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Die Feststellung der Folieneigenschaften mußte aufgrund fehlender Instrumente meistens nach Gefühl erfolgen. Die Belastbarkeit wurde jedoch anhand einer selbst zusammengestellten Apparatur ermittelt (Abb. 6), sofern die Folien in diese Vorrichtung hineinpaßten.
Schraubzwingen
Acrylglasringe mit eingeklemmter Folie Personenwaage
Abbildung 6) Apparatur zur Bestimmung der Belastbarkeit
Die zu prüfende Folie wird in die Acrylglasringe gelegt, mit den Schraubzwingen, zwischen 3 und 4 Stück, fixiert und auf die Personenwaage gestellt, die bereits auf Null justiert wurde. Das angezeigte Gewicht G0 der Apparatur wird notiert. Nun wird mit einem abgerundeten Gegenstand auf die Folie gepreßt und der Druck mit Muskelkraft kontinuierlich erhöht, bis die Folie reißt. Das erreichte Gewicht G1 wird notiert, von dem das Gewicht G0 der Apparatur abgezogen wird, um die tatsächliche Belastung G, in der Einheit kg, zu erhalten.
Ich mußte leider auf diese Methode der Messung ausweichen, da es leider keine andere Möglichkeit gab, die Belastbarkeit zu messen. Bei der Betrachtung der Auswertung muß natürlich berücksichtigt werden, daß die Personenwaage die Belastung nicht genau erfassen kann und deshalb die ermittelten Werte nur als ungefähre Werte aufgefaßt werden können.
Alle in den folgenden Tabellen (Tab. 7 - 14) aufgeführten Eigenschaften wurden, bis auf die Belastbarkeit, durch Gefühl ermittelt, basierend auf Vergleiche der vorliegenden Folien. (Einige Folien sind am Ende dieser Facharbeit zu finden.)
4.1 Auswertung der Stärkeversuche
Weichmacher Eigenschaften Propantriol 55 % Propantriol 85 %
Flexibilität sehr gut gut - sehr gut
Reißfestigkeit ausreichend mangelhaft
Klebrigkeit ausreichend gut
Färbung keine weißlich
Transparenz ausreichend ausreichend
Belastbarkeit (G) nicht möglich1* nicht möglich2*
1* ) zu kleine Bruchstücke; 2* ) zu viele Risse
Tabelle 7) Auflistung der Eigenschaften der Stärkefolien mit Propantriol als Weichmacher
Wie aus der Tabelle 7 zu sehen ist, nimmt die Flexibilität bei Erhöhung des Weichmachergehaltes geringfügig, die Reißfestigkeit jedoch stärker ab. Die weißliche Färbung kann auch vom Gießen herrühren, wenn damit etwas zu lang gewartet wurde. Die Transparenz wird durch den Weichmacher weitestgehend nicht beeinflußt.
Aus der Reißfestigkeit und der Klebrigkeit kann bereits ersehen werden, daß die Folien recht dünn geraten sind und sich schwer von der Acrylglasplatte abziehen lassen, was zu Rissen und letztendlich zu kleinen Bruchstücken führt. Deshalb können beide Folien nicht in der Apparatur (vgl. Abb. 6, S. 14) auf ihre Belastbarkeit hin geprüft werden.
Weichmacher Eigenschaften Sorbitol 50 % Sorbitol 55 % Sorbitol 85 %
Flexibilität ungenügend mangelhaft mangelhaft
Reißfestigkeit sehr gut gut - sehr gut gut - sehr gut
Klebrigkeit klebt nicht klebt nicht klebt nicht
Färbung leicht weißlich leicht weißlich leicht weißlich
Transparenz ausreichend ausreichend ausreichend
Belastbarkeit (G) 9,2 kg 7,3 kg 5,2 kg
Tabelle 8) Auflistung der Eigenschaften der Stärkefolien mit Sorbitol als Weichmacher
Sorbitol als Weichmacher führt zu sehr inflexiblen Folien, v.a. mit Erniedrigung des Weichmachergehaltes, während die Reißfestigkeit zunimmt. Die leicht weißliche Färbung und die ausreichende Transparenz lassen sich wahrscheinlich auf ein ungenügendes Auflockern der kristallinen Strukturen durch den Weichmacher zurückführen. Mit der Erniedrigung des Weichmachergehaltes geht auch eine Erhöhung der Belastbarkeit einher, was darauf schließen läßt, daß die Auflockerung der kristallinen Strukturen deutlich abnimmt. Wie die Tabelle zeigt, gibt es dabei eine Erhöhung der Belastbarkeit von ca. 2 kg.
Wenn nun die Tabellen 7 und 8 betrachtet werden, stellt man fest, daß bei der Erhöhung des Propantriolgehaltes, wenn man eine gewisse Ungenauigkeit bei der Ermittlung der Werte berücksichtigt, die Flexibilität der Folien gleich bleiben. Bei der Erhöhung des Sorbitolgehaltes nimmt sie sogar noch leicht zu.
Jedoch nimmt bei allen Folien die Reißfestigkeit ab; bei den Folien mit dem Weichmacher Propantriol viel stärker als bei den Folien mit Sorbitol.
Die Klebrigkeit hängt anscheinend von der hohen hygroskopischen Wirkung des Propantriols ab. Da Sorbitol nur eine geringe hygroskopische Wirkung besitzt, kleben auch die dazu gehörigen Folien nicht. Der Grad der Klebrigkeit nimmt mit dem Anstieg des Propantriolgehaltes stark zu.
Die Belastbarkeit der \"Sorbitolfolien\" sinkt mit steigendem Sorbitolgehalt der Folien. Laut den Werten aus Tabelle 7 und 8 gibt es einen Zusammenhang zwischen der
Belastbarkeit (G) einer Folie, ihrer Flexibilität (F), ihrer Reißfestigkeit (R) und dem Weichmachergehalt (Ww):
Ww F 1/R 1/G
4.2 Auswertung der Chitosanversuche
Chitosan (nicht gesiebt) Eigenschaften 1 g hochmolekular 1 g mittelmolekular
Flexibilität ausreichend mangelhaft
Reißfestigkeit sehr gut sehr gut
Färbung leicht bräunlich leicht bräunlich
Transparenz befriedigend befriedigend
Einschlüsse groß und bräunlich groß und leicht bräunlich
Belastbarkeit (G) 5,3 kg 7,4 kg
Tabelle 9) Auflistung der Eigenschaften der Chitosanfolien mit nicht gesiebtem Chitosan
Der Essigsäuregeruch ist bei der Folie mit dem mittelmolekularen Chitosan etwas intensiver als bei der mit hochmolekularem Chitosan, wobei die letztere kaum danach riecht.
Die Flexibilität nimmt mit steigender Belastbarkeit ab, was auf eine stärkere Ausbildung von intermolekularen Bindungen hindeuten kann. Die Reißfestigkeit bleibt erstaunlicherweise trotzdem auf höchstem Niveau konstant. Sie müßte eigentlich zunehmen, wenn eine weitere Stufe nach oben noch vorhanden wäre. Bedauerlicherweise sind einige Chitosanschuppen nur angelöst worden, die als Einschlüsse in der Folie zu erkennen sind. Die Transparenz ist abhängig von den Einschlüssen und von der leicht bräunlichen Färbung der Folie, die sich kaum verändern beim Vergleich von hoch- und mittelmolekularem Chitosan.
Chitosan Eigenschaften 1 g hochmolekular 1 g mittelmolekul. 0,5 g hochmolekular 0,5 g mittelmolekul.
Flexibilität mangelhaft ausreichend befriedigend gut
Reißfestigkeit sehr gut sehr gut gut gut
Färbung leicht bräunlich farblos farblos farblos
Transparenz befriedigend gut gut gut
Einschlüsse groß und leicht bräunlich groß überwiegend mittelgroß überwiegend mittelgroß
Belastbarkeit (G) 4,7 kg 4,5 kg 3,2 kg 1,2 kg
Tabelle 10) Auflistung der Eigenschaften der Chitosanfolien mit zuvor gesiebtem Chitosan
Hierbei fällt jedoch auf, daß die Folien mit 0,5 g Chitosan sehr dünn im Vergleich zu den anderen in Tabelle 10 aufgeführten Chitosanfolien sind.
Beim Vergleich der vier Folien fällt ebenfalls auf, daß die Flexibilität der Folien von
1 g hochmolekularem Chitosan über 1g mittel- und 0,5 g hochmolekularem bis zum
0,5 g mittelmolekularen Chitosan zunimmt, während die Belastbarkeit und die Reißfestigkeit abnehmen, was auf eine Abnahme an intermolekularen Bindungen hindeuten könnte. Anscheinend wurden durch das Sieben größere Chitosanmoleküle herausgefiltert, die für die Ausbildung von stärkeren bzw. mehreren intermolekularen Bindungen verantwortlich sind.
Die Färbung der Folien und die Einschlüsse beeinflussen wiederum die Transparenz.
Chitosan Eigenschaften 1 g hochmolekular 1 g mittelmolekular
Flexibilität ungenügend mangelhaft - ausreichend
Reißfestigkeit sehr gut sehr gut
Färbung leicht bräunlich farblos
Transparenz befriedigend gut
Einschlüsse keine keine
Belastbarkeit (G) 2,2 kg 3,3 kg
Tabelle 11) Auflistung der Eigenschaften der Chitosanfolien mit zuvor u. danach gesiebtem Chitosan
Beide Folien sind sehr fein strukturiert und wölben sich nach dem Abziehen von der Acrylglasplatte, wobei sich die Folie mit dem hochmolekularen Chitosan bereits selbst leicht ablöst. Der Essigsäuregeruch ist bei der zuletzt genannten Folie auch etwas stärker ausgeprägt, was darauf hindeutet, daß immer noch Lösungsmittel in der Folie vorhanden ist. Obwohl die Flexibilität zunimmt, wird auch die Belastbarkeit bei gleichbleibender Reißfestigkeit größer. Anscheinend ist es zu einer gleichmäßigen Verteilung der intermolekularen Bindungen gekommen, was durch das gleichmäßige Erscheinungsbild der Folie noch untermauert wird. Die Transparenz wird dieses Mal nur von der Färbung der Folie beeinflußt, da keine Einschlüsse vorhanden sind.
Durch das zuvor Sieben des Chitosans wird im Grunde genommen die Färbung und die Transparenz der Folien verbessert. Die Reißfestigkeit wird davon kaum beeinträchtigt. Im Gegensatz dazu sinkt die Belastbarkeit G der Folien deutlich ab. Die oben vermuteten molekularen Ereignisse werden hierfür wahrscheinlich verantwortlich sein.
4.3 Auswertung der Caseinversuche
Weichmacher Eigenschaften Propantriol 55 % Propantriol 85 % Sorbitol 55 % Sorbitol 85 %
Flexibilität ausreichend ausreichend mangelhaft mangelhaft
Reißfestigkeit gut befriedigend sehr gut sehr gut
Färbung farblos farblos farblos farblos
Transparenz sehr gut gut sehr gut sehr gut
Einschlüsse viele ungelöste Caseinklumpen viele ungelöste Caseinklumpen ungelöste Caseinklumpen wenige ungelöste Caseinklumpen
Belastbarkeit (G) 1,1 kg 0,6 kg 4,3 kg 3,3 kg
Tabelle 12) Auflistung der Eigenschaften der Caseinfolien ohne Vernetzungsmittel
Des weiteren besitzen die beiden Folien mit Propantriol als Weichmacher eine relative starke Klebrigkeit im Gegensatz zu den anderen beiden Folien mit Sorbitol, die keine Klebrigkeit aufweisen. Die Folie mit 85 %iger Propantriollösung ist sogar etwas klebriger als die 55 %ige, was auf die höhere hygroskopische Wirkung der 85 %igen Propantriollösung zurückzuführen ist. Daneben besitzen alle vier Folien einen nicht zu überriechenden leichten Caseingeruch.
Die Flexibilität der Folien verschlechtert sich, obwohl eine Schwingung der Werte bei der Reißfestigkeit und bei der Belastbarkeit zu verzeichnen sind. Anscheinend bleibt die Flexibilität der Folien bei gleichem Weichmacher unverändert. Die Reißfestigkeit stimmt dieser Erkenntnis überein, wenn davon ausgegangen wird, daß diese Meßwerte durch \"Gefühl\" ermittelt wurden. Bei der Belastbarkeit ist ebenfalls eine Differenzierung zwischen den Folien mit verschiedenen Weichmachern zu beobachten, wobei eine gewisse Analogie bei der Erhöhung des Weichmachergehaltes festzustellen ist, die sich in der Erniedrigung der Belastbarkeit bei gleichem Weichmacher äußert. Da davon ausgegangen werden muß, daß die Werte der Belastbarkeit genauer sind als die durch Gefühl ermittelten, müßte eigentlich eine Korrektur der entsprechenden Werte, zumindest eine Überprüfung der ermittelten Werte vorgenommen werden.
Die fast konstante Transparenz wird hauptsächlich von der konstanten Färbung (farblos) positiv beeinflußt, während sich die Caseineinschlüsse eher negativ auf die Transparenz auswirken.
Weichmacher Eigenschaften Propantriol 55 % Propantriol 85 % Sorbitol 55 % Sorbitol 85 %
Flexibilität mangelhaft ungenügend ungenügend mangelhaft
Reißfestigkeit sehr gut sehr gut gut - sehr gut befriedigend
Färbung farblos farblos farblos farblos
Transparenz gut gut gut gut
Einschlüsse viele ungelöste Caseinklumpen wenige ungelöste Caseinklumpen wenige ungelöste Caseinklumpen wenige ungelöste Caseinklumpen
Belastbarkeit (G) 5,1 kg 2,1 kg nicht möglich 1*) nicht möglich 2*)
1*) zu kleine Bruchstücke ; 2*) zu viele Risse
Tabelle 13) Auflistung der Eigenschaften der Caseinfolien mit Methanallösung als Vernetzungsmittel
Alle vier Caseinfolien besitzen ebenfalls einen mehr oder weniger starken Caseingeruch. Die Folien mit 55 %iger Propantriollösung und 85 %iger Sorbitollösung kleben etwas in ihren Schutzhüllen (hygroskopische Wirkung des Propantriol), im Gegensatz zu den anderen beiden Folien.
Die Flexibilität sinkt, wie die Belastbarkeit, bei der Erhöhung des Propantriolgehaltes. Jedoch steigt die Flexibilität der Folie bei der Erhöhung des Sorbitolgehaltes. Die Reißfestigkeit bleibt konstant bei den Folien mit Propantriol als Weichmacher und sinkt bei den Folien mit Sorbitol. Die gute Transparenz aller Folien wird durch die Caseineinschlüsse negativ und durch die farblose Folienfärbung eher positiv beeinflußt.
Weichmacher Eigenschaften Propantriol 55 % Sorbitol 55 %
Flexibilität ausreichend ungenügend
Reißfestigkeit sehr gut sehr gut
Färbung stark bräunlich bräunlich
Transparenz ungenügend befriedigend - gut
Einschlüsse wenige Caseinklumpen wenige Caseinklumpen
Belastbarkeit (G) nicht möglich 1*) nicht möglich 2*)
1*) rutscht durch Versuchsanordnung ; 2*) zu kleine Bruchstücke
Tabelle 14) Auflistung der Eigenschaften der Caseinfolien mit DAS als Vernetzungsmittel
Die Caseinfolie mit Propantriol als Weichmacher klebt zum einen leicht in ihrer Schutzhülle und zum anderen ist sie fein strukturiert.
Die Flexibilität der Folien sinkt, bei gleichbleibender Reißfestigkeit, weil die Reißfestigkeit über \"sehr gut\" anscheinend nicht weiter steigerbar ist. Die Transparenz wird von den Caseineinschlüssen und hauptsächlich von der Folienfärbung negativ beeinflußt.
Durch die Zugabe von Methanal oder DAS als Vernetzungsmittel kann die Reißfestigkeit und die Belastbarkeit bei Folien mit Propantriol als Weichmacher deutlich angehoben werden, während die Flexibilität i.d.R. sinkt. Bei Folien mit Sorbitol als Weichmacher kann eine Verschlechterung der Flexibilität auftreten, die mit einer Erhöhung der Reißfestigkeit und der Belastbarkeit G einhergeht. Bei Caseinfolien können nur die Reißfestigkeit und die Belastbarkeit G effektiv verändert werden.
5. Diskussion
Mit den oben durchgeführten Versuchen wurde bewiesen, daß es möglich ist, Folien aus nachwachsenden Rohstoffen wie Stärke herzustellen. Die Herstellung der einzelnen Folien ist in diesem Fall relativ einfach, wenn die beschriebenen Versuchsdurchführungen eingehalten werden. Komplizierter wird es jedoch bei Verwendung von Zein und PHB als BAW´s, weil die obigen Versuchsdurchführungen nicht anwendbar sind. \"Das hydrophobe Protein Zein wurde in Japan bereits als Compound in Stärkefolien eingebaut, was mir jedoch mißglückte.\" \"Das PHB (Polyhydroxybutyrat) wird von Bakterien als eine Art Speicherstoff synthetisiert und ist ebenfalls hydrophob.\" Mir ist bekannt, daß PHB zur Kunststoffherstellung in einen Extruder gegeben wird. Deshalb wurde davon ausgegangen, daß durch bloßes Erhitzen ein ähnlicher Effekt eintreten müßte, was sich aber als falsch herausstellte. Eine weitere Möglichkeit wäre das Lösen bzw. das Aufquellen in einem entsprechenden Lösungsmittel, welches wegen Zeitmangels nicht mehr überprüft werden konnte.
Alle hergestellten Folien wurden auch auf ihre wasserabweisende Eigenschaft hin untersucht. 3 Minuten nach dem Auftropfen von einem Tropfen destilliertem Wasser auf die Folien begannen alle stark zu quellen. Je dünner eine Folie war, desto stärker war auch ihr Aufquellen.
Bei der Folienherstellung sollte man sich zuerst einmal im klaren sein, was für Eigenschaften die Folie aufweisen soll. Liegt das Hauptinteresse auf der guten Flexibilität der Folie, so sollte eine Stärkefolie mit Propantriol als Weichmacher verwendet werden. Im Fall einer Chitosanfolie, falls man den Geruch ertragen möchte, sollte
0,5 g mittelmolekulares Chitosan zum Einsatz kommen.
Bei dem Wunsch nach einer reißfesten Folie wird im Falle einer Stärkefolie Sorbitol als Weichmacher hinzugegeben, im Falle einer Chitosanfolie kann hoch- und mittelmolekulares Chitosan, gesiebt oder nicht gesiebt, verwendet werden, solange der Versuch genau nach Vorschrift durchgeführt wird. Falls die Wahl auf eine Caseinfolie fällt, sollte entweder Sorbitol als Weichmacher eingesetzt werden oder im Falle von Propantriol ein Vernetzungsmittel wie Methanal oder Dialdehydstärke hinzugesetzt werden. Die Flexibilität der Caseinfolien läßt im allgemeinen zu wünschen übrig.
Für den alltäglichen Gebrauch sind diese Folien natürlich noch nicht zu verwenden. Die Flexibilität muß noch erhöht werden, wenn möglich, bei steigender Reißfestigkeit und steigendem hydrophoben Verhalten, was bereits der Firma Wentus Kunststoff GmbH mit ihrem WENTERRA - Bio - Beutel gelungen ist. \"Jedoch besteht er aus Mater - Bi, welches aus 60 % Stärke und 40 % synthetischen Polymeren besteht und trotzdem vollständig biologisch abbaubar ist.\" Hinzu kommt, daß diese Mischung stark hydrophob und somit u.a. als Kompostbeutel gut geeignet ist (Ein Beutel ist als Muster am Ende dieser Facharbeit zu finden).
Wie bereits oben erwähnt, muß noch ein Weg gefunden werden, das wasserabweisende Verhalten der Folien zu erhöhen, ohne daß dabei die Kompostierbarkeit merklich beeinträchtigt wird. \"Des weiteren müßte für einige Verwendungsmöglichkeiten, wie z.B. als Mulchfolie, die Abbaubarkeit der Folie verzögert werden, damit für die Pflanzen konstante Bedingungen über einen längeren Zeitraum hergestellt werden können.\"
Die von mir verwendeten Meßmethoden müssen durch jederzeit nachprüfbare einfache Verfahren ersetzt werden, um aussagekräftige Vergleiche anstellen zu können, weshalb auch die sehr einfache, leider auch ungenaue, Messung der Belastbarkeit G verwendet wurde.
6. Ausblick
Kunststoffe aus biologisch abbaubaren Werkstoffen sollten überall dort eingesetzt werden, wo erstens die Kunststoffe stark verschmutzt werden und zweitens eine konventionelle Entsorgung zu teuer wäre bzw. diese konventionelle Entsorgung durch eine kostengünstigere ersetzt werden kann. Demzufolge können biologisch abbaubare Kunststoffe in der Landwirtschaft, im Haushalt als Kompostbeutel für die Biotonne und in gewissen Bereichen als Ersatz für Verpackungen genutzt werden. Durch die Verwendung von heimischen Kulturpflanzen wird der heimischen Landwirtschaft eine neue Absatzmöglichkeit eröffnet.
Damit nun die biologisch abbaubaren Kunststoffe die konventionellen substituieren können, müssen die Eigenschaften der biologisch abbaubaren Kunststoffe soweit verbessert werden, bis sie denen der konventionellen Kunststoffe gleichen. Bis dorthin wird noch ein immenser Investitions- und Forschungsbedarf vonnöten sein, um auf den heutigen Stand der konventionellen Kunststoffe zu gelangen.
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