Ligninbasierte Biokunststoffe

Transkript

1 Innovations-Tagung Logo Plastic AG Bioplastics Pratteln, 26. April 2010

2 1. Einordnung des Themas 2. Was ist Lignin 3. Woraus wird Lignin gewonnen 4. Wie wird Lignin verwendet 5. Lignin als Basis für Kunststoffe. ARBOFORM, ARBOBLEND, ARBOFILL 6. Einsatzmöglichkeiten und Grenzen- Verarbeitungstechnische Herausforderungen 7. Ausblick

3 1. Einordnung des Themas nachwachsende Rohstoffe (ganz oder teilweise) Pflanzlicher Ursprung -Stärke, Stärkederivate -Zucker -Cellulose, Cellulosederivate -Pflanzenöle -Lignin -Kautschuk -... Tierischer Ursprung -Chitin -Caseine -Seide -... Verstoffwechselungsprodukte (=Umsetzen einer Substanz im Stoffwechsel) -Polyhydroxyalkonoate (PHA) -Polylactid (PLA) -...

4 2. Was ist Lignin? - hochmolekularer, organischer Stoff (aromatische Kohlenwasserstoffverbindung) - Lignin ist eingelagert in die pflanzliche Zellwand, bewirkt Verholzung - Festigungselement - Beispiel einer Struktur: dreidimensional vernetzt - Findet sich eingelagert in Zellwänden von Pflanzen wie Gräsern, Stauden, Sträuchern, Bäumen - Lässt sich mit Stahlbeton oder glasfaserverstärktem Kunststoff vergleichen

5 2. Was ist Lignin? - betrachtet man Holz unter dem Mikroskop mit UV Licht fluoresziert Lignin und kann sichtbar gemacht werden - Die blaue Fluoreszenz zeigt die Verteilung des Lignins in der Zellwand - Mittellamellen und Zellzwickel -> höchster Anteil an Lignin

6 2. Was ist Lignin? - Neben der Zellulose ist Lignin der häufigste organische Stoff der Erde - Kommt in fast allen Pflanzen und Hölzern vor - Jährlich wachsen davon geschätzte 20 Milliarden Tonnen Anteile in Massen% Hexosen (Cellulose) Pentosen (Hemicellulose) Lignin Nadelhölzer 57-60% 7-11% 27-32% Birkenhölzer 45-47% 21-27% 19-20% Buchenhölzer 50-54% 19-24% 22-23% Weizenstroh 35-39% 22-24% 18-25% Mais 37-44% 32-35% 15-10%

7 3. Woraus wird Lignin gewonnen? - Lignin fällt als Abfallprodukt bei der Papierherstellung an - Wenn Papier aus Holz hergestellt werden soll -> Cellulose zu isolieren - Lignin im Papier unerwünscht -> Verfärbung und Vergilbung - Papierherstellung: Holzschnitzel Kochprozess -> chemische Behandlung - Die Fasern werden durch stündiges Kochen von den Einlagerungen in den Zellwänden, den unerwünschten Holzbestandteilen und den Begleitstoffen von Cellulose getrennt -> Vorgang wird Aufschluss genannt

8 4. Wie wird Lignin verwendet? - Jährlich fallen weltweit etwa 50 Millionen Tonnen Lignin als Nebenprodukt der Papier- und Zellstoffindustrie an - Hauptverwendung derzeit energetische Nutzung; guter Heizwert 23,4 MJ/Kg (Vergleich Erdöl 42.8 MJ/Kg, Erdgas: 38 MJ/Kg) - Direkte Verwendung von technischen Ligninen als Rohprodukte sehr eingeschränkt: komplexe Struktur, Inhomogenität. Nur begrenzte Verwendbarkeit da in der Regel bei Rohstoffen klar definierbare Eigenschaften gefordert sind - Hoher Grad an Verunreinigungen in den Ablaugen sowie der hohe Schwefelanteil in den Lignintypen als Folge des Aufschlusses -> komplexe Reinigungsschritte. - Lignin= hochkomplexes Makromolekül. Auch konventionelle KS sind Makromoleküle (aneinander reihen von einzelnen Molekülen (Monomere) zu Molekülketten (Polymeren). - Aufgrund der aufwendigen Reinigung (Sulfatprozess beim Aufschluss) gibt es erst wenige Ansätze dazu

9 4. Wie wird Lignin verwendet? entwickelt die Fa. Tecnaro ein natürlicher Biowerkstoff mit Namen Arboform = Flüssigholz - Basiert auf Lignin, dem Naturfasern wie Flachs oder Hanf beigemischt werden - Verarbeitbar auf konventionellen Maschinen der Kunststoffverarbeitung (Spritzguss, Tiefziehen, Extrusion, Blasformen, Pressverfahren). - Auf dem Markt gibt es heute schon bestellbare Fertigprodukte - Daher befassen wir uns vertieft mit diesen Werkstoffen

10 5. Lignin als Basis für Kunststoffe -ARBOFORM - Mischung von Lignin mit Naturfasern (Flachs, Hanf oder andere Naturfasern) -> unter Temperaturerhöhung verarbeitungsfähiger Faserverbundwerkstoff (also ein Thermoplast) - Verarbeitbar auf konventionellen Maschinen zu Formteilen, Tafeln oder Platten - Name= Arboform (arbor lat. Der Baum) - 100% aus nachwachsenden Ressourcen - CO2 neutral keine Akkumulation von CO2 in der Atmosphäre, keine Unterstützung Treibhauseffekt - Vollständig Biologisch abbaubar, falls thermische Entsorgung unrentabel oder ungeeignet ist (Entfernung, Anlage)

11 5. Lignin als Basis für Kunststoffe -ARBOFILL - Interessante Eigenschaften lassen sich mit Mischwerkstoffen erzielen (Blends, Hybride Werkstoffe) - Mischung von ligninbasierten Biopolymeren mit erdölbasierten Kunststoffen -> hochwertige Compounds mit variablen Anteilen an nachwachsenden Ressourcen - 20%-80% aus nachwachsenden Ressourcen (je nach Rezeptur) - Kostengünstig und ästhetisch, günstige Eigenschaftsprofile - Lebensmittelecht (FDA, LFGB), dazu liegen Gutachten von akkreditierten Labors vor - Für Anwendungen, die nicht biologisch abbauen sollen (langlebige Gebrauchsgüter) - Zu verarbeiten auf konventionellen Maschinen

12 5. Lignin als Basis für Kunststoffe -ARBOBLEND - Mischung aus den Biopolymeren: PHV und PHB (zuckerbasiert), natürlichem Polyester, Stärke, PLA, Lignin, Naturharzen-, wachsen und ölen, natürlichen Fettsäuren, Cellulose, biologischen Additiven und natürlichen Fasern - Gleichen dem mechanischen Eigenschaftsprofil nach schlagzähen Kunststoffen wie ABS - Basiert auf nachwachsenden Ressourcen - Baut vollständig biologisch ab - Konform mit Verordnung (EG) 1935/2004 über Materialien und Gegenstände, die dazu bestimmt sind, mit Lebensmitteln in Berührung zu kommen - Abwandlung Arboflex: Weichmacher auf Basis von nachwachsenden Ressourcen. Ähnliche Eigenschaften wie Polyethylen (zb für Dichtlippen).

13 Tensile stzress [MPa] ARBOFORM F45 ARBOFORM ZE50 ARBOFILL Fichte ARBOBLEND V5 PP ARBOFORM L,V3 ARBOBLEND V1 ARBOBLEND V2 ARBOBLEND V3 ARBOBLEND V4 ABS PS POM PC SAN Ligninbasierte Biokunststoffe 5. Lignin als Basis für Kunststoffe Eigenschaftsvergleich Zugfestigkeit ARBOFORM, ARBOFILL, ARBOBLEND and plastics at +23 C 80 ARBOFORM F45 70 ARBOFORM ZE50 ARBOFORM L,V3 60 ARBOFILL Fichte ARBOBLEND V1 50 ARBOBLEND V2 ARBOBLEND V ARBOBLEND V4 ARBOBLEND V5 PS ABS SAN PP PC POM

14 ARBOFORM F45 ARBOFORM F60 ARBOFORM ZE50 ARBOFORM L,V3 ARBOFILL Fichte PS SAN POM-CF20 PS-CF ABS-GF20 SAN-GF35 ARBOBLEND V1 PP PP-GF30 ARBOBLEND V2 ABS ARBOBLEND V3 POM Ligninbasierte Biokunststoffe 5. Lignin als Basis für Kunststoffe Eigenschaftsvergleich Schlagzähigkeit ARBOFORM, ARBOFILL, ARBOBLEND and other plastics at +23 C kj/m² ARBOFORM F45 ARBOFORM F60 ARBOFORM ZE50 ARBOFORM L,V3 ARBOFILL Fichte ARBOBLEND V1 ARBOBLEND V2 ARBOBLEND V3 PS ABS PP SAN POM PS-CF ABS-GF20 PP-GF30 POM-CF20 SAN-GF35

15 5. Lignin als Basis für Kunststoffe biologische Abbaubarkeit - Es muss unterschieden werden zwischen Kompostierbarkeit und biologischer Abbaubarkeit - Hier vorgestellte Biokunststoffe sind nicht kompostierbar, bauen aber biologisch ab (längerer Zeitraum) - Kompostierbarkeit vor allem wichtig bei kurzlebigen Artikeln wie Verpackungsfolien oder Plastiktüten - Chart: Norm DIN EN ISO 14851:2004 liefert Erkenntnisse hinsichtlich der Bioabbaubarkeit in einer natürlichen Umgebung. Die Probe wird dabei in einem wässerigen Medium unter Laborbedingungen einem Gemisch von Kompost, Bodenmasse und Schlamm ausgesetzt. - Diese Norm ist Teil der Norm für Kompostierbarkeit EN ISO 13432

16 6. Einsatzmöglichkeiten und Grenzen verabeitungstechnische Herausforderungen (1) - Werden nun konventionelle Kunststoffe zu Gunsten von Biokunststoffen unmittelbar abgelöst? -> Nein - Viele Anwendungen -> petrochemisch basierte KS wegen Summe der Eigenschaften bessere Wahl - Anwendungen werden aber zunehmen, Einsatz kann Nachhaltigkeit verbessern - Biokunststoffe stehen am Anfang der Entwicklung, junge Disziplin (ausser PLA)

17 6. Einsatzmöglichkeiten und Grenzen verabeitungstechnische Herausforderungen (1) - Weniger Erfahrungen vorhanden als mit konventionellen Kunststoffen - Vor allem bei technischen Teilen und rigiden Verpackungen - Bei einfachen Teilen wie Blumentöpfen oder bei flexiblen Verpackungen gibt es Erfahrungen - Beispiel: bioabbaubare Plastiktüten - Langzeitdaten fehlen -> bei langlebigen Gütern wichtig - Entwicklungsprozess und damit Time to Market kann dadurch erschwert werden (Test, Validierungen) - Unternehmen, die schon Erfahrungen mit BioKS haben, sind im Vorteil und erreichen mit ihren Kunden die Ziele schneller.

18 6. Einsatzmöglichkeiten und Grenzen verabeitungstechnische Herausforderungen (1) - Schwierigere Verarbeitung (Geruch, Zyklen höher, andere Schwindung, bessere Entlüftung im Werkzeug, Düsenquerschnitt) - Normale Werkzeuge müssen angepasst werden, andere Maschinenparameter - Inhomogenitäten, besonders bei Füllstoffen -> bei engen Toleranzen schwierig - Arboblend lässt sich gut verarbeiten - Uneinheitliche und unvollständige Eigenschafts- und Werkstoffdaten - Kleinere Typenvielfalt als bei konventionellen Kunststoffen - Zulassungen nicht immer vorhanden: Einschränkungen bei Anwendung

19 6. Einsatzmöglichkeiten und Grenzen verabeitungstechnische Herausforderungen (1) - Uneinheitliche und unvollständige Eigenschafts- und Werkstoffdaten - Entwicklung hat sich bisher auf kurzlebige und Wegwerfartikel konzentriert wie Verpackungsfolien oder Trinkbecher - Kompostierbarkeit stand im Zentrum der Überlegungen - Für technische Teile und Verpackungen mit längerer Lebensdauer fehlen die Langzeiterfahrungen und - daten - Kleinere Typenvielfalt als bei konventionellen Kunststoffen - Zulassungen nicht immer vorhanden: Einschränkungen bei Anwendung

20 6. Einsatzmöglichkeiten und Grenzen verabeitungstechnische Herausforderungen (1) - Kleinere Typenvielfalt als bei konventionellen Kunststoffen - Konventionelle Kunststoffe: überwältigende Anzahl Typen, Additive: fast jedes Eigenschaftsprofil kann abgedeckt werden - Bei Biokunststoffen nur ein Bruchteil davon -> Einschränkungen bei der Bauteilkonstruktion - Derzeit ca Biopolymertypen kommerziell erhältlich (= bestellbar) - Zahl wird sich erhöhen

21 6. Einsatzmöglichkeiten und Grenzen verabeitungstechnische Herausforderungen (1) - Zulassungen nicht immer vorhanden: Einschränkungen bei Anwendung - Einholen von Zulassungen ist aufwendig : Zeit- und Kostenaufwand - Regulierungsdichte wird zunehmen -> besondere Herausforderungen für Biokunststoffhersteller

22 6. Einsatzmöglichkeiten und Grenzen verabeitungstechnische Herausforderungen (2) - Limitierte Verfügbarkeit (geschätzte Mio Jato, konventionelle Kunststoffe 250 Mio Jato) - Für ligninbasierte Kunststoffe Tonnen pro Jahr - PLA bereits Tonnen allein durch Nature Works

23 6. Einsatzmöglichkeiten und Grenzen verabeitungstechnische Herausforderungen (2) - Einschränkungen bei den Eigenschaften (Barriere, Beständigkeit) - Beispiel PLA: hohe Wasserdampfdurchlässigkeit -> Barriere, zb SiOx - Bei Früchten und Brot gasaustausch erwünscht (keine Perforierung mehr nötig) - Sauerstoffbarriere bei PLA gut -> Aromaschutz - Geblasene Körper: Coextrusion Multilayer-Ansatz (Bio KS und PET, zb) -> Delamination? - Derzeit laufen Versuche mit Arbowerkstoffen - Chemische und thermische Beständigkeit: unvollständige Daten, PLA nur Grad. Chem. Defizite zu PP - Arboblend HAT: 150 Grad, es gibt auch PLA mit vergleichbarem Temperaturrange

24 6. Einsatzmöglichkeiten und Grenzen verabeitungstechnische Herausforderungen (2) - Höhere Preise - PLA unter EUR 2/KG, Übrige Bio KS bis zu EUR 15 / KG - Vergleich: PE zum Spritzgiessen EUR 1,30 / KG - Kapazitäten werden wachsen - Verbreitung wird zunehmen - Druck auf Preise nach unten - Sind die Marktpartner bereit, für Nachhaltigkeit und Ökologie einen Mehrpreis zu entrichten? - Oder gilt in der Wirtschaft das Primat der ausschliesslich renditeorientierten Finanzindustrie, welche den Nutzen einzig und allein in monetären Grössen misst?

25 6. Einsatzmöglichkeiten und Grenzen verabeitungstechnische Herausforderungen (2) - Verbesserung der ökologischen Aspekte bei konventionellen Kunststoffen - Recyclingmassnahmen (stofflich, thermisch) - Produktionsmassnahmen: weniger Materialeinsatz - Additivierung mit umweltfreundlichen Soffen - Nur 4% des Erdöls geht in die KS Produktion

26 7. Ausblick - Trotz diesen Schwierigkeiten: Verbreitung von Biokunststoffen wird zunehmen - Indikatoren: weltweit ca Patentschriften, vor 20 Jahren waren es weniger als Viele grosse Hersteller konventioneller Kunststoffe bieten auch Biokunststoffe an - Branchenverband European Bioplastics: Mit den heutigen Biokunststofftypen lassen sich etwa 5-10% des heutigen Kunststoffmarktes abdecken, dazu kommen gänzlich neue Anwendungen wie z.b. kompostierbare Folienprodukte. Dieses technische Potenzial ist bei weitem nicht ausgeschöpft: Biokunststoffe stehen noch am Anfang ihrer Entwicklung, ihr Marktanteil liegt heute bei deutlich unter einem Prozent. Der Markt wächst, in vielen Anwendungsbereichen, z.b. bei Verpackungen oder Landwirtschaftsfolien, steigen Anzahl und Menge dynamisch an. - Auch in der weiteren Zukunft wird es ein Nebeneinander und nicht Gegeneinander von konventionellen und biobasierten Kunststoffen geben - Ermitteln der Anforderungen -> optimale Materailwahl -> sicheres, funktionelles, nachhaltiges und günstiges Produkt

27 8. Quellenangaben und Rückfragen Quellen: - Tecnaro GmbH - Technische Biopolymere (Endres, Siebert-Raths, Hanser 2009) - European Bioplastics - Wikipedia - Eigene Erhebungen Rückfragen: Patrick Semadeni Semadeni AG Tägetlistrasse CH-3072 Ostermundigen Tel (0) patrick.semadeni@semadeni.com Die vorgestellten Produkte aus Biokunststoff können bei Semadeni AG bezogen werden. Webshop unter