Kunststoffe auf Basis nachwachsender Rohstoffe · · 2013-04-23Idee . Forschung . Muster erhältlich . Kommerzielle Mengen . Industrielle Großproduktion . Bio-PS . Bio-PBT Bio-PP

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Hendrik Roch Fraunhofer UMSICHT Geschäftsfeld Nachwachsende Rohstoffe

Fachtagung – Materialauswahl und Ressourceneffizienz Hamburg, 05. Dezember 2012

Kunststoffe auf Basis nachwachsender Rohstoffe Eigenschaften, Einsatzmöglichkeiten und limitierende Faktoren


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Gliederung

Biokunststoff - was ist das?

Vom Rohstoff zum Biokunststoff

Der Biokunststoffmarkt heute

Verarbeitung und Limitierungen

Eigenschaften ausgewählter

Biokunststoffe und Beispiele


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BIOKUNSTSTOFF - WAS IST DAS?


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Definition Biokunststoffe

Eine allgemeine Definition des Begriffs Biokunststoffe existiert nicht. Zwei unterscheidbare Klassen verstanden:

Kunststoffe auf Basis nachwachsender Rohstoffe (Nawaro)

Biologisch abbaubare Kunststoffe

Fossil-basiert

Bioabbaubar

Nawaro-basiert

Bioabbaubar

Fossil-basiert

Nicht bioabbaubar

Nawaro-basiert

Nicht bioabbaubar


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Einteilung der Biokunststoffe

Biologisch abbaubar

Nicht biologisch abbaubar

Nachwachsende

Rohstoffe

BIOPOLYMERE

z.B. PVOH, PCL, PBAT, PET

Petrochemische

Rohstoffe (Erdöl)

BIOPOLYMERE

z.B. PLA, PHA, Cellophane,

Stärke-Blends

KONVENTIONELLE POLYMERE

z.B. PE, PP, PS, PC, ABS, PVC

BIOPOLYMERE

z.B. CA, Bio-PE, Bio-PP, Bio-PA

Bio-PET

PBS


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Erzeugung biobasierter Kunststoffe

Nutzung der Syntheseleistung der Natur

Monomer-herstellung durch Fermentation

Thermo-chemische Umwandlung

Stärke,

PHA,

Cellulose- derivate

Lactid,

Propandiol,

Bernstein-säure

Bioethanol,

Sebacin-säure

PLA

PPT

PBS

PE, PP

PA

TPS

PHB/V

CA


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DER BIOKUNSTSTOFFMARKT HEUTE


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Aktueller Stand biobasierte Kunststoffe

Idee Forschung Muster erhältlich

Kommerzielle Mengen

Industrielle Großproduktion

Bio-PS Bio-PBT Bio-PP Bio-PVC

Bio-PA Bio-PE Celluloseacetat PLA Stärkebasierte Kunststoffe

Bio-PBS Bio-PET PEF PHB/V Andere PHA

PHBV PTT, mit Bio-PDO

Bio-PUR TPE, mit Bio-PDO

PA: Polyamide PBS: Polybuthylensuccinat PBT: Polybuthylenterephthalt PDO: Propandiol PE: Polyethylen PEF: Polyethylenfuranoat

PET: Polyethylenterephthalat PHA: Polyhydroxyalkanoate PHB: Polyhydroxybutyrat PHBV: Polyhydroxybutyrat-Co- Valerat PHV: Polyhydroxyvalerat

PLA: Polylactid PP: Polypropylen PS: Polystyrol PTT: Polytrimethylenterephthalat PUR: Polyurethan TPE: Thermoplastische Elastomere


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Weltweite Produktionskapazität Biokunststoffe

Weltweite Produktionskapazität für Biokunststoffe ab 2010 über 1 Mio. Tonnen/Jahr

Stand 2012: ca. 1,5 Mio. Tonnen/Jahr (0,6 % der ges. Kunststoffmenge)

Langfristiges Potenzial weltweit: 20 Mio. Tonnen/Jahr

Langfristiges Potenzial Westeuropa: 5 Mio. Tonnen/Jahr


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Anforderungen an Biokunststoffe

Biokunststoffe müssen sich dem Wettbewerb konventioneller Kunststoffe stellen:

Geforderte Eigenschaften erfüllen, insbesondere hinsichtlich Langlebigkeit

Preislich konkurrenzfähig sein

Zuverlässig in reproduzierbarer Qualität verfügbar sein

Die Eigenschaften aller heute verfügbarer Biokunststoffe müssen an die Anforderungen der Industrie angepasst werden.

Foto: Pixelio.de


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VERARBEITUNG UND LIMITIERUNGEN


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Verarbeitung und limitierende Faktoren

Roh-Biokunststoffe sind auf herkömmlichen Maschinen nur eingeschränkt verarbeitbar

Thermisch sensitiv & schersensitiv eingeschränkes Verarbeitungsfenster

Teilweise unverträglich mit anderen (Bio-) Kunststoffen

Hydrolytischer Abbau Vortrocknung der meisten Biokunststoffe!

Roh-Biokunststoffe haben z.T. eingeschränkte Materialeigenschaften

Geringe Temperaturbeständigkeit

Geringe Barriereeigenschaften


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Entwicklung maßgeschneiderter Produkte

Rohkunststoffe

Additive

Füllstoffe

Verstärkungsstoffe

Maßgeschneidertes

Compound

Mechanische Eigenschaften

Optik

Haptik

Biologische Abbaubarkeit/ Langlebigkeit

Wärmeform-beständigkeit

Verarbeit-barkeit


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EIGENSCHAFTEN AUSGEWÄHLTER BIOKUNSTSTOFFE UND BEISPIELE


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Polymilchsäure – PLA

Polymerisiert aus Milchsäure (aus Mais, Reis, Kartoffeln oder Tapioka)

Sehr gute Chemikalienbeständigkeit

Einfache Verarbeitung

Brüchig, tiefe Temperaturbeständigkeit

Anwendung

Spritzguss

Blas- und Flachfolien

Fasern

Beschichtungen

E-Modul [GPa] 3,5 - 4,0

Zugfestigkeit [MPa] 50 - 70

Bruchdehnung [%] 5 - 10

Charpy- Schlagzähigkeit

[kJ/m²] 15 - 20

Verarbeitungs- temperatur

[°C] 160 - 200

Optik transparent /

opak

Fotos: NatureWorks / Huhtamaki / Purac


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Thermoplastische Stärke – TPS

Chemisch und thermisch modifiziert

Gute und schnelle biologische Abbaubarkeit, wasserlöslich

Sehr elastisch

Schlechte Hydrolysebeständigkeit

Anwendung

Blas- und Flachfolien

Schaumtrays

Beschichtungen

E-Modul [GPa] 0,6 - 0,85




[kJ/m²] ≈ 30


[°C] 130 - 170

Optik weiß

Fotos: Novamont.com


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Celluloseacetat – CA

Grundeigenschaften vergleichbar mit PS

Hoher Glanzeffekt mit geringer Trübung

Sehr gute chemische Beständigkeit

Schmelzeverarbeitung nur durch Modifizierung (äußere Weichmachung)

hoher Preis

Anwendung

Spritzguss

Folienextrusion

Z.B. Verpackungen, Kosmetikartikel, Schaum

E-Modul [GPa] 1,6 - 3,0




[kJ/m²] 80


[°C] 160 - 220

Optik transparent

Fotos: Fujitsu / FKuR.com


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Polyhydroxyalkanoate – PHA

aus Zucker oder Stärke fermentativ hergestellter Polyester

Gute Barriereeigenschaften

Sehr gut biologisch abbaubar

Sehr flexibel (PHV) bis sehr steif (PHB)

Nachkristallisation

Anwendung

Spritzguss

Blasfolien

Z.B. Gartenbau, Catering

E-Modul [GPa] 0,8 - 3,5




[kJ/m²] 5 - 60


[°C] 150 - 175

Optik weiß

Fotos: Metabolix.com Foto: umn.edu


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Polybutylensuccinat – PBS

Partiell biobasiert (bis zu 40%)

Technischer Biokunststoff, ähnlich PBT

Flexibel

Hohe Stabilität

Biologisch abbaubar

Anwendung

Spritzguss Copolymer

Blas- und Flachfolienextrusion

Z.B: Verpackungen, Siegelschicht, Mulchfilm, Engineering Plastic

E-Modul [GPa] 0,3 - 0,65




[°C] 120 - 200

Optik weiß

Foto: Mitsubishi / Showa Denko


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Polybutylenadipat-terephthalat – PBAT

Weicher Kunststoff, ähnlich LD-PE

Sehr gute Kompatibilität zu PLA

Fossil basiert, aber biologisch abbaubar

Anwendung

Schrumpf- und Verpackungsfolien

Blasfolien

Papierbeschichtung

Z.B. Tragetaschen, Kompostbeutel, Mulchfolien

E-Modul [GPa] 0,1

Zugfestigkeit [MPa] 8



[°C] 140 - 220

Optik transparent

Fotos: BASF.com


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BEISPIELE FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG


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Beispiel F+E bei Fraunhofer UMSICHT: Schaumextrusion von Celluloseacetat

Ziele

Entwicklung biobasierter tiefzieh-fähiger extrudierter Schaumfolien für Verpackung (insb. Heißspeisen) = Ersatz für PS

Wärmeformbeständigkeit (PLA)

Beständigkeit gegen Öle, Fette, Feuchte (Stärke)

Hohe Dimensionsstabilität und Flexibilität der Trays

Nahrungsmittelzulassung

Schaumfolienextrusion mittels chemischer und physikalischer Treibmittel


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Beispiel EU-Projekt ECOplast: Neue Biowerkstoffe für den Automobilbau

Ziele

Neuartige Biokomposite, Basis Biopolymermatrix

Verstärkung mit Naturfasern, Nanofüllstoffen, mineralischen Füllstoffen und Additiven

Anpassung an konventionelle Verarbeitungsverfahren der Auto-mobilindustrie

Verwendung neuer Verarbeitungstechnologien

Anwendungen in der Automobil-industrie

FP7-NMP-2009-2.4-1 / GA nº 246176


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Beispiel EU-Projekt MouldPulp: Biocompound für Spritzgussanwendungen

Ziele

Entwicklung eines Compounds aus PLA und Cellulosefasern für Spritzgussanwendungen

Optischer Eindruck und haptische Wahr- nehmung stehen verstärkt im Fokus

Entwicklung eines neuartigen Compoundier- Prozesses

Technisch-ökonomische Bewertung, LCA

Projektpartner Innventia AB, Södra Skogsägarna Ekonomisk Förening, FKuR Kunststoff GmbH, Elastopoli Oy, Hammarplast Consumer AB, nova-Institut GmbH, Fraunhofer UMSICHT


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Fazit

Unterscheidung zwischen biologischer Abbau-barkeit als Funktionalität und nachwachsende Rohstoffe als erweiterte Ressource.

Biokunststoff-Bedarf wächst in allen Branchen!

Bio-Rohkunststoffe alleine erfüllen selten die Prozessanforderungen und die Anforderungen an das Produkt.

Das Compoundieren und Additivieren existierender Bio-Rohkunststoffe ist der Schlüssel zur Anpassung und Differenzierung.

Forschung und Entwicklung an neuen Biokunststoffen wird noch weit mehr Anwendungsfelder insbesondere für mittel- und langlebige Produkte eröffnen.


FRAUNHOFER UMSICHT

Foto: photocase.de

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Kontakt: Hendrik Roch Tel: +49 (0) 208 / 8598-1501 Fax: +49 (0) 208 / 8598-1424 Fraunhofer UMSICHT [email protected] Osterfelder Str. 3 www.umsicht.fraunhofer.de 46047 Oberhausen

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