Biogebaseerde PBS voor de textielindustrie
Abstract
De laatste jaren krijgen biogebaseerde polymeren steeds meer aandacht. Voor een echte transitie naar een groene economie moeten polymeren niet alleen afkomstig zijn uit hernieuwbare bronnen, maar ook biologisch afbreekbaar zijn. Een voorbeeld van zo'n polymeer is polybutyleensuccinaat (PBS), dat als thuis composteerbaar wordt bestempeld, wat betekent dat het kan worden afgebroken bij lagere, minder gecontroleerde temperaturen, zoals die in een gewone composthoop in de tuin.
Dit artikel onderzoekt het potentieel van PBS in textieltoepassingen, met de nadruk op tape- en multifilamentextrusie, kleuring en kleinschalige stofverwerking. Naast zuiver PBS werden ook mengsels met 25% en 50% PLA geëvalueerd.
Inleiding
“Biologisch afbreekbaar” verwijst naar materialen die onder specifieke omstandigheden in relatief korte tijd kunnen worden afgebroken. Deze omstandigheden kunnen aanzienlijk variëren.
PLA (polymelkzuur) vereist bijvoorbeeld industriële composteringsomstandigheden (50-60 °C), terwijl sommige polymeren bij omgevingstemperatuur (<35 °C) thuis composteerbaar zijn. Deze eigenschap is niet alleen waardevol voor het milieu, maar ook technisch, vooral in toepassingen zoals agrotextiel.
PBS is zo'n polymeer. Het wordt geproduceerd via de polycondensatie van barnsteenzuur en 1,4-butaandiol. Barnsteenzuur, dat traditioneel uit aardolie wordt gewonnen, kan nu ook uit hernieuwbare bronnen worden verkregen, waardoor PBS een gedeeltelijk biogebaseerd polymeer is dat potentieel volledig biogebaseerd kan worden.
Dankzij zijn hernieuwbare oorsprong, biologische afbreekbaarheid en fysische eigenschappen die vergelijkbaar zijn met die van polyolefinen, wordt PBS beschouwd als een veelbelovend materiaal voor de toekomst. Hoewel het al wordt gebruikt in de kunststofindustrie (bijvoorbeeld voor verpakkingen), staat de toepassing ervan in textiel nog in de kinderschoenen.
Materialen
Er zijn verschillende soorten PBS getest: FZ 71 PB en FZ 91 PB, beide geproduceerd door PTTMCC. Deze zijn voor 50% biologisch afbreekbaar: het barnsteenzuur is hernieuwbaar, terwijl het 1,4-butaandiol op aardolie is gebaseerd (met plannen voor volledige biologische productie in de toekomst).
PBS smelt bij 113 °C en begint bij ongeveer 300 °C af te breken.
- FZ 91 PB: lage smeltindex (MFI) van 5 g/10 min (190 °C); ideaal voor monofilament- en tape-extrusie.
- FZ 71 PB: hogere MFI van 22 g/10 min (190 °C); beter geschikt voor multifilament extrusie.
Capillaire reologietests van FZ 71 PB tonen afschuifverdunnend gedrag: de viscositeit neemt af naarmate de afschuifsnelheid en temperatuur toenemen.
Bandjesextrusie
Proeven op een semi-industriële bandjesextrusielijn hebben aangetoond dat PBS weliswaar een laag smeltpunt heeft, maar dat hoge extrudertemperaturen (>200 °C) nodig zijn voor een goede verwerking.
Bij de optimale koude trekverhouding (4,8x):
- Sterkte: 0,22–0,23 N/tex
- Young's modulus: 1,4–1,5 N/tex
Door PBS te mengen met 25% of 50% PLA (klasse 6400D) werden de mechanische eigenschappen verbeterd (tabel 1). Met name de Young's modulus nam aanzienlijk toe van 1,4 tot 4,0 N/tex.
Mechanische eigenschappen van de bandjes
| Samenstelling | Sterkte (N/tex) | Modulus (N/tex) |
|---|---|---|
| 100% PBS | 0.22–0.23 | 1.4–1.5 |
| 75% PBS / 25% PLA 50% | 0.24–0.25 | 2.4–2.5 |
| 50% PBS / 50% PLA | 0.28–0.29 | 3.9–4.0 |
Multifilament Extrusie
We hebben ook proeven uitgevoerd op de semi-industriël multifilamentlijn. De filamenten werden luchtgekoeld en vervolgens uitgerokken over vier verwarmde rollen met een laatste relaxatierol. Voor gebulkte continue filamenten (BCF) werden de filamenten in een textureringskamer omgevormd tot een gebulkte vorm.
- Continu filament (CF): Extrudertemperatuur ~230 °C
- BCF (trilobale matrijs): Extrudertemperatuur verlaagd tot 210–200 °C
Mechanische eigenschappen van multifilamenten
Kruigedrag, dat een invloed heeft op het volume en uiterlijk van tapijten, was beter voor PBS dan voor PLA, wat duidt op de mogelijkheden om specifieke prestaties te bekomen met vezelblends.
| Type | Sterkte (N/tex) | Modulus (N/tex) |
|---|---|---|
| 100% PBS CF | 0.16–0.20 | 1.0–1.3 |
| 100% PBS BCF | 0.11–0.12 | 0.6–0.7 |
PBS-garens werden gekleurd met behulp van twee technieken:
- Solution dyeing (massa-inkleuring) – Tijdens de tape-extrusie werd een 1% PLA-gebaseerde masterbatch toegevoegd. De PBS-tapes vertoonden een vergelijkbare lichtechtheid als PLA in Xeno-tests voor binnengebruik (ISO 105-B02) en buitengebruik (ISO 105-B04) (zie Figuur 3).
- Package dyeing (verven op bobijn) – Disperse kleurstoffen uit het Dianix-gamma werden toegepast bij 70°C, op basis van PLA-verfrecepten. De resultaten (zie figuur) toonden aan dat PBS-garens die bij 70°C werden geverfd, intense kleuren bereikten, terwijl PLA-garens zeer flets bleven tenzij ze bij 110°C werden geverfd. Dit is waarschijnlijk te wijten aan de lagere glasovergangstemperatuur van PBS (Tg ≈ -30°C), die een betere kleurstofpenetratie mogelijk maakt.
Van garen tot textiel
Als demonstratiematerialen werden de volgende textielsoorten geproduceerd:
- Gebreide en non-woven stoffen uit multifilamentgarens
- Geweven stof uit PBS-tapes
Zowel de gebreide als de geweven stoffen vertoonden een goede slijtvastheid (volgens ISO 12947-2). De gebreide stof toonde bovendien een positieve weerstand tegen pilling (volgens ISO 12945-2).
PBS toont sterk potentieel voor textieltoepassingen
- Het materiaal kan verwerkt worden met standaard industriële apparatuur voor tape- en multifilamentextrusie, wat integratie mogelijk maakt in toepassingen zoals agrotextieltapes en interieurgarens (BCF).
- De eigenschappen van PBS kunnen afgestemd worden door het te mengen met biogebaseerde polymeren zoals PLA, waardoor specifieke prestatiekenmerken verbeterd kunnen worden.
- Daarnaast biedt de combinatie van thuiscomposteerbaarheid en biogebaseerde oorsprong aanzienlijke milieuvoordelen: het vermindert de afhankelijkheid van fossiele grondstoffen en CO₂-uitstoot, en maakt efficiënte end-of-life-opties mogelijk die passen binnen een circulaire economie.
