Kolophonium als Additiv für stärkebasierte Polymere Vom Baumharz zum Funktionsadditiv

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Wilhelm Büchner Hochschule - Träger: Hochschule für Berufstätige Darmstadt GmbH

Ein neuer Ansatz für ein altes Problem: Seit Jahrzehnten gelten stärkebasierte Biokunststoffe als vielversprechende Alternative zu fossilen Werkstoffen. Ihre industrielle Nutzung wurde jedoch durch eine Herausforderung begrenzt: unzureichende mechanische Eigenschaften bei hohen Stärkeanteilen. Modifizierte Baumharze können das ändern.

Baumharze (auch: Kolophonium oder Rosin) werden vorwiegend aus Nadelhölzern gewonnen und in der Industrie vielfältig eingesetzt – insbesondere als Verarbeitungshilfsmittel und als Bindemittel. Synthomer Deutschland mit Sitz in Marl hat das Anwendungsspektrum dieser Harze nun erweitert und wurde dafür für den Biopolymer Innovation Award nominiert.

Synthomer verändert Kolophonium durch Prozesse wie Veresterung und Hydrierung, um Eigenschaften wie thermische Stabilität, Oxidationsbeständigkeit und Oberflächenbenetzung zu verbessern. Damit eignen sich die Harze als Funktionsadditiv, um die Eigenschaften von Biopolymer-Compounds zu verbessern.

Harzchemie für die gezielte Funktionalisierung

Der Schlüssel liegt nicht allein in der Auswahl des Basispolymers, sondern in der gezielten Einstellung von Rheologie, Grenzflächen und Morphologie. Genau hier setzen Kolophoniumharze an. Als bio-basierte, funktionelle Harzadditive können sie die Verarbeitung von PLA/Stärke/Glycerin-Systemen erleichtern, die Phasenanbindung verbessern und gleichzeitig neue Freiheitsgrade für kompostierbare Folien, Spritzgussteile und gefüllte Biopolymer-Compounds eröffnen.

Rosins basieren auf Naturharzsäuren aus nachwachsenden Rohstoffen. Durch Hydrierung, Veresterung oder gezielte Funktionalisierung lassen sich Polarität, Säurezahl, Erweichungspunkt und Verträglichkeit einstellen. Diese Parameter sind entscheidend, wenn Harze nicht nur als Verarbeitungshilfe, sondern als funktionelle Morphologie- und Grenzflächenadditive in Biopolymeren eingesetzt werden.

Warum PLA/Stärke-Systeme schwer zu formulieren sind

PLA ist steif, vergleichsweise hydrophob und hydrolyseempfindlich. Stärke ist polar, hydrophil und benötigt für die thermoplastische Verarbeitung geeignete Plastifizierung, häufig mit Glycerin. In PLA/Stärke/Glycerin-Blends treffen daher zwei sehr unterschiedliche Materialwelten aufeinander.

Ohne geeignete Modifizierung entstehen häufig grobe Phasenstrukturen, Grenzflächendefekte und lokale Spannungsspitzen. Die Folge sind begrenzte Dehnung, schwache Reißfestigkeit und instabile Verarbeitung. Besonders bei hohen Stärkebeladungen wird die Stärkefraktion dann nicht mehr als funktioneller Bestandteil des Werkstoffs genutzt, sondern wirkt zunehmend wie ein Füllstoff mit Defektcharakter.

Kolophoniumharze können diese Situation verändern. Ihr hydrophober Harzkörper zeigt Affinität zu Polyesterphasen wie PLA, PBAT oder PHA. Gleichzeitig können polare Gruppen mit Stärke, Glycerin oder anderen organischen Füllstoffen wechselwirken. Dadurch verbessert sich die Benetzung der Phasen, die Schmelze wird besser verarbeitbar und die Ausbildung feinerer Morphologien wird begünstigt.

Foralyn und Pentalyn: robuste Prozessierung und bessere Morphologie

Die Harz-Additive Foralyn und Pentalyn stehen beispielhaft für hydrierte Kolophoniumderivate, die in PLA/Organische Füllstoffen/Glycerin-Systemen als wirksame Prozess- und Morphologiemodifizierer eingesetzt werden können. In geprüften Formulierungen verbessert Pentalyn oder Foralyn die Verarbeitbarkeit deutlich, insbesondere bei hohen Anteilen an organischen Füllstoffen.

Der Effekt ist mehrdimensional. Einerseits sinkt die Schmelzeviskosität, wodurch Mischen, Dispergieren und Austrag im Extruder erleichtert werden. Andererseits verbessert das Harz die Grenzflächenbenetzung zwischen der polaren Fraktion der Füllstoffe und der Polyesterphase. Das Ergebnis ist eine homogenere Struktur mit besserer Spannungsübertragung.

Gerade für Folienanwendungen ist dies relevant. Entscheidend sind dort nicht nur Zugfestigkeit und Dehnung, sondern auch Reißverhalten, Lochinitiierung und Verarbeitungssicherheit auf bestehenden Anlagen. Foralyn kann hier helfen, organische füllstoffreiche Systeme in einen verarbeitbaren Bereich zu bringen, ohne die Rezeptur ausschließlich über höhere Plastifiziereranteile weichzustellen.

Technische Abgrenzung zu niedrigsäurigen Harzkonzepten

Im Markt sind technische PLA/Stärke Ansätze bekannt, die stark auf sehr niedrigsäurige Kolophoniumharzderivate, insbesondere Harze mit sehr niedriger Säurezahl, fokussieren. Diese Strategie kann sinnvoll sein, wenn maximale chemische Inertheit gegenüber hydrolyseempfindlichen Polyestern im Vordergrund steht.

Synthomer verfolgt darüber hinaus einen breiteren technischen Ansatz. Harze mit Säurezahlen oberhalb dieses sehr niedrigsäurigen Bereichs eröffnen zusätzliche Möglichkeiten: Sie können stärker in Grenzflächenwechselwirkungen eingreifen, die Rheologie deutlicher beeinflussen und in kompostierbaren Systemen gezielt zur Abbaubarkeit beitragen. Entscheidend ist dabei nicht eine einzelne Kenngröße, sondern das Zusammenspiel aus Säurezahl, Erweichungspunkt, Molekulargewicht, Polarität und Prozessfenster.

Diese Abgrenzung ist technisch relevant: Niedrigsäurige Harzester sind häufig sehr stabil, aber nicht immer die wirksamsten Grenzflächenadditive für hochgefüllte Stärke-Polyester-Systeme. Funktionellere Kolophoniumharze können hier zusätzliche Freiheitsgrade schaffen — besonders dort, wo hohe Stärkebeladung, gute Verarbeitbarkeit und kontrollierte Kompostierbarkeit gleichzeitig gefordert sind.

Beschleuniger für heimkompostierbare Systeme

Foral AX-E ist ein besonders interessantes Beispiel für ein funktionelleres Synthomer Rosin. Durch seine höhere Säurezahl bringt es eine stärkere Polarität und Reaktivität in das System ein. In PLA/Stärke/Glycerin-Compounds kann dies die Schmelzeviskosität deutlich reduzieren und die Ausbildung einer feineren Morphologie unterstützen.

Für heimkompostierbare Anwendungen ist dieser Effekt besonders relevant. Während viele PLA-basierte Systeme unter Heimkompostbedingungen nur langsam abbauen, kann Foral AX-E dazu beitragen, die Hydrolyse polyesterbasierter Phasen unter Feuchte- und Wärmeeinfluss zu beschleunigen. Damit wird es möglich, Rezepturen nicht nur auf Verarbeitung und mechanische Eigenschaften, sondern auch auf definierte Abbaugeschwindigkeit auszulegen.

In geprüften Systemen sind Stärkebeladungen von über 70 % erreichbar. Das ist technisch bedeutsam, weil die Stärke dann nicht mehr nur als preisgünstiger Füllstoff eingesetzt wird, sondern als dominierender, nachwachsender Werkstoffbestandteil. Foral AX-E kann in solchen Formulierungen als Prozesshilfe, Grenzflächenmodifikator und Kompostierbarkeitshebel wirken.

Gleichzeitig erfordert diese Strategie sorgfältige Prozessführung. Feuchte, Temperatur und Verweilzeit müssen kontrolliert werden, da saure Gruppen die Hydrolyse von PLA beschleunigen können. Für kurzlebige, heimkompostierbare Folien ist dies ein Vorteil. Für langlebigere Formteile muss die Rezeptur entsprechend stabilisiert oder auf weniger reaktive Harztypen abgestimmt werden.

Über PLA/Stärke hinaus: PHA, PBAT/PLA und organische Füllstoffe

Der Nutzen von Synthomer Rosins beschränkt sich nicht auf klassische PLA/Stärke/Glycerin-Systeme. Auch in PHA-Compounds, PBAT/PLA-Kombinationen und weiteren bio-basierten Kunststoffsystemen können Harze zur Einstellung von Fließverhalten, Verträglichkeit und Füllstoffanbindung beitragen.

Besonders interessant ist der Einsatz organischer Füllstoffe aus Lebensmittelreststoffen. Werden diese Reststoffe kryogen vermahlen, entstehen feine Partikel mit hoher spezifischer Oberfläche. In Kombination mit PLA, PHA oder anderen kompostierbaren Polymeren lassen sich daraus kostengünstige Biokunststoffe entwickeln. Die technische Herausforderung liegt auch hier in der Grenzfläche: Organische Füllstoffe sind meist polar, wasseraufnehmend und chemisch heterogen. Ohne Modifizierung verschlechtern sie häufig Fließverhalten, Schlagzähigkeit und Bruchdehnung.

Synthomer Rosins können diese Lücke schließen. Sie verbessern die Benetzung organischer Partikel, erleichtern die Dispergierung im Compoundierprozess und reduzieren die Schmelzeviskosität. Dadurch lassen sich höhere Füllstoffgehalte verarbeiten, ohne dass die Compoundierung instabil wird oder die mechanischen Eigenschaften überproportional abfallen.

Das eröffnet neue Anwendungen: kostengünstige Spritzgussteile, technische Verpackungen, Agraranwendungen, Einwegartikel mit verbessertem biogenem Anteil oder kompostierbare Folien mit funktionellen Füllstoffen. Entscheidend ist, dass die Harze nicht isoliert betrachtet werden, sondern als Teil eines Formulierungsbaukastens aus Polymer, Stärke oder Füllstoff, Plastifizierer und Prozessfenster.

Anwendungstechnischer Nutzen

Für Verarbeiter ergeben sich mehrere Vorteile:

• niedrigere Schmelzeviskosität und dadurch stabilere Extrusion,
• bessere Dispergierung hoher Stärke- oder Füllstoffanteile,
• verbesserte Dehnung und Reißfestigkeit durch feinere Morphologie,
• breiteres Prozessfenster auf bestehenden Anlagen,
• Möglichkeit zur gezielten Einstellung der Heimkompostierbarkeit,

• Nutzung günstiger, biogener Füllstoffe aus Reststoffströmen.

Damit adressieren Synthomer-Rosins einen zentralen Zielkonflikt der Biopolymerentwicklung: hohe biogene Anteile, industrielle Verarbeitbarkeit und ausreichende mechanische Leistungsfähigkeit gleichzeitig zu erreichen.

Fazit

Stärkebasierte Biopolymere müssen nicht an hohen Füllstoffanteilen oder schwacher Mechanik scheitern. Mit geeigneten Rosins lassen sich Rheologie, Grenzflächen und Abbauverhalten gezielt einstellen. Ein Synthomer Rosin bietet einen robusten Weg zu besserer Prozessierbarkeit und Morphologie. Foral AX-E eröffnet zusätzlich Möglichkeiten für schneller heimkompostierbare Formulierungen mit sehr hohen Stärkebeladungen.

Die Technologie ist dabei nicht auf PLA/Stärke beschränkt. PHA, PBAT/PLA-Systeme und organische Füllstoffe aus Lebensmittelreststoffen bieten weitere Ansatzpunkte für kosteneffiziente, bio-basierte und kompostierbare Werkstoffe.

Die Relevanz dieses Ansatzes wurde auch extern sichtbar: Synthomer Rosins waren Finalist bei den Biopolymer Awards 2026 im Rahmen der Biopolymer Tagung in Halle (Saale), Deutschland. Damit rücken Synthomer Rosins als funktionelle Additive für die nächste Generation von Biopolymeren stärker in den Fokus der Kunststoffverarbeitung.