Biobasierte Polyamide machen es möglich

Klassische biobasierte Kunststoffe, die in der Brillenindustrie Verwendung finden, bauen auf Rizinusöl oder Baumwolle auf. Diese werden in hochautomatisierten Prozessen zu Polyamiden oder Zellulosederivaten weiterverarbeitet und den Brillenherstellern als Granulat oder Halbzeug zur Verfügung gestellt. Als Ausgangsrohstoff für biobasierte Polyamide verwendet Ems-Grivory, Domat, Schweiz, Sebazinsäure, die mit hochmodernen automatisierten Prozessen aus dem Öl der Rizinuspflanze hergestellt wird. Rizinuspflanzen sind komplementär zu anderen Pflanzen, wie zum Beispiel Baumwolle, und stehen nicht mit Nahrungs- oder Futterpflanzen in Konkurrenz um Anbaufläche.

CO₂ neutral Polymere herstellen

Das Herstellen der biobasierten Produkte, die der Schweizer Polymerhersteller unter dem Label Greenline im Markt offeriert, folgt nahezu den Verfahrens- und Anlagenschritten fossiler Polymere. Durch die gewünschte Variation der eingesetzten Diamine sowie der Dicarbonsäure können Biopolymere mit einem Anteil von 40 bis nahezu 100 % an nachwachsenden Rohstoffen hergestellt werden. Das Unternehmen achtet darauf, dass der Herstellungsprozess CO₂-neutral ist. Investitionen hinsichtlich klimaneutraler Produktion erfolgten bereits zur Jahrtausendwende. Es wurde ein Biomassekraftwerk gebaut, welches zu dieser Zeit bereits 80 % weniger CO₂-Ausstoß bei der Energieerzeugung verursachte. Der für den Betrieb der Chemieanlagen benötigte Strom wird ausschließlich über Wasserkraftwerke erzeugt, sodass das Chemieunternehmen bereits heute alle Polymere CO₂-neutral herstellt.

Transparent oder mit Verlauf?

Bei Sonnen-, Korrektur-, Sport- und Sicherheitsbrillen sind verschiedene Grundeigenschaften wie Gewicht, Transparenz, Bruchfestigkeit, Wärmeformbeständigkeit und Chemikalienresistenz sowie je nach Anwendung die Schlag- oder Kälteschlagzähigkeit besonders bedeutend. Brillen sind modische Accessoires, die in verschiedensten Farbenvariationen hergestellt werden. Dennoch sollen sie eine gute Chemikalienbeständigkeit gegen Kosmetika, Hautschweiß und Sonnencreme besitzen. Außerdem ist eine hervorragende UV-Stabilität gefordert, die eine extrem lange Tragedauer ohne Einbußen der Materialeigenschaften sicherstellt.
Sonnenbrillengläser aus biobasiertem Polyamid sind mittlerweile auf Basis hochreiner Monomere verfügbar. Einfarbige oder mit gradueller Verlaufstönung hergestellte Sonnenschutzgläser aus biobasiertem Polyamid sind mit dem vorgeschriebenen UV 400-Schutz ausgerüstet und besitzen eine identische Bruchfestigkeit und optische Güte wie Polyamidmaterialien auf Basis fossiler Rohstoffe. Je nach Applikation wird Brillenfassung spritzgegossen oder durch mechanisches Bearbeiten aus Halbzeugen hergestellt. (Tabelle 1).

Tabelle 1: Einsatzmöglichkeiten der Biopolymere bei einer Brille.

Biopolymere im Vergleich

Eingefärbte Brillengläser aus amorphem, biobasiertem Polyamid. (Bild: Ems-Grivory)

Biobasiertes Polyamid 610 und 1010 Typen besitzen, verglichen mit amorphen erdölbasierten Polyamiden, eine höhere Wasseraufnahme und Dimensionsänderung bei höherer Dichte. Amorphe Biopolyamide überzeugen hingegen durch sehr gute Dimensions- und Witterungsbeständigkeit sowie durch eine ausgezeichnete Transparenz und damit verbundene Einfärbbarkeit. Sie besitzen unter den biobasierten Polyamiden die geringste Dichte und dennoch eine ausgewogene Chemikalienbeständigkeit. Aufgrund dieser Eigenschaften stellt die Gruppe der amorphen biobasierten Polyamide die in der Brillenindustrie bevorzugte Werkstoffgruppe dar.

Da diese Materialien grundsätzlich keine Weichmacher enthalten, lassen sich sortenreiner Abfall oder Ausschussteile ohne Reduktion der Materialeigenschaften bis zu 100 % rezyklieren. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass sich die in Tabelle 1 genannten Materialien miteinander hervorragend im Verbundspritzguss (hart/hart) oder mit anderen biobasierten thermoplastischen weicheren Materialien (hart/weich) wie TPE oder TPU kombinieren lassen. Dies sorgt bei Brillenträgern für zusätzlichen Tragekomfort bei sehr geringem Gewicht.

Hohe Transparenz

Mit Hilfe von Isosorbid, aus Sorbitol abgeleitet und als Co-Komponente einpolymerisiert, wird ebenfalls ein teilweise biobasiertes Polycarbonat im Markt angeboten. Dieses besitzt nahezu vergleichbare Eigenschaften wie Bisphenol A (BPA)-haltiges Polycarbonat (PC), jedoch eine bessere Alterungs- und Kratzbeständigkeit. Zielanwendungen sind aufgrund dieser Eigenschaften und hohen Transparenz Brillengläser sowie Displays. Im Vergleich zum herkömmlichen PC besitzt das biobasierte Polycarbonat deutlich tiefere Schlagfestigkeiten und Wärmeformbeständigkeiten.

 Tabelle 2: Übersicht der Materialeigenschaften für amorphe Brillengläserwerkstoffe.

Muster und Farbe

Das in Brillen verwendete Celluloseacetat, auch Sekundäracetat genannt, wird über diverse Prozessschritte (Veresterung durch Essigsäure) aus dem Primäracetat gewonnen. Dieses Sekundäracetat wird mit Weichmachern, Stabilisatoren und Farbmitteln versetzt und zu Tafeln geformt. Diese Tafeln können nach Belieben geschnitten und konfektioniert werden, wodurch räumlich angeordnete dreidimensionale Muster oder vielfältige Farbgebungen ermöglicht werden. Diese Tafeln werden weiter zu Platten und mittels CNC Fräsmaschinen zu Brillenteilen verarbeitet. Der bei der Halbzeugbearbeitung entstehende Abfall ist im Vergleich zum erhaltenen Bauteil überproportional groß, weshalb aktuell Anstrengungen zum vollständigen Recycling unternommen werden.

Tabelle 3: Übersicht der Materialeigenschaften für Brillenfassungen.

n.i. = keine Information verfügbar

n.b.= kein Bruch

* Bestimmt nach ASTM D 6866-08, ausgedrückt in % biobasiertem Kohlenstoff im Polymer

Spritzen oder fräsen

Cellulosepropionat, ebenfalls gewonnen durch Veresterung des Primäracetats mit Propion- und Essigsäure, wird auch mit Weichmacher versetzt und lässt sich als Halbzeug gleich wie Celluloseacetat oder im Spritzgussprozess verarbeiten. Dieser Werkstoff hat gegenüber Celluloseacetat eine verbesserte Wärmeformbeständigkeit bei erhöhter Alterungs- und Witterungsstabilität. Zudem ist die Weichmacherverträglichkeit verbessert, was deren Migration reduziert.

Einsatz der biobasierten Kunststoffe

Einteilige Schutzbrille aus hochreinem, biobasiertem Brillenglasmaterial. (Bild: Ems-Grivory)

Die von Ems angebotenen biobasierten Polyamide besitzen ein zu erdölbasierten Polyamiden vergleichbares Leistungs- und Eigenschaftsprofil. Aktuell werden mehrheitlich amorphe biobasierte Polyamide mit 40 bis 80 % Bioanteil im Brillenmarkt eingesetzt. Diese Materialien werden aufgrund ihrer Materialeigenschaften und hohen Transparenz gegenüber teilkristallinen Strukturen bevorzugt. Jedoch können auch amorphe und teilkristalline biobasierte Polyamide kombiniert werden, um beispielsweise spezifische Designelemente im Zwei- oder Mehrkomponentenspritzguss hervorzuheben. Selbstverständlich besteht auch die Möglichkeit der Schlagzähmodifizierung, die einen Einsatz des Biopolyamids als Arbeitsschutz- oder ballistische Schutzbrille erlauben. Auch wird das hochreine Brillenglasmaterial Grilamid BTR XE 4205, das in einer vom Rohstoffhersteller entwickelten einteiligen Schutzbrille eingesetzt wird, immer häufiger nachgefragt.

Kreis noch offen

Aufgrund des nachhaltigen und umweltschonenden Ansatzes von Ems werden die biobasierten Polyamide CO₂-neutral hergestellt und beim Verarbeiter im Spritzgussprozess mit minimalst möglichem Abfall zur Brille verarbeitet. Sekundärverwendungen beim Verarbeiter, ermöglicht durch Trennen und Rückführen des Materials, reduzieren weitere unnötige CO₂ -Emissionen. Da sich dieser Umbruch zu nachhaltigen Brillen erst in der Anfangsphase befindet, wird es zukünftig noch viel weitergehende Entwicklungsschritte erfordern, um langfristig Endprodukte herstellen zu können, die keine weiteren Nachfolgeprozesse wie Lackierung, Hardcoating erfordern und damit Recycling oder Sortentrennung erleichtern. Ressourcenschonende Kreislaufwirtschaft ist auch hier unumgänglich.