Was sich mit Biopolymeren so alles machen lässt

Die Kunststoffe lassen sich in vier charakteristische Gruppen einteilen (Quelle: Fraunhofer Umsicht):

• Nicht biologisch abbaubare Kunststoffe aus petrochemischen Rohstoffen: Darunter fallen traditionelle Kunststoffe.

• Biologisch abbaubare Kunststoffe aus nachwachsenden Rohstoffen: sie bestehen aus biomassehaltigem Ausgangsmaterial und weisen die Eigenschaft der biologischen Abbaubarkeit auf.

• Biologisch abbaubare Kunststoffe aus fossilen Rohstoffen: sie können biologisch abgebaut werden, bestehen aber aus fossilen Rohstoffen.

• Nicht biologisch abbaubare Kunststoffe aus nachwachsenden Rohstoffen: hergestellt aus Biomasse weisen diese nicht die Eigenschaft biologische Abbaubarkeit auf.

Die folgenden Beispiele zeigen, wo und wie biobasierte Kunststoffe eingesetzt werden:

Das Thema Nachhaltigkeit rückt auch in der Soft-Robotik immer mehr in den Fokus. Wissenschaftlern des Max-Planck-Instituts für Intelligente Systeme (MPI-IS) in Stuttgart, der Johannes-Kepler-Universität (JKU) in Linz (Österreich) und der University of Colorado (CU Boulder) in Boulder (USA) haben einen vollständig biologisch abbaubaren, hochleistungsfähigen künstlichen Muskel entwickelt, der aus Gelatine, Öl und Biokunststoff besteht. Das Team zeigt in einer Forschungsarbeit, wie sie einen Greifarm mit mehreren solcher künstlichen Muskeln ausgestattet haben. Ein Video gibt es dazu auf Youtube. Sind die Muskeln irgendwann beschädigt oder funktionieren nicht mehr richtig, können diese in der Biotonne entsorgt werden. Unter kontrollierten Bedingungen bauen sich die künstlichen Muskeln innerhalb von sechs Monaten vollständig ab.

Die Forscher haben einen elektrisch angetriebenen künstlichen Muskel namens Hasel entwickelt. Dabei handelt es sich um mit Öl gefüllte Kunststoffbeutel, die auf beiden Seiten des Beutels mit Elektroden ausgestattet sind. Wenn eine Hochspannung zwischen den Elektroden angelegt wird, bewirken die elektrostatischen Kräfte, dass sich das Pflanzenöl im Inneren des Beutels verschiebt. Indem das Öl hin- und hergeschoben wird, zieht sich der Beutel zusammen – ähnlich wie ein echter Muskel. Wichtigste Voraussetzung, dass die Verformung der Hasels klappt, ist, dass alle Materialien den hohen elektrischen Spannungen standhalten können. Die Hasels konnten sich bis zu 100.000 Mal zusammenziehen und wieder entfalten bei mehreren tausend Volt ohne dabei kaputt zu gehen oder an Leitfähigkeit einzubüßen. Nach oben

Mit einem biobasierten, biologisch abbaubaren Kunststoffrasensystem will die Stadt Ellwangen den Austrag von Mikroplastik in die Umwelt reduzieren und eine nachhaltige, zukunftsfähige Alternative für neue Sportplätze mit Kunststoffrasen schaffen. Die Entwicklung des Systems übernehmen der Biopolymerhersteller Tecnaro und das Institut für Kunststofftechnik (IKT) der Universität Stuttgart. Das Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL) unterstützt das Vorhaben.

Der Modellplatz soll mindestens dieselben sporttechnischen Eigenschaften aufweisen wie die herkömmlichen Pendants und als Vorbild und Anschauungsobjekt dienen. Kunststoffrasen sind mehrschichtig aufgebaut. In der obersten Faserschicht befindet sich ein Einstreugranulat (Infill), das dort für Stabilität und Elastizität sorgt und gleichzeitig der Hauptverursacher des Mikroplastikaustrags ist. Die Entwicklung eines biobasierten und biologisch abbaubaren Infills steht deshalb im Zentrum des Projektes. Das Projektteam setzt hier auf die Arboblend-Werkstoffe von Tecnaro als Grundlage für ihr neues Material. Ziel ist eine biologische Abbaubarkeit von 90 %, im Erdreich innerhalb von 24 Monaten respektive im Wasser innerhalb von sechs Monaten. Die größte Herausforderung besteht allerdings darin, dass der biologische Abbau erst einsetzt, wenn das Infill in die Umwelt gelangt.

Daneben sucht das Forscherteam auch für die Faserschicht des Kunststoffrasens nach biobasierten Alternativen. Es gilt, Bio-Compounds mit passenden technischen Eigenschaften zu finden und sie optimal zu additiveren. Bei den Materialien ist insbesondere eine hohe Temperaturbeständigkeit für die Sommermonate erforderlich. Für die Elastikschicht sollen sortenreine hochwertige Rezyklate genutzt werden. Während des Projektes überprüfen die Forschenden den tatsächlichen Kunststoffaustrag vom Platz und dessen Umweltauswirkungen. Sie erstellen eine Ökobilanz für ihr Kunststoffrasensystem und initiieren einen Dialog zwischen den Bürgern und Nutzern des Platzes im Sinne einer Aus- und Weiterbildung für eine nachhaltige Entwicklung.

Isoco und V Frames arbeiten künftig mit der Lehvoss Group bei hochleistungsfähigen faserverstärkten Verbundwerkstoffen, einschließlich langer Carbonfaser- und Biopolymer-Carbon-Compounds zusammen. V Frames produziert bereits nachhaltige Fahrradrahmen und reduziert den CO₂-Fußabdruck um 64 % im Vergleich zur traditionellen Aluminiumrahmenproduktion. Die Entwicklungskooperation mit Lehvoss wird die Umweltbilanz weiter verbessern, indem erstmals carbonfaserverstärkte Biopolymere für die Fahrradrahmen- und Komponentenproduktion eingesetzt werden. Mehr zur Kooperation und den eingesetzten Werkstoffen lesen Sie hier.

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Das US-amerikanische Unternehmen Yoloha verwendet für eine Yogamatte ein thermoplastisches Elastomer (TPE) aus der Dryflex Green-Serie von Hexpol TPE, Malmö, Schweden, das zu 55 % aus biobasierten Materialien besteht. Beim Material werden Rohstoffe aus erneuerbaren Ressourcen, darunter Nebenprodukte aus der Landwirtschaft, die hohe Anteile an Kohlenhydraten enthalten, insbesondere Saccharide wie Getreide, Zuckerrüben oder Zuckerrohr, verwendet. Alles zum Produkt und dem Material, lesen Sie hier.

Der 3D-Druck hat längst auch die Brillenindustrie erreicht. Eingesetzt werden hier zunehmend auch biobasierte Werkstoffe. So verwendet beispielsweise das belgische Unternehmen Odette Lunettes für seine 3D-gedruckten Brillengestelle auf Polyamid 11 (PA11) von Materialise. Das zu 100 % biobasierte Polymer wird aus nachhaltig angebauten Rizinusbohnen hergestellt und bietet damit beste Voraussetzung für das Herstellen von Brillen. Nach oben

Das Institut für Kunststofftechnik (IKT) verbindet erstmalig regional verfügbare Faserabfälle mit einem Biokunststoff in technischer Anwendung. Das Ergebnis ist eine Transportbox für ein Elektrolastenrad. Ein erster Prototyp wurde gemeinsam mit der GWW im Rahmen eines zweijährigen Projekts entwickelt. Bisherige Materialien wie Aluminium oder in Harz getränktes Holz sollen hierbei durch einen neuen Leichtbauwerkstoff ersetzt werden. Für weiter Hintergründe zum Projekt, lesen Sie hier weiter.

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Einmalprodukte wie Strohhalme oder Einwegbesteck mit den Vorteilen eines Kunststoffs herstellen, der in der Natur durch Mikroben und Enzyme zersetzt wird, statt zu Mikroplastik zu zerfallen. Earth Renewable Technology (ERT) aus dem brasilianischen Curitiba hat für eines der meistgenutzten Biopolymere, Polylactid (PLA), neue Anwendungsmöglichkeiten eröffnet. Mit seinem „Short Fiber Reinforced (SFRP) in FC 10130 biopolymer composite” integriert das Unternehmen PLA-Fasern erfolgreich in eine PLA-Matrix. Das so entstehende Monomaterial ist nicht nur besonders gut recycelbar, sondern verleiht dem biobasierten und bioabbaubaren Kunststoff deutlich verbesserte Gebrauchseigenschaften. Mehr zur Technologie, deren mögliche Anwendungsfelder und den Materialeigenschaften finden Sie hier.

BASF, Ludwigshafen, und der Verpackungshersteller Billerud Korsnäs, Solna/Schweden, haben ein heim-kompostierbares Papierlaminat für flexible Verpackungen entwickelt. Die Mehrschichtfolie setzt sich aus drei Komponenten zusammen: dem Papier Con Flex Silk von Billerud Korsnäs, einer Siegelschicht aus dem zertifiziert heim-kompostierbaren und teilweise bio-basierten Biopolymer Ecovio der BASF und dem wasserbasierten Klebstoff Epotal Eco 3675 X der BASF. Dieser verbindet die Folie mit dem Papier. Mehr zum Produkt finden Sie hier. Nach oben

Das Kompetenzzentrum Biopolymerwerkstoffe der DITF Denkendorf gewinnt Kohlenstofffasern (Carbonfasern) mittels neuartigen und nachhaltigen Verfahren aus dem Rohstoff Holz. Die Highpercellcarbon-Technologie wurde dazu weiterentwickelt. Das genannte Verfahren umfasst das Nassspinnen von Zellulosefasern unter Verwendung ionischer Flüssigkeiten (IL) als Direktlösungsmittel. Mehr zum Verfahren lesen Sie hier.

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Polylaktid (PLA) ist einer der bedeutendsten Biokunststoffe weltweit und stellt wegen der vergleichbaren Eigenschaften zu PS einen potentiellen Substituenten dar. Das gilt auch für den Einsatz bei Partikelschäumen. Eine Herausforderung von kommerziell erhältlichem PLA ist jedoch die geringe Schmelzefestigkeit und -dehnfähigkeit, die beim Schäumen eine wichtige Rolle spielt. Eine Variante, um diese Materialeigenschaften zu verbessern, ist der Einsatz von Modifikatoren. Warum Partikelschaumverpackungen aus Biokunststoff sein sollten und den aktuellen Entwicklungsstand in diesem Bereich, lesen Sie hier.

Sachsen-Leinen aus Markkleeberg hat ein Verfahren zur Herstellung von Unidirectional-Tapes (UD-Tapes) aus Flachs- und Hanffasern und biobasiertem Polyamid entwickelt. UD-Tapes werden in Formteile zum Beispiel von Fahrzeugteilen, Kindersitzen und dergleichen eingearbeitet, um besonders dünnwandige, hochstabile und ressourcensparende Strukturen zu ermöglichen. Die in einer Richtung orientierten Fasern erlauben es, Steifigkeiten und Festigkeiten in solchen Komponenten bei minimalem Gewicht präzise zu „dosieren“. Die naturfaserverstärkten UD-Tapes können nicht nur bisher übliche glasfaserverstärkte UD-Tapes aus Polypropylen oder anderen konventionellen Kunststoffen ersetzen, sondern auch preislich mit ihnen konkurrieren. Die Flachs- und Hanffasern wachsen in der Region, die Tapes können recycelt und als kurzfaserverstärkter Kunststoff wiederverwendet und am Ende der Lebensdauer biologisch abgebaut werden. Nach oben

Die Carlsberg-Gruppe erprobt aktuell eine neue Fibre Bottle, eine biobasierte und vollständig recycelbare Bierflasche. Ein wichtiger Meilenstein für die Fibre Bottle ist die Auskleidung mit dem pflanzlichen Polymer PEF, das von Carlsbergs Partner Avantium, einem führenden Experten für erneuerbare Chemie, entwickelt wurde. PEF wird vollständig aus natürlichen Rohstoffen hergestellt, ist mit Kunststoff-Recycling-Systemen kompatibel und kann in der Natur abgebaut werden, falls es außerhalb der nationalen Recycling-Systeme landet. Neben den Vorteilen einer nachhaltigen Verpackung fungiert PEF als hochwirksame Barriere zwischen dem Bier und der Außenwand aus Fasern und schützt den Geschmack und die Kohlensäure des Biers besser als herkömmlicher PET-Kunststoff auf Basis fossiler Brennstoffe. Die Außenhülle der Flasche, die von der Verpackungsfirma Paboco hergestellt wird, besteht aus nachhaltig gewonnenen Holzfasern und ist ebenfalls biobasiert. Diese Schale hat den zusätzlichen Vorteil, dass sie isolierend wirkt und das Bier im Vergleich zu Dosen oder Glasflaschen länger kühl halten kann.

Seit 2019 fertigt W.AG, Geisa, Koffer und Boxen der Reihe „Organicline“ vollständig aus einem Biopolymer, das bis zu 93 % aus nachwachsenden Rohstoffen besteht. Genau gesagt wird hier das Spezialcompound „Arboblend“ von Tecnaro eingesetzt. Dabei handelt es sich um einen Werkstoffmix aus Naturfasern, Mineralien, technischer Glukose und natürlichen Wachsen, der bei W.AG mit etablierten Verfahren der Kunststofftechnik verarbeitet wird. Mehr zur nachhaltigen Kofferserie erfahren Sie hier.

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Im Agrar- und Forstbereich werden viele Kunststoffe eingesetzt. Sie sind einer der größten Emittenten von Kunststoffen in die Umwelt. Einige Kunststoffe werden nach Gebrauch eingesammelt, wiederverwendet oder recycelt. Es gibt jedoch immer noch eine große Anzahl an Kunststoffprodukten, die nach der Nutzungsphase nicht wieder entfernt und/oder recycelt werden. Eine dieser Anwendungen ist der Verbiss-, Fege- oder Nageschutz in der Forst- und Landwirtschaft. Üblicherweise werden dort gelöcherte Flachfolienhülsen aus traditionellen Kunststoffen eingesetzt. Diese werden in der Nutzungsphase häufig beschädigt oder zerfallen nach Bewitterung, wobei Fragmente meist ungeachtet auf oder im Boden landen. Eine Alternative stellt ein Bauteil aus einem biologisch abbaubaren Kunststoff dar. Dieser ist nicht ökotoxisch und wird entsprechend zusammengesetzt biologisch abgebaut und wird Teil des Waldbodens. Neugierig? Dann lesen Sie hier weiter.

Für die Produktion neuer Tischwasserfilter setzt Brita auf die nachhaltigeren Materiallösungen Terluran Eco, Styrolution PS Eco und Nas Eco von Ineos Styrolution. Der Kunststoff Nas Eco ist ein Styrol-Methylmethacrylat (SMMA), das im Rahmen einer Kooperation zwischen Ineos Styrolution und BASF entwickelt wurde. Das Material basiert auf dem biomassenbilanzierten Styrol (Styrol BMB) von BASF, bei dessen Herstellung erneuerbare Ressourcen verwendet und im Massenbilanzverfahren zugeordnet werden. So ersetzt BASF fossile Ausgangsstoffe wie Naphtha oder Erdgas durch erneuerbare Rohstoffe, die aus organischen Abfällen oder Pflanzenölen gewonnen werden. Ineos Styrolution nutzt den Rohstoff für die Herstellung neuer nachhaltiger Styrolkunststoffe. Nach oben