Biokunststoffe

Was haben Milch, Lactobacillus und Biokunststoff gemeinsam?
Gastbeitrag von Katharina Schwab

Synthetische Kunststoffe (Aktueller Stand Kunststoffproduktion: 359 Mio. Tonnen weltweit), welche aus Erdöl gewonnen werden, überzeugten bisher durch ihre Vielzahl an positiven Eigenschaften wie beispielsweise ihrem niedrigen Gewicht, der exzellenten Prozessierbarkeit und den maßgeschneiderten physikochemischen Eigenschaften.

Um fossile – nicht erneuerbare Rohstoffe zu schonen und sich davon unabhängig zu machen, verlagert sich der Schwerpunkt zunehmend zur Nachhaltigkeit, den Biokunststoffen. Als Biokunststoffe werden sowohl biologisch abbaubare, als auch aus bzw. mit nachwachsenden Rohstoffen gewonnene Kunststoffe, bezeichnet. Biobasierte Kunststoffe werden auf Basis von nachwachsenden Rohstoffen hergestellt, sind aber meist nicht biologisch abbaubar. Biologisch abbaubare Kunststoffe hingegen müssen nicht aus nachwachsenden Rohstoffen hergestellt werden. Zurzeit werden knapp 7,6 Mio. T Biokunststoffe jährlich hergestellt.

Zu den Biokunststoffen zählen: Stärkederivate, Polyhydroxyalkanoate, Polymilchsäure (PLA), Cellulose o. Lignin basierte Kunststoffe, Polyethylenfurandicarboxylat (PEF).

Die biologische Abbaubarkeit hängt dabei nicht vom Rohstoff ab, sondern allein von der chemischen Struktur des Endproduktes. So ist PLA ein Beispiel für einen biobasierten und bio-abbaubaren Kunststoff, Polybutylensuccinat kurz PBS ist nur bioabbaubar jedoch nicht biobasiert und Bio-PET ist biobasiert jedoch nicht bioabbaubar. Die biologische Abbaubarkeit umfasst dabei die Eigenschaft, durch einen Mikroorganismus zersetzt werden zu können.

Biokunststoffe sind in den Anwendungen konkurrenzfähig zu herkömmlich hergestellten Kunststoffen. Viele Materialeigenschaften wie Härte, Elastizität, UV-Beständigkeit sind bereits vergleichbar, Eigenschaften wie Wasserundurchlässigkeit in Wasserflaschen sind nicht bei allen Biokunststoffen gegeben und bedürfen noch weiterer Entwicklung. Anlagen müssen nicht für jedes Biopolymer zwangsläufig umgebaut werden, da die Eigenschaften der Polymere auf Erdölbasis ähnlich sind.

Verwendet werden können Biokunststoffe zum Beispiel in Einwegmaterialien wie Tüten, Folien und Netzen. Hierbei eignen sich Rohstoffe auf Basis von Zuckermolekülen. Länger haltbare Biokunststoffe können mit EPP (expandierbares Polypropylen) und EPS (expandiertes Polystyrol) hergestellt werden. EPS- und EPP-Verpackungen können als Schaumstoff in der Bauindustrie oder als Hartplastik in Griffen, Spielzeugen etc. eingesetzt werden.

Polyhydroxyalkanoate sind, Dank der Carbonsäurefunktion, im Gegensatz Polyalkanen leichter bioabbaubar. Zudem ist durch die Biokompatibilität ein Einsatz in Implantatmedizin möglich. Bio-Polyethylen ist nach wie vor schwer abbaubar. Die Rohstoffe für die Synthese können aber aus nachwachsenden Rohstoffen gewonnen werden. So sind die Vorteile des auf Erdölbasis beruhenden Kunststoff erhalten geblieben. Der Herstellungsprozess wurde erneuert.

Für Verpackungen, Mulchfolien, Zahnabdrücke, 3-D-Druck, etc. kann PLA eingesetzt werden. Milchsäure wird aus der Glucose in einem Bioreaktor biotechnologisch hergestellt und anschließend polymerisiert. Nicht optimale Produkteigenschaften wie Sprödigkeit können durch Einsatz von Weichmachern oder Füllstoffen verbessert werden.

Um die im Vergleich zu den mineralölbasierten Kunststoffen eingeschränkten Materialeigenschaften der Roh-Biokunststoffe, wie die geringe Temperaturbeständigkeit und deren eingeschränkte Verarbeitbarkeit (benötigen Vortrocknung) zu verbessern und ähnliche Anwendungsanforderungen zu erfüllen, wird auch bei den biobasierten Kunststoffen auf Füllstoffe gesetzt, wie beispielsweise in PLA.

Zur Modifizierung von PLA für unterschiedliche technische Einsätze, kommen Hochleistungsfüllstoffe, wie Wollastonit, Phlogopit-Glimmer und Kaolin zum Einsatz.

TREMIN® 283 zeichnet sich aufgrund der blockigen Partikelstruktur durch eine hohe Schlagzähigkeit und Verzugsfreiheit aus. TREMIN® 939 und Glimmer kommen zum Einsatz, wenn höhere Steifigkeiten erforderlich sind. Durch den Einsatz des plättchenförmigen Kaolins wird die Zugfestigkeit, das Zugmodul und dieSteifigkeit unter Beibehaltung der Zähigkeit der PLA-Compounds erhöht. Damit entstehen vielseitige Möglichkeiten beim Design des PLA-Compounds.

Neben der Modifizierung eines biobasierten und bioabbaubaren Kunststoffes, werden auch Kunststoffe verbessert die entweder nur bioabbaubar (PBS) oder nur biologisch basiert (Bio-PE) sind.

Dauerhaftes Bio-PE ist der weltweit zweit häufigste, aus Zuckerrohrabfällen produzierte Biokunststoff. Er hat die gleiche Struktur wie konventionelles Polyethylen und besitzt die gleichen Materialeigenschaften. In unbehandeltem Zustand führt er zu keinem Bruch. Genau wie PE, kann Bio-PE durch den Zusatz von Kaolin, Wollastonit oder Glimmer in seinen Eigenschaften verbessert werden. Eine Möglichkeit, um Bio-PE gegen die Entflammbarkeit zu schützen, wäre der Test von Kaolin als Flammschutzmittel.

Zu den synthetischen, aber biologisch abbaubaren Kunststoffen zählt Polybutylensuccinat (PBS). PBS ist in seiner Beschaffenheit extrem flexibel, hat eine hohe Schlagzähigkeit und ist hitzebeständig. Seine Eigenschaften sind vergleichbar mit denen von HDPE oder PP. Im Vergleich sind die Eigenschaften sehr ähnlich, sie liegen im Bereich des Durchschnitts des PBS und können ähnlich wie bei HDPE durch Füllstoffe verbessert werden.

Letztlich ist Calciumcarbonat ein weiteres praktisches Beispiel in der Verbesserung von PLA, PBS oder PBAT, indem es vor dem Abbau durch Hydrolyse schützt. Daneben wirkt Calciumcarbonat auch als Antiblockmittel, steigert die Energieeffizienz und senkt die Kosten. Bei den mechanischen Eigenschaften führt Calciumcarbonat zur Verbesserung der Reißfestigkeit und der Dehnung.

Durch verschiedene Farbpasten und Pulverpigmenten lassen sich die Biokunststoffe auch in den verschiedensten Farben herstellen.

Auf Basis dieser Erkenntnisse und vieler weiterer Forschungen, haben Biokunststoffe die Chance, ein Teil unseres täglichen Lebens zu werden. Die Natur bietet dafür viele Möglichkeiten und erneuerbare Rohstoffe haben durchaus das Potential Erdöl, langfristig in vielen Fällen abzulösen und so zur Schonung der nicht erneuerbaren Ressourcen beizutragen.  

Quellen:
– Skript aus der Hochschule aus dem Fach Grüne Chemie
https://www.bundestag.de/resource/blob/410104/34eca17202ee9d7380e1df34946335c8/WD-8-028-15-pdf-data.pdf
https://www.plasticseurope.org/de/resources/market-data
– https://de.statista.com/statistik/daten/studie/258991/umfrage/entwicklung-der-weltweiten-produktionskapazitaet-von-biopolymeren/

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