Biokunststoffe – es geht voran Wie wird Polybutylensuccinat aus pflanzlichen Reststoffen hergestellt?

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K-Profile AG Innovationen in Kunststoff

K-Profile AG Innovationen in Kunststoff

Die Entwicklung einer ganzheitlich nachhaltigen Wertschöpfungskette und Weiterentwicklungen der Materialien erhöhen die Einsatzmöglichkeiten von Biokunststoffen beträchtlich und geben ein Beispiel dafür, wie Bioökonomie umgesetzt werden kann.

Kunststoffmaterialien bieten einzigartige Eigenschaftskombinationen und sind unersetzlich für alle Bereiche unseres Lebens. Im Gegensatz zu Glas, Metall oder Keramik sind Kunststoffe leicht form- und verarbeitbar und können ein ideales Verhältnis aus Barrierewirkung, Isolationseigenschaften und mechanischen Festigkeiten ermöglichen. Keine andere Materialklasse vereinigt Flexibilität, Zähigkeit oder Barrierewirkung mit gleichzeitig so hoher Langlebigkeit des Materials, geringen Materialdichten und hoher Kosteneffizienz. Kunststoffe bieten eine riesige Vielfalt an Einsatzmöglichkeiten und sind unersetzlich, egal ob bei Verpackungen, im Konsumgüterbereich oder in der Luft- und Raumfahrttechnik. Aufgrund dieser Vielfalt werden jährlich weltweit rund 368 Mio. t Kunststoff produziert. Etwa 90 % der produzierten Menge fällt dabei auf die sogenannten Massenkunststoffe wie PE, PP, PET oder PS. Etwa 99 % der jährlich hergestellten Kunststoffe sind erdölbasiert. Die jährlich steigenden Produktionsmengen in Verbindung mit der hohen Langlebigkeit der Materialien verursachen jedoch auch Probleme. Zum einen ist es die Abhängigkeit von fossilen Rohstoffen, die vor dem Hintergrund CO2 und Klimawandel, aber auch der brisant gewordenen Versorgungslage das Erschließen anderer, nachhaltiger Rohstoffquellen erforderlich werden lässt. Zum anderen sind es Entsorgungsprobleme und der unvermeidbar erfolgende Eintrag von Makro- und Mikroplastik in alle Bereiche der Umwelt. Dieser stellt ein immer größer werdendes Problem dar, auch in der öffentlichen Darstellung. Denn nicht nur die Natur leidet, auch Teile der Kunststoffindustrie geraten in zunehmendem Maße in einen schlechten Ruf; Abhilfe ist dringend gefordert.

Das Projekt Rubio, PBS im Fokus

Diesen beiden Grundproblemen widmet sich seit einem Jahr das Forschungsprojekt Rubio, das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen des Förderprogramms Rubin gefördert wird. Rubin richtet sich an regionale unternehmerische Bündnisse für Innovationen und Strukturwandel in Deutschland. Ausgehend von langjährigen vorbereitenden Aktivitäten zweier Fraunhofer Institute, IAP in Potsdam-Golm/Schwarzheide und IMWS in Halle/Schkopau, hat sich ein großes mittel- und ostdeutsches Konsortium aus namhaften Industrieunternehmen sowie kompetenten Forschungseinrichtungen gebildet, das in mehreren Unterprojekten diese Themenkomplexe aufgreift und Lösungen erarbeitet. Im Fokus steht dabei der Biokunststoff PBS, mit dem sich mit entsprechendem Know-how ein ähnliches mechanisch-physikalisches Eigenschaftsprofil einer Vielzahl von konventionellen, petrobasierten Massenkunststoffen abdecken lässt. Viele Produktanwendungen sind realisierbar.

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Am Kunststoffmarkt beginnt sich derzeit eine vielversprechende Kunststoffklasse, die sogenannten Biokunststoffe, in zunehmendem Maße zu etablieren. Sie weisen Verarbeitungseigenschaften auf, die mit denen klassischer erdölbasierter Kunststoffe vergleichbar sind, und sie eignen sich für eine große Zahl verschiedener Einsatzmöglichkeiten, häufig Gegenstände des täglichen Bedarfs. Die wichtigsten Biokunststofftypen sind PLA und PBS. Neben Recyclingfähigkeit auf dem Niveau der klassischen Kunststoffe bringen sie zwei zusätzliche Vorteile mit, die Lösungsbeiträge für die oben genannten Problemstellungen, Abhängigkeit von fossilen Rohstoffen und zunehmende Verschmutzung der Umwelt mit Kunststoffen, bieten. Zum einen sind sie biobasiert, also auf Basis pflanzlicher Wert- und auch Reststoffe herstellbar und leisten somit einen Beitrag zur Förderung der Bioökonomie, der Defossilisierung und zur Reduktion des CO2-Eintrags in unsere Umwelt. Zum anderen sind sie in der Umwelt unter hiesigen klimatischen Verhältnissen biologisch abbaubar, sie zersetzen sich also in Zeiträumen von zum Beispiel ein bis zwei Jahren vollständig in CO2 und Wasser. Hier gilt in etwa eine Analogie zum Abbauverhalten von Holz.

Auch bei Biokunststoffen gilt: Recycling hat Vorrang

Es ist für das richtige Verständnis des Konzeptes von großer Bedeutung, hervorzuheben, dass Sammeln & Recyceln auch für Biokunststoffe das vorrangige End-of-Life-Scenario darstellt. Das Thema Abbaubarkeit kommt erst dann ins Spiel, wenn Kunststoffteile, klein oder groß, in die Umwelt gelangen. Gründe für den Eintrag von Kunststoffen in die Umwelt sind in erster Linie Transport-und Umfüllverluste, unsachgemäßes Entsorgen oder auch Abriebvorgänge. Konventionelle Kunststoffmaterialien benötigen mehrere Jahrhunderte, um sich in der Umwelt abzubauen. So akkumulieren sie dort mehr und mehr und verursachen in stark zunehmendem Maße ökologische Probleme mit den genannten nachteiligen Folgen. Abbaubare Kunststoffe liefern einen Beitrag zum Verringern dieses Problems. Genau wie klassische Kunststoffe können auch Biokunststoffe in Sortierbetrieben mittels Infrarot-Technologien erkannt und fraktioniert werden, woran innerhalb des Projektkonsortium ebenfalls gearbeitet wird.

Auf dem Weg zu einer klimaneutralen Zukunft müssen verschiedenste Rädchen ineinander greifen. Doch wie schaffen wir es, die Dekarbonisierung unserer Gesellschaft umzusetzen? Biokunststoffe sind ein wichtiger Hebel um diesem Ziel näher zu kommen. Doch was wird unter einem Biokunststoff eigentlich verstanden? Wo werden diese bereits eingesetzt? Und ist "Bio" wirklich gleich "Bio"? Wir geben die Antworten.

Lösungen für die Hürden für den Markteintritt von Biokunststoffen

Trotz der beschriebenen Vorteile hat der Biokunststoffmarkt große Probleme, das ihm innewohnende Potenzial zu nutzen. Es existieren für die Industrie beträchtliche Hürden für einen umfangreicheren Einstieg in den Markt, an deren Beseitigung von Industrie und Forschung im Projekt Rubio intensiv gearbeitet wird. Zusammenfassend sind es drei belastende Hauptthemen, die Hürden für den Markteintritt darstellen und denen sich die Forschungs- und Entwicklungsarbeiten widmen.

Hürde 1 ist, dass als Rohstoffbasis für Biokunststoffe aktuell vor allem Zuckerrohr und Mais eingesetzt werden. Der Markt scheut die daraus resultierende Gefahr einer öffentlich aufkommenden „Tank-statt-Teller“-Diskussion.

Hürde 2 ist die derzeit geringe Anzahl an Herstellern von Biokunststoffen (PBS: weltweit ein Hersteller, PLA: weltweit zwei bis drei). Dies bedingt Probleme bei Versorgungssicherheit, preisliche Nachteile und Unsicherheiten sowie eine zu geringe Typenvielfalt und Auswahlmöglichkeit.

Hürde 3 sind nach wie vor bestehende technische Baustellen von Biokunststoffen und nach wie vor bestehende Unklarheiten hinsichtlich ihrer Eignung für spezifische Anwendungen.

Konzept Rubio: Vom Rohstoff bis zum Recyceln

Rubio ist in fünf Verbundprojekte unterteilt, die sämtliche Prozessschritte im Leben der Kunststoffe betrachten. Es werden bestehende Technologien weiterentwickelt und die einzelnen Prozessschritte aufeinander abgestimmt, um auf Basis von pflanzlichen Rest- und Wertstoffen, wie Kalamitätsholz, strohähnliche und andere landwirtschaftliche Reststoffe, Aufwuchs auf regenerierenden Feucht- und Moorflächen, Gärreste aus Biogasanlagen, cellulosehaltige Reststoffe, über die Prozessschritte Cellulosegewinnung – Zucker – fermentative Monomerherstellung – Polymersynthese – Aufbereitung – Verarbeitung – End-of-Life die vollständige Wertschöpfungskette jeweils bis zur Marktreife voranzubringen. Hierzu sind die Arbeiten weit fortgeschritten. Zusammengefasst konzentrieren sich die Forschungsarbeiten also auf den Einsatz von pflanzlichen Reststoffen anstelle von Agrarprodukten oder Erdöl als Rohstoff für die Kunststoffherstellung. Die Entwicklung neuer PBS-Typen durch Variation von Syntheseprozessen und Modifizierung erfolgt durch die Forschungseinrichtungen in enger Abstimmung mit Kunststoffverarbeitern unterschiedlichster Branchen und Verarbeitungsverfahren. Dadurch wird die Vielfalt an PBS-Typen und -Abmischungen signifikant erhöht werden. Die Eignung für immer mehr Einsatzfelder wird erreicht und die Typenvielfalt wächst. Lösungen für Themen wie Wasserdampfdurchlässigkeit, Wärmeformbeständigkeit, Weiterverarbeitbarkeit, Schlagzähigkeit werden sukzessive erarbeitet. Vollständige Kreislauffähigkeit auf dem Niveau der heute überwiegend eingesetzten klassischen Kunststoffe ist erreichbar und wird unter Beteiligung von Partnern aus der Recyclingbranche und entsprechenden Technologieherstellern vorangetrieben. Die genannten Technologien existieren und funktionieren grundsätzlich bereits. Aufgaben sind die jeweilige Abstimmung aufeinander und die speziellen Anforderungen der Prozessstufen innerhalb der Wertschöpfungskette sowie das Hochskalieren und Optimieren für den industriellen Einsatz. Abschließende Projektziele sind das Qualifizieren des Biokunststoffes PBS für konkrete anspruchsvolle Einsatzfelder sowie das Errichten einer Syntheseeinheit in der Region; perspektivisch also die Etablierung eines weiteren Herstellers im Markt.

Einsatzfelder werden sukzessive erschlossen

In flankierenden Projekten, die zum Teil abgeschlossen sind und zum Teil noch laufen, wurden und werden parallel anwendungsspezifische Weiterentwicklungen betrieben, um immer mehr technische Anforderungen erfüllen zu können. Bereits heute ist eine Vielzahl anspruchsvoller Anwendungsmöglichkeiten realisiert worden. Dazu zählen unter anderem Anwendungen im Bereich der Medizintechnik sowie geschäumte und flammgeschützte Anwendungen für den Mobilitäts- und Bausektor. Aber auch verbesserte Barriereeigenschaften (Sauerstoff- und Wasserdampfdurchlässigkeit) für Verpackungseinsätze sowie technische Teile. Eigenschaften wie Schlagfestigkeit und Weiterreißverhalten werden verändert und angepasst und auch auf diesem Wege zusätzliche Anwendungen erschlossen. Das Optimieren und Weiterentwickeln von Kunststoffen hinsichtlich ihrer Rohstoffbasis, weg von fossilen Rohstoffen, hin zu pflanzlichen Wertstoffen sowie das Nutzen von biologischer Abbaubarkeit bei Eintrag von Kunststoffen in die Umwelt kann einen Beitrag dazu leisten, den ökologischen Fußabdruck der Materialien zu verringern und die Zunahme der Kunststoffmenge in der Umwelt zu verlangsamen. Dadurch kann die Kunststoffindustrie nachhaltiger aufgestellt und Nachteile aufgrund eines Imageverlustes von Kunststoff – Plastik – verringert werden.

Welches Produkt wurde aus PBS entwickelt?

Die Polifilm Extrusion, Südliches Anhalt/Weißandt-Gölzau, ist innerhalb von Rubio Teil des Konsortiums im Verbundprojekt Verarbeitung. Als volumenstarker Folienhersteller bietet das Unternehmen umfangreiche und kundenspezifische Folienlösungen an, und die Themen Nachhaltigkeit und Ressourcenschonung sind für Polifilm gerade heute wichtiger denn je. Biopolymere, wie sie in dem Projektkonsortium entwickelt werden, gehen dabei einen wichtigen Schritt in Richtung maximale Nachhaltigkeit und Bioökonomie. Der Rohstoff wird vollständig aus nachwachsenden und biologischen Reststoffen bezogen und führt so zu einem 100 % biobasierten Material. Die pflanzlichen Rohstoffe stehen nicht mit der Wertschöpfungskette von Lebensmitteln in Konkurrenz. Bei Verlust in die Umwelt bauen sich die Materialien in überschaubaren Zeiträumen ab. Polifilm und Fraunhofer IAP ist es nun gelungen, PBS-Folien zum Herstellen von Versandtaschen an die Marktreife heranzuführen. Dabei wurde im ersten Ansatz eine Rezeptur entwickelt, die auf einer im Markt befindlichen PBS-Type basiert, da einsatzfähiger Rubio-Kunststoff, also selbstentwickeltes PBS, sich nach einjähriger Projektlaufzeit noch im Entwicklungsprozess befindet. Das schnell erzielte positive Ergebnis macht Hoffnung auf weitere künftige Produkte aus dem Biokunststoff PBS.

Welche Anforderungen an Versandtaschen gestellt werden

Im Produktsegment Verpackungsfolien nehmen Folien für Versand- und Dokumententaschen für den Online-Versand einen wichtigen Platz ein, die Anforderungen an ein solches Produkt sind vielfältig und hoch. In erster Linie dient die Folie dem Schutz des Verpackungsgutes, weiterhin soll die Sicht auf das Produkt verhindert werden. Die Folien müssen zudem verschweißt werden können und weiterhin ausreichende Oberflächenenergie aufweisen, damit Etiketten und Warenaufkleber zuverlässig und dauerhaft Halt finden. Vorgehensweise war es dabei, die exakten Anforderungen an die Folien und die heute eingesetzten Materialien zu spezifizieren und auf die neue Biokunststoff-Rezeptur zu übertragen. Nicht nur bestimmte Folienfestigkeiten waren zu erreichen, sondern ebenfalls Eigenschaften wie Bedruckbarkeit, Siegelfähigkeit oder Maschinengängigkeit. Zudem mussten neue Farb-Masterbatches für das nachhaltige Einfärben der Materialien entwickelt werden. Die Folien wurden als coextrudierte 3-Schichtfolie auf einer Blasfolienanlage jeweils mit einem Weiß- und einem Grün-Masterbatch in den beiden Außenschichten eingefärbt. Beide Farbbatches verwenden als Trägermaterial ebenfalls ein PBS. Die Farbkombination soll deutlich auf die Verwendung von nachhaltigen und ressourcenschonenden Materialien hinweisen und so die Ziele im Gemeinschaftsprojekt Rubio verdeutlichen.