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Rohstoffe und Biokunststofftypen

 Als Ausgangsstoffe für Biokunststoffe dienen aktuell vor allem Stärke und Cellulose als Biopolymere von Zuckern, mögliche Ausgangspflanzen sind stärkehaltige Pflanzen wie z.B. Mais oder Zuckerrüben sowie Hölzer, aus denen Cellulose gewonnen werden kann. Weitere potenzielle Rohstoffe wie Chitin und Chitosan, Lignin, Casein, Gelatine, Getreideproteine und Pflanzenöl kommen für die Herstellung von Biokunststoffen in Frage. Abhängig von ihrer Zusammensetzung, dem Herstellungsverfahren und Beimischung von Additiven ändern sich Formbarkeit, Härte, Elastizität, Bruchfestigkeit, Temperatur-, Wärmeformbeständigkeit und chemische Beständigkeit.

 

Stärke und Stärkeblends

Mit einem Marktanteil von etwa 80 Prozent bildet thermoplastische Stärke den derzeit wichtigsten und gebräuchlichsten Vertreter der Biokunststoffe. Die wichtigsten Pflanzen, die zur Gewinnung von Stärke genutzt werden, sind aktuell Mais, Weizen und Kartoffeln in Europa, Afrika und Nordamerika sowie Tapioka in Asien. Die Rohmasse wird von Beiprodukten wie Proteinen, Pflanzenölen und Pflanzenfasern gereinigt und entsprechend für die Nutzung vorbereitet.

MaisstärkechipsReine Stärke besitzt die Eigenschaft Feuchtigkeit zu absorbieren und wird deshalb vor allem im Pharmabereich zur Erzeugung von Medikamentenkapselhüllen eingesetzt, wurde hier allerdings von der Hartgelatine weitgehend verdrängt. Um die leicht verfügbare Stärke auch thermoplastisch verarbeitbar zu machen, werden ihr natürliche Weichmacher und Plastifizierungsmittel wie Sorbit und Glycerin hinzugefügt. Diese Zusatzstoffe ermöglichen durch variierbare Dosierung eine spezifische, dem Verwendungszweck entsprechend angepasste Veränderung der Materialeigenschaften der sogenannten thermoplastischen Stärke.

Thermoplastische Stärke ist aufgrund ihrer für die Nutzung negativen Eigenschaft, Wasser aufzunehmen, im Regelfall nur eine der Komponenten, aus der moderne Biokunststoffe auf Stärkebasis hergestellt werden. Der zweite Grundbestandteil dieser Kunststoffblends besteht aus wasserabweisenden, biologisch abbaubaren Polymeren wie Polyester, Polyesteramiden, Polyurethanen oder Polyvinylalkohol. Ein Kunststoffblend setzt sich demnach aus der hydrophoben Polymerphase sowie der dispersen und hydrophilen Stärkephase. Während des Schmelzvorgangs im Extruder verbinden sich die wasserlösliche, disperse Stärkephase und die wasserunlösliche, kontinuierliche Kunststoffphase zu einem wasserfesten Stärkekunststoff. Diese Erkenntnisse bildeten die Basis für die Weiterentwicklung und den schließlichen Durchbruch der Stärkekunststoffe (EP 0596437, EP 0799335).

Stärkeblends und –compounds werden je nach Einsatzgebiet individuell für ihre weitere Nutzung in der Kunststoff verarbeitenden Industrie entwickelt und produziert. Als Kunststoffgranulate lassen sie sich auf den vorhandenen Anlagen zu Folien, tiefziehbaren Flachfolien, Spritzgussartikeln oder Beschichtungen verarbeiten. Beispiele dafür sind Tragetaschen, Joghurt- oder Trinkbecher, Pflanztöpfe, Besteck, Windelfolien, beschichtete Papiere und Pappen. Auch durch chemische Veränderung wie die Umsetzung zu Stärkeestern oder Stärkeethern mit hohem Substitutionsgrad kann Stärke thermoplastisch modifiziert werden. Diese Verfahren haben sich aber wegen der damit verbundenen hohen Kosten bislang noch nicht durchgesetzt.

 

Celluloseprodukte

Ebenso wie die Stärke stellt auch Cellulose ein natürliches Biopolymer aus Zuckermolekülen dar. Cellulose ist in den meisten Pflanzen als Hauptstrukturbaustoff neben dem Lignin vorhanden und kann entsprechend aus Pflanzenmaterial gewonnen werden. Ihr Anteil beträgt etwa bei Baumwolle fast 95 Prozent, bei Hartholz 40 bis 75 Prozent und bei Weichholz 30 bis 50 Prozent. Entsprechend ist Cellulose nach dem Holz weltweit der bedeutendste nachwachsende Rohstoff und es wird jährlich in Mengen von etwa 1,3 Milliarden Tonnen genutzt. WürfelÜber verschiedene chemische Verfahren wird die Cellulose von Lignin und Pentosen gereinigt und zu Zellstoff, der Basis für Papier, Pappe und andere Werkstoffe wie Viskose, verarbeitet.

Für die Herstellung von Biokunststoffen auf Cellulosebasis bedarf es im Regelfall weiterer chemischer Modifizierung. Dabei wird die gereinigte Cellulose vor allem verestert, um das Celluloseacetat (CA) als wichtigsten Kunststoff auf Cellulosebasis zu gewinnen. Celluloseacetat wird den thermoplastischen Kunststoffen gezählt, ist aber entsprechend ein modifizierter Naturstoff. Schon 1919 wurde ein mit Weichmachern modifiziertes Celluloseacetat als erste Spritzgießmasse patentiert und ermöglichte damit ganz neue und sehr effektive Produktionsmethoden für Schirmgriffe, Tastaturen, Lenkrädern, Spielzeuge, Kugelschreiber und viele weitere Produkte.

Auch das Celluloid sowie das Cellophan sind Kunststoffe auf der Basis von Cellulose. Weitere Kunststoffe auf Cellulosebasis sind Vulkanfiber, Cellulosenitrat, Cellulosepropionat und Celluloseacetobutyrat.
 

Polymilchsäure (PLA)

Die Polymilchsäure (Polylactid, PLA) entsteht durch Polymerisation von Milchsäure, die wiederum ein Produkt der Fermentation aus Zucker und Stärke durch Milchsäurebakterien ist. Die Polymere werden nachfolgend bei der Polymerisation aus den unterschiedlichen Isomeren der Milchsäure, der D- und der L-Form, entsprechend der gewünschten Eigenschaften des resultierenden Kunststoffs gemischt. Weitere Eigenschaften können durch Copolymer wie Glykolsäure erreicht werden.

Das durchsichtige Material gleicht herkömmlichen thermoplastischen Massenkunststoffen nicht nur in seinen Eigenschaften, sondern lässt sich auch auf den vorhandenen Anlagen ohne weiteres verarbeiten. PLA und PLA-Blends werden als Granulate in verschiedenen Qualitäten für die Kunststoff verarbeitende Industrie zur Herstellung von Folien, Formteilen, Dosen, Bechern, Flaschen und sonstigen Gebrauchsgegenständen angeboten. Kugelschreiber aus PolymilchsäureVor allem für kurzlebige Verpackungsfolien oder Tiefziehprodukte (z. B. Getränke- oder Joghurtbecher, Obst-, Gemüse- und Fleischschalen) birgt der Rohstoff großes Potenzial. Der Weltmarkt für das Marktsegment „Transparente Kunststoffe“ beträgt immerhin 15 Mio. Tonnen (2001). Nicht nur bei Verpackungen ist die Durchsichtigkeit positiv, auch für Anwendungen in der Bauindustrie, Technik, Optik und im Automobilbau hat sie Vorteile. Außerdem gibt es lukrative Spezialmärkte, zum Beispiel im medizinischen und pharmazeutischen Bereich, wo PLA bereits seit längerem erfolgreich zum Einsatz kommt. Vom Körper resorbierbare Schrauben, Nägel, Implantate und Platten aus PLA oder PLA-Copolymeren werden zur Stabilisierung von Knochenbrüchen verwendet. Auch resorbierbares Nahtmaterial und Wirkstoffdepots aus PLA sind schon lange im Gebrauch.
Sparschwein aus PLA

Ein großer Vorteil von PLA ist die besondere Vielfalt dieses Biokunststoffes, der wahlweise schnell biologisch abbaubar oder auch jahrelang funktionsfähig eingestellt werden kann. Weitere Vorteile der Polylactid-Kunststoffe sind die hohe Festigkeit, die Thermoplastizität und gute Verarbeitung auf den vorhandenen Anlagen der Kunststoff verarbeitenden Industrie. Trotzdem hat PLA auch Nachteile: da der Erweichungspunkt bei etwa 60 Grad Celsius liegt, ist das Material für die Herstellung von Trinkbechern für Heißgetränke nur bedingt geeignet. Die Copolymerisation zu hitzebeständigeren Polymeren oder der Zusatz von Füllstoffen können für größere Temperaturstabilität sorgen. Die japanische Elektronikfirma NEC Corporation konnte die Hitzeempfindlichkeit durch eine Verstärkung mit Kenaffasern und Metallhydroxiden beheben und so einen gut formbaren und schwer entflammbaren Biokunststoff entwickeln, als erstes Produkt wurde das Gehäuse des Mobiltelefons FOMA N701iEco für den japanischen Markt entwickelt. Für die Herstellung von PLA aus Glucose über die Zwischenschritte Milchsäure und Dilactid existieren sowohl Batch-Verfahren als auch – bisher weitgehend im Pilotmaßstab realisiert – kontinuierliche Verfahren.Damit ist die Industrie in der Lage, das Material kostengünstig und mittelfristig wettbewerbsfähig gegenüber Massenkunststoffen herzustellen. Die weltweit erste größere PLA-Produktionsanlage wurde 2003 in den USA in Betrieb genommen, deren Jahreskapazität theoretisch 70.000 t beträgt.[8] Weitere Anlagen sind heute international verfügbar. Eine erste deutsche Anlage zur Herstellung von PLA im brandenburgischen Guben befindet sich in der Planung und soll ab 2009 eine Anfangskapazität von 60.000 t haben.

Polyhydroxyalkanoate, speziell Polyhydroxybuttersäure (PHB)

Das Biopolymer Polyhydroxybuttersäure (PHB) ist ein fermentativ herstellbarer Polyester mit Eigenschaften ähnlich denen des petrochemisch erzeugten Kunststoffs Polypropylen. Es kann auf Basis von Zucker und Stärke hergestellt werden, die Synthese ist jedoch auch aus andere Nährstoffen wie Glycerin und Palmöl möglich.

Weltweit kündigen zahlreiche Firmen an, in die PHB-Produktion einzusteigen bzw. ihre Produktion auszuweiten, so beabsichtigt neben einigen mittelständischen Herstellern nun auch die südamerikanische Zuckerindustrie die Herstellung von PHB im industriellen Maßstab. PHB ist biologisch abbaubar, hat einen Schmelzpunkt von über 130 °C, bildet klare Filme und besitzt für viele Anwendungszwecke optimale mechanische Eigenschaften. Die Gewinnung des Kunststoffes aus den Bakterien stellt eine der Hauptschwierigkeiten dar. Die Zellen müssen durch Chloroform oder Enzyme lysiert werden, außerdem werden für ein Kilogramm PHB aktuell drei Kilogramm Zucker benötigt, der vor allem aufgrund der hohen Nachfrage nach Biokraftstoffen und der Nahrungsmittelindustrie limitiert ist.

PHB wird auch, mit weiteren Bestandteilen kombiniert, als PHB-Blend verwendet. Dabei können z. B. durch den Zusatz von Celluloseacetaten besondere Materialeigenschaften erreicht werden. Die Palette der Eigenschaften von PHB-Blends erstreckt sich von Klebern bis Hartgummi. Statt Celluloseacetat sind auch Stärke, Kork und anorganische Materialien als Zusätze denkbar. Die Vermischung mit günstigen Zusatzstoffen (Celluloseacetat ist ein preisgünstiges Abfallprodukt aus der Zigarettenfilterproduktion) wirkt sich auch günstig auf die Produktionskosten von PHP-Blends aus. Mittelfristig lassen sich nach Angaben zahlreicher Forscher damit die Herstellungskosten bis in den Bereich Erdöl-basierter Plastikmaterialien absenken.

Weitere Biopolymere

Neben den genannten Hauptgruppen der Biokunststoffe gibt es eine ganze Reihe Ansätze, weitere nachwachsende Rohstoffe wie Lignin, Chitin, Casein, Gelatine und weitere Proteine sowie Pflanzenöle für die Herstellung von Biokunststoffen zu nutzen. Als Lignin-Kunststoff wurde bereits 1998 Arboform entwickelt und bis heute vertrieben, verwendet wird das Material für Konsumgüter und in der Automobilbranche. MedikamentenkapselnChitosan als Produkt aus Chitinabfällen bei der Garnelenverwertung ist ebenfalls als Ausgangsmaterial für Fasern, Schaumstoffe, Membranen und Folien etabliert. Zudem werden Kunststoffe produziert, die zu einem relativ großen Anteil auf nachwachsenden Rohstoffen basieren wie etwa die biologisch abbaubaren Kunststoffe Ecovio von BASF mit 45 % PLA-Anteil und das Polytrimethylenterephthalat (PTT) von DuPont.

In jüngerer Zeit verfolgen einige Unternehmen die Strategie, die fossile Rohstoffbasis etablierter Standardthermoplaste durch eine erneuerbare Rohstoffbasis zu ersetzen; Beispiele hierfür sind Bio-PE und Bio-PP auf Basis von Zuckerrohr in Brasilien. In der Forschung sind zudem Bioraffinerien, die ebenfalls auf der Basis von Biopolymeren wie Zucker, Stärke oder Lignocellulose mit Hilfe von Weißer Biotechnologie Plattformchemikalien für die chemische Industrie herstellen sollen.

Aktuelle wissenschaftliche Forschungen und Entwicklungen zielen zudem darauf ab, Kunststoffe aus Agrarreststoffen und Nebenprodukten herzustellen.

 

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