Biokunststoffe Überblick und aktuelle Trends in der Biokunststoffwelt

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1 Biokunststoffe Überblick und aktuelle Trends in der Biokunststoffwelt

2 Begriffsdefinition Derzeit noch KEINE einheitliche und international anerkannte Definition des Begriffes... trotz ISO Bio-Kunststoffe (Definition nach European Bioplastics) Kunststoffe, die auf Basis nachwachsender Rohstoffe hergestellt werden Biologisch abbaubare Kunststoffe, welche alle Kriterien von wissenschaftlich anerkannten Normen zum Nachweis der biologischen Abbaubarkeit und Kompostierbarkeit von Kunststoff(produkt)en erfüllen (in EU: EN / EN 14995) EN 13432: Verpackung - Anforderungen an die Verwertung von Verpackungen durch Kompostierung und biologische Abbau - Prüfschema und Bewertungskriterien für die Einstufung von Verpackungen EN 14995: Kunststoffe - Bewertung der Kompostierbarkeit - Prüfschema und Spezifikationen

3 Geschichte der Kunststoffe Quelle: SPAR, 2007 Quelle: BASF, 2012 Quelle: PET-Recycling

4 Marktdaten: Produktionskapazität Quelle: European Bioplastics

5 Marktdaten: Verteilung Anwendungsgebiete von Biokunststoffen (2011) Quelle: Endres et.al., Kunststoffe 09/2011

6 Kunststoffe als Verpackung Kunststoffanteile am deutschen Verpackungsmarkt % Kunststoff 32% 41% Glas Metall / Alu 19% 7% Papier, Pappe und Karton

7 Biologisch abbaubare Kunststoffe (BAW) Im wesentlichen 4 BAW-Produktklassen: Stärkewerkstoffe (thermoplastische Stärke und Stärke-Blends, extrudierte Stärke) Polymilchsäure (PLA, PLA-Blends) Polyhydroxyalkanoate (PHB, PHV, PHBV...) Cellulosewerkstoffe (Zellglas, CA, CAB...)

8 Biologisch abbaubare Kunststoffe Kommerziell verfügbare BAW

9 Abbaubare Kunststoffe aus nachwachsenden Rohstoffen

10 Thermoplastische Stärke Eigenschaften TPS (thermoplastische Stärke) hat als reiner Werkstoff betrachtet kaum Anwendungen Werkstoff T g [ C] T m [ C] Zugfestigkeit [MPa] E-Modul [MPa] TPS PP PET PS LDPE Als Blend- oder Compound-Partner zur Steigerung der Festigkeit und Nachhaltigkeit Quelle: Jamshidian et al., Comprehensive Reviews in Food Science and Food Safety, 2010, 9,

11 Thermoplastische Stärke Verarbeitung Hauptsächlich TPS-Blends im Einsatz (30 50 % TPS-Gehalt) Biologisch abbaubare Polyester aus petrochemischen Rohstoffen (basierend auf 1,4-Butandiol, Adipinsäure und Terephthalsäure) Biologisch abbaubare Kunststoffe aus nachwachsenden Rohstoffen Entsprechende Trocknung notwendig Für alle gängigen Verarbeitungstechnologien geeignet außer Faserspinnen (TPS-Blend) Verarbeitungstemperatur schwankt in großem Bereich ( C) Verfügbarkeit: div. Lieferanten für TPS bzw. TPS-Blends Quelle: Jamshidian et al., Comprehensive Reviews in Food Science and Food Safety, 2010, 9,

12 Anwendungsbeispiele thermoplastische Stärke Quelle: Spar Quelle: Christian Gahle, nova-institut GmbH Quelle: DuPont

13 Polymilchsäure Herstellung Milchsäure aus Fermentation (90 %) oder chemischer Synthese

14 Polymilchsäure Eigenschaften Je nach D/L Anteile im Polymergerüst amorpher, transparenter oder teilkristalliner Kunststoff Ähnliche Verarbeitungseigenschaften wie erdölbasierende Polymere Werkstoff Tg [ C] Tm [ C] Zugfestigkeit [MPa] E-Modul [MPa] PLA PP PET PS LDPE Quelle: Jamshidian et al., Comprehensive Reviews in Food Science and Food Safety, 2010, 9,

15 Polymilchsäure Verarbeitung & Anwendung Verarbeitung am besten auf PET Anlagen Wie alle Polyester scherempfindlich Für sämtliche Verarbeitungstechnologien geeignet außer Extrusionsblasformen Recycling problematisch Direkte Anwendung als Verpackungsmaterial (Becher, Folien, etc.) Einsatz als Beschichtung für Papier und Textilbereiche Verfügbarkeit: NatureWorks, Natureplast, Cereplast (Blends) Quelle: Jamshidian et al., Comprehensive Reviews in Food Science and Food Safety, 2010, 9,

16 Polyhydroxyalkanoate Herstellung Hauptsächlich Fermentation ~ 300 Bakterien bekannt, die PHA als Energiespeicher nutzen (Alcaligenes sp.) Max. Produktionsrate 3 5 g/(kg*h) (Antibiotika ~ 1 g/(kg*h)) Quelle: Enders und Sieberth-Raths, Technische Biopolymere, Hanser, 2011

17 Polyhydroxyalkanoate Herstellung Optisch aktive, aliphatische Polyester Großes Modifikationsspektrum (Wirkung als Copolymer) Wichtigste Vertreter: Polyhydroxybutyrat (PHB), Polyhydroxyvalerat (PHV), Polyhydroxyhexonat (PHH), Polyhydroxyoctanoat (PHO) Quelle: Enders und Sieberth-Raths, Technische Biopolymere, Hanser, 2011

18 Polyhydroxyalkanoate Eigenschaften Hauptsächlich PHB/PHV Werkstoff Copolymergehalt [mol %] Schmelzpunkt [ C] Zugfestigkeit [MPa] E-Modul [MPa] PHA PHB PHB/PHV PHV PHB/PHV PHV PHB/PHV PHV PP PET PS LDPE Quelle: Enders und Sieberth-Raths, Technische Biopolymere, Hanser, 2011 Jamshidian et al., Comprehensive Reviews in Food Science and Food Safety, 2010, 9,

19 Polyhydroxyalkanoate Verarbeitung Wird hauptsächlich im Spritzguss, durch Extrusion und Extrusionsblasen verarbeitet Niedrigviskos -> am besten auf PP-Anlagen zu verarbeiten Großes Spektrum an Anwendungen aufgrund vieler, gut einstellbarer Parameter (Additive, Copolymere, ) > 190 C thermische Schädigung des Materials Verfügbarkeit: Biomer, PHB Industrial, Metabolix Prinzipiell für Flaschen und Folien geeignet

20 Nicht-abbaubare Kunststoffe aus nachwachsenden Rohstoffen

21 PEF Polyethylen-Furanoat

22 PEF Polyethylen-Furanoat

23 PEF Polyethylen-Furanoat, Eigenschaften Bessere Barriere-Eigenschaften: Sauerstoff-Barriere ist bis 10x höher als bei PET Kohlendioxid-Barriere ist bis zu 4x höher als bei PET Wasserdampf-Barriere ist bis zu 2x höher als bei PET Attraktive thermische Eigenschaften: Tg von PEF ist 86 C (PET 74 C) Tm von PEF ist 235 C (PET 265 C) Recycling von PEF Flaschen ähnlich PET

24 PEF Polyethylen-Furanoat

25 Nicht-abbaubare Kunststoffe aus nachwachsenden Rohstoffen am Beispiel Ethanol

26 Biopolyolefine Herstellung & Eigenschaften Ethanol wird aus Zuckerrohr gewonnen und zu Ethen umgewandelt 100 % aus nachwachsenden Rohstoff Lieferant: Braskem Größte Produktionskapazitäten (bis 2015) Rezyklierbarkeit gegeben LDPE & PP Typen: bis 2015 Quelle: Enders und Sieberth-Raths, Technische Biopolymere, Hanser, 2011

27 Biopolyolefine Eigenschaften Verarbeitung ident mit konventionellen PE Werkstoff Schmelzpunkt [ C] Zugfestigkeit [MPa] E-Modul [MPa] Bio-HDPE ~ Bio-LLDPE ~ HDPE LLDPE Quelle: Enders und Sieberth-Raths, Technische Biopolymere, Hanser, 2011 Jamshidian et al., Comprehensive Reviews in Food Science and Food Safety, 2010, 9,

28 Biopolyurethan Eigenschaften Chemisch betrachtet ident mit konventionellen PU Bio-Anteil durch Polyole (Alkohole, Fettsäuren Natural Oil Polyols) Ähnliches Profil hinsichtlich Verarbeitung (z.b. Reaktionspritzguss) Für alle Produkte geeignet (z.b. Beschichtungen, Klebstoffe, Dichtungen, Hartschaum, Weichschaum, etc.) Lieferanten: BASF, Merquinsa Quelle: Enders und Sieberth-Raths, Technische Biopolymere, Hanser, 2011

29 Biopolyamid Herstellung Homopolyamide: Polyamid 11 (Aminoundecansäure basierend auf Rizinusöl) Polyamid 6 (basierend auf biogenem Caprolactam) Copolyamide: Polyamid 6 10: < 62 % nachwachsender Anteil (Sebacinsäure basierend auf Rizinusöl) Polyamid 10 10: bis zu 100 % (Decamethylendiamin und Sebacinsäure basierend auf Rizinusöl) Polyamid 10 12: < 45 % nachwachsender Rohstoffe (Decamethylendiamin basierend auf Rizinusöl) Quelle: Enders und Sieberth-Raths, Technische Biopolymere, Hanser, 2011

30 BioPA Eigenschaften Ähnliche Verarbeitungseigenschaften wie erdölbasierende Polyamide Bio-PA 11 für Spritzguss und Folien geeignet, andere Typen nur Spritzguss Lieferanten: Bio-PA 11 (Arkema), Bio-PA (Evonik) Werkstoff Tg [ C] Tm [ C] Zugfestigkeit [MPa] E-Modul [MPa] Bio-PA Bio-PA Bio-PA Bio-PA Quelle: Enders und Sieberth-Raths, Technische Biopolymere, Hanser, 2011 Jamshidian et al., Comprehensive Reviews in Food Science and Food Safety, 2010, 9,

31 Anbaufläche von Biokunststoffen Quelle: Nachhaltigkeit und biobasierte Werkstoffe Impulsvortrag von Dr.-Ing. Andrea Siebert-Raths ifbb Hannover

32 Marktausblick Biopolymere

33 Weitere Trends und Zusammenfassung Biopolymere Erhöhter Einsatz von nachwachsenden Rohstoffen auch in konventionellen Kunststoffen (z.b. PET) Dadurch bessere Eigenschaftsprofile (z.b. Haptik, Faserverstärkung)

34 Vielen Dank! Lukas Rettenbacher T: E: Lukas.Rettenbacher@ofi.at OFI Österreichisches Forschungsinstitut für Chemie und Technik Brehmstraße 14a 1110 Wien +43-(0) (0)