Biobasierte Hotmelt-Klebstoffe

Hintergrund und Zielsetzung

Nicht reaktive Hotmelt-Klebstoffe sind wichtige Industrieklebstoffe, insbesondere für die Verpackungs-, Hygieneartikel-, Holz- und Möbelindustrie. Hotmelt-Klebstoffe bestehen typischerweise aus verschiedenen Grundstoffen. Hauptbestandteile sind ein Basispolymer, ein klebrig machendes Harz und Wachse. Zur Optimierung der Produkt- und Verarbeitungseigenschaften werden darüber hinaus verschiedene Additive eingesetzt. Die aktuell verwendeten Komponenten gehen praktisch ausschließlich auf petrochemische Rohstoffe zurück. Neue Hauptkomponenten aus nachwachsenden Rohstoffen als Substituenten für diese konventionellen Bestandteile werden eine ressourcenschonende Generation von Hotmelt-Klebstoffen hervorbringen.

Ziel dieses Projektes ist es, neuartige biobasierte Hotmelt-Klebstoffe für Papier- und Kartonverpackungen zu entwickeln. Für den Ersatz der Hauptkomponenten konventioneller Klebstoffe werden hierfür neue biobasierte Polyester entwickelt. Als Ausgangsstoffe werden ausschließlich Substanzen eingesetzt, die bereits heute aus nachwachsenden Rohstoffen industriell hergestellt werden können.

Vorgehensweise

Zunächst werden neue biobasierte Polyester synthetisiert und hinsichtlich ihrer Eignung als mögliche Basiskomponenten für Hotmelt-Klebstoffe untersucht. Darauf basierend werden Hotmelt-Klebstoffe hergestellt und für die Anwendung in Papier- und Kartonverpackungen optimiert. In der abschließenden Projektphase prüfen und bewerten wir die biobasierten Klebstoffe bezüglich ihrer Kompatibilität mit bestehenden industriellen Verarbeitungsverfahren.

Ergebnisse

In dem Projekt wurden gegenüber dem Stand des Wissens vor Projektbeginn in den folgenden Bereichen wichtige Fortschritte erzielt:

Es wurden insgesamt 10 biobasierte Polyester hergestellt und hinsichtlich ihrer Eignung als Basiskomponenten für Hotmeltklebstoffe geprüft. Dabei zeigte sich, dass die Viskosität der Polyester im Vergleich zu konventionellen Klebstoffen auch bei vergleichsweise geringen Polymerisationsgraden deutlich höher ist als bei konventionellen Basiskomponenten. Die Synthese der linearen biobasierten Polyester Polybutylensuccinat (PBS) und Polypropylensuccinat war mit kurzen Reaktionszeiten möglich. Die Schmelzviskositäten im Bereich der Applikationstemperaturen sowie das thermische Verhalten dieser Polyester zeigen Ähnlichkeit mit konventionellen Basispolymeren. Das Viskositätsprofil der übrigen hergestellten Polyester zeigt Ähnlichkeiten mit Tackifierharzen.

• Die Charakterisierung der klebtechnischen Eigenschaften der Polyester zeigte, dass PBS mittlerer Kettenlänge eine für die Anwendung geeignete Klebeleistung aufweist. Optimierungsbedarf besteht jedoch noch bzgl. der Viskosität bei Applikationstemperatur und bzgl. der Kohäsion, da diese Komponente leichte Sprödigkeit zeigte.
• Durch das Verblenden von PBS mit den übrigen hergestellten Polyestern konnten für die Optimierung der Rezepturen einsetzbare Polyester identifiziert werden. Polyester mit Methylbernsteinsäure als Dicarbonsäurekomponente sowie die hergestellten Copolyester zeigten deutlich höhere Viskositäten als konventionelle Komponenten und erscheinen für den angestrebten Einsatzbereich daher ungeeignet.
• Die hergestellten biobasierten Polyester zeigen, wie die meisten Polyester, eine starke Alterung unter den klassischen Applikationsbedingungen nicht reaktiver Hotmelt-Klebstoffe. Zur Stabilisierung von PBS unter Applikationsbedingungen (150°C, 48h) wurde eine geeignete Rezeptur konventioneller Stabilisatoren entwickelt, sowie die stabilisierende Wirkung von epoxidiertem Sojabohnenöl für PBS in Hotmelt-Klebstoffanwendungen entdeckt.