Die Idee hinter bioabbaubaren Kunststoffen ist einleuchtend: Sind Polymere biologisch abbaubar, zersetzen sich in die Umwelt gelangte Kunststoffabfälle dort selbstständig. In der Praxis lässt sich das leider nicht so einfach umsetzen. Ein Überblick über die unterschiedlichen bioabbaubaren Kunststoffe und deren Eigenschaften.

Bioabbaubare Kunststoffe sind immer wieder im Gespräch für Einwegkunststoffartikel wie Becher und Besteck, die häufig in die Umwelt gelangen 

Polymerüberblick bioabbaubare Kunststoffe

Kunststoffe, biobasiert

Kunststoff Werkstoffe

Biokunststoffe

Polylactid

Thermoplaste

Kunststoffe, bioabbaubar

Wo zerfällt er denn, der Kunststoff?

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.

Wie sich die Modifizierung von PLA auf die Bioabbaubarkeit des Polymers auswirkt, war bisher noch nicht ausreichend untersucht

Lassen sich auch chemisch modifizierte PLA-Schäume biologisch abbauen?

Partikelschäumen

Kunststoffverarbeitung: Verfahren

Schäumen / Reaktive Verarbeitung

Kunststoffe

Photonik

Optik

Auf den Kompost, statt in den Müll

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.

Möbel und Einrichtungsgegenstände mit langer Nutzungsdauer sind prädestinierte Anwendungen für Biokunststoffe

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Wie biobasierte Kunststoffe zur langfristigen Speicherung von CO2 beitragen können

Recycling

Umweltmanagement

Kunststoff

Bauwesen

Baustoffe

Kunststofffasern

Verstärkungsstoffe

Kunststoff-Recycling

Kunststoff-Aufbereitung

Mit Biokunststoffen zur Zukunftsbranche

Die Umsetzung von Serienanwendungen im Lasersintern wird gegenwärtig noch durch eine unzureichende Materialvielfalt gehemmt. Viele wichtige Konstruktionswerkstoffe aus der traditionellen Kunststoffverarbeitung waren für das Verfahren bisher nur eingeschränkt verfügbar. PA 66 und PBT erweitern das Einsatzgebiet des Lasersinterns erheblich und zeigen in vielen Fällen bessere Eigenschaften als klassische PA-11- und PA-12-Materialien.

Als temperaturbeständiger und flammwidriger Werkstoff mit hohen mechanischen Kennwerten eröffnet PA 66 neue Applikationsmöglichkeiten für das Lasersintern, wie beispielsweise die Anwendung als Sensorhalterung 

Lasersintern mit PA 66 und PBT

Polybutylenterephthalat

Polyamide

Technische Kunststoffe

Selektives Lasersintern von Kunststoff, Metall, Keramik

Verfahren für die additive Fertigung

Pulverbettverfahren

Additive Fertigung

Vom Spritzgießen in den 3D-Druck

Für FFF- und FDM-Drucker hat Evonik ein PEEK vorgestellt. Das Material wurde speziell für medizintechnische Anwendungen wie Prothesen, OP-Instrumente und Hörgeräte entwickelt.

Das 3D-druckbare Filament soll beispielsweise für Implantate oder Hörgeräte zum Einsatz kommen

Polyetherketon

Hochleistungskunststoffe

Werkstoffe für additive Verfahren

Andere Werkstoffe

Biokompatibles und einfach verarbeitbares PEEK

Ab sofort bietet Bio-FED Compounds auf PLA-Basis an. Sie lassen sich sowohl spritzgießen als auch im Extrusionsprozess und im Tiefziehen verarbeiten.

Verpackungen für Kosmetikprodukte sind eines der Anwendungsgebiete für die biobasierten Compounds

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Biobasierte Compounds

Spritzgießen

Compound

Alternativen aus PLA für Verpackungen

Bei elektrischen Bauteilen können schnell hohe Temperaturen entstehen. Für diese sind übliche selbstverlöschende Compounds oft nicht die beste Lösung. Stattdessen sollten speziell für diesen Anwendungsfall entwickelte Materialtypen verwendet werden.

Das PPA Laramid eignet sich für die Herstellung von Komponenten für elektrische Bauteile wie Kontakthalter, die hohen Temperaturen ausgesetzt sind

PPA-Compounds für elektrische Bauteile

Elektronik

Einsatzbereit trotz hoher Temperaturen

Biobasierte und bioabbaubare Kunststoffe konnten sich bereits an einigen Stellen als umweltfreundlichere Alternativen zu Kunststoffen mit fossiler Herkunft etablieren. Für den ganz großen Durchbruch müssen vorher aber noch einige Probleme beseitigt werden.

Gerade Hersteller von Lifestyle-Produkten wie Mode suchen nach biologischen Kunststoffalternativen, etwa biobasiertem EVA-Schaum, um ihre Produkte positiv vermarkten zu können

Messe K-Kunststoffmesse

kunststoffe.de

Wiederaufbereitung

Klimawandel stärkt Nachfrage

Nachhaltige Werkstoffe werden zunehmend auch in der Faserverbundindustrie nachfragt. Ein neu entwickeltes biobasiertes Polyesterharz ermöglicht nun den Ersatz von petrochemischen Harzen ohne deutlich höhere Kosten und ist dabei sowohl für Flüssigharz-Anwendungen wie auch für SMC-Formulierungen geeignet.

UD- und Gewebelaminate aus Flachsfaser lassen sich mit Polyvertec 3830 ebenfalls fertigen

Duromere aus nachhaltigen Rohstoffen für Faserverbundbauteile

Polyester

Duroplastische Werkstoffe

Duroplaste

Faserverbundwerkstoffe

Biobasierte Alternative zu  petrochemischen Polyesterharzen

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.

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

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

Weichmacher

Additive

Blasfolienextrusion

Kunststoffverarbeitung: Maschinen und Komponenten

Bioabbaubar trotz Additiven

Für additive Fertigungsverfahren bestehen noch Einschränkungen durch das Angebot an druckbaren Materialsystemen. Für die Weiterentwicklung ist u. a. ein umfassenderes Prozessverständnis unabdingbar. Systematische Untersuchungen sowie numerische Simulationen für das Fused Layer Modeling veranschaulichen die Vorgänge beim Aufschmelzen von Filamenten. Die Ergebnisse unterstützen bei der Auslegung des Prozesses und erleichtern die Beurteilung, wie gut sich neue Materialien additiv verarbeiten lassen.

Blick in den Bauraum eines FLM-Druckers: Mithilfe von Strömungssimulationen soll der 3D-Druckprozess besser verstanden und vorhergesagt werden 

Schnell optimale Prozessparameter für 3D-Druck-Werkstoffe ermitteln

Simulation

Software

Fused Deposition Modeling Kunststoff, Glas, Karbon, Metall

Freiraumverfahren

Mit Simulation zu neuen Materialien

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.

Die Tabletts der Lufthansa bestehen gegenwärtig aus ABS. Durch ein geschäumtes PP-Compound können die Kosten verringert und die Ökobilanz verbessert werden

Polypropylen-Integralschaum ersetzt ABS

Schaumspritzgießen

Schaumstoffe und Vorprodukte

Schaumstoffe

Polypropylen-Compound

Polypropylen

Mit geringerem CO2-Fußabdruck  servieren

Naturfasern bleiben im Biomüll an vielen Stellen übrig. Durch Trocknen, Mahlen und Mischen mit Polylactid (PLA) entsteht aus den Schalen ein Biokunststoff, dessen Verwendung das Turiner Designstudio Carlo Ratti Associati in einem Projekt mit dem Energieunternehmen Eni spektakulär in Szene gesetzt hat.

Messeveranstalter

Dienstleistungen

Naturmaterialien

Sommer, Sonne, saftige Ideen

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.

Raum für Interaktion zwischen Besuchern und Ausstellern: Die Lobby der D-Expo Kunststoff vom Carl Hanser Verlag

Komponenten für die Kunststoffverarbeitung

Verbände, Institutionen, Messen

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

Leichtbau ist eine Möglichkeit, den CO2 -Ausstoß etwa von Fahrzeugen zu reduzieren. Auch bei den eingesetzten Materialien lässt sich der CO2 -Verbrauch durch den Einsatz von Biokunststoffen verringern. Die Entwicklung eines biobasierten duroplastischen Materials zeigt, dass sich Biokunststoffe für die Herstellung von SMC-Halbzeugen eignen.

Als Demonstrator wurde ein Heckspoiler gefertigt. Die Herstellung des Bauteils zeigte, dass das teilweise biobasierte Halbzeug sehr gute Fließeigenschaften aufweist. Auch das Füllen komplexer verrippter Strukturen ist unter konventionellen Verarbeitungsparametern möglich

Duroplast mit geringerer Dichte auf Basis von nachwachsenden Rohstoffen

Composite-Halbzeuge

Halbzeuge und Zwischenprodukte

Kunststoff-Halbzeuge

Verbundwerkstoffe / Werkstoffverbunde

Halbzeuge und Zwischenprodukte spanend

Halbzeuge und Zwischenprodukte spanlos

Leichter mit Biokunststoff

Bio-Blends für den 3D-Druck von auxetischen Strukturen

Für die additive Fertigung von auxetischen Strukturen sind spezielle Materialeigenschaften notwendig. Modifiziertes PLA lässt sich im Strangablegeverfahren zu entsprechenden Bauteilen verarbeiten. Blends aus PLA und PBAT bieten sich dafür besonders an.

Werkstoffe besitzen typischerweise eine positive Querkontraktionszahl. Das bedeutet, sie ziehen sich seitlich zusammen, sobald sie in die Länge gedehnt werden. Durch die Verwendung spezieller Strukturen, sogenannter auxetischer Strukturen (siehe Kasten S. 68), können Bauteile mit einer negativen Querkontraktionszahl realisiert werden. Diese Bauteile dehnen sich seitlich aus, falls sie in die Länge gedehnt werden.

Durch die Einarbeitung von auxetischen Strukturen in ein Bauteil können dessen Gesamteigenschaften verbessert werden. Bei einem Rohr mit einer Mantelfläche, die eine auxetische Struktur aufweist, lässt sich dadurch beispielsweise eine hohe Formbeständigket sowohl gegenüber äußeren Krafteinflüssen als auch Druckänderungen innerhalb des Rohres erreichen.

Auxetische Strukturen können sehr komplex sein, sind aber durch additive Fertigungsverfahren kostengünstig herstellbar. Besonders das Strangablegeverfahren bietet sich dafür an. Allerdings werden Werkstoffeigenschaften benötigt, die bisher eher selten oder gar nicht in handelsüblichen Filamenten erhältlich sind. Daher arbeitet das Institut für Kunststofftechnik der Universität Stuttgart (IKT) an der Modifikation von Kunststoffen für den 3D-Druck und der Beurteilung, ob sich diese Kunststoffe zur Anwendung im Strangablegeverfahren eignen. Polylactid (PLA) hat sich als Werkstoff für das Strangablegeverfahren etabliert, ist allerdings für auxetische Strukturen nicht dehnfähig genug. Eine Möglichkeit stellt die Modifizierungen von PLA mit Polybutylenadipat-Terephthalat (PBAT) dar. Versuche am IKT haben gezeigt, dass sich entsprechende Werkstoffe im Strangablegeverfahren verarbeiten lassen, ohne dass es zu einer Verschlechterung der Druckqualität kommt.

Auxetische Strukturen benötigen  spezielle Werkstoffe

Für die Untersuchungen wurde eine zweidimensionale auxetische Wabenstruktur hergestellt (Bild 1). Sie setzt sich aus zusammengeschachtelten wiedereintretenden Zellen zusammen [1, 2]. Typischerweise bestehen Bauteile aus einer Hülle (Schale/Shells) und einer Füllung (Infill). Die Füllung kann als teil- oder vollgefüllte Struktur ausgeführt werden. Im Fall einer zweidimensionalen auxetischen Struktur werden nur Schalen verwendet. Eine zweidimensionale Wabenstruktur besitzt nur in einer Ebene eine negative Querkontraktionszahl. Damit es unter Zugbelastung zu keinem Bruch innerhalb der Struktur kommt und die Waben sich unter Belastung ausweiten, muss der Werkstoff geeignete mechanische Eigenschaften aufweisen. Er sollte eine möglichst hohe Nachgiebigkeit und Dehnfähigkeit besitzen, damit sich die Verbindungstellen zwischen den Waben ohne Beschädigung verformen können.

Für die Untersuchungen wurden als Kunststoffe ein PLA 4032D (Typ: Ingeo, Hersteller: NatureWorks) und ein PBAT (Typ: Ecoflex F Blend C1200, Hersteller: BASF) verwendet. Als Verträglichkeitsvermittler kam ein multifunktionales Epoxid auf Basis von Acrylat-Styrol-Copolymeren zum Einsatz. Die Kunststoffe wurden zu verschiedenen Blends verarbeitet.

Durchgeführt wurde die Aufbereitung der Kunststoffblends auf einem Doppelschneckenextruder (Typ: EBVP 25, Hersteller: O.M.C.). Die anschließende Herstellung der Filamente erfolgte auf einem Einschneckenextruder (Typ: 30x25D, Hersteller: Collin GmbH). Um einen konstanten Durchmesser zu gewährleisten, wird das Kunststofffilament über eine Abzugseinrichtung geführt und anschließend auf rotierende Rollen aufgewickelt. Der Filamentdurchmesser von etwa 1,75 mm wurde mit einem Lasermessgerät (Typ: ODAC 15XY, Hersteller: Zumbach Electronic) eingestellt und überwacht. Für das Drucken der Filamente kamen zwei unterschiedliche 3D-Drucker (Modell 1: Kossel Delta 3D-Drucker, Hersteller: Anycubic und Modell 2: prusa i3 mk3, Hersteller: Prusa Research) zum Einsatz.

Die hergestellten Modifikationen wurden mithilfe von Platte-Platte-Rheometrie, Schliffbildern an gedruckten Zugstäben (drei Shells und ±45°-Infill) und durch Zugversuche an spritzgegossenen und additiv gefertigten Prüfkörpern charakterisiert. Es wurden zwei verschiedene Zugprüfkörper gedruckt. Für die erste Variante kamen drei Shells und ein ±45°-Infill und für die zweite nur Shells zum Einsatz, sodass eine unidirektionale Ausrichtung der abgelegten Stränge vorlag. Die Schliffe wurden mit einem Lichtmikroskop (Typ: Wild M420 Mikroskop, Hersteller: Leica) untersucht. Für die mechanische Charakterisierung wurde eine Zugprüfmaschine (Typ: 1455 Universalprüfmaschine, Hersteller: Zwick) verwendet.

Bei einer Betrachtung der ermittelten E-Module der spritzgegossenen Zugprüfkörper zeigte sich, dass durch die Modifikation der E-Modul des reinen PLA deutlich gesenkt und dadurch die Nachgiebigkeit gesteigert werden konnte (Bild 2). Je höher der Anteil an PBAT desto geringer ist der E-Modul und entsprechend größer die Nachgiebigkeit. Das gilt auch für die additiv gefertigten Zugstäbe. Wobei sich ein abweichender E-Modul je nach verwendeter Druckstrategie feststellen lässt. Besonders deutlich ist das bei den Blends mit einem Verhältnis von 60:40 und 40:60 PLA zu PBAT bei unidirektional gedruckten Zugstäbe zu sehen. Durch den unidirektionalen Druck erfolgt vermutlich eine Molekülkettenausrichtung in Belastungsrichtung, wodurch die PLA-Ketten ebenfalls bei höherem PBAT-Anteil den E-Modul dominieren.

Eine Betrachtung der Poren zwischen den abgelegten Strängen der Shells wurde für gedruckte Zugstäbe mit drei Shells und einem ±45°-Infill anhand von Schliffbildern durchgeführt. Anhand dieser Untersuchung kann eine qualitative Aussage über die Anhaftung der abgelegten Stränge untereinander getroffen werden (Bild 3). Die Shells wurden senkrecht geschnitten, sodass die Poren in den Schnittstellen zwischen den abgelegten Strängen erkennbar sind. Die Porengrößen weisen in etwa die gleiche Größenordnung auf und es traten keine Auffälligkeiten innerhalb der untersuchten Proben auf. Zu vermuten ist deshalb, dass die Druckqualität der Werkstoffe vergleichbar ist.

Neben Zugstäben wurden auch auxetische Strukturen aus jeweils einem der Werkstoffe hergestellt (Bild 4). Auxetische Strukturen ließen sich aus jedem der Werkstoffe anfertigen. Alle erzeugten Filamente konnten auf herkömmlichen 3D-Druckern verarbeitet werden.

Fazit: Die Blends sind als Filamente geeignet

Durch das Blenden von PLA mit PBAT wird ein Werkstoff mit einer höheren Nachgiebigkeit im Vergleich zu reinem PLA erzielt. In den mechanischen Untersuchungen wurden mit zunehmendem PBAT-Anteil steigende Nachgiebigkeit bei spritzgegossenen und additiv gefertigten Zugstäben festgestellt. Bei den additiv gefertigten Zugstäben ließ sich durch das Erstellen von Schliffen zeigen, dass qualitativ keine großen Unterschiede in der Druckqualität bestehen. Außerdem zeigte sich, dass die ansteigende Viskosität der Blends bei geringen Kreisfrequenzen keinen Einfluss auf die Verarbeitbarkeit mittels Strangablegeverfahren hat.

Durch die problemlose Extrusion der Blendgranulate zu Filamenten und deren Verarbeitung auf üblichen Druckern zeigte sich, dass die PLA+PBAT-Blends als Filamentwerkstoffe in Frage kommen. Durch die erzielte höhere Nachgiebigkeit und die gute Verarbeitbarkeit sind PLA-Blends generell als möglicher Werkstoff zur Herstellung von modifizierten Filamentwerkstoffen geeignet. Die mechanischen Eigenschaften auxetischer Strukturen aus den neuen Filamentwerkstoffen müssen noch ermittelt werden.

<a href="http://[1]">[1]</a> Liu, Y., H. Hu. A review on auxetic structures and polymeric materials. In: Scientific Research and Essays, 2010. 5 (10), S. 1052–1063

<a href="http://[2]">[2]</a> Kolken, H.M.A., A.A. Zadpoor. Auxetic mechanical metamaterials. In: RSC Advances, 2017. 7, S. 5111–5129 Doi:10.1039/C6RA27333E

Universität Stuttgart Institut für Kunststofftechnik 

https://www.ikt.uni-stuttgart.de/

Ausgabenartikel KU4

Auxetische Strukturen lassen sich kostengünstig additiv fertigen, beispielsweise im Strangablageverfahren

Bild 1. Die Besonderheit von auxetischen Bauteilen besteht darin, dass sie sich bei einer Längsdehnung ebenfalls in der Breite ausdehnen

Bild 2. E-Modul aller untersuchten Werkstoffe ermittelt durch Zugversuche an spritzgegossenen und additiv gefertigten Prüfkörpern: Im Vergleich zu reinem PLA ist der E-Modul der Blends deutlich geringer, was für eine höhere Nachgiebigkeit sorgt

Bild 3. Schliffbilder am Rand von gedruckten Zugprüfkörpern aus PLA (links), PLA+PBAT (60/40, Mitte) und PBAT (rechts): Die Porengröße ist bei allen Werkstoffe ähnlich, was auf eine vergleichbare Druckqualität schließen lässt

Bild 4. Additiv gefertigte auxetische Strukturen aus PLA+PBAT (60:40; links) und reinem PBAT (rechts): Die auxetischen Strukturen konnten aus jedem der untersuchten Materialien hergestellt werden 

KU 4-21_IKT_Grebhardt - Hauptartikel

M. Sc. Axel Grebhardt ist seit 2018 wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Abteilung Werkstofftechnik des Instituts für Kunststofftechnik der Universität Stuttgart (IKT); <a href="mailto:axel.grebhardt@ikt.uni-stuttgart.de">axel.grebhardt@ikt.uni-stuttgart.de</a>

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

Das Forschungsprojekt wird durch die Deutsche Forschungsgesellschaft (DFG) unter der Projektnummer 407085865 gefördert. Die Autoren bedanken sich für die Unterstützung.

Auxetische Strukturen besitzen eine negative Querkontraktionszahl und weiten sich daher quer zur Belastungsrichtung auf, anstelle sich zu verjüngen. Diese Eigenschaft kann zum einen auf molekularer Ebene und zum anderen auf makroskopischer Ebene auftreten. Dieses besondere Verhalten wird nicht durch die eingesetzten Werkstoffe, sondern durch die Struktur hervorgerufen und bietet somit völlig neuartige Funktionalitäten und Designmöglichkeiten. Innerhalb der Struktur sorgen Klapp- oder Rotationsbewegungen von Stegen oder Knotenpunkten für den auxetischen Effekt. Auxetika werden in den Bereichen der Robotik, Biomedizin, Elektronik und Akustik eingesetzt und verfügen über großes Potenzial in der Automobil- und Luftfahrtindustrie. Sie besitzen eine gute Stoßabsorption.