Biokunststoffe

“Die Welt wird nicht aus dem gegenwärtigen Krisenzustand hervorgehen, wenn sie nicht die Denkweise aufgibt, die sie hervorgebracht hat.” (Albert Einstein)

Die vielen Anwendungsbereiche von Kunststoffen sollten die Probleme im Zusammenhang mit den starken Umweltauswirkungen, die durch ihre Herstellung und anschließende Entsorgung entstehen, nicht unterschätzen. Traditionelle Kunststoffgegenstände werden nicht nur mit nicht erneuerbarer Energie hergestellt, sondern erst nach langer Zeit aus der Umwelt resorbiert: eine Kunststoffflasche braucht zum Beispiel mehr als 400 Jahre, um sie sich zu zersetzen. Dieser Kontext hat die Nachfrage nach umweltfreundlichen, nachhaltigen und biologisch abbaubaren Produkten mit geringer Umweltbelastung stimuliert, wie z.B. Biokunststoffe, die als grüne Alternative zu schwarzem Gold aus natürlichen und erneuerbaren Quellen gelten.

Gianeco S.r.l. spielt eine wichtige Rolle bei der Rückgewinnung und dem Recycling von Biokunststoffabfällen nach der Produktion und bietet Unternehmen, die umweltfreundliche Produkte in ganz Europa herstellen, einen primären Dienst an, die einen wachsenden Bedarf an einer Lösung für die Rückgewinnung von Abfällen aus diesen innovativen Materialien haben. 

Biologisch abbaubare Kunststoffe können eine wirksame Lösung für die Probleme der Entsorgung nach dem Verbrauch darstellen, die sowohl wirtschaftlich als auch ökologisch immer belastender werden. Die großen Vorteile der Verwendung von Biokunststoffen reichen jedoch leider nicht aus, um sie in großem Maßstab einzusetzen. Erstens, der wirtschaftliche Aspekt wiegt: die Marktbedingungen sind notwendig, um die Produktion von traditionellen Kunststoffen, die derzeit noch billiger sind, zu verhindern. Darüber hinaus bieten Biokunststoffe nicht immer die gleichen Qualitätsgarantien wie traditionelle Biokunststoffe. Es besteht ein ständiger Investitionsbedarf, der zu einem stärkeren Fokus auf die Forschung führt: Die wirtschaftliche Wettbewerbsfähigkeit von Biokunststoffen wird durch hohe Kosten für die Entwicklung neuer Technologien untergraben. Was für die groß angelegte Einführung dieser neuen Materialien hoffnungsvoll ist, ist das wachsende Bewusstsein für Umweltthemen, das einen entscheidender Impuls zur Förderung von Gesetzesinitiativen zugunsten der Forschung sein könnte.

Polymere aus erneuerbaren Quellen werden unterteilt in:

• Stärke-Polymer(Starch)
• Polymilchsäure (PLA)
• Polyhydroxyalkanoates (PHA)
• Cellulosische Polymere

Stärkepolymere sind heute die am weitesten verbreiteten Biopolymere auf dem Markt, auch wegen ihrer relativ niedrigen Kosten. Diese Polymere werden aus natürlicher Stärke für chemische, thermische und mechanische Behandlungen gewonnen. Stärke wird derzeit aus Mais, Weizen, Kartoffeln, Tapioka und Reis gewonnen. Die mechanischen Eigenschaften von Stärkepolymeren sind im Allgemeinen niedriger als die von Polymeren aus petrochemischen Quellen. Stärkepolymere sind relativ einfach zu verarbeiten, aber sie sind empfindlich auf thermischen Abbau und neigen dazu, Feuchtigkeit aufzunehmen. Stärke ist ein thermoplastisches Material, dass durch Erwärmen, Bedrucken und Extrudieren erweicht werden kann, somit mit den klassischen Techniken der Kunststoffindustrie verarbeitet werden kann. Ein großer Nachteil ist, dass ihre physikalischen Eigenschaften, die stark von der Feuchtigkeit abhängig sind, es nicht für viele Anwendungen geeignet machen. Die Methode zur Entwicklung praktischer Anwendungen für Polymere auf Stärkebasis besteht darin, sie mit einem anderen kompatiblen und biologisch abbaubaren Polymer (petrochemischen oder natürlichen Ursprungs) zu kombinieren, um seine Eigenschaften zu verbessern. Ein Beispiel ist Mater-Bi, ein Hybrid in dem Sinne, dass er sowohl aus einer erneuerbaren und natürlichen Komponente (Stärke) als auch aus einer nicht erneuerbaren und synthetischen Erdölbasis (PCL) besteht.

Seit 2002 ist PLA das zweite Biopolymer, das in großem Umfang vermarktet und verkauft wird.
Dieses Material hat ausgezeichnete physikalische und mechanische Eigenschaften und ist damit der beste Kandidat für den Ersatz von thermoplastischen Polymeren aus petrochemischen Quellen (für einige Anwendungen). Der hohe Preis beschränkt den Einsatz dieses Materials seit langem auf Nischen- oder medizinische Anwendungen, während die jüngsten Innovationen in der Milchsäure-Fermentationstechnologie Möglichkeiten für die Herstellung von großvolumigem PLA eröffnet haben. Es ist wichtig zu beachten, dass dieser Werkstoff den biologischen Abbau durch das Phänomen der Hydrolyse unter bestimmten Bedingungen der industriellen Kompostierung (optimale Kompostierungsbedingungen von 65°C und 95% Luftfeuchtigkeit) erfordert. Die Herstellung von PLA erfolgt durch die Extraktion von Stärke aus Biomasse, die Umwandlung von Stärke in Zucker durch enzymatische oder saure Hydrolyse. Der Zucker wird durch Bakterien fermentiert. Anschließend gibt es zwei Möglichkeiten, Milchsäure in ein hochmolekulares Polymer umzuwandeln: die erste über den Lactid (das erhaltene Produkt ist Polylactid), die zweite ist die direkte Polymerisation durch einen Polykondensationsprozess, unter Bildung von Polymilchsäure.
 
PLA kann hauptsächlich mit PET-A verglichen werden und kann auf den gleichen Produktionslinien (Blasformen, Spritzgießen, Extrusion und Thermoformen) verarbeitet werden. Sie sind auch in Arten mit höherem Schmelzindex erhältlich, die leicht in Spritzgussanwendungen eingesetzt werden können, bei denen PLA ein wertvoller Ersatz für Polystyrol (PS) sein kann. Dieses Biopolymer eignet sich auch sehr gut für die Faserextrusion, da es Polypropylen (PP) wirksam ersetzen kann.
PLA hat gute mechanische Eigenschaften im Vergleich zu Standard-Thermoplasten Werkstoffe. Es hat eine geringe Schlagfestigkeit, vergleichbar mit nicht weichgemacht PVC. Die Härte, Steifigkeit, Schlagfestigkeit und Elastizität von PLA, die für Anwendungen wie Getränkebehälter wichtig sind, ähneln denen von PET. Die orientierte PLA-Folie kann gebogen oder gefaltet werden, hat eine gute Widerstand gegen Drehung, typische Eigenschaften von Papier und Folie, die normalerweise nicht in Kunststofffolien zu finden sind. Diese Eigenschaften, der hohe Biegefestigkeit und die hohe Transparenz machen die PLA-Folie zu einem mit der Cellophanfolie vergleichbaren Werkstoff.
Heute werden 70% der PLA, wie Stärke, für die Verpackung von Brot, Milch, Säften, Wasser, Parfüms, Waschmitteln, Fetten und Ölen verwendet.Aufgrund ihrer niedrigen Erweichungstemperatur, ist die Polymilchsäure nicht geeignet, heiße Flüssigkeiten aufzunehmen.

Typische Anwendungen für PLA (Polymilchsäure) sind folgende

• Faserextrusion: Teebeutel und Kleidung;
• Spritzgießen: Behälter, Einwegbesteck;
• Compound: mit Holz und PMMA, PC, ABS;
• Thermoformen: Behälter, Tabletts für Kuchen, Gläser, Tassen und Kaffeepads;
• Blasformen: Wasserflaschen (ohne Zusatz von Gas), Frischsäfte und Kosmetikflaschen; 
• Zum Schluss ist die Vielseitigkeit dieses Materials   auch für alle Realisierungen im 3D-Druck sehr interessant.

Die Benutzung in anderen Bereichen wird derzeit getestet. Dieser Biokunststoff hat im Falle der Landwirtschaft  noch zu hohe Kosten, oder im Falle der Bauwirtschaft noch nicht   optimale Leistungen. Es wird für bestimmte Innenteile in den Bereichen Automotive, IT und Medizin verwendet. PHA- und PHB-Polyhydroxyalkanoate sind hochwertige, nachwachsende Polyester, die potenziell für eine Vielzahl von Anwendungen eingesetzt werden können, aber aufgrund hoher Produktionskosten leider in kleinen Mengen auf dem Markt verkauft werden.

PHB hat gute thermische Eigenschaften (Schmelzpunkt 180°C) und kann wie klassische Thermoplaste verarbeitet werden. Es kann sowohl für Nieder- als auch für Hochtemperaturanwendungen von -30°C bis +120°C verwendet werden. Verderbliche Waren können in  PHB's Verpackungen verpackt und durch Dampfsterilisation gelagert werden. PHB-Produkte können durch Autoklavieren sterilisiert werden. PHB ist jedoch ziemlich steif und spröde, was seine Einsatzmöglichkeiten einschränkt. PHB ist wasserunlöslich und sehr beständig gegen hydrolytischen Abbau. Damit unterscheidet er sich von den meisten anderen derzeit erhältlichen Biokunststoffen, die sehr feuchtigkeitsempfindlich und wasserlöslich sind. PHB hat eine ausgezeichnete Beständigkeit gegen Lösungsmittel, Fette und Öle, eine gute UV-Beständigkeit, aber eine geringe Beständigkeit gegen Säuren und Base. Das PHB ist frei von Spuren von Katalysatoren und toxikologisch unbedenklich. Monomer und Polymer sind natürliche Bestandteile und Metaboliten menschlicher Zellen; Dank dieser Eigenschaft kann PHB für Fertigwaren verwendet werden, die mit der Haut oder Lebensmitteln in Berührung kommen.PHA sind sowohl unter anaeroben als auch unter aeroben Bedingungen vollständig biologisch abbaubar. Ohne Kompostierungsbedingungen bleiben sie über Jahre hinweg “intakt".

Cellulosische Polymere wurden in der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts geboren und heute ist ihr Markt auf Nischenanwendungen beschränkt, denn cellulosische Polymerfolien haben in den 1950er Jahren mit der Einführung synthetischer Polymerfolien (aufgrund ihrer einfachen Verarbeitbarkeit, hohen Haltbarkeit und guten mechanischen Eigenschaften) ihre Bedeutung auf dem Markt verloren. Cellulosische Polymere, deren Preis im Vergleich zu petrochemischen Polymeren relativ hoch ist, wurden auf Nischenanwendungen oder relativ kleine Mengen verdrängt.

Andere biologisch abbaubare Polyester können aus nicht erneuerbaren fossilen Quellen hergestellt werden: PTT, PBT, PBS, PBAT, PCL. 
PBS ist ein biologisch abbaubarer synthetischer aliphatischen Polyester mit ähnlichen Eigenschaften wie PET; PBS hat akzeptable mechanische Eigenschaften und kann durch traditionelle Transformationsprozesse in verschiedenen Anwendungen eingesetzt werden. Hauptanwendungen sind Mulchfolien, Verpackungsfolien, Beutel und Handtaschen, Einwegartikel für Körperpflege. PBS wird in der Regel mit anderen Materialien wie thermoplastischer Stärke oder Adipatcopolymeren (PBSA) gemischt, um den Einsatz wirtschaftlicher zu gestalten.

PBAT:Der wichtigste aliphatisch-aromatische Copolyester ist der Ecoflex der Basf, ein Copolymer aus Terephthalsäure, Adipinsäure und 1-4 Butandiol. Das Material wird rein verkauft und kann dann mit anderen biologisch abbaubaren Polymeren (wie z.B. Stärkeprodukte) gemischt werden, hauptsächlich für die Herstellung von Agrarfolien. Seine Kompatibilität mit PLA, anderen Polyestern und Stärkeprodukten ist ausgezeichnet (laut Basf-Auskunftsblatt). Immer nach Angaben des Unternehmens ist es möglich, die Schichtdicke auf 10 μ zu reduzieren. Es hat ähnliche Eigenschaften wie LDPE und wird in konventionelle Linien umgewandelt. Die von Ecoflex hergestellte Folie wird für Beutel zum Kompostieren, Mulchen, Beschichten oder Laminieren von Papier verwendet; wenn man eine hohe Feuchtigkeitsbeständigkeit und Fettbeständigkeit braucht, wird die Polymerfolie ausgerichtet.