Rheologie, Innovation und regionale Zusammenarbeit als Wegbereiter für die Zukunft von Biokunststoffen und recycelten Materialien

Bewältigung von Nachhaltigkeitsherausforderungen durch Materialwissenschaft

In einem sich rasch wandelnden industriellen und regulatorischen Umfeld ist ein tiefgreifendes Verständnis von Polymerwerkstoffen zu einem zentralen Innovationstreiber geworden. Da die Industrie bestrebt ist, ehrgeizige Ziele in den Bereichen Nachhaltigkeit, Kreislaufwirtschaft und Leistungsfähigkeit zu erreichen, spielt die fortschrittliche Materialcharakterisierung eine zunehmend strategische Rolle.

Vor diesem Hintergrund hat die Green Business and Consulting Company – ein Unternehmen, das sich der Entwicklung umweltverträglicher Lösungen widmet, darunter Biomaterialien und Biokunststoffe (biobasiert und/oder biologisch abbaubar), aber auch recycelte Kunststoffe – eine einzigartige technische und wissenschaftliche Zusammenarbeit in der französischen Region Auvergne-Rhône-Alpes ins Leben gerufen.

Diese Initiative vereint vier Partner, deren sich ergänzendes Fachwissen ein leistungsstarkes Innovationsökosystem schafft:

• Green Business and Consulting Company, ein Spezialist für Biokunststoffe und deren Entwicklung, mit fundiertem Fachwissen in den Bereichen Ökodesign und Ökobilanz (LCA);
• das Technische Gymnasium Jean Zay (in Thiers), ein anerkanntes Kompetenzzentrum für die Ausbildung und technische Schulung im Bereich der Kunststoffverarbeitung;
• das INP Clermont Auvergne, ein führendes Ingenieursinstitut, das Spitzenforschung mit dem Transfer industrieller Innovationen verbindet;
• NETZSCH, ein weltweit führender Anbieter fortschrittlicher rheologischer Prüftechnologien.

Vereint durch gemeinsames Fachwissen: Rheologie

Im Mittelpunkt dieser Zusammenarbeit steht die Rheologie, die Wissenschaft vom Materialfluss und der Materialverformung. Sie bildet das wesentliche Bindeglied zwischen akademischer Forschung und industrieller Anwendung und liefert entscheidende Erkenntnisse über das Verhalten komplexer Polymersysteme.

Dieses Fachwissen ist besonders wichtig für neue Werkstoffe wie Biokunststoffe und recycelte Polymere, da deren physikalische und chemische Eigenschaften je nach Zusammensetzung, Mikrostruktur und Verarbeitungsbedingungen erheblich variieren können.

Die Bedeutung einer fortschrittlichen Charakterisierung wird durch die bevorstehenden Anforderungen der im August 2026 in Kraft getretenen Europäischen Verpackungs- und Verpackungsabfallverordnung (PPWR) noch verstärkt.In den kommenden Jahren werden strengere Verpflichtungen hinsichtlich der Verwendung von recycelten und nachhaltigen Materialien in Verpackungen einführt.

Um diesen Herausforderungen zu begegnen, haben die Partner ihre Stärken in den Bereichen Bildung, Forschung, Materialinnovation und Messtechnik gebündelt und eine Kooperationsplattform geschaffen, die die Entwicklung nachhaltiger Polymere der nächsten Generation beschleunigen kann.

Fortschrittliche Messtechnik: Wissen und Leistung fördern

NETZSCH Kinexus Prime Pro+ Rotationsrheometer

Das wissenschaftliche Fachwissen im Bereich der Rotationsrheometrie, das von den Forschern der GePEB-Forschungsgruppe am Institut Pascal vorangetrieben wird, wird über die Technologietransferplattform Gen’Mat an der Polytech Clermont (Clermont Auvergne INP) unter der Leitung von Fabrice Audonnet genutzt. Die im Rahmen des Förderprogramms „AMI CMA“ („Académie des Mobilités“) zur Unterstützung der Ingenieurausbildung angeschafften Geräte dienen der fortschrittlichen Materialcharakterisierung und werden sowohl für die Ausbildung der Ingenieurstudierenden des CA INP als auch für die akademische Forschung genutzt.

Das mit einem HTC Prime-Ofen ausgestatteteNETZSCH Rotationsrheometer Kinexus Prime Pro+liefert grundlegende Erkenntnisse über die Materialstruktur und das Materialverhalten unter Bedingungen mit geringer Scherbeanspruchung. Das System ermöglicht die präzise Messung kritischer Eigenschaften wie:

• Dynamische Viskosität;
• Viskoelastische Moduli;
• Physikalische Übergänge, einschließlich Fließverhalten und Elastizität.

Als etabliertes Werkzeug für die rheologische Analyse unterstützt es das Verständnis und die Entwicklung fortschrittlicher Polymerformulierungen (vgl. Abbildung 1 zu den Eigenschaften im Laufe der Alterung).

NETZSCH Rosand RH7 Capillary Rheometer: Ein bedeutender technologischer Fortschritt

Die Anschaffung des NETZSCH Rosand RH7 Kapillarrheometers (vgl. Abbildung 2) mit technischer Unterstützung durch Frédéric Fraisse ist ein bedeutender Schritt, um reale industrielle Verarbeitungsbedingungen wie Extrusion und Spritzguss nachzubilden.

Das Gerät ermöglicht die Charakterisierung wichtiger Eigenschaften im geschmolzenen Zustand, darunter:

• Scher- und Dehnungsviskosität unter Hochdruckbedingungen;
• Elastisches Verhalten und Fließprofile über einen breiten Bereich von Scherraten (vgl. Abbildung 3);
• pVT-Eigenschaften (Druck-Volumen-Temperatur), die für die Modellierung der Kompressibilität und der Wärmeausdehnung von Werkstoffen unerlässlich sind.

Diese Messungen liefern hochpräzise Daten für die Prozesssimulation, die Werkzeugkonstruktion und die Teilefertigung. Dies verbessert letztlich die Produktqualität und verkürzt die Entwicklungszeit.

Sich ergänzende Technologien für ein umfassendes Verständnis von Werkstoffen

Die Kombination aus Rotations- und Kapillarrheometrie bietet ein breites Spektrum sich ergänzender Analyseverfahren.

Die Rotationsrheometrie ist besonders wertvoll für die Untersuchung des Materialverhaltens bei niedrigen Verformungsraten und zur Bestimmung viskoelastischer Eigenschaften.

Die Kapillarrheometrie liefert hingegen wichtige Informationen unter den anspruchsvollen Bedingungen industrieller Verarbeitungsprozesse, bei denen Werkstoffe hohen Scherraten und erhöhten Temperaturen ausgesetzt sind.

Zusammen ermöglichen diese Technologien eine umfassende rheologische Charakterisierung, indem sie grundlegende Materialeigenschaften wie Viskosität, Elastizität und Fest-Flüssig-Übergänge mit wichtigen Prozessparametern wie Druck, Temperatur, Volumen und Strömungsgeschwindigkeit verknüpfen.

Für komplexe Materialien wie Biopolymere und recycelte Mischungen, deren Eigenschaften erheblich variieren können, bietet dieser integrierte Ansatz einen großen wissenschaftlichen Vorteil. Er erleichtert die Optimierung von Rezepturen, verbessert die Vorhersagbarkeit von Prozessen und unterstützt den erfolgreichen Transfer von Innovationen aus der Laborentwicklung in die industrielle Großproduktion.

Kompetenzaufbau und Förderung des Wissenstransfers

Ein Eckpfeiler dieser Partnerschaft ist der gegenseitige Austausch von Fachwissen.

NETZSCH bietet den akademischen und wissenschaftlichen Mitarbeitern sowohl des Institut Pascal und Clermont Auvergne INP sowie den technischen Teams von Green Business and Consulting Company fortgeschrittene praktische Schulungen an. Die Entwicklung dieser Kompetenzen ist unerlässlich, um die analytischen Möglichkeiten des Rosand RH7 voll auszuschöpfen und um hochwertige Daten für die Entwicklung künftiger Generationen nachhaltiger Polymere zu generieren.

Gleichzeitig hat die Jean Zay Technical High School unter der Leitung von David Bonnet durch seine Ausbildungsgänge im Bereich der Kunststoffverarbeitung und seine technischen Einrichtungen einen wichtigen Beitrag geleistet, insbesondere im Rahmen des BTS-Studiengangs „EuroPlastics & Composites“.

Die Schule hat eine Spiralflussform (vgl. Abbildung 4) entworfen und gefertigt, die auf einer elektrischen 60-Tonnen-Spritzgießmaschine von ENGEL installiert werden soll. Dieses pädagogische und wissenschaftliche Werkzeug wird es Schülern und Forschern ermöglichen, den direkten Zusammenhang zwischen der Materialrheologie und der industriellen Verarbeitungsleistung zu veranschaulichen.

Die Einbindung in praktische Workshops stärkt die Verbindung zwischen akademischem Lernen und industrieller Realität und ermutigt angehende Techniker gleichzeitig, sich mit nachhaltigen Materialien und technologischen Innovationen auseinanderzusetzen.

Ein Modell regionaler Exzellenz

Diese Zusammenarbeit veranschaulicht auf perfekte Weise ein ganzheitliches Innovationsmodell, das die gesamte Wertschöpfungskette von der Grundlagenforschung bis zur industriellen Anwendung umfasst und durch eine hochwertige technische Ausbildung unterstützt wird.

Durch die Bündelung der Forschungskompetenzen des Clermont Auvergne INP, der pädagogischen Expertise der Jean Zay Technical High School, der Spitzentechnologien von NETZSCH und der marktorientierten Innovationsstrategie von Green Business and Consulting Company etabliert sich die Region Auvergne-Rhône-Alpes als Maßstab für erfolgreiche regionale Zusammenarbeit.

Gemeinsam gestalten diese Partner die Zukunft der Kunststoffverarbeitung: kreislauforientierter, technischer und nachhaltiger.

Vielen Dank für die erfolgreiche Zusammenarbeit

Wir möchten uns ganz herzlich bei Laurent Massacrier von der Green Business and Consulting Company, bei Fabrice Audonnet von der GePEB-Forschungsgruppe des Institut Pascal und der Gen’Mat-Plattform (Polytech Clermont, Clermont Auvergne INP), bei David Bonnet von der Jean Zay Technical High School sowie bei allen an dieser Zusammenarbeit Beteiligten für ihr Vertrauen, ihr Fachwissen und ihr Engagement bedanken.

Wir freuen uns, Teil dieser starken regionalen Partnerschaft zu sein, und sind gespannt darauf zu sehen, wie das gebündelte Fachwissen in den Bereichen Rheologie, Materialentwicklung, Forschung und Bildung weiterhin zur Entwicklung nachhaltigerer Polymerlösungen beitragen wird.