Kunststoffe und biologisch abbaubare Werkstoffe (BAW)

Auswahl biologisch abbaubarer Thermoplaste und deren Eigenschaften

Biologisch abbaubare Werkstoffe (BAW) auf Stärkebasis

Verzeichnis der zugelassenen Werkstoffe für die Herstellung von zertifzierten Produkten aus kompostierbaren Werkstoffen

Presseinformation der CARMEN zu BAW und ihrer Publikation: Biologisch abbaubare Werkstoffe - Leitfaden & Produktkatalog

Kunststoffe sind Werkstoffe aus organischen Makromolekülverbindungen (Polymere). Ihre Eigenschaften hängen von ihrer Molekülstruktur und dem Grad ihrer Molekülvernetzung ab, erst in zweiter Linie von ihrer chemischen Zusammensetzung. Kunststoffe werden durch Umwandlung von makromolekularen Naturprodukten oder durch Synthese aus niedermolekularen Substanzen hergestellt. In der Regel sind Kunststoffe künstliche, auf Erdöl basierende Polymere. Die Entwicklung biologisch abbaubarer Kunststoffe auf Basis Nachwachsender Rohstoffe ist noch sehr jung.

Kunststoffe werden nach ihrem physikalischem Verhalten unterschieden in:

Unterscheidung nach Herkunft:

Kunststoffverbrauch ca. 110 Mio. Tonnen jährlich in Industriestaaten (geschätzt)  
  ca. 7 Mio. Tonnen in Deutschland  
  davon ca. 1.4 Mio. t kurzlebige Verpackungen  
seit den 80iger Jahren steiler Anstieg

 

Einsatzgebiete von Kunststoffen
Bausektor
25 %
Verpackungssektor
21 %
Elektro- und elektrotechnische Industrie
15 %
Klebstoffe, Farben, Lacke
10 %
Fahrzeugindustrie
7 %
Möbel, Einrichtungen
5 %
Landwirtschaft
4 %
Haushaltswaren
2,5 %
übrige
15 %
Quelle: C.A.R.M.E.N. (1997)  

Der hohe Kunststoffverbrauch bringt u.a. ein immenses Abfallaufkommen, für das in Deutschland kaum noch Deponieraum zur Verfügung steht.

Spätestens seit Inkrafttreten des Kreislaufwirtschaftsgesetzes 1996 gewinnen biologisch abbaubare Werkstoffe zunehmend an Bedeutung. Der Bundestag hat am 29.5.98 die Verpackungsverordnung verabschiedet. Darin werden die Hersteller von kompostierbaren Verpackungen bis zum Jahr 2002 von der flächendeckenden Rücknahmeverpflichtung befreit.

Das Recycling von Kunststoffen auf fossiler Basis ist ökonomisch und ökologisch umstritten. Es wird in Deutschland durch das Duale System Deutschland (DSD) organisiert (Grüner Punkt). Die Kosten werden mit ca. 3DM/kg (DSD-Gebühren) beziffert.
Biologisch vollständig abbaubare Werkstoffe auf Basis Nachwachsender Rohstoffe können dagegen ökonomisch und ökologisch sinnvoll kompostiert oder z.B. vergoren (Biogas) werden. Die biologische Abbaubarkeit ist in ihrer molekularen Zusammensetzung begründet. Es entstehen Kohlendioxid, Wasser und Biomasse, deren Nährstoffe z.B. über den Kompost wieder in den Nährstoffkreislauf eingebracht werden können.

Nachwachsende Rohstoffe für ihre Herstellung sind z.B.

Biologisch abbaubare Werkstoffe (BAW) auf Stärkebasis

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BAW sind kunststoffähnliche Werkstoffe. Sie werden aus nachwachsenden Rohstoffen (meist Stärke oder Zucker) oder fossilen Rohstoffen (Erdöl) hergestellt. Oft handelt es sich um Mischungen.

Im Bereich der Kunststoffchemie ist Stärke in verschiedenen Gebieten einsetzbar. Dabei wird die natürliche polymere Molekülstruktur der Stärke genutzt.

Vermischung mit künstlichen Polymeren:
Vorbehandelte Stärkte wird z.B. mit Polyethylen im Extruder vermischt. Anwendung findet dieses Verfahren etwa bei der Herstellung von Tragetaschen. Das Material kann biologisch zersetzt werden und durch verschiedene Zusätze auch photochemisch angegriffen werden.

Sorbit, Produkt aus der Stärkeverzuckerung findet in der Polyurethanherstellung Verwendung.

Einsatz als Copolymer:
Unter bestimmten Bedingungen und Verwendung von Katalysatoren kann Stärke mit synthetischen Polymeren (z.B. Polyethylen, Polypropylen) chemische Verbindungen eingehen.

Einsatzbereiche sind zum Beispiel:

Stärkederivate:
Hydroxylgruppen entlang der Polymerketten der Stärke werden von verschiedenen reaktiven Gruppen (z.B. Ethylenoxid) derivatisiert. Je Monomereinheit besitzt Stärke drei freie Hydroxylgruppen. Derzeitiger Stand der Technik ist ein Derivatisierungsgrad (DS) von maximal 1. Angestrebt werden höhere Grade. Bei DS von ca. 2,5 kann das Stärkederivat thermoplastische Eigenschaften erreichen.
siehe auch Forschungsförderung Stärke

Thermoplaste:
Reine Stärke kann als Pulver zusammen mit Weichmachern wie Glycerin oder Sorbit im Spritzgußverfahren oder im Extruder verarbeitet werden. So entstehen z.B. Medikamentenkapseln oder Verpackungschips. Durch "backen" in modifizierten Waffelautomaten werden vielfältige Formteile (Tassen, Teller) hergestellt.
Problematisch sind die Wasser- und Temperaturempfindlichkeit des Rohstoffs sowie die Anfälligkeit gegen Mikroorganismen. Diese Problematik führte zur Entwicklung von

Stärkeblends:
Verbindung von thermoplastischer Stärke mit synthetischen BAWs (z.B. Polyvinylalkohol) oder mit abgewandelten Naturprodukten ("Biokunststoffen" z.B. Zelluloseacetat). (Handelsnamen "Mater Bi" (Fa. Novamont, I) oder "Bioflex").
Der Stärkeanteil kann bis zu 70 % betragen. Das Material ist weiterhin biologisch abbaubar und je nach Materialstärke und eingesetzten Hilfsmitteln kompostierbar.
Die Blends lassen sich zu Formteilen oder Folien verarbeiten. Sie gleichen in vielen Eigenschaften Polyethylen.
Wirtschaftlichkeit: Die Stärkeblends sind aufgrund der teuren synthetischen Zusatzstoffe vier bis sechsmal teurer als Massenkunststoffe (1,50 - 2,00 DM/kg).
Entwicklungsziel: Höherer Stärkeanteil, Entwicklung billigerer synthetischer BAWs

Geschäumte Stärke:
Stärkekleister wird aufgeschäumt und verfestigt. Dies geschieht z.B. in einem Extruder, eventuell unter Zusatz von Treibmitteln. Beim Austritt aus der Extruderdüse wird die Masse aufgebläht und aufgeschäumt und verfestigt gleichzeitig. Nach Konditionierung auf einen bestimmten Feuchtegehalt (zur Sicherung der Stabilität) kann der Stärkeschaum weiterverarbeitet werden.
Ein Anwendungsgebiet ist vor allem der Verpackungsbereich mit Stärkeschaumchips (Loose-Fill). Stärke-Loose-Fill besitzt eine Schüttdichte von 10-30 kg/m³ und ähnelt damit Styroprchips.

Aus geschäumter Stärke können in modifizierten Waffelbackautomaten Formteile wie Essgeschirr gebacken werden. Dabei werden dem "Teig" geringe Anteile z.B. von Zellulose und evt. Farbe zugemischt. Die Produkte sind wärmisolierend und relativ stoßfest und fettbeständig. Die Wasserbeständigkeit kann durch Sperrschichen (z.B. Bienenwachs) erhöht werden.

Fermentative Produktion von Biopolymeren:
Stärke als Kohlenstoffquelle für Mikroorganismen, die Biopolymere produzieren.
Beispiele:
- Pollulan (durch Plize) für Folien im Lebensmittelbereich
- Xanthan (durch Bakterien) im Lebensmittelbereich
- Polyhydroxy-Buttersäure (durch Bakterien)
- Milchsäure (durch Bakterien)
siehe auch unter Zucker

Quelle: Bericht des Bundes und der Länder über Nachwachsende Rohstoffe (1990), C.A.R.M.E.N. (1997)

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