Kunststoffe auf Basis nachwachsender Rohstoffe · · 2013-04-23Idee . Forschung . Muster erhältlich . Kommerzielle Mengen . Industrielle Großproduktion . Bio-PS . Bio-PBT Bio-PP
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Hendrik Roch Fraunhofer UMSICHT Geschäftsfeld Nachwachsende Rohstoffe
Fachtagung – Materialauswahl und Ressourceneffizienz Hamburg, 05. Dezember 2012
Kunststoffe auf Basis nachwachsender Rohstoffe Eigenschaften, Einsatzmöglichkeiten und limitierende Faktoren
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Folie 2
Gliederung
Biokunststoff - was ist das?
Vom Rohstoff zum Biokunststoff
Der Biokunststoffmarkt heute
Verarbeitung und Limitierungen
Eigenschaften ausgewählter
Biokunststoffe und Beispiele
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Folie 3
BIOKUNSTSTOFF - WAS IST DAS?
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Folie 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
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Folie 5
Einteilung der Biokunststoffe
Biologisch abbaubar
Nicht biologisch abbaubar
Nachwachsende
Rohstoffe
BIOPOLYMERE
z.B. PVOH, PCL, PBAT, PET
Petrochemische
Rohstoffe (Erdöl)
BIOPOLYMERE
z.B. PLA, PHA, Cellophane,
Stärke-Blends
KONVENTIONELLE POLYMERE
z.B. PE, PP, PS, PC, ABS, PVC
BIOPOLYMERE
z.B. CA, Bio-PE, Bio-PP, Bio-PA
Bio-PET
PBS
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Folie 6
Erzeugung biobasierter Kunststoffe
Nutzung der Syntheseleistung der Natur
Monomer-herstellung durch Fermentation
Thermo-chemische Umwandlung
Stärke,
PHA,
Cellulose- derivate
Lactid,
Propandiol,
Bernstein-säure
Bioethanol,
Sebacin-säure
PLA
PPT
PBS
PE, PP
PA
TPS
PHB/V
CA
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DER BIOKUNSTSTOFFMARKT HEUTE
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Aktueller Stand biobasierte Kunststoffe
Idee Forschung Muster erhältlich
Kommerzielle Mengen
Industrielle Großproduktion
Bio-PS Bio-PBT Bio-PP Bio-PVC
Bio-PA Bio-PE Celluloseacetat PLA Stärkebasierte Kunststoffe
Bio-PBS Bio-PET PEF PHB/V Andere PHA
PHBV PTT, mit Bio-PDO
Bio-PUR TPE, mit Bio-PDO
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
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Folie 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
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Folie 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
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VERARBEITUNG UND LIMITIERUNGEN
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Folie 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
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Entwicklung maßgeschneiderter Produkte
Rohkunststoffe
Additive
Füllstoffe
Verstärkungsstoffe
Maßgeschneidertes
Compound
Mechanische Eigenschaften
Optik
Haptik
Biologische Abbaubarkeit/ Langlebigkeit
Wärmeform-beständigkeit
Verarbeit-barkeit
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EIGENSCHAFTEN AUSGEWÄHLTER BIOKUNSTSTOFFE UND BEISPIELE
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Folie 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
Fasern
Beschichtungen
E-Modul [GPa] 3,5 - 4,0
Zugfestigkeit [MPa] 50 - 70
Bruchdehnung [%] 5 - 10
Charpy- Schlagzähigkeit
[kJ/m²] 15 - 20
Verarbeitungs- temperatur
[°C] 160 - 200
Optik transparent /
opak
Fotos: NatureWorks / Huhtamaki / Purac
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Folie 16
Thermoplastische Stärke – TPS
Chemisch und thermisch modifiziert
Gute und schnelle biologische Abbaubarkeit, wasserlöslich
Sehr elastisch
Schlechte Hydrolysebeständigkeit
Anwendung
Blas- und Flachfolien
Schaumtrays
Beschichtungen
E-Modul [GPa] 0,6 - 0,85
Zugfestigkeit [MPa] 35 - 80
Bruchdehnung [%] 2 - 5
Charpy- Schlagzähigkeit
[kJ/m²] ≈ 30
Verarbeitungs- temperatur
[°C] 130 - 170
Optik weiß
Fotos: Novamont.com
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Folie 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
Spritzguss
Folienextrusion
Z.B. Verpackungen, Kosmetikartikel, Schaum
E-Modul [GPa] 1,6 - 3,0
Zugfestigkeit [MPa] 22 - 33
Bruchdehnung [%] 12 - 15
Charpy- Schlagzähigkeit
[kJ/m²] 80
Verarbeitungs- temperatur
[°C] 160 - 220
Optik transparent
Fotos: Fujitsu / FKuR.com
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Folie 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
Spritzguss
Blasfolien
Z.B. Gartenbau, Catering
E-Modul [GPa] 0,8 - 3,5
Zugfestigkeit [MPa] 15 - 35
Bruchdehnung [%] 3 - 18
Charpy- Schlagzähigkeit
[kJ/m²] 5 - 60
Verarbeitungs- temperatur
[°C] 150 - 175
Optik weiß
Fotos: Metabolix.com Foto: umn.edu
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Folie 19
Polybutylensuccinat – PBS
Partiell biobasiert (bis zu 40%)
Technischer Biokunststoff, ähnlich PBT
Flexibel
Hohe Stabilität
Biologisch abbaubar
Anwendung
Spritzguss Copolymer
Blas- und Flachfolienextrusion
Z.B: Verpackungen, Siegelschicht, Mulchfilm, Engineering Plastic
E-Modul [GPa] 0,3 - 0,65
Zugfestigkeit [MPa] 15 - 40
Bruchdehnung [%] 100 - 550
Verarbeitungs- temperatur
[°C] 120 - 200
Optik weiß
Foto: Mitsubishi / Showa Denko
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Folie 20
Polybutylenadipat-terephthalat – PBAT
Weicher Kunststoff, ähnlich LD-PE
Sehr gute Kompatibilität zu PLA
Fossil basiert, aber biologisch abbaubar
Anwendung
Schrumpf- und Verpackungsfolien
Blasfolien
Papierbeschichtung
Z.B. Tragetaschen, Kompostbeutel, Mulchfolien
E-Modul [GPa] 0,1
Zugfestigkeit [MPa] 8
Bruchdehnung [%] 550 - 700
Verarbeitungs- temperatur
[°C] 140 - 220
Optik transparent
Fotos: BASF.com
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Folie 21
BEISPIELE FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG
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Folie 22
Beispiel F+E bei Fraunhofer UMSICHT: Schaumextrusion von Celluloseacetat
Ziele
Entwicklung biobasierter tiefzieh-fähiger 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
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Folie 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 Auto-mobilindustrie
Verwendung neuer Verarbeitungstechnologien
Anwendungen in der Automobil-industrie
FP7-NMP-2009-2.4-1 / GA nº 246176
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Folie 24
Beispiel EU-Projekt MouldPulp: Biocompound für Spritzgussanwendungen
Ziele
Entwicklung eines Compounds aus PLA und Cellulosefasern für Spritzgussanwendungen
Optischer Eindruck und haptische Wahr- nehmung 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
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Folie 25
Fazit
Unterscheidung zwischen biologischer Abbau-barkeit 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.
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FRAUNHOFER UMSICHT
Foto: photocase.de
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Kontakt: Hendrik Roch Tel: +49 (0) 208 / 8598-1501 Fax: +49 (0) 208 / 8598-1424 Fraunhofer UMSICHT hendrik.roch@umsicht.fraunhofer.de Osterfelder Str. 3 www.umsicht.fraunhofer.de 46047 Oberhausen
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