Polybutylenterephthalat, kurz PBT, ist ein technischer Kunststoff mit überaus guter Chemikalienbeständigkeit, Festigkeit, Steifigkeit und Dimensionsstabilität und daher für vielerlei medizintechnische Anwendungen geeignet. (Bild: Sabic)
Auf der einen Seite fördern Kunststoffe Innovationen im Healthcare-Markt und können dazu beitragen, medizinische Behandlungserfolge und die Versorgung von Patienten zu verbessern. Auf der anderen Seite stehen diese Materialien in der Kritik aufgrund ihres Anteils am wachsenden Problem umweltbelastender Kunststoffabfälle. Der Bericht des Umweltprogramms der Vereinten Nationen „From Pollution to Solution“ besagt, dass unsachgemäß entsorgte persönliche Schutzausrüstungen und Verpackungen während der Covid-19-Pandemie dieses Abfallproblem noch verschärft haben [1]. Weltweit werden jedes Jahr circa 400 Mio. t Kunststoff produziert, doch nur ein weit geringerer Anteil davon als bisher geschätzt wird recycelt [2]. Hinzu kommt, dass Produktion, Verarbeitung und die Verbrennung von Kunststoffen Kohlendioxid (CO2) erzeugen, das zum Klimawandel beiträgt.
Warum das chemische Wiederaufbereiten sinnvoll ist
Um dieses Paradoxon aufzulösen, kann Polymertechnologie auf zweierlei Weise angewandt werden: zur Rückgewinnung und Wiederverwertung von Altkunststoffen, um deren Umweltbelastung zu reduzieren, und zur kontinuierlichen, beschleunigten Innovation in der Healthcare-Industrie mit neuen, nachhaltigen Polymerlösungen. Eine Lösung für beide dieser Erfordernisse ist die chemische Wiederaufbereitung beziehungsweise das synthetische Upcyceln ausgedienter Einwegflaschen aus Polyethylenterephthalat (PET) zu Polybutylenterephthalat (PBT). Das Upcyceln von PET-Flaschen aus Verbrauchsquellen (Post-Consumer Recycling, PCR) zu einem Material, das in der Medizintechnik weit verbreitet ist, kann den Verbrauch neuer fossil-basierter Rohstoffe und die CO2-Emissionen verringern. Zudem eignet sich PBT gegenüber PET für langlebigere Anwendungen wie medizinische Artikel und Gerätegehäuse. Auf diese Weise lässt sich die Nutzdauer von PET über den ursprünglichen Einsatz für Einwegflaschen hinaus verlängern.
Gibt es Einschränkungen beim Neuformulieren von nachhaltigerem PBT?
Polybutylenterephthalat, ein technischer Kunststoff (Polyester) mit ausgezeichneter Chemikalienbeständigkeit, Festigkeit, Steifigkeit und Dimensionsstabilität, wird für viele unterschiedliche Healthcare-Anwendungen eingesetzt. Er besteht aus 1,4-Butandiol und entweder Terephthalsäure- oder Dimethylterephthalat-Bausteinen. Diese Monomere werden über mehrere Zwischenstufen aus Rohöl gewonnen. Reinigungsverfahren in jedem Schritt ergeben ein klar definiertes Produkt. Anstrengungen zur Substitution der Diol- und Disäuremonomere durch nachhaltigere Alternativen wie biobasierte Komponenten führen typischerweise zu Änderungen im Verarbeitungs-, Kristallisierungs- und Leistungsverhalten des Materials. Selbst geringfügige strukturelle Veränderungen eines der beiden Monomere können große Auswirkungen haben. Die resultierenden Polymere eignen sich meistens nicht als Drop-in-Lösungen für bestehende Anwendungen. Leistungsänderungen können auch auftreten, wenn mechanisch recycelter Kunststoff mit Neuware vermischt wird. Abweichungen in der Beschaffenheit der meisten mechanisch recycelten Altkunststoffe aus Verbrauchsquellen (Post-Consumer-Recycling) sowie Spuren von Farbstoffen, Stabilisatoren und anderen Additiven können die Eignung für den Lebensmittelkontakt und die physiologische Verträglichkeit (Biokompatibilität) zudem beeinträchtigen.
Wie das Upcyceln von PET in PBT gelingt
Die Geschäftseinheit Specialties von Sabic hat sich daher für eine andere Herangehensweise entschieden, um die Nachhaltigkeit von PBT zu verbessern. Mittels seiner chemischen Upcycling-Technologie produziert das Unternehmen PBT aus gebrauchten PET-Flaschen – und wandelt dabei einen Standardkunststoff in ein höherwertiges technisches Material um.
Statt aufgeschmolzenes PET-Rezyklat beizumischen, verwertet das Unternehmen gebrauchtes PET als Rohmaterial in einem chemischen Prozess, der es in seine Basisbausteine zerlegt. Diese werden dann genauso rigoros gereinigt wie Chemikalien aus fossilen Quellen, bevor sie in die Polymerisierung zur Fertigung von PBT einfließen. Das unternehmenseigene Verfahren nutzt gelöste Monomere und Oligomere aus PET und fügt fossil-basiertes 1,4-Butanediol hinzu, um LNP Elcrin IQ PBT-Kunststoffe zu erzeugen. Jedes Kilogramm dieser PBT-Materialien enthält circa 88 PET-Halbliterflaschen.
Wie steht es um die Nachhaltigkeit des PBT?
Sabic hat kürzlich eine Lebenszyklusanalyse (LCA) zum Vergleich von PBT-Neuware mit LNP Elcrin IQ PBT durchgeführt, die anschließend durch eine externe Prüfstelle gemäß ISO 14040/14044 kritisch evaluiert wurde [3]. Die Ergebnisse zeigen für das beschriebene Material eine um 29 % reduzierte Auswirkung auf die globale Erwärmung und einen um 43 % geringeren kumulativen Energiebedarf im Vergleich zur PBT-Neuware, wie in Bild 1 veranschaulicht.
1: PBT-Neuware produziert mit hochreiner Terephthalsäure (PTA).
2: Durchgeführt von Sabic, mit Validierung durch externe Prüfstelle nach ISO 14040/14044.
3: Der Wasserverbrauch von LNP Elcrin IQ PBT ist 15 % geringer als der von PBT-Neuware, wurde aber in der externen Validierungsstudie als statistisch insignifikant beurteilt. (Bild: Sabic)
Welche Eigenschaften das PBT mitbringen muss
Nachhaltigkeitsvorteile sind ein starkes Argument zur Substitution von fossil-basierter PBT-Neuware durch LNP Elcrin IQ PBT in Healthcare-Anwendungen. Allerdings müssen weitere Eigenschaften des PBT-Upcycling-Kunststoffs in Betracht gezogen werden, um die jeweiligen Anforderungen der Endprodukte zu erfüllen. Bei der Erwägung, herkömmliches PBT durch LNP Elcrin IQ PBT zu ersetzen, können Anwender technische Datenblätter zu Rate ziehen. Tabelle 1 verdeutlicht, dass das PBT-Upcycling-Material ähnliche Eigenschaften wie das unverstärkte Standard-PBT mit vergleichbarer Viskosität besitzt. Dargestellt sind die Kerneigenschaften von LNP Elcrin W1000JIQ PBT gegenüber denen von Valox HX260HPR, einem fossil-basierten PBT von Sabic. Der Vergleich zeigt starke Ähnlichkeiten zwischen den beiden Materialien. Selbst bei einem Parameter wie der Werkzeugschwindung, die sehr empfindlich auf geringfügige Materialunterschiede reagiert, lagen die an Zugprüfstäben ermittelten Werte in beiden Fällen gleichauf bei 1,2 %. Eine wichtige Eigenschaft beim Einsatz von Polymeren für medizinische Artikel und Gerätegehäuse ist auch die Beständigkeit gegen die in Gesundheitspflegeeinrichtungen verwendeten, aggressiven Reinigungsmittel. Hohe Chemikalienbeständigkeit wird vor allem benötigt, um das Auftreten von Spannungsrissen (Environmental Stress Cracking, kurz ESC) bei wiederholtem Kontakt mit Desinfektionsmitteln zu verhindern oder zu minimieren. Die ESC-Beständigkeit von LNP Elcrin W1000JIQ und seinem fossil-basierten Pendant wurde mit keimtötenden Sani-Cloth AF3 Einwegtüchern von PDI getestet, die eine der stärksten Chemikalien enthalten, die im Umfeld von Medizinprodukten eingesetzt werden. Des Weiteren hat Sabic auch die Sonnenschutzlotion Banana Boat von Edgewell Personal Care für diesen Test herangezogen, welche als ein äußerst hautaktives Mittel gilt. Zugstäbe aus beiden Kunststoffen wurden diesen Produkten unter 1 % Dehnung bei Raumtemperatur über einen kontinuierlichen Zeitraum von sieben Tagen ausgesetzt.
Tabelle 2 zeigt, dass beide Testkandidaten im Kontakt mit Sani-Cloth AF3 Tüchern und Banana Boat Sonnenschutzcreme sehr gut abschnitten. Eine positive Einstufung (+) in dieser Tabelle bedeutet eine Beibehaltung der Streckgrenze von über 90 % und eine Beibehaltung der Bruchdehnung von 80 bis 140 % nach Einwirkung der Chemikalien, was auf keine nennenswerten Veränderungen hinweist.
Was die Healthcare-Industrie fordert
Die Healthcare-Industrie verlangt in der Regel, dass Materialien, die im Gesundheitswesen eingesetzt werden, sehr strenge Kriterien erfüllen müssen wie eine Vorbewertung der physiologischen Verträglichkeit (Biokompatibilität), ein kontrolliertes Veränderungsmanagement (Change Management, CM), eine Anlagen- und Rezeptursperre, langfristige Liefergarantien und die Gewährleistung guter Herstellungspraktiken (Good Manufacturing Practices, kurz GMP). Hinzu kommt eine Reihe spezifischer Materialanforderungen für jede Endanwendung.LNP Elcrin W1000JIQ Proben aus repräsentativen Produktionschargen haben Biokompatibilitätsprüfungen nach den Vorgaben der US-Pharmakopöe sowie Tests nach dem Regelwerk der ISO 10993 bestanden, der Norm für biologische Beurteilungen medizintechnischer Produkte. Die Prüfungen wurden außerdem im Einklang mit den Leitlinien der Arznei- und Lebensmittelbehörde der USA (FDA) für die Anwendung der ISO 10993 durchgeführt. Ein „Biocompatibility Type 1 Declaration Letter“, der die Leistungsfähigkeit von LNP Elcrin W1000JIQ bestätigt, kann auf Anfrage von Sabic Specialties zur Verfügung gestellt werden.
Kunststoffrecycling: Der große Überblick
Sie wollen alles zum Thema Kunststoffrecycling wissen? Klar ist, Nachhaltigkeit hört nicht beim eigentlichen Produkt auf: Es gilt Produkte entsprechend ihrer Materialausprägung wiederzuverwerten und Kreisläufe zu schließen. Doch welche Verfahren beim Recycling von Kunststoffen sind überhaupt im Einsatz? Gibt es Grenzen bei der Wiederverwertung? Und was ist eigentlich Down- und Upcycling? Alles was man dazu wissen sollte, erfahren Sie hier.
Traditionelles PBT einfach substituieren
Mehrere Kunststoffe einer bestimmten Produkt-Familie wie PBT-Polyester, erscheinen auf den ersten Blick bisweilen gleich zu sein. Doch bei genauerer Untersuchung können Unterschiede ans Licht kommen. Diese Studie hat die Eigenschaften upcycelter und fossil-basierter PBT-Produkte von Sabic einer genaueren Analyse aus mehreren Blickwinkeln unterzogen und ergeben, dass keine nennenswerten Unterschiede zu erkennen sind. Die Analyse deutet darauf hin, dass LNP Elcrin W1000JIQ als direkte Drop-in-Alternative zu traditionellem PBT betrachtet werden kann, die bei vergleichbaren Eigenschaften aber erhöhte Nachhaltigkeit bietet und eine ideale Lösung für viele Healthcare-Anwendungen darstellen kann. Gestützt auf die Einhaltung der FDA-Vorschriften für Lebensmittelkontakt, einschließlich Rezeptursperre, Fertigung nach GMP und striktem Change Management, erweitert Sabic damit seine Materialoptionen für Kunden, die ihre Nachhaltigkeitsziele umsetzen wollen.
Referenzen
[1] From Pollution to Solution: A Global Assessment of Marine Litter and Plastic Pollution, United Nations Environment Programme, 2021
[2] Top 25 recycling facts and statistics for 2022, World Economic Forum, 22. Juni 2022, https://www.weforum.org/agenda/2022/06/recycling-global-statistics-facts-plastic-paper/
[3] Sabic Lebenszyklus-Bewertungsstudie 2020, Daten verfügbar auf Anfrage (Ermittlung des kumulativen Energiebedarfs und der Auswirkung auf die globale Erwärmung gemäß ReCiPe 2016 Midpoint (H) V1.03 / World 2010 H, Cumulative Energy Demand V1.11 und IPCC 2013 GWP100a V1.03)
Quelle: Sabic
Das zweite Leben einer PET-Flasche
