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Trend kunststofffreie Verpackungen. Nachhaltige Innovation mit Zukunftspotenzial?

Studienarbeit 2019 94 Seiten

Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

Abkürzungsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Tabellenverzeichnis

1 Einleitung
1.1 Einführung in das Thema
1.2 Problemstellung und Ziel der Arbeit

2 Grundlagen
2.1 Die Entwicklung einer Kunststoffindustrie
2.2 Die Bedeutung von Kunststoffen als Verpackungsmaterial
2.2.1 Gründe für den vermehrten Einsatz von Kunststoffen
2.2.2 Allgemeine Vorteile von Kunststoffen
2.2.3 Durch den Einsatz von Kunststoffen verursachte Probleme

3 Stand der Forschung
3.1 Bio-Kunststoffe
3.1.1 Definition und Marktsituation
3.1.2 Wichtige Bio-Kunststoffe und deren Bedeutung
3.1.2.1 Bio-Polyethylenterephthalat
3.1.2.2 Bio-Polyamid
3.1.2.3 Bio-Polyethylen
3.1.2.4 Thermoplastische Stärke
3.1.2.5 Polylactid
3.1.2.6 Polybutylenadipatterephthalat
3.1.2.7 Polybutylensuccinat
3.1.2.8 Polyhydroxyalkanoat
3.2 Weitere Verpackungsmaterialien
3.2.1 Konventionelle Verpackungsmaterialien
3.2.2 Neuartige Verpackungsmaterialien
3.2.2.1 Grasfasern/Graspapier
3.2.2.2 Zellulose
3.2.2.3 Stroh
3.2.2.4 Pilze
3.2.2.5 Algen
3.2.2.6 Casein

4 Vergleichende Untersuchung
4.1 Vorgehensweise
4.2 Definition der Vergleichskriterien
4.3 Recherche zu Studien und Untersuchungen
4.3.1 Basis-Recherche
4.3.2 Vertiefte Recherche und Auswahl der relevanten Untersuchungen
4.4 Auswahl der für einen Vergleich geeigneten Materialien
4.5 Auswertung der Studien und Untersuchungen

5 Darstellung der Ergebnisse

6 Diskussion der Ergebnisse
6.1 Formstabile Verpackungen
6.2 Einschichtfolienverpackungen
6.3 Mehrschichtfolienverpackungen
6.4 Loose-Fill-Packmittel
6.5 Abschließende Bewertung

7 Fazit

Literaturverzeichnis

Anhang
A.1 Einteilung von Bio-Kunststoffen
A.2 Übersicht über verschiedene Bio-Kunststoffe
A.3 Studien und Untersuchungen aus der Basis-Recherche
A.4 Ergebnisse aus der vertieften Recherche
A.5 Ergebnisse und Erkenntnisse aus den Studien und Untersuchungen
A.6 Vergleichende Gegenüberstellung verschiedener Verpackungsmaterialien

Zusammenfassung

Mit dem zunehmenden Anteil an Kunststoffverpackungsmüll und den sich häufenden Nachrichten über verschmutzte Gebiete, Seen und Weltmeere, gerät das Material Kunststoff zunehmend in Verruf. Dabei ist es insbesondere die schlechte biologische Abbaubarkeit der Kunststoffe, die für das negative Bild in der Öffentlichkeit verantwortlich ist. Währenddessen werden als umweltfreundlich betitelte Bio-Kunststoffe und weitere neuartige Verpackungsmaterialien vorgestellt, die das Problem der Umweltverträglichkeit beseitigen sollen.

Das Ziel der vorliegenden Studienarbeit ist es zu prüfen, ob sich durch die Verwendung alternativer Materialien tatsächlich ökobilanzielle Vorteile im Verpackungsbereich gegenüber den herkömmlichen Kunststoffen ergeben und aus umweltbezogener Sicht zukünftig bevorzugt werden sollten.

Um diesem Forschungsvorhaben nachzugehen, wurden nach der Erarbeitung elementarer Grundlagen mittels einer vergleichenden Untersuchung insgesamt 13 wissenschaftliche Studien zu Ökobilanzen verschiedener Verpackungsanwendungen, mit der Spezifizierung auf Bio-Kunststoffe, vertieft analysiert und hinsichtlich verschiedener Verpackungsgruppen und Wirkungskategorien ausgewertet.

Die Ergebnisse haben gezeigt, dass sich zwar stellenweise Vorteile in den Kategorien Klimawandel und fossiler Ressourcenverbrauch bieten, jedoch vermehrt Nachteile in den Kategorien terrestrische und aquatische Eutrophierung, Versauerung und Naturraumbeanspruchung aufkommen. Es ergeben sich keine gesamtökologischen Vorteile gegenüber den herkömmlichen Kunststoffen. Der Einsatz von Bio-Kunststoffen ist daher insgesamt eher kritisch zu betrachten.

Zudem wurde ersichtlich, dass eine Wiederverwendung von Verpackungen, egal welchen Materials, stets zu empfehlen ist. Ein Mehrfachgebrauch wirkt sich in allen Fällen positiv auf die Ökobilanz aus.

Abstract

With the increasing amount of plastic packaging waste and news reports about polluted territories the material plastic is increasingly being discredited. That is mainly because conventional plastics show a poor biodegradability and are therefore responsible for the negative public image. Meanwhile, so-called eco-friendly bio-plastics and other novel packaging materials are presented in order to decrease the problem of the environmental impact.

The aim of this study is to examine whether the use of alternative materials have ecological advantages over conventional plastics. Furthermore, the objective is to discuss if alternative materials should be preferred from an environmental point of view in the future.

In order to investigate this research project, in the first step a foundation of general information was created. In the second step a total of 13 scientific studies on life cycle assessments of various packaging applications, with the restriction to bio-plastics, were analyzed and evaluated regarding various packaging groups and impact categories.

The results have shown that while there are some small advantages for bio-plastics in the categories of climate change and fossil resource consumption sporadically, there are clear disadvantages in the categories of terrestrial and aquatic eutrophication, acidification and land use. There are no universal ecological advantages over conventional plastics. All in all the use of bio-plastics is therefore overall rather critical.

Regardless to the material it also became apparent that reuse of packaging is always recommended. Multiple use has a positive effect on the environmental friendliness in all cases.

Abkürzungsverzeichnis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildungsverzeichnis

Abb. 1: Aufkommen von Verpackungsabfällen in Deutschland

Abb. 2: Zeichnung einer Spritzgießmaschine von Eckert und Ziegler aus dem Jahre 1927

Abb. 3: Zeichnung eines Schneckenkolbenaggregats nach Hans Beck

Abb. 4: Weltweite und europäische Produktionsmenge von Kunststoff

Abb. 5: Europäische Nachfrage an Kunststoffproduktgruppen im Jahr 2016

Abb. 6: Über Flusswege in die Ozeane geleitete Menge an Kunststoffmüll

Abb. 7: Strukturformeln gängiger Verpackungskunststoffe

Abb. 8: Globale Produktionskapazitäten von Bio-Kunststoffen im Jahr 2017

Abb. 9: Strukturformel Polyamid

Abb. 10: Strukturformel TPS

Abb. 11: Strukturformel PLA

Abb. 12: Strukturformel PBAT

Abb. 13: Strukturformel PBS

Abb. 14: Strukturformel PHB

Abb. 15: Schematische Übersicht von Bio-Kunststoffen nach Eigenschaft

Abb. 16: Einteilung von Bio-Kunststoffen nach deren Basisstoffen

Abb. 17: Umweltauswirkungen verschiedener Materialien für Getränkebecher

Abb. 18: Untersuchungsergebnisse zu Einkaufstüten aus Papier, Bio-Blend und PE

Abb. 19: Gesamtenergieverbrauch für Tüten aus PE, Bio-Pair und Ecovio

Abb. 20: Untersuchungsergebnisse zu Mehrschichtfolien aus Stärke/PLA und PP/PA6

Abb. 21: Materialien mit den geringsten Umweltauswirkungen nach Kategorien

Tabellenverzeichnis

Tab. 1. Einfluss von Füllgröße und Struktur auf den Verpackungsverbrauch

Tab. 2: Bindungsenergien verschiedener atomarer Verbindungen

Tab. 3: Systemgrenzen zur Festlegung des Untersuchungsrahmens einer Ökobilanz

Tab. 4: Ausgewählte Materialien für die vergleichende Gegenüberstellung

Tab. 5: Einteilung nach Verpackungsgruppen mit zugehörigen Studien

Tab. 6: Differenzierung der derzeit meisteingesetzten Bio-Kunststoffe

Tab. 7: Basis-Recherche über Studien und Untersuchungen

Tab. 8: Vertiefte Recherche über Studien und Untersuchungen

Tab. 9: Auswertung der Studien und Untersuchungen

Tab. 10: Gegenüberstellung von Verpackungsmaterialien für formstabile Verpackungen

Tab. 11: Gegenüberstellung von Verpackungsmaterialien für Einschichtfolien

Tab. 12: Gegenüberstellung von Verpackungsmaterialien für Mehrschichtfolien

Tab. 13: Gegenüberstellung von Verpackungsmaterialien für Loose-Fill-Packmittel

1 Einleitung

Seien es Obst- und Gemüsewaren, Fleisch und Wurst, Milchprodukte, Getränke oder auch Haushaltsartikel, ganz egal ob Lebensmittel oder Non-Food. Nahezu alle Produkte, die es in Supermärkten und Discountern zu erwerben gibt, haben eines gemeinsam: Allesamt sind meistens verpackt, aus Gründen der besseren Haptik oder zum Isolieren und Frischhalten. Dabei finden insbesondere dünne Folien oder Behältnisse aus Kunststoff ihre Anwendung. Der Endverbraucher ist beim Einkauf oftmals gezwungen diese verpackten Produkte zu erwerben, da es nur wenige Alternativen gibt. Auf den ersten Blick scheinen die Verpackungen praktisch und hilfreich zu sein, dennoch bringen sie auch diverse Schattenseiten mit sich.

1.1 Einführung in das Thema

Deutschland ist Spitzenreiter in der EU, wenn es darum geht Verpackungsmüll zu produzieren. 18,16 Tonnen Verpackungsmüll fielen im Jahr 2016 alleine in Deutschland an (vgl. Umweltbundesamt 2018a). Aufgrund der schlechten Abbaubarkeit stellt v. a. der Anteil von 3,1 Mio. Tonnen Kunststoffmüll ein Problem dar (vgl. Abb. 1: Aufkommen von Verpackungsabfällen in Deutschland). Zudem ist der Einsatz von Kunststoff als Verpackungsmaterial seit dem Jahre 2000 um 74 % gestiegen, während die Recyclingquote von Kunststoffen mit 49,7 % jedoch weiterhin sehr gering ist; insbesondere verglichen mit Papier (88,7 %), Glas (85,5 %) und Aluminium (87,9 %).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 1: Aufkommen von Verpackungsabfällen in Deutschland

(Quelle: Umweltbundesamt 2018b)

Währenddessen schaffen schockierende Bilder, Zeitungsartikel und Berichte über enorme Mengen an Kunststoffmüll ein erhöhtes Umweltbewusstsein bei der Bevölkerung. Aufnahmen von verschmutzten Weltmeeren und Tieren, die aufgrund der nicht ordnungsgemäß entsorgten Kunststoffabfälle verenden, tragen ebenso dazu bei, den Gebrauch von Kunststoffen als Verpackungsmaterial zunehmend zu hinterfragen. Mittlerweise sind 72,7 % der Deutschen für ein EU-weites Verbot von Einmalprodukten aus Kunststoff (vgl. Rößner 2018). Die zunehmende Kritik verbreitet sich auch in den Social Networks. So unterstützt beispielsweise die Seite Pointless Packaging auf der Photo-Share- Plattform Instagram den kritischen Gedankengang mithilfe von Bildern von überdimensionierten Kunststoffverpackungen (vgl. Pointless Packaging 2017).

Der Einzelhandel reagiert auf die zunehmende Kritik gegenüber Kunststoffverpackungen und beginnt mit umweltfreundlicheren Verpackungen zu werben, beispielsweise mit Papier aus Grasfasern (vgl. REWE Group 2017). Weitere Verpackungsalternativen stehen derzeit in der Erprobung. Biologisch abbaubare Kunststoffe, essbare Folie aus Milch-Proteinen, Stärke- Wasser-Verpackungsmaterial und weitere Materialien könnten die Chance für eine nachhaltigere Lebensweise sein – insofern diese Alternativen die klassischen Verpackungen ersetzen können.

1.2 Problemstellung und Ziel der Arbeit

Eine geeignete Verpackung für ein Produkt auszuwählen ist eine Herausforderung für jeden Entwickler. Jedes Produkt hat spezielle Anforderungen an seine Verpackung, denen diese gerecht werden muss. Mit einfachen Verpackungsmaterialien ist es dabei oftmals schwierig alle Kriterien zu erfüllen.

In Zeiten des steigenden globalen Wettbewerbs, bei dem eine schnelle Produktion und v. a. Kosteneinsparung eine große Rolle für Unternehmen spielen, ist es durchaus nachvollziehbar, dass bei der Verpackungsauswahl zunehmend auf Kunststoffe zurückgegriffen wird, da diese hervorragende technische Eigenschaften besitzen: sie sind leicht, sie besitzen eine hohe Chemikalienbeständigkeit und ihre mechanischen Eigenschaften sind auf verschiedene Anforderungen, je nach Zusammensetzung des Kunststoffs, genau einstellbar. Zudem sind sie vergleichsweise kostengünstig. Diese Eigenschaften bei anderen Materialien zu finden, ist schwierig. Die ökologischen Nachteile von Kunststoffen, wie beispielsweise die biologische Abbaubarkeit, fallen bei der Auswahl indessen weniger in Betracht. Wie in Kapitel 1.1 Einführung in das Thema bereits erwähnt wurde, stellt die Recyclingquote sowie die schlechte biologische Abbaubarkeit ein Problem dar. Auch kommt die unzureichende Entsorgung des Mülls, insbesondere in den asiatischen Ländern, hinzu (vgl. Ocean Conservancy 2015, S. 7). Nach Berechnungen des World Economic Forums (2016, S. 7) würde bei gleichbleibendem Trend ab dem Jahr 2050 mehr Masse an Kunststoffmüll als an Fisch im Meer schwimmen, zusätzlich würde ab diesem Zeitpunkt minütlich die Menge von vier LKW-Ladungen an Kunststoffmüll in die Ozeane geleitet werden. Ob allein politische Entscheidungen wie beispielsweise der chinesische Importstopp von Müll zu Beginn des Jahres 2018 dem globalen Müllproblem Einhalt gebieten können, ist fraglich. Fraglich ist auch, ob alleine mit alternativen Werkstoffen das Problem gelöst werden kann, ein Schritt in die richtige Richtung wäre es jedenfalls. Fakten, wie die genannten, regen die Motivation zur Entwicklung von neuartigen, nachhaltigen Verpackungen weiter an. Deren Potenzial gilt es in dieser Studienarbeit zu untersuchen.

Ziel ist es eine Übersicht über verschiedene Verpackungsmaterialien, die vorrangig im Einzelhandel eingesetzt werden können, zu erstellen und diese hinsichtlich ihrer Umweltverträglichkeit und technischer Anwendungsgebiete zu beurteilen. Dabei soll das Hauptaugenmerk auf Materialien gelegt werden, die Kunststoffe ersetzen sollen. Hierfür sollen diese untereinander sowie mit den klassischen Kunststoffen bezüglich ihrer Ökobilanzen und ihren verschiedenen Anforderungen verglichen werden.

Dazu werden im ersten Schritt Grundlagen über die historische Entwicklung und das Material Kunststoff erarbeitet. Daraufhin werden die alternativen Materialien genauer untersucht und der aktuelle Forschungsstand zu neuen, „umweltfreundlicheren“ Verpackungen herausgearbeitet. Anschließend wird eine tabellarische Übersicht entwickelt, die es ermöglichen soll, alternative Verpackungsmaterialien Kunststoffen vergleichend gegenüberzustellen und diese hinsichtlich ihrer Ökobilanz auf Basis von Studien und Untersuchungen bewerten zu können. Im letzten Teil sollen die Ergebnisse diskutiert werden, um daraus allgemeingültige Ergebnisse abzuleiten und die Bedeutung der Umweltverträglichkeit der alternativen Materialien zu beurteilen.

2 Grundlagen

Zur Einarbeitung in das Thema ist erforderlich, eine Übersicht über das Gesamtproblem zu schaffen um nachzuvollziehen, weshalb sich die Kunststoffe in zahlreichen Verpackungsanwendungen etabliert haben. Hierfür gilt es sich in das Thema einzuarbeiten und Informationen zu beziehen. Dabei wird im ersten Schritt die historische Entwicklung der Kunststoffindustrie dargelegt und darauffolgend die Bedeutung des Materials Kunststoff erarbeitet.

2.1 Die Entwicklung einer Kunststoffindustrie

Verglichen mit anderen vielseitig eingesetzten Werkstoffen, wie beispielsweise Stahl und Holz, steht das Material Kunststoff noch in seinen Kinderschuhen. Dabei gewinnen die Kunststoffe im Laufe der Zeit auch heute noch immer mehr an Bedeutung. Im Folgenden wird die Entwicklung der Kunststoffe und das Wachstum der Kunststoffindustrie anhand Kern (2018), Braun (2013, S. 51-68, S. 273-283) und Johannaber (2005) dargelegt.

Die ersten Vorreiter der Kunststoffe sind natürlich vorkommende Stoffe wie Naturharze, tierisches Horn, tierische Proteine und Wildkautschuk. Naturharze wie das Birkenharz wurden schon in der Steinzeit und im antiken Griechenland zum Verkleben von Werkzeugen und Gefäßen verwendet. Ein weiterer Klebstoff, sowohl im antiken Griechenland als auch im antiken Ägypten, war die aus Tierhäuten gewonnene Gelatine. Neben Gelatine war das in Tiermilch vorhandene Casein ein weiterer bedeutsamer Rohstoff. Mit einer Casein-Rezeptur aus magerem Ziegenkäse und einer Lauge konnte diese Masse in eine Form gepresst werden. Die Masse erstarrte und wurde zu einem spröden Material, aus dem später Kunsthorn hergestellt wurde. Um das Jahr 1500 wurde mit der Entdeckung Amerikas der aus Kautschukpflanzen gewonnene Wildkautschuk nach Europa gebracht, mit dem die Ureinwohner Amerikas bereits verschiedene Gegenstände herstellten. Anwendung in Europa fand der Wildkautschuk erst im Jahre 1772 als Radiergummi unter dem Namen „India Rubber“. Kurze Zeit später wurden damit wasserdichte Gewebe hergestellt und diese auch vermarktet.

Der erste große Meilenstein bei der Entwicklung von vielseitig einsetzbaren, synthetischen Kunststoffen fällt auf das Jahr 1838. Der französische Chemiker Henri Victor Regnault (1810-1878) entdeckt bei der Herstellung von Vinylchlorid zufälligerweise den Kunststoff PVC, indem er das gasförmige Vinylchlorid der Sonne aussetzt, wobei sich ein weißes Pulver abspaltet. PVC findet auch heute noch vielfältig Verwendung, beispielsweise in Form von Abwasserrohren oder Bodenbelag. Bereits ein Jahr später gelingt Charles Goodyear (1800- 1860) im Jahre 1839 die Herstellung von Gummi mithilfe einer Vulkanisationsreaktion. Diese Reaktion ist auch heute noch Grundlage für die Herstellung vieler Elastomere, einer Kunststoffgruppe, die primär ein gummielastisches Materialverhalten aufweist. 1855 als Alternativmaterial für Elfenbein von Alexander Parkes (1813-1890) entwickelt, begann John Wesley Hyatt (1837-1920) 1872 mit der kommerziellen Vermarktung von Zelluloid. Noch im selben Jahr schafft Adolf Ritter von Baeyer (1835-1917) die erste Polykondensation von Phenol und Formaldehyd, die die Grundlage für die Herstellung zahlreicher noch heute eingesetzter Kunststoffe bildet. Mit Fortschreiten der industriellen Revolution und der Weiterentwicklung der Verarbeitungsmaschinen entwickeln zahlreiche weitere Wissenschaftler die verschiedenen Materialien weiter. 1905 erfindet der Schweizer Chemiker Jacques Edwin Brandenberger (1872-1954) das Cellophan und meldet drei Jahre später seine Kunststofffolie zum Patent an. Im Jahre 1922 führt der deutsche Wissenschaftler Hermann Staudinger (1881-1965) den Begriff Makromolekül ein und erklärt somit den chemischen Aufbau der Kunststoffe. 1927, ein Jahr vor Beginn der industriellen amerikanischen Produktion des im Jahre 1838 endeckten Materials PVC, stellt die Eckert & Ziegler GmbH die erste serientaugliche industriell gefertigte Spritzgießmaschine auf Basis einer Kolbeneinspritzung vor (vgl. Abb. 2: Zeichnung einer Spritzgießmaschine von Eckert und Ziegler aus dem Jahre 1927). Der Grundaufbau ist bis zu heutigen, modernen Spritzgießmaschinen gleichgeblieben und der Spritzgießprozess weiterhin eines der bedeutendsten Verfahren der Kunststoffverarbeitung (vgl. Hopmann/Michaeli 2015, S. 142). Die erste vollautomatische Spritzgießmaschine konstruiert Hans Gastrow, deren Serienfertigung im Jahre 1933 beginnt. Während weitere Kunststoffe, u. a. PS, PE, PA und PUR entwickelt werden, werden 1935 erste Maschinen zum Formblasen von Kunststoffhohlkörpern verwendet. Die kommenden zwanzig Jahre sind geprägt durch eine schnelle Weiterentwicklung von Materialien und deren Verarbeitungsmaschinen. Es beginnt die industrielle Fertigung von Epoxidharzen, Polyurethanschäumen, Silikonen, Teflon (PTFE), Nylon (PA) und glasfaserverstärkten Polyestermassen. Ein 1943 von Hans Beck erdachtes und patentiertes Konzept für das Aufschmelzen von Kunststoffen soll den Spritzgießprozess und damit die serielle Fertigung von Kunststoffteilen revolutionieren. Er entwickelt ein Schneckenkolbenaggregat zum Plastifizieren und Einspritzen des Kunststoffs (vgl. Abb. 3: Zeichnung eines Schneckenkolbenaggregats nach Hans Beck). Dabei wird durch zugeführte Reibungswärme durch die Schnecke ein homogeneres Erwärmen und Aufschmelzen des dosierten Kunststoffs bei verminderter thermischer Schädigung ermöglicht. Dies bietet gegenüber dem bereits entwickelten und eingesetzten Kolbenspritzgussverfahren einen entscheidenden Vorteil. Zudem wird durch das Plastifizieren mit der Schnecke ein zusätzlicher Verfahrensschritt eingespart und damit der Automatisierungsgrad erhöht. Becks Konzept wird 1956 vom Ankerwerk Gebr. Goller konstruktiv umgesetzt. 1960 wird das Erdöl zum wichtigsten Rohstoff in der Kunststoffindustrie. Von nun an erlebt die Kunststoffindustrie weltweit ein rasantes Wachstum. 1964 wird mit dem Material Noryl (PPE) das erste technische Polyblend auf den Markt gebracht. 1965 entwickelt Stephanie L. Kwolek aus dem Material PA die Aramidfaser, auf deren Basis auch heute noch kugelsichere Westen hergestellt werden. 1966 bringt Shell Chemical mit dem Material Kraton den ersten thermoplastischen Elastomer auf den Markt. Nun wird es möglich, Kunststoffe mit elastomeren Eigenschaften durch wirtschaftliche Herstellungsverfahren, wie beispielsweise durch Spritzguss herzustellen. In den kommenden fünf Jahren werden die Hochleistungskunststoffe PSU, PPS und PEEK entwickelt und auf den Markt gebracht. Durch ihre hohen Temperaturbeständigkeiten und hervorragenden mechanischen Eigenschaften, insbesondere im Verbund mit Fasern, beginnen die Hochleistungskunststoffe mit Eisen- und Nichteisenmetallen zu konkurrieren. Mit dem Vorhandensein von unterschiedlichen, auf die Anforderungen anpassbaren Kunststoffen, den besseren Verarbeitungsmöglichkeiten und der Konkurrenz zu klassischen Werkstoffen wächst die Produktionsmenge von Kunststoffen rasant an und eine weltweite Kunststoffindustrie entsteht. (vgl. Abb. 4: Weltweite und europäische Produktionsmenge von Kunststoff). Im Jahr 1983 wird mit einem volumenmäßigen Kunststoffverbrauch von rund 125 Mio. m³ der Verbrauch von Stahl übertroffen. Seit Mitte der 1980er Jahre ist die Kunststoffindustrie weniger durch die Entdeckung neuer Kunststoffe, als vielmehr von der Weiterentwicklung der Syntheseverfahren und Verarbeitungstechniken geprägt. Die großserielle Herstellung von individuellen, maßgeschneiderten Materialien und Produkten auf Kundenwunsch findet fortan statt. In Deutschland trägt bereits im Jahre 2002 der Gesamtwert der Kunststoffindustrie zur Volkswirtschaft mit 6,5 % bei (Rief 2015, S. 9). Das globale Wachstum hält unterdessen weiterhin an. Aufgrund von kostengünstigeren Produktionsmöglichkeiten überholt zu Beginn des 21. Jahrhunderts die asiatische Kunststoffproduktion die beiden in etwa gleich starken Regionen Europa und Nordamerika. Im Jahr 2016 ist bei einer jährlichen globalen Gesamtproduktion von 335 Mio. Tonnen Asien mit einem Anteil von 50% die größte Produktionsregion von Kunststoffartikeln, gefolgt von Europa (19 %) und Nordamerika (18 %), die restlichen Länder machten zusammen 13 % aus (PlasticsEurope 2018b, S. 16-17).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 2: Zeichnung einer Spritzgießmaschine von Eckert und Ziegler aus dem Jahre 1927

a: Überlastfeder, b: Dosiervorrichtung, c: Einspritzzylinder

(Quelle: Laeis 1956, zitiert nach Johannaber 2005, S. 36)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 3: Zeichnung eines Schneckenkolbenaggregats nach Hans Beck

(Quelle: Laeis 1956, zitiert nach Johannaber 2005, S. 39)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 4: Weltweite und europäische Produktionsmenge von Kunststoff

(Quelle: PlasticsEurope 2018, zitiert nach Statista 2018a)

2.2 Die Bedeutung von Kunststoffen als Verpackungsmaterial

Es ist kaum zu übersehen, dass Kunststoffen heutzutage in vielen verschiedenen Anwendungsgebieten eingesetzt werden. Insbesondere im Bereich der Verpackungen sind Kunststoffe vermehrt aufzufinden. Die Gründe hierfür werden im Folgenden dargelegt. Ebenso sollen die allgemeinen Vorteile von Kunststoffen hervorgehoben werden und Probleme beschrieben werden, die durch den vermehrten Einsatz von Kunststoffen entstehen.

2.2.1 Gründe für den vermehrten Einsatz von Kunststoffen

In Europa wurden im Jahr 2001 29,5 % aller Kunststoffe als Verpackung verwendet (Rief 2015, S. 8). Bis zum Jahr 2016 ist dieser Anteil auf 39,9 % gestiegen (vgl. Abb. 5: Europäische Nachfrage an Kunststoffproduktgruppen im Jahr 2016). Folgernd lässt sich sagen, dass die Wichtigkeit und Verbreitung von Kunststoffen als Verpackungsmaterial zunimmt. Hierfür gibt es vielseitige Gründe. Die primären Gründe, die hervorragenden Eigenschaften der Kunststoffe, werden im Kapitel 2.2.2 Allgemeine Vorteile von Kunststoffen genauer erläutert. Zunächst werden weitere Faktoren für die erhöhte Kunststoffverwendung beschrieben.

Ein erster Hinweis für den steigenden Verbrauch ist das globale Wachstum der Weltbevölkerung – je mehr Menschen, desto mehr Waren, desto mehr Verpackung werden benötigt. Miteinhergehend ist der global wachsende Wohlstand. Aus dem Human Development Index (HDI) kann abgeleitet werden, dass sich der globale Wohlstand seit Jahrzehnten stetig erhöht. Der HDI gibt einen Wert an, der unter Berücksichtigung der Lebenserwartung, der Bildung und des Bruttoinlandsprodukts die Entwicklung der Menschheit innerhalb eines Staates beschreibt (vgl. Ribbeck 2008). Dieser ermittelte HDI- Wert ist in den vergangenen Jahren im Durchschnitt aller Länder stetig gestiegen (vgl. United Nations Development Programme 2018). Mit dem global wachsenden Wohlstand wächst auch das Interesse an unterschiedlichen Produktgruppen, die z. B. aufgrund von Transportwegen sehr aufwändig verpackt werden müssen. Dies resultiert wiederum in mehr Verpackungsmaterial.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

A bb. 5: Europäische Nachfrage an Kunststoffproduktgruppen im Jahr 2016

(Quelle: PlasticsEurope 2018a, S. 23)

Ein weiterer Grund für den vermehrten Verbrauch, v. a. in den hochentwickelten Ländern der Europäischen Union, in denen das Bevölkerungswachstum weithin stagniert, ist die steigende Anzahl an Single-Haushalten. Während es in Deutschland im Jahr 1991 noch knapp 12 Mio. Einzelpersonenhaushalte gab, so stieg die Zahl im Jahr 2017 auf über 17 Mio. (vgl. Statistisches Bundesamt 2018, S. 49). Ein verändertes Kaufverhalten der Bevölkerung ist die Folge. Die Nachfrage an kleineren, vorportionierten Mengen eines Produktes steigt, da Einzelpersonen kleinere Portionen als Zwei-Personenhaushalte oder Familien benötigen. Aus diesem Grund werden geringere Mengen eines Produktes verpackt und es entsteht mehr Verpackungsmaterial in Relation zur Menge des gekauften Produktes. Beispiele zur Veränderung des Packmittelverbrauchs bei veränderter Füllmenge sind in Tab. 1. Einfluss von Füllgröße und Struktur auf den Verpackungsverbrauch aufgeführt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tab. 1. Einfluss von Füllgröße und Struktur auf den Verpackungsverbrauch

(Quelle: Eigene Darstellung, in Anlehnung an Gesellschaft für Verpackungsmarktforschung mbH, zitiert nach Umweltbundesamt 2018c)

Der Boom des Online-Shoppings ist ebenso ein Grund für die zunehmende Anzahl an Verpackungen. Der Umsatz des deutschen Onlinehandels ist seit dem Jahre 2000 um durchschnittlich 22 % pro Jahr gestiegen und eine Sättigungsgrenze ist noch nicht prognostizierbar (vgl. Handelsverband Deutschland 2018, S. 2-4). Bestellungen, die über das Internet abgewickelt und direkt an den Endverbraucher geschickt werden, bestehen meist nur aus geringen Mengen des gekauften Produktes. Dennoch ist eine entsprechende Verpackung, v. a. zum Schutz der Ware notwendig. Verpackungshilfen wie Luftpolsterfolien oder Füllmaterialien wie Verpackungschips, sogenannte Loose-Fill-Packmittel, die allesamt meist aus Kunststoff bestehen, werden zur Dämmung und zum Schutz der Ware eingesetzt. Bei Großbestellungen sind diese Verpackungsmaterialien zwar auch notwendig, allerdings werden sie relativ zur Warenmenge in deutlich geringeren Massen verwendet. Mit dem steigenden Interesse am Online-Kauf wird somit noch mehr Verpackungsmaterial für bereits verpackte Produkte eingesetzt.

Ein weiterer Faktor für den vermehrten Einsatz von Kunststoffen als Verpackungsmaterial ist die zunehmende Bereitschaft der Deutschen außer Haus zu essen. Die Zahl der zu Hause eingenommen Mahlzeiten nimmt seit Jahren ab. Zwischen den Jahren 2005 und 2015 ist in allen Altersgruppen die Menge von zu Hause eingenommen Mittagessen zurückgegangen, lediglich in der Altersgruppe der 20-29-Jährigen ist die Zahl stagniert (vgl. Bundesvereinigung der Deutschen Ernährungsindustrie 2015, S. 23). Im Umkehrschluss werden mehr Mahlzeiten außer Haus konsumiert. Ein Beispiel ist das weiterhin rege Interesse am Coffee- to-go. Jährlich werden in Deutschland drei Milliarden Coffee-to-go-Becher verbraucht, das entspricht 320.000 Kaffeebechern pro Stunde (Deutsche Umwelthilfe 2015, S. 3). Der Hauptgeschäftsführer der Bundesvereinigung der deutschen Ernährungsindustrie e. V., Christoph Minhoff erklärt das veränderte Essverhalten folgendermaßen: „Der Verbraucher lebt heute in einem unstrukturierten Alltag unter großem Zeitdruck und mit einem hohen Grad an Mobilität und Spontaneität. […] Feste Konsummuster werden daher zum Stressfaktor. Folglich lösen sich traditionelle Ernährungsriten zunehmend auf.“ (Minhoff zitiert nach Dierig 2015). Durch den erhöhten beruflichen und privaten Stress bleibt weniger Zeit für das Essen und die Wahl fällt öfters auf Fast Food oder To-go-Produkte. Diese produzieren wiederum mehr Verpackungsmüll.

Mit den wachsenden Produktanforderungen wachsen auch die Anforderungen und Erwartungen an die Verpackung. Heutige Verpackungen sind nicht nur zum Schutz der Ware da, auch übernehmen sie noch weitere Aufgaben und Funktionen wie die Dosier-, Portionierungs-, Aufbewahrungs- und Handhabungsfunktion (vgl. Umweltbundesamt 2018c). Aus diesem Grund kann von sogenannten funktionalen Verpackungen gesprochen werden. Diese praktischen Modifikationen, beispielsweise spezielle Dosierverschlüsse für Flaschen, Mehrkammerverpackungen oder eingearbeitete Tragegriffe, sind i. d. R. mit einem erhöhten Materialaufwand verbunden.

Insgesamt sind die Gründe für den vermehrten Einsatz von Kunststoff als Verpackungsmaterial sehr vielfältig. Neben diesen aufgeführten sozialdemografischen und wirtschaftlichen Gründen sind insbesondere die technischen Vorteile des Materials Kunststoff für den Gebrauch als Verpackungsmaterial von Bedeutung. Folgend werden diese erläutert.

2.2.2 Allgemeine Vorteile von Kunststoffen

Der vermehrte Einsatz von Kunststoffen lässt sich in erster Linie mit deren herausragenden technischen Eigenschaften erklären. Nachstehend werden die besonderen Eigenschaften in Anlehnung an Briehl (2014, S. 133-134) erläutert und deren Vorteile als Verpackungsmaterial hervorgehoben.

- Geringes Gewicht

Die Dichte von Kunststoffen ist vergleichsweise niedrig, dies macht sie wiederum sehr leicht. Die meisten Kunststoffe besitzen eine Dichte, die im Bereich zwischen 0,8 g/cm³ und 2,2 g/cm³ liegt. Expandierte Kunststoffe wie beispielsweise EPS (Styropor) oder EPP erreichen zudem noch weitaus geringere Dichten. Im Gegensatz dazu sind metallische Werkstoffe wie Aluminium mit einer Dichte von ca. 2,7 g/cm³ oder Stahl mit ca. 7,8 g/cm³ deutlich schwerer. Für Verpackungen spielt das Gewicht eine elementare Rolle, da mit einem geringeren Verpackungsgewicht der Energieaufwand bei größeren Transportstrecken reduziert werden kann.

- Chemische Beständigkeit

Aufgrund des auf Kohlenstoffatomen basierenden chemischen Aufbaus der Kunststoffe weisen diese gegenüber vielen Chemikalien eine sehr hohe Beständigkeit auf. So zeigt beispielsweise der meisteingesetzte Verpackungskunststoff PE-LD (vgl. Abb. 5: Europäische Nachfrage an Kunststoffproduktgruppen im Jahr 2016) eine gute Beständigkeit gegen Luft, Wasser, Säuren, Laugen, Alkohole, Kraftstoffe und Fette/Öle. (vgl. Abts 2014, S. 201). Je nach Kunststofftyp ist die chemische Beständigkeit gegenüber verschiedenen Stoffen jedoch mehr oder weniger gut ausgeprägt. In Bezug auf Verpackungen ist die hohe chemische Beständigkeit einiger Kunststoffe demnach von Vorteil, dass dadurch Lebensmittel luftdicht verpackt und somit länger haltbar gemacht werden können. Dadurch werden weniger Lebensmittel ungenießbar und es muss insgesamt weniger weggeworfen werden.

- Einstellbarkeit der mechanischen Eigenschaften

Nur wenige Werkstoffe erlauben es die mechanischen Eigenschaften so genau einstellen zu können wie die Kunststoffe. Aus einigen hundert verschiedenen Kunststofftypen können die passenden Materialien ausgewählt und ggfs. auch kombiniert werden. Dies ermöglicht es, ein gummi- bis stahlelastisches Materialverhalten zu erzeugen. In Kombination mit Verstärkungsstoffen wie Glas- (GF) oder Kohlenstofffasern (CF) lassen sich die mechanischen Festigkeitswerte zudem stark erhöhen. So können Kunststoffe auch bezüglich ihrer maximalen Festigkeitswerte mit metallischen Werkstoffen konkurrieren. Ein Beispiel hierfür ist die Zugfestigkeit des kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffs PA66-CF40 mit 295 N/mm² im Vergleich zur Mindestzugfestigkeit des einfachen Baustahls S185 mit 290 N/mm² (BASF 2018 und Gomeringer et al. 2014, S. 131). Zusätzlich ist die Dichte von PA66-CF40 knapp sechsmal geringer als die vom Baustahl S185.

- Gute Verarbeitbarkeit

Von den drei Hauptgruppen der Kunststoffe, Thermoplaste, Duroplaste und Elastomere lassen sich insbesondere die Thermoplaste sehr gut verarbeiten. Formgebungsverfahren wie das Extrudieren, Kalandrieren, Schäumen, Blasformen oder das Spritzgießen ermöglichen eine wirtschaftliche, großserielle Fertigung von Kunststoffprodukten in nahezu jeder erdenklichen Größe und Form. Mittels den kontinuierlichen Verfahren Extrudieren und Kalandrieren können beispielsweise Rohre oder Kunststofffolien in Endlosbahnen geformt bzw. gewalzt werden. Das Schäumen ermöglicht u. a. die Herstellung von EPS-Platten zur Dämmung. Blasformen ist das Verfahren, mit der PET- Flaschen in Großserien produziert werden. Mittels Spritzgießen lassen sich nahezu alle Thermoplaste und thermoplastischen Elastomere in den verschiedensten Formen und Größen produzieren. Die Verarbeitungstemperaturen spielen sich bei allen Prozessen i. d. R. in einem Bereich zwischen der Raumtemperatur und ca. 250°C ab. In Ausnahmefällen sind Temperaturen bis maximal 400°C erforderlich. Mit diesen vergleichsweise geringen Verarbeitungstemperaturen sind die Prozesse gut einstell- und steuerbar und wirken sich zudem energiesparend aus.

- Geringe thermische und elektrische Leitfähigkeiten

Kunststoffe besitzen im Allgemeinen eine geringe elektrische und thermische Leitfähigkeit. Daher eignen sie sich besonders als elektronische Bauteilkomponenten oder als Wärmeisolationsmaterial. Für Verpackungen für warme oder auch kalte, tiefgefrorene Lebensmittel stellt speziell die gute Isoliereigenschaft eine besondere Bedeutung dar, da dadurch der warme bzw. kalte Zustand des Lebensmittels möglichst lange aufrechterhalten werden kann und das Produkt somit länger frisch bleibt. Trotz der prinzipiellen geringen thermischen Leitfähigkeit, ist es durch die Zugabe von speziellen Additiven möglich, auch gut wärmeleitende Kunststoffe herzustellen. Genannt seien nanoskalige Kohlenstoffröhrchen, die mittels wärmeleitfähigen Komponenten die Kunststoffmatrix leitfähiger machen (vgl. Gladitz 2009, S. 54). Da diese für Verpackungen allerdings eine untergeordnete Rolle spielen, wird in dieser Studienarbeit nicht näher darauf eingegangen.

Mit Sicherheit gibt es noch einige weitere Vorteile, die den Einsatz von Kunststoffen bei speziellen Anforderungen rechtfertigen. Sonach ist der hohe Gebrauch von Kunststoffen in keinem Fall unbegründet, die technischen Aspekte sprechen für sich. Auch wenn das Material zahlreiche Vorteile aufweist, sind die negativen Folgen durch den Einsatz des Materials nicht zu vernachlässigen.

2.2.3 Durch den Einsatz von Kunststoffen verursachte Probleme

Die Verwendung des Materials Kunststoff stellt verschiedenartige Probleme dar. Zunächst ist das für die Synthese notwendige Erdöl zu nennen. Im Jahr 2014 wurden ungefähr 13 % des global geförderten Erdöls für die Petrochemie, das synonym für die Chemie- und Kunststoffbranche steht, verwendet (EnergyComment 2015 zitiert nach Bukold/Feddern 2015, S. 7). Auch wenn der Anteil gering erscheinen mag, entspricht dies einer Menge von 4,4 Mrd. Barrels oder umgerechnet 700 Mrd. Litern Erdöl pro Jahr (BP 2018, S. 15). In Anbetracht dessen, dass Erdöl eine begrenzte Ressource ist und die verschiedenen Schätzungen über die Mengen der globalen Ölreserven stark variieren, lässt sich nicht eindeutig definieren, wie lange Kunststoffe noch kostengünstig produziert werden können.

Das primäre, ökologische Problem der Kunststoffe ist jedoch das der Entsorgung. Prinzipiell gibt es folgende drei Entsorgungsmöglichkeiten:

- Lagerung/Entsorgung der Abfälle auf Mülldeponien oder sonstigen Orten
- Verbrennung der Abfälle (ggfs. mit teilweiser Energierückgewinnung durch die Verbrennungswärme des Kunststoffs)
- Recycling des Materials

Wie bereits im Kapitel 1.1 Einführung in das Thema erwähnt wurde, konnten in Deutschland im Jahre 2016 49,7 % der Kunststoffverpackungsabfälle recycelt werden. Diese Form der Verwertung gilt als die ökologisch wertvollste. Auch wenn dieser Wert, verglichen mit anderen Werkstoffen, nicht unbedingt hoch ist, gilt Deutschland damit als Vorreiter. Im EU- Durchschnitt lag dieser Wert bei 40,3 % (Eurostat 2018 zitiert nach Statista 2018b). Aufgrund fehlender offizieller Daten ist eine spekulative Erwähnung an dieser Stelle, dass mit Chinas globalem Importstopp zu Beginn des Jahres 2018 die Anteile des Kunststoffrecyclings in Deutschland und der gesamten EU gefallen und die Verbrennungsanteile gestiegen sein müssen. Diese These unterstützt der Verbandsvorsitzende der Deutschen Energiewirtschaft, Peter Kurth: „Ich schätze, dass jetzt 65 bis 70 Prozent unseres Altplastiks als Ersatzbrennstoff […] verwendet oder anderweitig thermisch verwertet werden“ (Kurth zitiert nach Smoltczyk 2018). Bei der Verbrennung des Abfalls ist es möglich, einen kleinen Teil der im Kunststoff vorhandenen Energie umzuwandeln und zur Energieerzeugung zu benutzen. Dies ist ökologisch gesehen eine eher weniger gute Lösung, da beim Verbrennungsprozess, je nach Additivbeigaben, giftige Gase entstehen können. Dennoch ist diese Art der Verwertung ökologisch wertvoller als die Lagerung des Abfalls auf Deponien oder sonstigen Orten. Aus der Veröffentlichung einer Forschungsgruppe um Roland Geyer von der University of California geht hervor, dass im Jahr 2015 global nur 18 % aller Kunststoffabfälle recycelt wurden (vgl. Geyer et al. 2017). 24 % wurden verbrannt, wobei nicht eindeutig ist, welche Menge des verbrannten Materials auch gleichzeitig für die Energieerzeugung verwendet wurde. Der Großteil des Kunststoffmülls (58 %) wurde auf Deponien und an sonstigen Orten entsorgt. Zu beachten ist, dass diese Zahlen nur den Stand des Jahres 2015 widergeben. Vergleicht man stattdessen die Zahlen aller jemals weggeworfenen Kunststoffe, so wurden insgesamt nur 9 % recycelt, 12 % verbrannt und 79 % auf Deponien und sonstigen Orten entsorgt.

Das Problem der auch heute noch geringen Recyclingquote der Kunststoffe liegt hauptsächlich an deren Zusammensetzung. Polyblends, die aus verschiedenen Kunststofftypen bestehen, lassen sich kaum bis gar nicht recyclen, da die unterschiedlichen Kunststoffe beim Recyclingprozess nicht getrennt werden können. Als Beispiel seien MAP- Verpackungen genannt, die hauptsächlich für Wurst- und Käsewaren verwendet werden. Diese bestehen aus mehreren Kunststofffolien unterschiedlicher Kunststofftypen, um so durch Kombination der guten Eigenschaften die längere Haltbarkeit des Lebensmittels zu gewährleisten. Die speziellen Anforderungen können aber auch durch die Einarbeitung von Modifikationsadditiven wie Stabilisatoren, Weichmachern oder Anti-Fogging-Mitteln in das Material erreicht werden. Diese Additive erschweren allerdings ebenso den Recyclingprozess, da diese die Eigenschaften des Kunststoffs verändern und es beim Wiederaufschmelzen zu Verarbeitungskomplikationen kommen kann. Stark verunreinigte Kunststoffprodukte stellen ebenso ein Problem beim Recycling dar. Durch Lebensmittelrückstände oder sonstige Stoffe, die am Kunststoff hängen bleiben, wird dieser verunreinigt. Das geht auf Kosten der Qualität des Recyclingmaterials. Da die Qualität eines Recyclingwerkstoffs auch ohne Verunreinigung schlechter ist, als die des ursprünglichen Materials, wäre diese zusätzliche Verunreinigung fatal. Um dies zu vermeiden, werden Müllsortieranlagen eingesetzt, die mittels einer Infrarotstrahltechnik vollautomatisch die Verpackungsabfälle nach den verschiedenen Materialtypen sortieren. Ein weiteres Problem diesbezüglich ist, dass die Sortieranlagen Abfälle, die aus mehreren Materialien bestehen, nicht hundertprozentig zuordnen können. Beispielsweise wird ein Joghurtbecher, an dem noch der Aluminiumdeckel hängt, maschinell aussortiert und landet in der Verbrennung und nicht im Recycling (vgl. WDR 2018).

Trotz des Vorhandenseins von Müllsortieranlagen wird mit weltweit 58 % auch heute noch die größte Menge des Kunststoffmülls weiterhin auf Mülldeponien und an anderen Orten entsorgt. Für die Umwelt stellt dies sicherlich das größte Problem dar. Zunächst wird durch die geringe Dichte der Kunststoffe insgesamt mehr Volumen und damit mehr Platz in Relation zur Masse für die Lagerung des Abfalls benötigt. Dies erschwert es, genügend Orte zu bestimmen, an denen der Abfall „problemlos“ gelagert werden kann. Ferner wird der Kunststoffmüll an verschiedenen Orten in der Umwelt entsorgt. Als Beispiel sei das Meer genannt. Eklatant ist, dass über 66 % des jährlich ins Meer geleiteten Kunststoffmülls aus lediglich 20 Flusssystemen stammt (vgl. Andrady et al. 2017). 15 dieser Flüsse befinden sich in Asien, drei in Afrika und zwei in Südamerika. Abb. 6: Über Flusswege in die Ozeane geleitete Menge an Kunststoffmüll zeigt die Menge des ins Meer geleiteten Kunststoffmülls sowie die geographischen Positionen der Flussmündungen. Tiere können sich im Kunststoffabfall verfangen und darin verenden. Verwechseln sie Kunststoffmaterial mit Nahrung und es gelangt in den Nahrungstrakt der Tiere, kann es dazu führen, dass die Tiere ersticken, tödliche Verstopfungen erleiden oder mit einem von Kunststoffmüll gefüllten Magen verhungern (vgl. Probst 2018). Dabei stellt insbesondere das sogenannte Mikroplastik ein Problem dar. Dabei handelt es sich um kleine Kunststoffpartikel, die einen Durchmesser von bis zu 5mm besitzen. Unterschieden wird in primäres und sekundäres Mikroplastik (vgl. Umweltbundesamt 2013). Primäres Mikroplastik sind Kunststoffteile, die seit ihrem Herstellungsprozess eine Größe kleiner als 5mm besitzen. Als Beispiel seien Peeling-Körner in Kosmetikprodukten genannt. Sekundäres Mikroplastik entsteht erst durch die physikalische und mechanische Degradation von Makrokunststoffteilen. Bedingt durch die geringe Größe des Mikroplastiks und der höheren Verwechslungsgefahr mit Nahrung neigen Meerestiere eher dazu, dieses aufnehmen. Hinzu kommt, dass der Mensch durch die Nahrungsaufnahme von Fisch oder anderen Meerestieren das Mikroplastik ebenfalls zu sich nehmen kann. So wurde 2018 erstmalig Mikroplastik in menschlichen Stuhlproben nachgewiesen (vgl. Wrba 2018). Welche Auswirkungen dies für den Menschen haben wird, müssen weitere Untersuchungen allerdings erst noch belegen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

A bb. 6: Über Flusswege in die Ozeane geleitete Menge an Kunststoffmüll

(Quelle: Andrady et al. 2017)

Das zentrale Problem bei der Entsorgung von Kunststoffen in der Umwelt, sei es im Wasser oder auch an Land, ist die schlechte biologische Abbaubarkeit. Ehe sich die Kunststoffe vollständig zersetzen, können sie über Jahrhunderte in der Natur verweilen. Bei atmosphärischen Witterungseinflüssen sind sie dabei mechanischen, physikalischen und chemischen Einwirkungen ausgesetzt. Der Ablauf des Zersetzungsprozesses hängt dabei vom Kunststofftyp, der Einwirkung von Wärme, UV-Strahlung, Feuchtigkeit, Sauerstoff oder Ozon und der Stärke und Dauer der mechanischen Belastung und ab. Nicht immer ist eindeutig, welcher dieser Faktoren den größten Einfluss auf die Zersetzung hat. Folgend werden die Einflüsse des Kunststofftyps und die Einwirkung von Wärme erläutert.

Der Kunststofftyp hat einen maßgeblichen Einfluss auf den Zersetzungsprozess. In Abb. 7: Strukturformeln gängiger Verpackungskunststoffe sind die chemischen Strukturformeln der fünf meistverwendeten Verpackungskunststoffe PE, PP, PVC, PS und PET abgebildet. Diese weisen bis auf die Kohlenstoff (C)-Grundkette einen unterschiedlichen molekularen Aufbau auf. Dieser ist für den Ablauf der chemischen Abbaureaktion, der Kettenfragmentierung, fundamental, da die Bindungsenergie zwischen den Atomen je nach Element unterschiedlich ist. Die Stärke dieser Bindungsenergie hängt im Wesentlichen von folgenden vier Faktoren ab:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 7: Strukturformeln gängiger Verpackungskunststoffe

- Art der Bindung (2-fach-Bindungen sind stärker als 1-fach-Bindungen und 3-fach- Bindungen sind stärker als 2-fach-Bindungen)
- Struktur der Bindung (aromatische/ringförmige Bindungen sind stärker als aliphatische/kettenförmige)
- Bindungslänge (je näher die Atome aneinander liegen, desto stärker ist die Bindungsenergie)
- Elektronegativitätsdifferenz (je größer der Unterschied der Elektronegativität, desto stärker ist die Bindungsenergie)

Aus Tab. 2: Bindungsenergien verschiedener atomarer Verbindungen lässt sich ablesen, dass die Bindungsenergien zwischen verschiedener Atome unterschiedlich hoch sind. So ist beispielsweise die Bindungsenergie zwischen zwei C-Atomen, wie es bei PP der Fall ist, höher als die Bindungsenergie zwischen einem C- und einem Cl-Atom bei PVC. Daher ist PP stabiler als PVC. Gleiches gilt für die C – H-Bindung bei PE gegenüber PP. Der Benzolring bei PS weist mit 560 kJ/mol nochmals eine deutlich höhere partielle Bindungsenergie als PE auf. Das Material PET besitzt aufgrund der Terephthalsäure mit dem Benzolring und den C – O- Einfach- und Doppelbindungen die stärksten Bindungsenergien und ist somit der stabilste der genannten Kunststoffe. Nach Schätzungen würde eine PET-Flasche ca. 450 Jahre benötigen, ehe sie vollständig abgebaut worden ist (vgl. Kirbach 2015). Wohlbeachtet handelt es sich hierbei um eine Schätzung, da das Material PET weniger als 80 Jahre alt ist und es daher noch keinen experimentellen Nachweis geben kann. Ein Polystyrol-Becher würde ca. 50 Jahre für die Zersetzung brauchen, eine Polyethylen-Tüte ungefähr 20 Jahre. Generell hat der molekulare Aufbau eines Kunststoffs also einen entscheidenden Einfluss auf die Geschwindigkeit der Abbaureaktion, wobei gilt: Je höher die Bindungsenergien zwischen den Atomen, desto besser ist die Beständigkeit und desto länger dauert der Zersetzungsprozess.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tab.2: Bindungsenergien verschiedener atomarer Verbindungen

(Quelle: Eigene Darstellung, in Anlehnung an Rief 2015, S. 53)

Fernerhin hat die Temperatur, welcher der Kunststoff ausgesetzt ist, einen wesentlichen Einfluss auf die Zersetzungsgeschwindigkeit. Nach den Gesetzen der Thermodynamik laufen chemische Reaktionen bei höheren Temperaturen eher ab als bei tiefen Temperaturen. Zudem strebt ein System immer danach, den Zustand der geringsten Entropie zu erreichen. Da die Entropie bei hohen Temperaturen entsprechend höher ist, möchte das System „freiwillig“ in den kälteren und energetisch günstigeren Zustand mit geringer Entropie übergehen. Dies begünstigt den Start einer chemischen Reaktion. Eine Aussage über die Geschwindigkeit der Reaktion ist hiermit jedoch noch nicht getan. Hierfür kommt die Reaktionskinetik zum Tragen. Die Reaktionskinetik ermöglich es den zeitlichen Ablauf chemischer Reaktionen näher zu beschrieben und zu begründen. Mithilfe der nachstehenden Arrhenius-Gleichung kann über die Bestimmung der Geschwindigkeitskonstanten ݇ in Abhängigkeit der Temperatur des Materials die Reaktionsgeschwindigkeit ermittelt werden (vgl. Briehl 2014, S. 220).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

mit K = Geschwindigkeitskonstante

A = Präexponentialfaktor

e = Eulersche Zahl

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

R = Universelle Gaskonstante

T = absolute Temperatur

Aus der Gleichung geht hervor, dass eine lineare Temperaturzunahme des Kunststoffs ein exponentielles Anwachsen der Geschwindigkeitskonstanten ݇ und folglich auch eine exponentielle Steigerung der Reaktionsgeschwindigkeit für die Abbaureaktion bedeuten. Für untere Temperaturbereiche kann näherungsweise von einer Verdoppelung der Reaktionsgeschwindigkeit bei einer Temperaturzunahme von 10°C ausgegangen werden. Das bedeutet, dass Kunststoffe, die sich an kälteren Orten befinden, länger für die vollständige Zersetzung benötigen; trotzdem dauert der Zersetzungsprozess auch in den global wärmsten Regionen bei jährlichen Durchschnittstemperaturen von knapp 30°C sehr lange, da diese Temperaturen immer noch weit unter dem für Kunststoffe kritischen Bereich liegen (vgl. Mühr 2014).

Der vermehrte Gebrauch von Kunststoffen als Verpackungsmaterial bringt ergo eine Reihe von Problemen und Risiken mit sich. Insbesondere sind es die insuffiziente Entsorgung und die schlechte biologische Abbaubarkeit der Kunststoffe, die v. a. in Kombination ein reales ökologisches Problem darstellen. Ebenso werden durch die medial initiierte steigende Aufklärung der Bevölkerung über ein globales Kunststoffmüll-Problem Anreize geboten, intensivere Forschungen zu alternativen, umweltfreundlichen Verpackungsmaterialien zu betreiben, um auf diese Weise dem globalen Müllproblem entgegenzuwirken.

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Details

Seiten
94
Jahr
2019
ISBN (eBook)
9783668878679
Sprache
Deutsch
Institution / Hochschule
Duale Hochschule Baden-Württemberg, Stuttgart, Horb, früher Berufsakademie Stuttgart; Horb
Erscheinungsdatum
2019 (Februar)
Note
1,2
Schlagworte
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Autor

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Titel: Trend kunststofffreie Verpackungen. Nachhaltige Innovation mit Zukunftspotenzial?