Kunststoffe auf Basis nachwachsender Rohstoffe

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1 Kunststoffe auf Basis nachwachsender Rohstoffe Eigenschaften, Einsatzmöglichkeiten und limitierende Faktoren Fachtagung Materialauswahl und Ressourceneffizienz Hamburg, 05. Dezember 2012 Hendrik Roch Fraunhofer UMSICHT Geschäftsfeld Nachwachsende Rohstoffe

2 Gliederung Biokunststoff - was ist das? Vom Rohstoff zum Biokunststoff Der Biokunststoffmarkt heute Verarbeitung und Limitierungen Eigenschaften ausgewählter Biokunststoffe und Beispiele Folie 2

3 BIOKUNSTSTOFF - WAS IST DAS? Folie 3

4 Definition Biokunststoffe Eine allgemeine Definition des Begriffs Biokunststoffe existiert nicht. Zwei unterscheidbare Klassen verstanden: Kunststoffe auf Basis nachwachsender Rohstoffe (Nawaro) Biologisch abbaubare Kunststoffe Fossil-basiert Bioabbaubar Nawaro-basiert Bioabbaubar Fossil-basiert Nicht bioabbaubar Nawaro-basiert Nicht bioabbaubar Folie 4

5 Einteilung der Biokunststoffe Biologisch abbaubar BIOPOLYMERE BIOPOLYMERE Petrochemische z.b. PVOH, PCL, PBAT, PET PBS z.b. PLA, PHA, Cellophane, Stärke-Blends Nachwachsende Rohstoffe (Erdöl) KONVENTIONELLE POLYMERE z.b. PE, PP, PS, PC, ABS, PVC BIOPOLYMERE z.b. CA, Bio-PE, Bio-PP, Bio-PA Bio-PET Rohstoffe Nicht biologisch abbaubar Folie 5

6 Erzeugung biobasierter Kunststoffe Nutzung der Syntheseleistung der Natur Monomerherstellung durch Fermentation Thermochemische Umwandlung Stärke, PHA, Cellulosederivate Lactid, Propandiol, Bioethanol, Bernsteinsäure Sebacinsäure TPS PHB/V CA PLA PPT PBS PE, PP PA Folie 6

7 DER BIOKUNSTSTOFFMARKT HEUTE Folie 7

8 Aktueller Stand biobasierte Kunststoffe Bio-PS Bio-PBT Bio-PP Bio-PVC Bio-PBS Bio-PET PEF PHB/V Andere PHA PHBV PTT, mit Bio-PDO Bio-PUR TPE, mit Bio-PDO Bio-PA Bio-PE Celluloseacetat PLA Stärkebasierte Kunststoffe Idee Forschung Muster erhältlich Kommerzielle Mengen Industrielle Großproduktion PA: Polyamide PBS: Polybuthylensuccinat PBT: Polybuthylenterephthalt PDO: Propandiol PE: Polyethylen PEF: Polyethylenfuranoat PET: Polyethylenterephthalat PHA: Polyhydroxyalkanoate PHB: Polyhydroxybutyrat PHBV: Polyhydroxybutyrat-Co- Valerat PHV: Polyhydroxyvalerat PLA: Polylactid PP: Polypropylen PS: Polystyrol PTT: Polytrimethylenterephthalat PUR: Polyurethan TPE: Thermoplastische Elastomere Folie 8

9 Weltweite Produktionskapazität Biokunststoffe Weltweite Produktionskapazität für Biokunststoffe ab 2010 über 1 Mio. Tonnen/Jahr Stand 2012: ca. 1,5 Mio. Tonnen/Jahr (0,6 % der ges. Kunststoffmenge) Langfristiges Potenzial weltweit: 20 Mio. Tonnen/Jahr Langfristiges Potenzial Westeuropa: 5 Mio. Tonnen/Jahr Folie 9

10 Anforderungen an Biokunststoffe Biokunststoffe müssen sich dem Wettbewerb konventioneller Kunststoffe stellen: Geforderte Eigenschaften erfüllen, insbesondere hinsichtlich Langlebigkeit Preislich konkurrenzfähig sein Zuverlässig in reproduzierbarer Qualität verfügbar sein Die Eigenschaften aller heute verfügbarer Biokunststoffe müssen an die Anforderungen der Industrie angepasst werden. Foto: Pixelio.de Folie 10

11 VERARBEITUNG UND LIMITIERUNGEN Folie 11

12 Verarbeitung und limitierende Faktoren Roh-Biokunststoffe sind auf herkömmlichen Maschinen nur eingeschränkt verarbeitbar Thermisch sensitiv & schersensitiv eingeschränkes Verarbeitungsfenster Teilweise unverträglich mit anderen (Bio-) Kunststoffen Hydrolytischer Abbau Vortrocknung der meisten Biokunststoffe! Roh-Biokunststoffe haben z.t. eingeschränkte Materialeigenschaften Geringe Temperaturbeständigkeit Geringe Barriereeigenschaften Folie 12

13 Entwicklung maßgeschneiderter Produkte Verstärkungsstoffe Mechanische Eigenschaften Optik Biologische Abbaubarkeit/ Langlebigkeit Füllstoffe Maßgeschneidertes Compound Additive Rohkunststoffe Haptik Wärmeformbeständigkeit Verarbeitbarkeit Folie 13

14 EIGENSCHAFTEN AUSGEWÄHLTER BIOKUNSTSTOFFE UND BEISPIELE Folie 14

15 Polymilchsäure PLA Polymerisiert aus Milchsäure (aus Mais, Reis, Kartoffeln oder Tapioka) Sehr gute Chemikalienbeständigkeit Einfache Verarbeitung Brüchig, tiefe Temperaturbeständigkeit Anwendung Spritzguss Blas- und Flachfolien E-Modul [GPa] 3,5-4,0 Zugfestigkeit [MPa] Bruchdehnung [%] 5-10 Charpy- Schlagzähigkeit Verarbeitungstemperatur Optik [kj/m²] [ C] transparent / opak Fasern Beschichtungen Fotos: NatureWorks / Huhtamaki / Purac Folie 15

16 Thermoplastische Stärke TPS Chemisch und thermisch modifiziert Gute und schnelle biologische Abbaubarkeit, wasserlöslich Sehr elastisch Schlechte Hydrolysebeständigkeit Anwendung Blas- und Flachfolien E-Modul [GPa] 0,6-0,85 Zugfestigkeit [MPa] Bruchdehnung [%] 2-5 Charpy- Schlagzähigkeit Verarbeitungstemperatur Optik [kj/m²] 30 [ C] weiß Schaumtrays Beschichtungen Fotos: Novamont.com Folie 16

17 Celluloseacetat CA Grundeigenschaften vergleichbar mit PS Hoher Glanzeffekt mit geringer Trübung Sehr gute chemische Beständigkeit Schmelzeverarbeitung nur durch Modifizierung (äußere Weichmachung) hoher Preis Anwendung E-Modul [GPa] 1,6-3,0 Zugfestigkeit [MPa] Bruchdehnung [%] Charpy- Schlagzähigkeit Verarbeitungstemperatur Optik [kj/m²] 80 [ C] transparent Spritzguss Folienextrusion Z.B. Verpackungen, Kosmetikartikel, Schaum Fotos: Fujitsu / FKuR.com Folie 17

18 Polyhydroxyalkanoate PHA aus Zucker oder Stärke fermentativ hergestellter Polyester Gute Barriereeigenschaften Sehr gut biologisch abbaubar Sehr flexibel (PHV) bis sehr steif (PHB) Nachkristallisation Anwendung E-Modul [GPa] 0,8-3,5 Zugfestigkeit [MPa] Bruchdehnung [%] 3-18 Charpy- Schlagzähigkeit Verarbeitungstemperatur Optik [kj/m²] 5-60 [ C] weiß Spritzguss Blasfolien Z.B. Gartenbau, Catering Folie 18 Fotos: Metabolix.com Foto: umn.edu

19 Polybutylensuccinat PBS Partiell biobasiert (bis zu 40%) Technischer Biokunststoff, ähnlich PBT Flexibel Hohe Stabilität Biologisch abbaubar Anwendung E-Modul [GPa] 0,3-0,65 Zugfestigkeit [MPa] Bruchdehnung [%] Verarbeitungstemperatur Optik [ C] weiß Spritzguss Copolymer Blas- und Flachfolienextrusion Z.B: Verpackungen, Siegelschicht, Mulchfilm, Engineering Plastic Foto: Mitsubishi / Showa Denko Folie 19

20 Polybutylenadipat-terephthalat PBAT Weicher Kunststoff, ähnlich LD-PE Sehr gute Kompatibilität zu PLA Fossil basiert, aber biologisch abbaubar E-Modul [GPa] 0,1 Zugfestigkeit [MPa] 8 Bruchdehnung [%] Anwendung Schrumpf- und Verpackungsfolien Blasfolien Papierbeschichtung Verarbeitungstemperatur Optik [ C] transparent Z.B. Tragetaschen, Kompostbeutel, Mulchfolien Fotos: BASF.com Folie 20

21 BEISPIELE FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG Folie 21

22 Beispiel F+E bei Fraunhofer UMSICHT: Schaumextrusion von Celluloseacetat Ziele Entwicklung biobasierter tiefziehfähiger extrudierter Schaumfolien für Verpackung (insb. Heißspeisen) = Ersatz für PS Wärmeformbeständigkeit (PLA) Beständigkeit gegen Öle, Fette, Feuchte (Stärke) Hohe Dimensionsstabilität und Flexibilität der Trays Nahrungsmittelzulassung Schaumfolienextrusion mittels chemischer und physikalischer Treibmittel Folie 22

23 Beispiel EU-Projekt ECOplast: Neue Biowerkstoffe für den Automobilbau Ziele Neuartige Biokomposite, Basis Biopolymermatrix Verstärkung mit Naturfasern, Nanofüllstoffen, mineralischen Füllstoffen und Additiven Anpassung an konventionelle Verarbeitungsverfahren der Automobilindustrie Verwendung neuer Verarbeitungstechnologien Anwendungen in der Automobilindustrie FP7-NMP / GA nº Folie 23

24 Beispiel EU-Projekt MouldPulp: Biocompound für Spritzgussanwendungen Ziele Entwicklung eines Compounds aus PLA und Cellulosefasern für Spritzgussanwendungen Optischer Eindruck und haptische Wahrnehmung stehen verstärkt im Fokus Entwicklung eines neuartigen Compoundier- Prozesses Technisch-ökonomische Bewertung, LCA Projektpartner Innventia AB, Södra Skogsägarna Ekonomisk Förening, FKuR Kunststoff GmbH, Elastopoli Oy, Hammarplast Consumer AB, nova-institut GmbH, Fraunhofer UMSICHT Folie 24

25 Fazit Unterscheidung zwischen biologischer Abbaubarkeit als Funktionalität und nachwachsende Rohstoffe als erweiterte Ressource. Biokunststoff-Bedarf wächst in allen Branchen! Bio-Rohkunststoffe alleine erfüllen selten die Prozessanforderungen und die Anforderungen an das Produkt. Das Compoundieren und Additivieren existierender Bio-Rohkunststoffe ist der Schlüssel zur Anpassung und Differenzierung. Forschung und Entwicklung an neuen Biokunststoffen wird noch weit mehr Anwendungsfelder insbesondere für mittel- und langlebige Produkte eröffnen. Folie 25

26 FRAUNHOFER UMSICHT Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Noch Fragen? Foto: photocase.de Kontakt: Hendrik Roch Tel: +49 (0) 208 / Fax: +49 (0) 208 / Fraunhofer UMSICHT hendrik.roch@umsicht.fraunhofer.de Osterfelder Str Oberhausen