Entwicklung

Biopolymere in die Spritzgießmaschine

Beständige Biopolymere finden heute Eingang in technische Produkte und signalisieren Umweltbewusstsein – wie etwa die Maus Fujitsu M440 ECO Bild: Fujitsu Technology Solutions
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Sie rücken immer mehr ins Blickfeld: Biokunststoffe. Ihr Anteil liegt zwar noch unter 1 %, doch dieser wächst zweistellig. Schon in drei Jahren sollen die meisten Typen biologisch beständig sein. Eine neue „Kunststoff“geschichte hat begonnen – hier ein Überblick.

Biokunststoffe sind keine völlig neue Werkstoffart, sondern vielmehr neuartige Materialien innerhalb der altbekannten Werkstoffklasse der Kunststoffe. Bevor sich petrochemisch basierte Kunststoffe mit zunehmender Industrialisierung und guter Verfügbarkeit der Rohstoffe als Massenkunststoffe durchsetzten, gab es bereits erste biobasierte Kunststoffe, zum Beispiel auf Basis von Cellulose (sogenannte Cellulose-Regenerate oder -Derivate, Caseine, Kautschuk…). Andererseits wurden für Nischenanwendungen (unter anderem mit Polycaprolacton) auch erste abbaubare und teilweise wasserlösliche Polymerwerkstoffe auf Erdölbasis entwickelt.

Seit Ende der 80er-Jahre entstanden dann gezielt erste Biopolymere überwiegend auf Basis nachwachsender Rohstoffe, bei denen die Abbaubarkeit als neuartige Entsorgungsoption im Vordergrund stand. Der Name „Biopolymer“ oder „Biokunststoff“ geht maßgeblich auf diese Gruppe der biologisch abbaubaren und biobasierten Polymerwerkstoffe zurück.
Was sind Biokunststoffe heute?
Zwischenzeitlich hat im Bereich der Biokunststoffe eine Entwicklung begonnen, die man beschreiben kann als „zurück zu den Anfängen der Kunststoffherstellung“. Vor dem Hintergrund limitierter petrochemischer Rohstoffe verlagert sich der Fokus der Materialentwicklungen von der Kompostierung als Entsorgungsoption wieder in Richtung zuverlässig verfügbarer Ressourcen als Polymer-Feedstock für langlebige Kunststoffe. Diese Veränderung lässt sich auch mit „von der Bioabbaubarkeit zur biobasierten Beständigkeit“ beschreiben und spiegelt sich in dem Maße wider, wie die jeweiligen Biopolymere heute produziert werden (siehe Diagramm zum Entwicklungsstand oben).
Kurz gesagt gibt es damit drei Werkstoffklassen innerhalb der Biokunststoffe, in die sich die verschiedenen Produkte eingruppieren:
  • Abbaubare petrobasierte Biopolymere
  • Abbaubare (überwiegend) biobasierte Biopolymere
  • Nicht abbaubare beständige biobasierte Biopolymere
Das bedeutet, dass sowohl kompostierbare und zugleich petrochemisch basierte Biopolymere als auch beständige und zugleich biobasierte Biopolymere auf dem Markt zu finden sind.
In industriellem Maßstab werden bereits einige dieser überwiegend als kompostierbar entwickelten Biopolymere hergestellt. Bei der nachrückenden Polymergeneration handelt es sich mit Ausnahme von PHA- und PBS-Polymeren dagegen um überwiegend biobasierte aber beständige Biokunststoffe. Diese werden häufig auch als „Drop-In“-Lösung bezeichnet, da einzelne oder alle Komponenten unter weitestgehender Beibehaltung der konventionellen Synthesewege durch biobasierte Rohstoffvarianten ersetzt werden. Die resultierenden Polymere haben meist eine ähnliche oder sogar identische chemische Struktur und damit auch ähnliche Eigenschaften wie ihre petrochemischen Pendants. So können zum Beispiel biogene Alkohole eingesetzt werden, um ein vollständig biobasiertes Polyethylen (Bio-PE) oder ein partiell biobasiertes PET herzustellen. Und biobasierte Hydroxycarbonsäuren lassen sich nutzen, um vollständig oder partiell biobasierte Polyamide (Bio-PA), Polyurethane (Bio-PUR) oder verschiedene Polyester zu erzeugen.
Welche Vorteile haben Biokunststoffe?
Zu den Vorteilen von Biopolymeren gehört die sich erneuernde Rohstoffbasis, die den endlichen fossilen Ressourcen der konventionellen Kunststoffe gegenüber steht. Darüber hinaus muss weniger Energie in die Rohstofferzeugung gesteckt werden, da die Natur einen Teil der Synthesevorleistung übernimmt.
Neben neuartigen Werkstoffeigenschaften ergeben sich für Biokunststoffe auch neue Entsorgungsmöglichkeiten, die das Klima schonen. Für Anwendungen wie bioabbaubare und unterpflügbare Mulchfolien, Blumentöpfe, Bioabfallsäcke, im Krankenhaus eingesetzte Wäschesäcke oder medizinische Implantate stellt die Abbaubarkeit/Kompostierbarkeit eine zusätzliche Funktion dar. Werden Biokunststoffe direkt verbrannt oder auch als Co-Substrat zu Biogas verwandelt, so entsteht dabei am Ende die gleiche Menge CO2 wie bei der Kompostierung, jedoch kann zusätzlich Energie erzeugt werden.
Für biobasierte beständige Biokunststoffe ergibt sich am Ende ihrer Gebrauchsphase ebenfalls ein energetischer Zusatz- oder Kaskadennutzen, wenn diese nach einem möglichen Recycling dem regulären Abfallstrom einer Müllverbrennungsanlage zugeführt werden. Die hierbei freigesetzte Menge CO2 entspricht der stofflich im Werkstoff gebundenen Menge Kohlendioxid. Zu diesen verschiedenen sogenannten „End-of-life“-Options der Biokunststoffe gibt es aufgrund der in der Vergangenheit geringen Produktionsmengen bislang jedoch nur wenig technische und wissenschaftliche Erfahrungen.
Anwendungen der Biokunststoffe
Mittlerweile erobern in den beschriebenen drei Werkstoffklassen eine Vielzahl von Anwendungen und Produkten unseren Alltag. So werden Einkaufstüten, Getränkeflaschen und vermehrt Produkte für technische Anwendungen wie Sport- und Elektrogeräte oder auch Automobil-Bauteile aus biobasierten Polymerwerkstoffen hergestellt. Während im Garten- und Landschaftsbau, im Catering-Bereich oder bei Bioabfallbeuteln die Abbaubarkeit der Biokunststoffe im Vordergrund steht, ist bei den Anwendungen im Büro-, Bau- oder Automobilbereich die technische Langlebigkeit bei einer gleichzeitig biobasierten Rohstoffbasis wichtig.
Biokunststoffe erobern den Markt
Betrachtet man den aktuellen Markt für Biopolymere, so kann für 2011 von einer Produktionskapazität von etwas unter 1 Mio. t/a ausgegangen werden (ohne die bekannten traditionellen biobasierten Kunststoffe wie Kautschuk oder die Cellulose-Regenarate und -Derivate im Faserbereich). In den nächsten Jahren wird sich diese Menge fast verdoppeln, so dass für 2015 von einer Produktionskapazität von über 1,7 Mio t/a ausgegangen werden kann.
Am Gesamtkunststoffmarkt haben Biopolymere damit zwar immer noch nur einen Anteil von unter einem Prozent, jedoch liegen die jährlichen Wachstumsraten im zweistelligen Prozentbereich. Zudem wird es sowohl bei den abbaubaren als auch bei den beständigen Biokunststoffen zu einem weiteren deutlichen Wachstum kommen. Im Vergleich zeigen dabei jedoch die biobasierten beständigen Kunststoffe das größere Wachstumspotenzial.
Sind derzeit noch zwei Drittel der Biokunststoffe auch bioabbaubar, so kehrt sich dieses Verhältnis bis 2015 nahezu um und der größere Anteil der Biokunststoffe wird beständig sein. Unter den beständigen Biokunststoffen machen dann Bio-PE, Bio-PET, Bio-PA und – wenn die Prognosen der Industrie stimmen – biobasiertes PP sowie verschiedene biobasierten Polyester etwa 90 % der Produktion aus.
Mit steigender Produktionsmenge stellt sich auch vermehrt die Frage nach den hierzu erforderlichen Agrarflächen. Doch nach sorgfältigen Schätzungen muss für das Jahr 2015 nur von einer Fläche von etwa 5000 km² für die weltweite Biokunststoffproduktion ausgegangen werden. Dies entspricht lediglich 0,03 % der weltweiten, 0,3 % der europäischen oder 3 % der deutschen Landwirtschaftsfläche. Anders ausgedrückt wird zur Herstellung der gesamten Biokunststoffe weltweit im Jahr 2015 eine Fläche benötigt, die nur etwa 10-mal so groß ist wie die Fläche des Bodensees.
Würden dagegen alle petrobasierten Kunststoffe weltweit durch biobasierte Kunststoffe ersetzt (eine rein theoretische Überlegung), so wären dafür nur etwa 5 % der weltweiten Agrarfläche nötig. Zudem können biobasierte Kunststoffe am Ende ihres Lebenszyklusses noch energetisch verwertet werden und damit Energie bereitstellen. Nachwachsende Rohstoffe würden mehrfach genutzt – zunächst stofflich und anschließend energetisch. Im Gegensatz dazu ist die Ressourceneffizienz beim direkten Verbrennen biobasierter Energieträger geringer, etwa beim Verbrennen des Bioethanols im Kraftstoff oder bei der Verstromung von Biomethan nach dem Erneuerbaren Energien Gesetz (EEG).
Prof. Hans-Josef Endres, Leiter des IfBB – Institut für Biokunststoffe und Bioverbundwerkstoffe, Hochschule Hannover B.Eng. Christian Schulz, Wissenschaftlicher Mitarbeiter am IfBB
Weitere Produktbeispiele: Einen Überblick über Anwendungsmöglichkeiten von Biokunststoffen gibt die „Application Database“ von M-Base und IfBB – ein von der Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e.V. gefördertes Projekt www.industrieanzeiger.de/biokunststoffe

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Öko-Problem Pappbecher?

Beschichtete Pappbecher wie für den morgendlichen „Coffee to go“ stellen ein ökologisches Problem dar, da sich die mit konventionellen Kunststoffen beschichtete Pappe nicht biologisch abbauen lässt. Durch den Einsatz stärkebasierter Materialien von Cereplast sind diese „DixieEcoSmart“-Becher vollständig kompostierbar und bestehen zu mindestens 95 % aus erneuerbaren Rohstoffen.
Bild: Georgia-Pacific LLC
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