Biologisch abbaubare Werkstoffe - Herstellung und Einsatzgebiete

Inhaltsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Tabellenverzeichnis

1 Einleitung
1.1 Problemstellung
1.2 Zielsetzung und Vorgehensweise

2 Begriffsdefinitionen

3 Ein Ausflug in die Historie der Biokunststoffe

4 Herstellung von biologisch abbaubaren Werkstoffen
4.1 Rohstoffe zur Fertigung biologisch abbaubarer Werkstoffe
4.2 Fertigungsprozess
4.2.1 Duroplastische biologisch abbaubare Kunststoffe
4.2.2 Thermoplastische biologisch abbaubare Kunststoffe

5 Einsatzgebiete von biologisch abbaubaren Werkstoffen
5.1 Verpackungsbereich
5.2 Catering und Fast Food
5.3 Landwirtschaft und Gartenbau
5.4 Pharma- und Medizinsektor
5.5 Sonstige Bereiche

6 Praxisbeispiel Ecovio®

7 Biologisch abbaubare Werkstoffe und herkömmliche Werkstoffe im Vergleich
7.1 Vorteile biologisch abbaubarer Werkstoffe
7.2 Nachteile biologisch abbaubarer Werkstoffe

8 Fazit und Ausblick

Literaturverzeichnis

Anhang

Abbildungsverzeichnis

Abb. 1: Systematik der Biokunststoffe

Abb. 2: Marktentwicklung der Kunststoffverpackungen in Deutschland

Abb. 3: Lebenszyklus von Ecovio®

Abb. 4: Zukunftspotential von Biokunststoffen

Abb. 5: Entwicklung des Kunststoffverbrauchs von 1980 -

Abb. 6: Doppelschneckenextruder

Abb. 7: Aldi-Einkaufstüte aus Ecovio® F Film

Tabellenverzeichnis

Tab. 1: Vergleich von biologisch abbaubaren mit herkömmlichen Werkstoffen

1 Einleitung

1.1 Problemstellung

In Zeiten zunehmendem Umweltschutz, steigendem Nachhaltigkeitsgedanken, usw. wird weltweit nach Möglichkeiten gesucht, um die Umwelt zu entlasten, jedoch möglichst ohne, dass die heutige und zukünftige Generation auf vieles verzichten muss.^[1] Betrachtet man zum Beispiel den weltweiten Kunststoffverbrauch, der sich laut Expertenschätzungen im Jahr 2010 auf mehr als 250 Millionen Tonnen beläuft^[2], findet man schon mal einen Punkt an dem angesetzt werden kann, um die oben genannten Nachhaltigkeits- bzw. Umweltschutzziele zu erreichen. Sicherlich ist dies nur ein kleiner Baustein in einem überdimensional großen Geflecht, aber jeder mögliche Ansatzpunkt ist wichtig. Es stellt sich also die Frage, wie herkömmliche Kunststoffe durch biologisch abbaubare Werkstoffe ersetzt werden können.

1.2. Zielsetzung und Vorgehensweise

Ziel dieser Arbeit ist es, einen Einblick in die Welt der biologisch abbaubaren Werkstoffe zu geben, deren Herstellungsverfahren zu beschreiben, sowie deren Anwendungsmöglichkeiten darzustellen.

Dazu wird zunächst einmal der Begriff biologisch abbaubarer Werkstoff erläutert. Im Anschluss erfolgt ein kleiner Ausflug in die Geschichte der Biokunststoffe. Im vierten Kapitel werden dann die Herstellverfahren erläutert, ehe in Kapitel 5 auf die Einsatzgebiete eingegangen wird, welche durch ein Beispiel des Chemieunternehmens BASF verdeutlicht werden. Im letzten Kapitel werden die herkömmlichen Werkstoffe kurz mit den biologisch abbaubaren verglichen und daraus Vor- und Nachteile abgeleitet. Abschließend wird die Arbeit durch ein Fazit und einen Zukunftsausblick bezüglich der Marktchancen biologisch abbaubarer Werkstoffe abgerundet.

2 Begriffsdefinitionen

Zur Gewährleistung eines umfassenden Verständnisses der Thematik biologisch abbaubarer Werkstoffe werden zunächst die wichtigsten Begrifflichkeiten kurz erläutert. Dabei soll vor allem eine Sensibilisierung hinsichtlich der Verwendung der Vorsilbe „bio“ erfolgen. Nach gegenwärtigem Sprachgebrauch wird sie nämlich für zwei Eigenschaften verwendet: für „biobasiert“ und „biologisch abbaubar“.^[3] Zur Differenzierung dieser biobasierten (nicht abbaubaren) und biologisch abbaubaren Kunststoffe soll das nachfolgende Schaubild dienen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 1: Systematik der Biokunststoffe

Quelle: Beier, Biologisch abbaubare Kunststoffe, 2009, S. 4.

Biobasierte Erzeugnisse bestehen ganz oder teilweise aus natürlich nachwachsenden Rohstoffen^[4], sind jedoch wie in Abb. 1 zu sehen nicht biologisch abbaubar. Hierzu zählen vor allem die sogenannten Wood Plastic Composites sowie die naturfaserverstärkten Kunststoffe.

Wood Plastic Composites sind Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoffe und werden aus Holzmehl sowie herkömmlichen Kunststoffen hergestellt. Sie greifen dabei die Vorteile der Rohstoffe Holz und Kunststoff gleichermaßen auf. Sie sind daher preisgünstig, besitzen eine hohe Steifigkeit und eine geringe Ausdehnung unter Wärmeeinwirkung, bringen eine natürliche Optik mit, sind verformbar und zudem feuchteresistent.^[5]

Bei naturfaserverstärkten Kunststoffen werden den (Bio-) Kunststoffen aus Stabilitätsgründen Naturfasern eingearbeitet. Sie weisen in der Folge eine hohe Steife, Festigkeit und zudem eine geringe Dichte auf, weshalb sie ideal für den modernen Fahrzeugbau geeignet sind. So sind sie neben ihrer starken mechanischen Belastbarkeit bis zu 30 Prozent leichter als die herkömmlichen Faserverbundstoffe.^[6]

Unter welchen Voraussetzungen sich ein Erzeugnis „biologisch abbaubar“ nennen darf, legt die DIN EN 13432 fest. Ihr zufolge muss das Erzeugnis unter der Einwirkung von Mikroorganismen oder Pilzen innerhalb von sechs Monaten unter definierten Temperatur-, Sauerstoff- und Feuchtebedingungen zu mehr als 90 Prozent zu Wasser, Kohlendioxid und Biomasse zersetzt werden.^[7] Nach Angabe der Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe ist die Begrifflichkeit „biologisch abbaubarer Werkstoff“ mit den Begriffen „Biokunststoff“ und „Bioplastik“ gleichzusetzen.^[8]

Biokunststoffe werden ganz oder teilweise aus nachwachsenden Rohstoffen hergestellt und können die herkömmlichen Kunststoffe auf fossiler Basis schon in vielen Bereichen ersetzen. Dabei können sie so verarbeitet werden, dass sie entweder eine lange Gebrauchsdauer garantieren oder andererseits schnell biologisch abbaubar sind und in ihre natürlich vorkommenden und ungiftigen Ausgangsstoffe zerfallen. Nach ihrer Gebrauchsphase besteht die Möglichkeit die Biokunststoffe energetisch oder thermisch zu verwerten sowie sie zu kompostieren.^[9] Der größte Umweltnutzen hierbei besteht in ihrer CO2-Neutralität, denn die Biokunststoffe geben nur diejenige Menge an CO2 ab, die ihre Ausgangsstoffe (i.d.R. Pflanzen) in ihrer Wachstumsphase aufgenommen haben.^[10] In wie fern die Möglichkeit besteht, Biokunststoffe zukünftig in Biogasanlagen zu Biogas zu vergären, steht bisher noch in den Sternen. Ingenieure der Universität Rostock forschen in Kooperation mit der Fachhochschule Hannover momentan noch über diese Möglichkeit.^[11]

Da in dieser Arbeit die biologische Abbaubarkeit im Vordergrund steht, wird nachfolgend ausschließlich der Bereich der Biokunststoffe, also der biologisch abbaubaren Werkstoffe, betrachtet.

3 Ein Ausflug in die Historie der Biokunststoffe

Die Biokunststoffe spielten schon in den Anfängen der Massenherstellung von Kunststoffen eine wichtige Rolle. So wurden die Kunststoffe durch eine chemische Umwandlung natürlicher Rohstoffe gewonnen. Die Meilensteine der Entwicklung werden nachfolgend kurz dargestellt:

- 1869: Die Hyatt - Brüder gründen in den USA ihre erste Fabrik zur Herstellung des thermoplastischen Kunststoffs Celluloid (aus Cellulose und Campher). Der Ausgangspunkt für diese Entwicklung war die Suche nach einer Alternative für das sehr teure Elfenbein in den Billardkugeln. Der Nachteil des Celluloids ist seine leichte Entflammbarkeit. Daher ist es heute weitestgehend durch moderne Thermoplasten ersetzt.^[12]
- 1923: Die Masseproduktion von Zellglas, einem Celluloseprodukt, beginnt. Die glasklaren und knisternden Zellglasfolien waren jedoch wasserempfindlich und wasserdampfdurchlässig. Daher mussten sie zusätzlich beschichtet werden und verloren in der Folge ihre biologische Abbaubarkeit. Zudem ist die Zellglasherstellung sehr teuer und konnte sich daher nicht durchsetzen.^[13]
- 1930er bis 1970er Jahre: Die fossilen Rohstoffe rücken bei der Produktion von Kunststoffen in den Vordergrund. Plexiglas, Nylon, Teflon oder die heutigen Standardkunststoffe wie Polyethylen (PE) oder Polypropylen (PP) behaupten sich am Markt.^[14]
- 1980er Jahre: In Zuge der ersten Umwelt- und Abfallgesetze gewinnen die Biokunststoffe wieder stärker an Bedeutung. Erneuerbare Rohstoffe, geschlossene Stoffkreisläufe sowie die Kompostierbarkeit der Kunststoffe stehen im Vordergrund der Betrachtung. Dies führt auch zu einem starken Anstieg der Aktivitäten auf dem Gebiet der Forschung und Entwicklung.^[15]
- Die Konferenz in Rio sowie die lokalen Agenda-21-Prozesse bringen den Nachhaltigkeitsgedanken ins Spiel. Die Kreislaufwirtschaft, geprägt von abfallarmen und ressourcensparenden Fertigungsverfahren, gewinnt an Bedeutung. Durch ein naturnahes Recycling (Kompostierung oder Vergärung), in Verbindung mit einer Energiegewinnung aus den „Abfallstoffen“ können die natürlichen Kunststoffe optimal genutzt bzw. ohne große Umweltbelastung entsorgt werden. Die Biokunststoffherstellung im Sinne der Kreislaufwirtschaft stellt letztlich nicht nur eine technische Innovation zum Ersatz der fossil basierten Kunststoffe dar, sondern sichert mit ihrem Bedarf an natürlichen und heimischen Rohstoffen die Arbeitsplätze in der Landwirtschaft.^[16]

4 Herstellung von biologisch abbaubaren Werkstoffen

Die Fertigung biologisch abbaubarer Kunststoffe kann, wie aus Abb. 1 zu ersehen, auf der Basis nachwachsender Rohstoffe pflanzlichen, tierischen oder mikrobiotischen Ursprungs als auch auf Grundlage fossiler Rohstoffe erfolgen.^[17]

4.1 Rohstoffe zur Fertigung biologisch abbaubarer Kunststoffe

Die bedeutendsten Rohstoffe zur Herstellung der biologisch abbaubaren Werkstoffe sind Stärke, Cellulose und Zucker. Daneben existiert noch eine Vielzahl weiterer natürlicher Rohstoffe, die sich für die Herstellung der Biokunststoffe eignen. Beispiele hierfür sind Casein, Chitin, Citosan, Gelatine, Pflanzenöle oder Getreideproteine, wie z.B. Mais.^[18] Da diese allerdings lediglich eine untergeordnete Rolle spielen werden sie im Folgenden nicht weiter betrachtet.

- Stärke

Die Stärke stellt bei der Entwicklung und Herstellung der biologisch abbaubaren Kunststoffe den interessantesten Rohstoff dar. Sie ist in mikroskopisch kleiner Körnerform in zahlreichen Pflanzen wie Mais, Weizen und Kartoffeln gespeichert und somit quasi überall vorhanden und verfügbar. In industriellen Verfahren werden heute jährlich ca. 45 Millionen Tonnen Stärke hergestellt, wovon fast die Hälfte für technische Anwendungen verwendet wird. Im Bereich der Biokunststoffherstellung wird die Stärke zur Produktion von thermoplastischem Polyester und Polyurethan verwendet.^[19]

- Cellulose

Neben Holz ist die Cellulose der bedeutendste nachwachsende Rohstoff, der in den meisten Pflanzen in großer Menge vorhanden ist. Jedes Jahr werden ca. 1,3 Milliarden Tonnen Cellulose für technische Anwendungen genutzt. Als BAW wird die Cellulose zur Fertigung von Celluloseester (z.B. Gartenartikel) oder Cellophan-Folie eingesetzt.^[20]

- Zucker

Zucker wird aus Zuckerrüben oder Zuckerrohr gewonnen und nimmt eine ebenso bedeutende Stellung wie die Stärke ein. Aufgrund der vielfältigen technischen Einsatzmöglichkeiten bietet Zucker als nachwachsender Rohstoff interessante Perspektiven.^[21] Durch Fermentation des Zuckers entsteht beispielsweise Milchsäure, mit welcher Biokunststoffe hergestellt werden können.^[22]

4.2 Fertigungsprozess

Bei der Fertigung von Erzeugnissen aus biologisch abbaubaren Kunststoffen greifen die Hersteller verschieden Verarbeitungsverfahren auf, nach denen feste Formteile, Folien, flexible oder harte Verpackungen etc. entstehen. Man unterscheidet hier zunächst zwischen duroplastischen und thermoplastischen Kunststoffen.^[23]

4.2.1 Duroplastische biologisch abbaubare Kunststoffe

Die duroplastischen Kunststoffe sind ihrer Eigenschaft folgend nach ihrer Formgebung nicht mehr veränderbar und besitzen daher eine verhältnismäßig geringe Bedeutung. Sie bestehen aus modifizierten Stärken, Spezialstärken oder stärkehaltigen Rohstoffen (z.B. Mehl, Grieß) und können durch die Extrusion sowie das Einspritz-Expansionsverfahren hergestellt werden.^[24] Diese Verfahren werden hier jedoch aufgrund der geringeren Bedeutung duroplastischer Kunststoffe hier nicht weiter beschrieben.

4.2.2 Thermoplastische biologisch abbaubare Kunststoffe

Die thermoplastischen Kunststoffe sind im Gegensatz zu den Duroplasten in ihrer Formgebung veränderbar, d.h. sie können immer wieder aufgeschmolzen und neu plastifiziert werden. Aus diesem Grund sind sie in ihrer Verarbeitung als auch in ihrer Anwendung weitaus flexibler als die duroplastischen Materialien. Ihrer Eigenschaft nach können sie umgeformt und verschweißt werden und behalten im abgekühlten Zustand ihre neue Form.^[25] Im Folgenden werden ein paar der wichtigsten Herstellverfahren thermoplastischer biologisch abbaubarer Kunststoffe erläutert.

- Compoundieren im Doppelschneckenextruder

Zunächst werden die thermoplastischen Kunststoffe, als Grundlage zur weiteren Verarbeitung, im Doppelschneckenextruder aufgeschmolzen. Dieser hat den Vorteil, dass er die Kunststoffmasse nicht nur schnell plastifiziert, sondern auch, dass er variabel eingestellt werden kann, indem die Geometrie der beiden Schnecken geändert wird.^[26] Im Anhang ist eine Abbildung zu finden, die aufzeigt, wie ein Doppelschneckenextruder aussehen kann (Abb. 6).

Im Anschluss an das Compoundieren kann der Kunststoffstrang durch formgebende Werkzeuge weiterverarbeitet werden. Im Folgenden sind hierzu zwei mögliche Beispiele kurz dargestellt.

- Das Spritzguss-Verfahren

Hierbei wird die Kunststoffmasse, wie oben beschrieben, mittels eines Extruders plastifiziert. Anschließend wird eine genau dosierte Menge durch erwärmte Düsen und Kanäle unter Druck in den Hohlraum der kalten Form eingespritzt. In Folge dessen kühlt der Kunststoff an der Wandung der Form ab und wird letztendlich als gebrauchsfertiges Formteil ausgestoßen.^[27] Fertige Spritzgusserzeugnisse sind beispielsweise Töpfe, Eimer, Knöpfe, Getränkekisten, usw.^[28]

- Das Folienblasen-Verfahren

Hier wird dem Extruder am Ende eine Ringdüse nachgeschaltet. Beim Folienblasen wird die plastifizierte Kunststoffmasse zu einem Schlauch gepresst, welcher dann mit Hilfe von Luft auf ein Mehrfaches des normalen Durchmessers aufgeblasen sowie mit erhöhter Geschwindigkeit nach oben abgezogen wird.^[29] Die Erzeugnisse hieraus sind vor allem Müllsäcke, Einmalhandschuhe sowie Tragetaschen für den Handel.^[30]

[...]

^[1] Vgl. Grunwald/Kopfmüller, Nachhaltigkeit, 2006, S. 7f.

^[2] Vgl. Lörcks, Biokunststoffe, 2005, S. 4; vgl. Lörcks, Biologisch abbaubare Werkstoffe, 2003, S. 11.

^[3] Vgl. Beier, Biologisch abbaubare Kunststoffe, 2009, S. 3.

^[4] Vgl. ebd.

^[5] Vgl. o.V., 12.01.2011, 16:36 h, http://www.nachwachsenderohstoffe.de/basisinfo-nachwachsende-rohstoffe/biowerkstoffe.

^[6] Vgl. ebd.

^[7] Vgl. Beier, Biologisch abbaubare Kunststoffe, 2009, S. 3; vgl. Amlinger/Fritz, Biokunststoffe nachhaltig einführen - erfassen - verwerten, 2008, S. 6.

^[8] Vgl. Lörcks, Biologisch abbaubare Werkstoffe, 2003, S. 37.

^[9] Vgl. Lörcks, Biokunststoffe, 2005, S. 4f.

^[10] Vgl. o.V., 12.01.2011, 16:36 h, http://www.nachwachsenderohstoffe.de/basisinfo-nachwachsende-rohstoffe/biowerkstoffe.

^[11] Vgl. o.V., 12.01.2011, 16:39 h, http://www.bvse.de/2/2260/Warum%20Bio-Kunststoffe%20beim%20
Recycling%20Probleme%20machen.

^[12] Vgl. Lörcks, Biologisch abbaubare Werkstoffe, 2003, S. 5f.

^[13] Vgl. ebd., S. 6.

^[14] Vgl. Lörcks, Biologisch abbaubare Werkstoffe, 2003, S. 6.

^[15] Vgl. ebd.

^[16] Vgl. ebd., S. 8.

^[17] Vgl. Beier, Biologisch abbaubare Kunststoffe, 2009, S. 4.

^[18] Vgl. Lörcks, Biologisch abbaubare Werkstoffe, 2003, S. 8f.

^[19] Vgl. ebd., S. 8.

^[20] Vgl. ebd., S. 8f.

^[21] Vgl. Lörcks, Biologisch abbaubare Werkstoffe, 2003, S. 9.

^[22] Vgl. Lörcks, Biokunststoffe, 2005, S. 15.

^[23] Vgl. ebd., S. 20.

^[24] Vgl. ebd., S. 20f.

^[25] Vgl. Lörcks, Biokunststoffe, 2005, S. 21.

^[26] Vgl. ebd.

^[27] Vgl. ebd, S. 22.

^[28] Vgl. Lörcks, Biologisch abbaubare Werkstoffe, 2003, S. 20.

^[29] Vgl. Lörcks, Biokunststoffe, 2005, S. 22f.

^[30] Vgl. Lörcks, Biologisch abbaubare Werkstoffe, 2003, S. 20f.