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Begriffsdefinition
Derzeit noch KEINE einheitliche und international anerkannte Definition des
Begriffes ... trotz ISO 17088
Bio-Kunststoffe (Definition nach European Bioplastics)
Kunststoffe, die auf Basis nachwachsender Rohstoffe hergestellt werden
Biologisch abbaubare Kunststoffe, welche alle Kriterien von wissenschaftlich anerkannten Normen zum Nachweis der biologischen Abbaubarkeit und Kompostierbarkeit von Kunststoff(produkt)en erfüllen (in EU: EN 13432 / EN 14995)
EN 13432: Verpackung - Anforderungen an die Verwertung von Verpackungen durch Kompostierung und biologische Abbau - Prüfschema und Bewertungskriterien für die Einstufung von Verpackungen
EN 14995: Kunststoffe - Bewertung der Kompostierbarkeit - Prüfschema und Spezifikationen
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Marktdaten: Verteilung
Quelle: Endres et.al., Kunststoffe 09/2011
Anwendungsgebiete von Biokunststoffen (2011)
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Kunststoffe als Verpackung
41%
7% 19%
32%
1%
Kunststoffanteile am deutschen Verpackungsmarkt 2010
Kunststoff
Glas
Metall / Alu
Papier, Pappeund Karton
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Biologisch abbaubare Kunststoffe (BAW)
Im wesentlichen 4 BAW-Produktklassen:
• Stärkewerkstoffe (thermoplastische Stärke und Stärke-Blends, extrudierte Stärke)
• Polymilchsäure (PLA, PLA-Blends)
• Polyhydroxyalkanoate (PHB, PHV, PHBV ...)
• Cellulosewerkstoffe (Zellglas, CA, CAB ...)
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Thermoplastische Stärke – Eigenschaften
• TPS (thermoplastische Stärke) hat als reiner Werkstoff betrachtet kaum Anwendungen
• Als Blend- oder Compound-Partner zur Steigerung der Festigkeit und Nachhaltigkeit
Werkstoff Tg [°C] Tm [°C] Zugfestigkeit [MPa]
E-Modul [MPa]
TPS -20 – 43 130 – 180 13 – 56 300 – 5000
PP - 10 – 0 160 – 175 27 – 35 1300 – 1800
PET 73 – 80 245 – 265 48 – 72 200 – 4100
PS 70 – 115 100 34 – 50 2300 – 3300
LDPE -105 – -100 98 - 115 8 – 20 300 - 500
Quelle: Jamshidian et al., Comprehensive Reviews in Food Science and Food Safety, 2010, 9, 552-571
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Thermoplastische Stärke – Verarbeitung
• Hauptsächlich TPS-Blends im Einsatz (30 – 50 % TPS-Gehalt) – Biologisch abbaubare Polyester aus petrochemischen Rohstoffen
(basierend auf 1,4-Butandiol, Adipinsäure und Terephthalsäure) – Biologisch abbaubare Kunststoffe aus nachwachsenden Rohstoffen
• Entsprechende Trocknung notwendig • Für alle gängigen Verarbeitungstechnologien geeignet außer
Faserspinnen (TPS-Blend) • Verarbeitungstemperatur schwankt in großem Bereich (100 – 175
°C) • Verfügbarkeit: div. Lieferanten für TPS bzw. TPS-Blends
Quelle: Jamshidian et al., Comprehensive Reviews in Food Science and Food Safety, 2010, 9, 552-571
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Anwendungsbeispiele thermoplastische Stärke
Quelle: Christian Gahle, nova-Institut GmbH
Quelle: Spar
Quelle: DuPont
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Polymilchsäure – Herstellung
• Milchsäure aus Fermentation (90 %) oder chemischer Synthese
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Polymilchsäure – Eigenschaften
• Je nach D/L – Anteile im Polymergerüst amorpher, transparenter oder teilkristalliner Kunststoff
• Ähnliche Verarbeitungseigenschaften wie erdölbasierende Polymere
Werkstoff Tg [°C] Tm [°C] Zugfestigkeit [MPa]
E-Modul [MPa]
PLA 40 – 70 130 – 180 48 - 73 3000 – 4000
PP - 10 – 0 160 – 175 27 – 35 1300 – 1800
PET 73 – 80 245 – 265 48 – 72 200 – 4100
PS 70 – 115 100 34 – 50 2300 – 3300
LDPE -105 – -100 98 - 115 8 – 20 300 - 500
Quelle: Jamshidian et al., Comprehensive Reviews in Food Science and Food Safety, 2010, 9, 552-571
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Polymilchsäure – Verarbeitung & Anwendung
• Verarbeitung am besten auf PET–Anlagen • Wie alle Polyester scherempfindlich • Für sämtliche Verarbeitungstechnologien geeignet außer
Extrusionsblasformen • Recycling problematisch • Direkte Anwendung als Verpackungsmaterial (Becher, Folien, etc.) • Einsatz als Beschichtung für Papier und Textilbereiche • Verfügbarkeit: NatureWorks, Natureplast, Cereplast (Blends)
Quelle: Jamshidian et al., Comprehensive Reviews in Food Science and Food Safety, 2010, 9, 552-571
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Polyhydroxyalkanoate – Herstellung
• Hauptsächlich Fermentation • ~ 300 Bakterien bekannt, die PHA als Energiespeicher nutzen
(Alcaligenes sp.) • Max. Produktionsrate 3 – 5 g/(kg*h) (Antibiotika ~ 1 g/(kg*h))
Quelle: Enders und Sieberth-Raths, Technische Biopolymere, Hanser, 2011
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Polyhydroxyalkanoate – Herstellung
• Optisch aktive, aliphatische Polyester
• Großes Modifikationsspektrum (Wirkung als Copolymer) • Wichtigste Vertreter: Polyhydroxybutyrat (PHB), Polyhydroxyvalerat
(PHV), Polyhydroxyhexonat (PHH), Polyhydroxyoctanoat (PHO)
Quelle:
Enders und Sieberth-Raths, Technische Biopolymere, Hanser, 2011
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Polyhydroxyalkanoate – Eigenschaften
• Hauptsächlich PHB/PHV
Werkstoff Copolymer-gehalt [mol %]
Schmelzpunkt [°C]
Zugfestigkeit [MPa]
E-Modul [MPa]
PHA - 70 – 180 15 – 40 500 – 3500
PHB - 179 40 3500
PHB/PHV PHV 3 170 38 2900
PHB/PHV PHV 9 162 37 1900
PHB/PHV PHV 14 150 35 1500
PP - 160 – 175 27 – 35 1300 – 1800
PET - 245 – 265 48 – 72 200 – 4100
PS - 100 34 – 50 2300 – 3300
LDPE - 98 - 115 8 – 20 300 - 500
Quelle: Enders und Sieberth-Raths, Technische Biopolymere, Hanser, 2011 Jamshidian et al., Comprehensive Reviews in Food Science and Food Safety, 2010, 9, 552-571
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Polyhydroxyalkanoate – Verarbeitung
• Wird hauptsächlich im Spritzguss, durch Extrusion und Extrusionsblasen verarbeitet
• Niedrigviskos -> am besten auf PP-Anlagen zu verarbeiten • Großes Spektrum an Anwendungen aufgrund vieler, gut
einstellbarer Parameter (Additive, Copolymere, …) • > 190 °C thermische Schädigung des Materials • Verfügbarkeit: Biomer, PHB Industrial, Metabolix • Prinzipiell für Flaschen und Folien geeignet
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PEF – Polyethylen-Furanoat, Eigenschaften
• Bessere Barriere-Eigenschaften: • Sauerstoff-Barriere ist bis 10x höher als bei PET • Kohlendioxid-Barriere ist bis zu 4x höher als bei PET • Wasserdampf-Barriere ist bis zu 2x höher als bei PET • Attraktive thermische Eigenschaften: • Tg von PEF ist 86°C (PET 74°C) • Tm von PEF ist 235°C (PET 265°C) • Recycling von PEF Flaschen ähnlich PET
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Nicht-abbaubare Kunststoffe aus nachwachsenden Rohstoffen am Beispiel Ethanol
http://www.aktuelle-wochenschau.de/2008/woche29/woche29.html
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Biopolyolefine – Herstellung & Eigenschaften
Quelle: Enders und Sieberth-Raths, Technische Biopolymere, Hanser, 2011
Ethanol wird aus Zuckerrohr gewonnen und zu Ethen umgewandelt
100 % aus nachwachsenden Rohstoff
Lieferant: Braskem
Größte Produktionskapazitäten (bis 2015)
Rezyklierbarkeit gegeben
LDPE & PP Typen: bis 2015
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Biopolyolefine – Eigenschaften
• Verarbeitung ident mit konventionellen PE
Werkstoff Schmelzpunkt [°C] Zugfestigkeit [MPa] E-Modul [MPa]
Bio-HDPE ~ 130 30 – 50 900 – 1300
Bio-LLDPE ~ 100 20 – 60 150 – 300
HDPE 130 – 145 18 – 38 500 – 1500
LLDPE 85 - 125 10 – 60 100 – 600
Quelle: Enders und Sieberth-Raths, Technische Biopolymere, Hanser, 2011 Jamshidian et al., Comprehensive Reviews in Food Science and Food Safety, 2010, 9, 552-571
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Biopolyurethan – Eigenschaften
Quelle: Enders und Sieberth-Raths, Technische Biopolymere, Hanser, 2011
Chemisch betrachtet ident mit konventionellen PU
Bio-Anteil durch Polyole (Alkohole, Fettsäuren – Natural Oil Polyols)
Ähnliches Profil hinsichtlich Verarbeitung (z.B. Reaktionspritzguss)
Für alle Produkte geeignet (z.B. Beschichtungen, Klebstoffe, Dichtungen, Hartschaum, Weichschaum, etc.)
Lieferanten: BASF, Merquinsa
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Biopolyamid – Herstellung
Quelle: Enders und Sieberth-Raths, Technische Biopolymere, Hanser, 2011
Homopolyamide:
• Polyamid 11 (Aminoundecansäure basierend auf Rizinusöl)
• Polyamid 6 (basierend auf biogenem Caprolactam)
Copolyamide:
• Polyamid 6 10: < 62 % nachwachsender Anteil (Sebacinsäure basierend auf Rizinusöl)
• Polyamid 10 10: bis zu 100 % (Decamethylendiamin und Sebacinsäure basierend auf Rizinusöl)
• Polyamid 10 12: < 45 % nachwachsender Rohstoffe (Decamethylendiamin basierend auf Rizinusöl)
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BioPA – Eigenschaften
• Ähnliche Verarbeitungseigenschaften wie erdölbasierende Polyamide
• Bio-PA 11 für Spritzguss und Folien geeignet, andere Typen nur Spritzguss
• Lieferanten: Bio-PA 11 (Arkema), Bio-PA 6 10 – 10 12 (Evonik)
Werkstoff Tg [°C] Tm [°C] Zugfestigkeit [MPa]
E-Modul [MPa]
Bio-PA 11 45 183 58 500
Bio-PA 6 10 48 223 61 2100
Bio-PA 10 10 37 200 54 1700
Bio-PA 10 12 35 190 40 1300
Quelle: Enders und Sieberth-Raths, Technische Biopolymere, Hanser, 2011 Jamshidian et al., Comprehensive Reviews in Food Science and Food Safety, 2010, 9, 552-571
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Anbaufläche von Biokunststoffen
Quelle: Nachhaltigkeit und biobasierte Werkstoffe Impulsvortrag von Dr.-Ing. Andrea Siebert-Raths ifBB Hannover
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Weitere Trends und Zusammenfassung
• Biopolymere • Erhöhter Einsatz von nachwachsenden Rohstoffen auch
in konventionellen Kunststoffen (z.B. PET) • Dadurch bessere Eigenschaftsprofile (z.B. Haptik,
Faserverstärkung)
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