Warum Biokunststoffe?

Mit dem Ziel der Europäischen Union bis 2050 klimaneutral zu werden, ist auch die Kunststoffbranche bestrebt, nachhaltige Alternativen zu herkömmlichen, erdölbasierten Kunststoffen zu finden. Eine nachhaltige Alternative sind Biokunststoffe und zwar solche, die aus nachwachsenden Rohstoffen gewonnen werden. Der Vorteil des Einsatzes nachwachsender Rohstoffe ist, dass der Atmosphäre beim Wachstum der Pflanze so viel Kohlenstoffdioxid (CO2) entzogen wird, wie später bei der thermischen Nutzung wieder an die Atmosphäre abgegeben wird. Ist der biobasierte Kunststoff zusätzlich bioabbaubar, dann kann er zudem von Bakterien zu CO2, Wasser und Biomasse verstoffwechselt werden. In beiden Fällen ist der Stoffkreislauf CO2-neutral. 

Die Biopolymere der PHA-Gruppe

Wichtiger Bestandteil für Biokunststoffe sind Biopolymere wie z. B. die Polyhydroxyalkanoate (PHA). Der Name PHA steht dabei als Überbegriff für eine ganze Gruppe von Biopolymeren, deren wichtigste Vertreter derzeit das Polyhydroxybutyrat (PHB) und das Polyhydroxybutyrat-co-valerat (PHBV) sind. Für den erfolgreichen Einsatz der PHA-Biopolymere in nutzbaren Anwendungen müssen diese erst zu Biokunststoffen aufbereitet werden, da sie in ihrer unmodifizierten Form auf herkömmlichen Verarbeitungsmaschinen kaum verarbeitbar sind und unmodifiziert auch selten die im Alltagseinsatz erforderlichen Eigenschaften haben. Aufgrund ihrer ressourcenschonenden Herstellung aus nachwachsenden Rohstoffen und ihrer auch unter widrigen Umgebungsbedingungen guten biologischen Abbaubarkeit, wie z. B. in Meerwasser, bieten PHA-Polymere eine gute Basis für neue, umweltschonende Biokunststoffe. 

 Aufbereitung vom Biopolymer zum Biokunststoff

Die Aufbereitung von Polymeren hin zu einem marktfähigen Kunststoff und speziell die Eigenschaftsoptimierung von Biopolymeren ist ein Schwerpunkt des Instituts für Kunststofftechnik (IKT). Basierend auf langjähriger Erfahrung werden im Rahmen des Forschungsprojektes bereits erprobte Modifikationswege genutzt und weiterentwickelt, um die PHA-Biopolymere zu einem marktfähigen Biokunststoff aufzubereiten. Aufbereitungsstrategien sind zum einen die Zugabe von speziellen Additiven, Modifikatoren sowie Füllstoffen und zum anderen die Copolymerisation mit einer geeigneten Weichphase oder das Mischen bzw. Blenden verschiedener PHA-Polymere.

Die Aufbereitung der vom Projektpartner IGVP/IGB bereitgestellten PHA-Polymere erfolgt in den Technika des IKT mittels einem kontinuierlich arbeitenden Doppelschneckenextruder als Reaktionsaggregat. Die Vorteile eines Doppelschneckenextruders liegen gegenüber herkömmlichen Reaktoren in den oft deutlich verkürzten Reaktionszeiten und dass auf aufwendige Reinigungsschritte und damit auf umweltschädliche Lösemittel verzichtet werden kann. Dies macht den Prozess besonders material- und kosteneffizient.

In Abhängigkeit von den bereitgestellten Mengen an PHA-Polymeren, die im Laufe des Projektes von wenigen Milligramm auf zehn Kilogramm gesteigert werden sollen, kann das IKT auf Extruder verschiedener Größe zurückgreifen, sodass schon bei geringen Mengen die Aufbereitung zum Biokunststoff erfolgen kann. Die umfassende Charakterisierung der aufbereiteten Biokunststoffe ermöglicht anschließend eine Evaluierung von geeigneten Additiven sowie die iterative Anpassung der Prozessparameter. Dadurch wird das Eigenschaftsprofil der verschiedenen PHA-Biokunststoffe sukzessive optimiert, sodass als Ergebnis des Forschungsprojektes ein marktfähiger PHA-Biokunststoff entwickelt werden kann, der für die praktische, technische Anwendung geeignet ist. Der Erkenntnisgewinn aus diesem Projekt soll im Anschluss auf andere Biokunststoffe übertragen werden, mit dem Ziel, die Wettbewerbsfähigkeit von Biokunststoffen zu verbessern und mehr und mehr erdölbasierte Kunststoffe durch biobasierte Kunststoffe zu ersetzen.