiedene Branchen, darunter die Biomedizin und die Automobilindustrie, vielversprechend ist.
Um jedoch eine nachhaltige PALF-Lieferkette für die Produktion von hochsteifem HDPE aufrechtzuerhalten, die schnell und in großem Maßstab eingesetzt werden kann, müssen sich Ananasbauern auf die Auswirkungen des Klimawandels vorbereiten und sich an diese anpassen, darunter unregelmäßige Regenfälle, extreme Temperaturen, Dürre, Bodenerosion und invasive Unkräuter und langlebige Schädlinge.
Sowohl Landwirte als auch Pflanzenwissenschaftler sollten Informationen aus Klimaprojektionen, Pflanzen- und Wirtschaftsmodellen sowie empirischen Felddaten nutzen, um herauszufinden, wie Ananaspflanzen Trockenheit und unzureichender Bodenfeuchtigkeit standhalten können. Sie müssen auch alternative Möglichkeiten zur Aufrechterhaltung der Ananasproduktion erkunden, um eine konsistente PALF-Versorgung für die Herstellung hochsteifer HDPE-Verbundmaterialien sicherzustellen.
Mehr Informationen:
Taweechai Amornsakchai et al., Upcycling von HDPE-Milchflaschen zu hochsteifen High-HDT-Verbundwerkstoffen mit Abfallmaterialien aus Ananasblättern, Polymere (2023). DOI: 10.3390/polym15244697