Im Auftrag der Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe haben Bio Math und das SKZ eine Übersicht der für biobasierte Kunststoffe eingesetzten Additive erstellt.

Kunststoffe, biobasiert

Kunststoff Werkstoffe

Biokunststoffe

Markt & Wirtschaft

kunststoffe.de

Kunststoffe, bioabbaubar

Additive

FNR veröffentlicht Studie zu biobasierte Additiven

Bioabbaubare Kunststoffe werden als nachhaltige Alternative zu herkömmlichen Kunststoffen angepriesen. Für ihren Abbau sind allerdings häufig ganz bestimmte Bedingungen notwendig. Welche das konkret sind und wie sich verschiedene Verarbeitungsarten sowie chemische Veränderungen auswirken, ist noch nicht hinreichend erforscht. In einem Forschungsprojekt wurde das nun für geschäumtes und ungeschäumtes chemisch modifiziertes Polylactid (PLA) untersucht.

Lassen sich auch chemisch modifizierte PLA-Schäume biologisch abbauen?

Partikelschäumen

Kunststoffverarbeitung: Verfahren

Schäumen / Reaktive Verarbeitung

Kunststoffe

Photonik

Optik

Polylactid

Thermoplaste

Auf den Kompost, statt in den Müll

Die Eigenschaften von Polyvinylchlorid werden für viele Anwendungen mithilfe von Weichmachern eingestellt. Dabei können phthalatfreie Universalweichmacher in vielen technischen Bereichen mit herkömmlichen phthalathaltigen Versionen mithalten. Der Beitrag zeigt dies anhand einer vergleichenden Studie.  

Phthalatfreie Additive für Weich-PVC auf dem Prüfstand 

Polyvinylchlorid

Weichmacher

Benchmark für Weichmacher 

Die Luftqualität in Fahrzeugen wird wesentlich durch Emissionen und Gerüche der eingesetzten Materialien bestimmt. Dieser Aspekt nimmt sowohl bei Gesetzgebern und OEMs als auch bei Endkunden einen immer größeren Stellenwert ein. Die Klimaanlage ist ein zentrales Bauelement, in der emissionsverbesserte thermoplastische Elastomere die Luftqualität deutlich verbessern können. 

Weniger Emissionen im Innenraum durch thermoplastische Elastomere in HVAC-Anwendungen 

Compound

Luft-Aufbereitung

Schluss mit schlechter Luft 

Durch viele verschiedene Additive sind Kunststoffcompounds mittlerweile äußerst komplex zusammengesetzt. Nur dadurch können Eigenschaften kostengünstig maßgeschneidert werden. Spezielle Stabilisatoren verhindern, dass durch das Zusammenspiel der Komponenten in der späteren, langjährigen Automobilanwendung flüchtige organische Stoffe emittiert werden. 

Stabilisator reduziert VOC-Emissionen in Polypropylen ohne Nachteile in der Verarbeitung 

Polypropylen

Stabilisatoren

Nichts für empfindliche Nasen 

Die Materialhersteller bemühen sich um Nachhaltigkeit. Während sich einige an Kampagnen und Initiativen beteiligen, nehmen andere ihre Rohstoffbasis und Produkte genauer unter die Lupe.

Die Rohstoffhersteller erkennen die Zeichen der Zeit und setzen sie unterschiedlich um

Polyethylen

Polystyrol

PVC-weich (Compounds)

Andere Werkstoffe

Werkstoffe für additive Verfahren

Polyamide

Verarbeitungshilfsmittel, allgemein

Styrol-Copolymerisate

Kreislaufwirtschaft

Von Treibern und Getriebenen

Öl und Gas sind billig, Unternehmen ziehen Effizienzgewinne durch Kostensenkungen echten Umweltinnovationen vor. Für biobasierte und biologisch abbaubare Kunststoffe ist das Umfeld wahrlich kein Gewächshaus. Trotzdem wächst der Markt, es wird weiter investiert. Das liegt an vielseitigen Funktionalitäten, richtigen Argumenten und guten Ideen, die diese Werkstoffklasse auf Basis unternehmerischer Visionen und nachhaltiger Politik ermöglicht.  

Größeres Umweltbewusstsein beim Verbraucher stärkt die Werkstoffklasse 

Biokunststoffe 

Der Verband European Bioplastics stellt seine neuen Marktdaten vor. In den kommenden Jahren sollen die Produktionskapazitäten von bewährten Biokunststoffen weiter ansteigen und neue Materialien am Markt erhältlich sein.  

Globale Biokunststoffindustrie wächst stabil  

Ein Feld voller Alternativen 

Ein Joint Venture zwischen Total und Corbion hat die weltweit zweitgrößte Biokunststoffanlage für Polylactid in Thailand in Betrieb genommen.  

Inbetriebnahme der zweitgrößten PLA-Anlage der Welt in Thailand  

Kapazitäten von Biokunststoffen erweitert 

Forscher entwickeln biobasierte Kunststoffe, die sich unter marinen Bedingungen abbauen. Gerade für schnell verschleißendes Fischereizubehör hätte dies deutliche Umweltvorteile.  

Beitrag gegen Plastikmüll im Meer 

Kunststoffverarbeitung: Maschinen und Komponenten

Technik Trend

Kunststoff unter marinen Bedingungen abbaubar 

Formänderungsstrukturen können ihre Gestalt unter dem Einfluss externer Stimuli verändern. Die Formänderung ist selbstinduziert, benötigt also keine Energiezufuhr. Noch nachhaltiger ist das, wenn die Bauteile aus Biokunststoffen hergestellt werden.

Biokunststoffe für Formänderungsstrukturen

Additive Fertigung

Gestaltwandler mit grünem Herzen

Fast 700 Unternehmen quer durch die Kunststoff-Wertschöpfungskette sind europaweit bereits Teil von Operation Clean Sweep (OCS) und tragen dazu bei, das Aufkommen von Kunststoffgranulaten in der Umwelt zu verringern. Dies geht aus dem nun veröffentlichten OCS-Fortschrittsbericht von Plastics Europe hervor.

Fluorkunststoffe

Recycling

Umweltmanagement

Standardkunststoffe

Technische Kunststoffe

Füllstoffe für Kunststoffe

Verbände

Kunststoff-Recycling

Kunststoff-Aufbereitung

Hochleistungskunststoffe

PlasticsEurope veröffentlicht Bericht von Operation Clean Sweep

Die digitale Messe D-Expo Kunststoff des Carl Hanser Verlags startet am 10. November mit drei Live-Tagen. Viele branchenbekannte Aussteller und Institutionen unterstützen das Event rund um die Kunststofftechnik u.a. mit Vorträgen oder Interviews im Auditorium.

Komponenten für die Kunststoffverarbeitung

Verbände, Institutionen, Messen

Dienstleistungen

Kunststoffverarbeitung

Lohnfertigung

Industrie 4.0 für die Kunststoffverarbeitung

Industrie 4.0

Kunststoffhandel

Handel

Betriebstechnik für Kunststoffverarbeitung (Peripherie)

D-EXPO Kunststoff startet am 10. November 2020

Gewichts- und Kosteneinsparungen sind in der Luftfahrt stark gefordert. Das gilt nicht nur für verbaute Komponenten, sondern auch für Nutzgegenstände wie Tabletts. Eine Möglichkeit, das Gewicht zu reduzieren, stellen Polymerschäume dar. Allerdings lässt bei ihnen oft die Oberflächengüte zu wünschen übrig. Mit den richtigen Anpassungen können jedoch hochwertige Oberflächen erzeugt und auch noch die Ökobilanz deutlich verbessert werden.

Polypropylen-Integralschaum ersetzt ABS

Schaumspritzgießen

Spritzgießen

Schaumstoffe und Vorprodukte

Schaumstoffe

Polypropylen-Compound

Mit geringerem CO2-Fußabdruck  servieren

Biobasierte Kunststoffe können in langlebigen und recycelbaren Anwendungen große Mengen an CO2 speichern und einen echten Beitrag zum Klimaschutz leisten. Entsprechendes Produktdesign und eine funktionierende Kreislaufwirtschaft vorausgesetzt, könnte die Kunststoffbranche zu einer Schlüsselindustrie einer grünen Wirtschaft werden.

Wie biobasierte Kunststoffe zur langfristigen Speicherung von CO2 beitragen können

Kunststoff

Bauwesen

Baustoffe

Kunststofffasern

Verstärkungsstoffe

Mit Biokunststoffen zur Zukunftsbranche

Citrate ermöglichen die Blasfolienextrusion von PHBV, ohne die Abbaubarkeit zu beeinflussen

Biopolymere sind in Reinform nur schlecht zu verarbeiten. Zur Blasfolienextrusion des Biokunststoffs PHBV müssen diesem etwa Weichmacher beigemischt werden. Der Einsatz konventioneller Additive macht jedoch oft den Umweltgedanken zunichte. Durch die Verwendung eines bioabbaubaren Weichmachers auf Basis von Zitronensäure ist es möglich, kompostierbare Blasfolien mit einem Anteil von nahezu 70 % PHBV herzustellen.

Nachhaltigkeit ist gegenwärtig das bestimmende Thema der Kunststoffindustrie. Diskutiert wird dabei immer wieder der verstärkte Einsatz von Biokunststoffen. Allerdings ist oft unklar, ob damit biobasierte oder bioabbaubare Polymere gemeint sind. Kunststoffe aus nachwachsenden Rohstoffe bieten den großen Vorteil eines geringeren CO2-Fußabdrucks, da für ihre Produktion kein fossiler Kohlenstoff verwendet wird. Durch Recycling lässt sich ihr ökologischer Fußabdruck noch weiter verbessern. Selbst bei einer thermischen Verwertung an ihrem Lebensende wird nur so viel CO2 freigesetzt, wie für die Herstellung aus biologischen Quellen eingesetzt wurde.

Biologisch abbaubare Kunststoffe stehen hingegen oft in der Kritik, da sie zur Entsorgung von Kunststoffen in der Umwelt verleiten könnten. Sie haben jedoch gerade bei Produkten ihre Berechtigung, die wegen ihres Einsatzzwecks zwangsläufig in die Umwelt gelangen, wie Rasentrimmerfäden oder Biss-Schutze für Jungpflanzen. Auch bei vielen Agrarprodukten ergibt biologische Abbaubarkeit Sinn. Mulchfolien lassen sich, etwa aufgrund der starken Beanspruchung und Kontamination während des Pflanzenwachstums, nach ihrem Einsatz nur schwer und mit großem Aufwand wieder einsammeln. Diese Folien mit einer Dicke von 20 bis 25 µm werden üblicherweise mittels Blasfolienextrusion hergestellt.

Biologischer Abbau bezeichnet einen Prozess, bei dem organische Materie durch Mikroorganismen in Wasser, CO2, Methan und neue Biomasse umgewandelt wird. Neben der Art des Polymers haben die Umgebungsbedingungen großen Einfluss auf den Bioabbau eines Materials. Vorteilhaft sind hohe Temperaturen und Feuchtigkeit sowie eine große Anzahl an Mikroorganismen. Es existieren Normen und Zertifizierungen, die die Abbaubarkeit unter verschiedenen Umgebungsbedingungen bestätigen. International sind das etwa die OECD-Richtlinie 301A oder die Norm DIN EN 13432. Der Nachweis kann z. B. mit den Siegeln „OK compost“ oder „OK biodegradable“ des TÜV Austria bestätigt werden.

Inzwischen sind viele bioabbaubare Polymere bekannt und kommerziell verfügbar. Sehr interessant wegen ihrer guten Abbaubarkeit unter verschiedenen Umgebungsbedingungen sind Polyhydroxyalkanoate (PHA). Einer der bekanntesten Vertreter ist Polyhydroxybutyrat-co-valerat (PHBV). PHBV besitzt eine niedrige Viskosität und Schmelzefestigkeit und ist im erstarrten Zustand hochkristallin und spröde. Da sich PHBV im Boden in wenigen Monate vollständig biologisch abbauen lässt, ist es ein geeignetes Ausgangsmaterial für die angesprochenen Mulchfolien. Aufgrund seiner niedrigen Viskosität und geringen Schmelzefestigkeit war bisher jedoch an die Herstellung von Blasfolien aus PHBV nicht zu denken.

Viele Polymere können nicht in Reinform verarbeitet werden, sondern müssen zunächst mit Additivsystemen zu einsatzfähigen Kunststoffen aufbereitet werden. Bei biologisch abbaubaren Kunststoffen kommt jedoch die Verwendung zahlreicher handelsüblicher Additive nicht in Frage, da sie nicht bioabbaubar sind. Das Institut für Kunststofftechnik der Universität Stuttgart (IKT) forscht deshalb an bioabbaubaren Zusatzstoffen für biobasierte und bioabbaubare Polymere.

Citrate beruhend auf industriell hergestellter Zitronensäure haben sich als Weichmacher für verschiedene Kunststoffe bewährt. Es existieren außerdem bioabbaubare Citrate, weshalb sie als Additive für bioabbaubare Kunststoffe in Frage kommen. In einem Projekt am IKT wurde untersucht, ob sich durch Citrate PHBV so modifiziert lässt, dass es mittels Blasfolienextrusion zu dünnen, bioabbaubaren Folien verarbeitet werden kann. Aufgrund der niedrigen Viskosität und Schmelzefestigkeit von PHBV wurde ein Anteil von schwerer abbaubarem PLA in die Compounds integriert, um die Erfolgschancen zu erhöhen. Für das Projekt kamen Citrate der Jungbunzlauer GmbH, Ladenburg, zum Einsatz. Sie sind biobasiert und nach der Norm EN 13432 als kompostierbar zertifiziert.

Die Herstellung der Compounds erfolgte in einem Doppelschneckenextruder ZSK 26 der Coperion GmbH, Stuttgart. Verwendet wurde das PHBV ENMAT Y1000P der TianAn Biologic Materials, Ningbo/China, und PLA 4043D von NatureWorks, Minnetonka/Minnesota/USA. Als Referenz diente ein Compound mit einem Verhältnis PHBV zu PLA von 75:25. Modifiziert wurde mit Citrofol BII von Jungbunzlauer. Dabei handelt es sich um ein biobasiertes Acetyltributylcitrat, das nach EN 13432 vollständig bioabbaubar ist. Alle Angaben zur Zusammensetzung beziehen sich auf Masseanteile.

Die Blasfolienextrusion erfolgte auf einer Laborextrusionsanlage von Collin Lab & Pilot Solutions GmbH, Maithenbeth. Die rheologischen Eigenschaften der Compounds wurden in einem Discovery HR2 Hybrid-Platte-Platte-Rheometer von TA Instruments, New Castle/Delaware/USA, bei einer Temperatur von 185 °C untersucht. Eine Analyse des Kristallisationsverhaltens erfolgte mittels dynamischer Differenzkalorimetrie mit einem Messgerät des Typs DSC 204 der Netzsch GmbH & Co. KG, Selb. Zur Bestimmung der mechanischen Eigenschaften wurden Zugversuche an den Folien auf einer Universalprüfmaschine der ZwickRoell GmbH & Co. KG, Ulm, durchgeführt.

Die Compoundierung zeigte, dass die beiden gewählten Basispolymere kompatibel sind und sich ohne Verwendung weiterer Additive ein homogener Compound herstellen lässt. Durch die Zugabe des Citrats nahm die Viskosität der Compounds gegenüber dem nicht additivierten Compound beider Polymere ab (Bild 1). Reines PHBV ist stark anfällig für thermischen Abbau während der Verarbeitung, was sich durch einen Viskositätsabfall im Platte-Platte-Rheometer bei niedrigen Kreisfrequenzen bemerkbar macht. Über den gewählten Frequenzbereich der beiden Versuche hinweg sind die Compounds jedoch thermisch stabil. Es bildet sich das für thermoplastische Kunststoffe übliche Plateau bei niedrigen Kreisfrequenzen.

Mittels dynamischer Differenzkalorimetrie wurde untersucht, ob sich das Kristallisationsverhalten durch die Zugabe des Weichmachers entscheidend ändert. In Bild 2 ist erkennbar, dass Höhe und Breite von Schmelz- und Kristallisationspeak der Compounds mit und ohne Weichmacher vergleichbar sind. Die starken Peaks bei ca. 175 °C und 120 °C zeigen das Aufschmelzen und Kristallisieren des PHBV-Anteils. Bei etwa 150 °C lässt sich in der Aufheizkurve das Aufschmelzen von PLA als sehr schwacher Peak erkennen. Gut zu sehen ist jedoch, dass die modifizierten Compounds eine um etwa 5 K niedrigere Schmelztemperatur aufweisen. Die dadurch mögliche Absenkung der Verarbeitungstemperatur spart Heizkosten und reduziert die thermische Schädigung des Werkstoffs während der Verarbeitung.

Der wichtigste Nachweis der erfolgreichen Modifikation wurde beim Folienblasen deutlich. Ohne Weichmacher ließen sich die PHBV-PLA-Compounds nicht expandieren, das Ergebnis waren vereinzelte Folienstücke mit hoher Dicke. Die Compounds mit 5 % Citrat erlaubten zumindest vorübergehend eine kontinuierliche Extrusion und das Aufblasen eines Folienschlauchs. Dabei konnten Foliendicken von ca. 50 µm erreicht werden. Erst das Compound mit 10 % Citrat konnte in einem stabilen und kontinuierlichen Prozess verarbeitet werden. Die Foliendicke betrug durchschnittlich unter 25 µm. Aufgrund der hohen Kristallinität von PHBV sind die Folien halbtransparent. Im Gegensatz zu Folien aus reinem PLA, bei denen häufig ein lautes Knistern bemängelt wird, gleichen sie in der Haptik üblichen Kunststofffolien aus Polyethylen (PE). Während der Zugprüfung der Folien zeigte sich ein deutlich verändertes Dehnverhalten der modifizierten Compounds. Sie verfügen über ein elastischeres Verhalten mit einer maximalen Dehnung von etwas über 5 % (Bild 3).

In dem Projekt konnten erstmals Blasfolien mit einem Massenanteil von fast 70 % PHBV hergestellt werden. Durch die Verwendung von biobasiertem und -abbaubarem Zitronensäureester als Weichmacher und einem geringeren Anteil an PLA als Blendpartner ist davon auszugehen, dass die hergestellten Folien in der Umwelt vollständig verstoffwechselt werden können, ohne Rückstände in Form von Mikroplastik im Boden zu hinterlassen. Neben einer Optimierung der Rezeptur und der Übertragung in den industriellen Maßstab ist der Nachweis dieser Abbaubarkeit bei weiterführenden Untersuchungen von großem Interesse.

Universität Stuttgart Institut für Kunststofftechnik 

www.ikt.uni-stuttgart.de

Ausgabenartikel

Der Einsatz bioabbaubarer Kunststoffe ist bei Agrarfolien besonders wichtig, da sich die Folien nach der Nutzung nur schwer wieder einsammeln lassen. Deshalb verbleiben häufig Rückstände von ihnen im Boden

16:9

Bild 1. Die Viskosität der hergestellten PHBV+PLA-Compounds sinkt durch die Zugabe des Citrats

Bild 2. Dynamische Differenzkalorimetrie der PHBV+PLA-Compounds: An den Peaks bei 175 °C und 120 °C kommt es zum Aufschmelzen und Kristallisieren des PHBV-Anteils,  bei 150 °C zum Aufschmelzen des PLA-Teils

Bild 3. Spannungs-Dehnungs-Diagramm der hergestellten Blasfolien aus PHBV+PLA: Durch das beigemischte Citrat ist ihr Dehnverhalten elastischer

IKT_Kliem - Hauptartikel

Silvia Kliem, M. Sc., ist seit 2017 wissenschaftliche Mitarbeiterin in der Abteilung Werkstofftechnik am Institut für Kunststofftechnik der Universität Stuttgart; <a href="mailto:silvia.kliem@ikt.uni-stuttgart.de">silvia.kliem@ikt.uni-stuttgart.de</a>

Prof. Dr. Christian Bonten leitet seit 2010 das IKT in Stuttgart.

Das Projekt wurde gefördert durch die Jungbunzlauer GmbH. Die Autoren danken den Projektpartnern für die gute Zusammenarbeit.

Blasfolienextrusion

Flexibilität, Qualität, Nachhaltigkeit: Herausforderungen und Chancen für Prozesse und Produkte ist das Thema der 17. Duisburger EXTRUSIONSTAGUNG. Die Tagung bietet Ihnen die Möglichkeit, sich prozess- und branchenübergreifend mit den aktuellen Fragestellungen zu Produkten, Extrusions- und Nachfolgeprozessen auseinanderzusetzen. Freuen Sie sich auch 2021 wieder auf die Veranstaltungs-Highlights: Kreislaufwirtschaft: Technische Anforderungen und Umsetzungs-Knowhow; Neueste Entwicklungen im Bereich der Digitalisierung sowie Innovative Maschinentechnik für höchste Produktqualität.