Mittelständische Unternehmen der kunststoffverarbeitenden Industrie zeigen zunehmend Interesse für die Verwendung von biobasierten und bioabbaubaren Kunststoffen, doch es fehlt häufig an der Möglichkeit zur praktischen Umsetzung. Ein Netzwerk aus wissenschaftlichen Einrichtungen bietet hier Unterstütung. In dem Netzwerk KNVB (Kompetenz-Netzwerk zur Verarbeitung von Biopolymeren) kooperieren vier Forschungseinrichtungen (IAP Fraunhofer Potsdam/Golm, SKZ Würzburg, IfBB Hannover und die Professur SLK der TU Chemnitz) und werden dabei von der Fachagentur für Nachwachsende Rohstoffe begleitet. Die Experten generieren und dokumentieren umfassende Verarbeitungsdaten zu biobasierten Kunststoffen und stellen diese den Kunststoffverarbeitern zur Verfügung. Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, kostenfrei Musterteile  herstellen zu lassen, wie es die Unternehmen  Kunststoff- und Holzverarbeitungswerk (KHW),  B&K Kunststoffwerke und Schönborner Armaturen getan haben.

Biokunststoffen den Weg in den Markt erleichtern

Sandwich-Formteil aus biobasiertem HDPE. (Quelle: TU Chemnitz)

Spritzgegossene Teile für die Sportartikelindustrie aus biobasiertem HDPE

Das Kunststoff- und Holzverarbeitungswerk (KHW), Geschwenda, stellt unter anderem Wintersportartikel wie Kinderschlitten und Bobs, vorrangig aus Polyethylen, her. Auch Gartenprodukte wie Pflanzgefäße oder Spaliere gehören zum  Produktportfolio. Für eine erste Machbarkeitsstudie wurde der „Minibob“, ein 1K-Formteil mit einem Schussgewicht von ca. 1,5 kg, ausgewählt. Der Fertigung sollte auf vorhandenen Werkzeugen mit einem biobasierten Kunststoff des Herstellers Braskem erfolgen. Diese Drop-In-Lösung[1]  bietet den Vorteil, dass das Ausgangsmaterial aus nachwachsenden Rohstoffen besteht, die Material- und Verarbeitungseigenschaften allerdings exakt denen eines petrochemisch basierten Polyethylens entsprechen. Innerhalb der Machbarkeitsstudie wurde zusätzlich die Verwendung des biobasierten Polyesters Polymilchsäure (PLA) geprüft. Dieser Kunststoff lässt sich jedoch wegen seines von HDPE abweichenden Schwindungsverhaltens nicht auf den vorhandenen Werkzeugen verarbeiten. Zwar wäre eine neues Werkzeug denkbar, doch in Kombination mit einem vergleichsweise hohen Materialpreis sowie Trocknungsaufwand von PLA wirtschaftlicher weniger sinnvoll. Die hergestellten Musterteile aus biobasierten HDPE zeigten im Vergleich zu den petrochemischen Pendants identische Eigenschaften.

Biokunststoff für Kinderspielzeug im Sandwichspritzgießen verarbeiten

Bei der B&K Kunststoffwerke am Standort Breitungen wurden Versuche zur Herstellung von Mehrkomponenten-Spritzgießformteilen aus biobasierten Kunststoffen im Sandwichverfahren durchgeführt. Die Spritzgießmaschine verfügt, neben einer horizontal angeordneten Hauptplastifiziereinheit über eine vertikale Nebenplastifiziereinheit. Als Demontrator-Formteil wurde eine Schaufel „Maulwurfkralle“ für Kinder mit großer  Wandstärke gewählt. Dem Prinzip des Sandwichspritzgießens entsprechend wurde zuerst die Hautkomponente und anschließend das zur Gewichtsreduktion und Materialeinsparung chemisch geschäumte Kernmaterial eingespritzt. Als Haut-/Kernmaterial-Kombinationen wurden PLA-Compound Naturegran PV6930 / PHB Mirel (geschäumt)  und     Green HDPE biobasiert / HDPE biobasiert (geschäumt) untersucht.
Bei der Verarbeitung von chemisch geschäumtem PHB Mirel P1004 wurde ein inverses Temperaturprofil verwendet. Versuche mit ansteigendem Temperaturprofil zeigten trotz des chemischen Schäumens deutliche Einfallstellen an der Formteiloberfläche. Infolge des Schäumens und der  Kristallisationszeit von PHB sind, im Vergleich zu dem bei der handelsüblichen Schaufel verwendetem Standardkunststoff (Polypropylen), deutlich erhöhte Zykluszeiten zu erwarten. Auch das Formteilgewicht ist aufgrund der höheren Materialdichte von PLA und PHB höher. Das chemische Schäumen der Kernkomponente kann dem nur begrenzt entgegenwirken. Die zweite Materialkombination aus nicht eingefärbtem biobasiertem HDPE als Hautkomponente und gefärbtem wie chemisch geschäumten biobasiertem HDPE als Kern weist demgegenüber ein geringes Formteilgewicht und eine problemlose Verarbeitbarkeit auf. Jedoch erfordert die Verwendung von chemischen Treibmitteln in der Kernkomponente nach dem Einspritzen eine lange Kühlzeit im Werkzeug oder zusätzlichen Kühlung im Wasserbad nach dem Spritzgießprozess, um einen Durchbruch des Kernmaterials durch die Hautkomponente zu vermeiden.
Die Firma Schönborner Armaturen, Doberlug-Kirchhain, entwickelt und fertigt ein breites Produktspektrum auf dem Gebiet der kommunalen Gas-, Wasser- und Abwasserwirtschaft. Eins der meist gefertigten und verkauften Produkte ist die Hausanschlussarmatur (HAA). Die HAA enthält ein aus Kunststoff gefertigtes Schutzrohrsystem, das in starrer und teleskopierbarer Ausführung angeboten wird. Das teleskopierbare Schutzrohrsystem besteht aus zwei Kunststoffrohren die formschlüssig ineinander verschiebbar sind und an denen die Schutzrohrglocke, Abstreifkappe sowie die Abdeckkappe mittels Reibschweißverfahren gefügt werden. Das Schutzrohrsystem besteht komplett aus HDPE.

Alternative auch für Armaturen

 

Biokunststoffen den Weg in den Markt erleichtern

Verschweißte Schutzrohre und -glocken. (Quelle: TU Chemnitz)

Ziel des Demonstrationsversuches war ein Teil der HAA-Baugruppe (Schutzrohr 1 und –glocke) aus einer „Drop-In-Lösung“ herzustellen. Aktuell sind nur wenig verarbeitungstechnische Informationen und Erfahrungswerte in Bezug auf Rohrextrusion von Biokunststoffen vorhanden. Daher haben die Experten der Professur SLK eine umfassende Verarbeitungsanalyse diverser Biokunstoffe durchgeführt und die grundsätzliche Verarbeitung dieser qualitativ wie quantitativ beurteilt. Als Substituenten für das bislang eingesetzte Material wählte der Hersteller zwei zu 96 % biobasierte HDPE-Homopolymer-Typen unterschiedlicher Viskosität der Firma Braskem aus. Neben den guten Schlagzäheigenschaften und einer guter Beständigkeit gegenüber Spannungsrisskorrosion, zeichnen sich die HDPE-Typen zusätzlich durch hohe Steifigkeit, Härte und eine geringe Verzugsneigung aus.

Biokunststoffen den Weg in den Markt erleichtern

Produktion der Formteile. (Quelle: TU Chemnitz)

Bei der Verarbeitung von biobasiertem HDPE wurden keine wesentlichen Unterschiede zum konventionellen HDPE festgestellt. Kaum wahrnehmbare längs verlaufende Rillen sowie Pittings auf der Rohroberfläche waren bei beiden Halbzeugen vorhanden und beeinträchtigten das gesamte subjektive Qualitätsempfinden nicht. Das Einfärben von biobasierten HDPE mit dem aktuell eingesetzten Farbbatch ist problemlos realisierbar. Nach der Herstellung der Schutzrohre und Schutzrohrglocken wurden diese im Reibschweißverfahren gefügt. Die Auszugsfestigkeit wird demnächst bei Schönborner Armaturen  untersucht.

Der Verbraucher entscheidet

Diese Beispiele zeigen, dass sich biobasierte Kunststoffe zu marktfähigen Produkten verarbeiten lassen. Hinderlich für die praktische Umsetzung in den Markt ist neben einem höheren Preis auch die sichere Verfügbarkeit der Bio-Kunststoffe. Mittelfristig werden die Materialpreise für biobasierte Kunststoffe nicht unter die von petrochemisch basierten Kunststoffen fallen, weil es einerseits noch an einer großen Nachfrage mangelt und andererseits größere Volumen nur für wenige Bio-Kunststoffe angeboten werden. Letztlich entscheidet also der Markt und somit die Verbraucher ob der Mehrpreis für Produkte aus nachwachsenden Rohstoffen einem Vorankommen der „alternativen“ Werkstoffe entgegen steht. Die technischen Möglichkeiten und Materialien zur Verwendung biobasierter Kunststoffe sind für vielfältige Anwendungen definitiv gegeben. Daher ist auch die Industrie gefordert ein entsprechendes Angebot zu schaffen, um überhaupt eine Nachfrage zu ermöglichen.

[1] Drop-in-Lösungen: Kunststoffe, bei denen einzelne oder alle Monomere die ursprünglich aus Erdöl gewonnen werden, durch solche aus nachwachsenden Rohstoffen ersetzt werden. Die biobasierten Pendants sind chemisch strukturgleich mit den fossilen Kunststoffen.
 
 
Autoren
Prof. Lothar Kroll
ist Direktor des Instituts für Strukturleichtbau und Lehrstuhlinhaber für Strukturleichtbau und Kunststoffverarbeitung,
Sebastian Buschbeck, Rostislav Svidler, Michael Schwind und Florian Tautenhain sind wissenschaftliche Mitarbeiter an der TU Chemnitz.
sebastian.buschbeck@mb.tu-chemnitz.de
rostislav.svidler@mb.tu-chemnitz.de