Im Verarbeitungstechnikum Biopolymere des Fraunhofer IAP wurde in einem Projekt die Eignung von PBS-basierten Biokunststofftypen für Schaumanwendungen erforscht und weiterentwickelt.

2022-09-10 04:14:29 By : Ms. Tracy Zhou

Flexible, niedrigdichte Schäume aus Biokunststoffen im Extrusionsverfahren herzustellen war bisher industriell noch nicht möglich. Im Verarbeitungstechnikum Biopolymere des Fraunhofer IAP wurde in einem Projekt die Eignung von PBS-basierten Biokunststofftypen für Schaumanwendungen erforscht und weiterentwickelt.

Schaumstruktur eines Polybutylensuccinats. (Bild: Fraunhofer IAP)

Geschäumte Kunststoffe sind aus Gründen der isolierenden Wirkung, der Gewichtsreduktion von Bauteilen und der Materialeinsparung in Produktionsprozessen aus unserem Alltag nicht mehr wegzudenken. Im Transportsektor und der Baubranche helfen sie, die Energieeffizienz zu verbessern sowie Schall- und Lärmbelastungen zu reduzieren. Leichtbauelemente im Fahrzeugbau, Dämmstoffe für den Bausektor oder Verpackungsmittel für den Schutz hochwertiger Produkte sind nur einige Beispiele. Neben den konventionellen, petrochemisch basierten Kunststoffen besteht ein wachsender Bedarf an Kunststoffen, die entweder aus nachwachsenden Rohstoffen hergestellt werden (biobasiert) oder unter dem Einfluss der Umwelt schadstofffrei abgebaut werden (bioabbaubar). Hintergrund für den wachsenden Bedarf ist die zunehmend in den Fokus der Öffentlichkeit gelangende Situation rund um die Thematik Kunststoffe in der Umwelt. Aber auch das Fortschreiten des Klimawandels spielt eine Rolle. Die Kunststoffverarbeiter sind gezwungen, sich darauf einzustellen und vorzubereiten. Darum gibt es einen dringenden Bedarf an Lösungen für neue Materialien und Verarbeitungsverfahren. Derartige Biokunststoffe werden heute schon als Folien, Schalen, Becher oder andere Verpackungsmittel eingesetzt, zwar noch mit geringem Marktanteil (0,5 bis 1 %), aber mit kontinuierlichen, jährlichen Steigerungen. Im Zuge der damit einhergehenden Materialentwicklungen rücken weitere Anwendungsfelder wie das der Schaumherstellung in den Fokus.

Erst seit wenigen Jahren wird an den prozessseitigen und materialspezifischen Grundlagen für geschäumte Biokunststoffe geforscht und dementsprechend ist fundiertes Anwendungswissen nur in beschränktem Umfang verfügbar. Aus den bisherigen Einsatzgebieten ist jedoch unmittelbar ersichtlich, dass zum Teil erhebliche Materialverbesserungen notwendig sind, die das Fließ- und Dehnverhalten der Kunststoffschmelze (die Schmelzefestigkeit), Blasenbildung und -wachstum sowie das Erstarrungsverhalten betreffen. Um beispielsweise das Fließverhalten, also die scherraten- und temperaturabhängigen Viskositäten zu kontrollieren, müssen die Molekulargewichte und die Kettenarchitekturen angepasst und optimiert werden. Für die Schaumextrusion sind hohe Viskositäten der Polymerschmelze, aber auch ein ausgeprägtes Scherverdünnungsverhalten vorteilhaft.

In Pferdsfeld wurde eine erste Produktionslinie für eine neuartige Klasse von Biokunststoffen in Betrieb genommen. Die Polymer-Gruppe hat den Werkstoff gemeinsam mit dem Fraunhofer IAP entwickelt. Mehr dazu hier

Hier setzt das Projekt X-Bio-P am Fraunhofer IAP an. Seit August 2020 wurde die Eignung von Kunststoff- typen auf Basis von Polybutylensuccinat (PBS) für das Extrusionsschäumen im anwendungsnahen Maßstab erforscht und weiterentwickelt. In der eigens dafür um einen Schmelzekühlmischer erweiterten Extrusionslinie im Schwarzheider Verarbeitungstechnikum für Biopolymere wird CO2 als nachhaltiges Treibmittel eingesetzt. Mit neu entwickelten Materialrezepturen und einer gezielten Temperatur- und Druckführung sind die Schaumqualitäten präzise und kundenspezifisch einstellbar. Mitteldichte und selbst niedrigdichte Schäume mit spezifischen Dichten im Bereich von 0,3 bis unter 0,1 g/cm³ wurden mittels Extrusionsschäumen realisiert. Für Schaumdichten im Bereich 0,5 g/cm³ bis 1 g/cm³ können alternativ auch chemische Treibmittel eingesetzt werden. Diese PBS-Schäume sind damit der Klasse der hochdichten Schäume zuzuordnen. Mit entsprechender Verfahrensführung können für bestimmte Produkte die gewichtsspezifischen Nachteile des biobasierten Polyesters PBS gegenüber den Polyolefinen wie PE ausgeglichen oder sogar verbessert werden. PBS hat eine Ausgangsdichte von 1,25 g/cm³ und liegt damit etwas niedriger als PET mit 1,38 g/cm³.

In den mechanischen Eigenschaften ähneln die Schäume aus PBS denen auf Basis von Polyethylen, eine beispielhafte Anwendung für einen LDPE-Schaum ist im Bild auf Seite 50 gezeigt. Die PBS-Schäume sind etwas härter. So wurde eine Shore A Härte von 47 für die niedrigdichten PBS-Schäume der Dichte 0,09 g/cm³ auf der geschlossenporigen Schaumoberfläche gemessen. Für das Referenzmaterial aus LDPE wurde hier ein Shore A Wert von 17 erzielt. Der Unterschied zwischen beiden Schäumen ist auf die aktuell noch höhere Schaumdichte und das höhere E-Modul der PBS-Materialien zurückzuführen. Ungeschäumtes PBS hat einen E-Modul im Bereich von 500 bis 600 MPa.

Das Eigenschaftsprofil der geschäumten Biokunststoffe wird weiter optimiert.

In Zusammenarbeit mit der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) in Berlin wurde die Mikrostruktur der Schäume mittels Computertomographie untersucht (CT). Die aus den CT-Aufnahmen bestimmten mittleren Porengrößen liegen bei 440 µm Durchmesser. Die mittleren Wanddicken der Schaumporen bei 60 µm. Die CT-Untersuchungen erlauben weitere Verbesserungen oder produktspezifische Anpassungen des Verfahrens.

Das IAP-Team bleibt hier aber nicht stehen. „Schäume müssen auch die brandschutzrechtlichen Vorgaben erfüllen können“, erläutert Thomas Büsse, Leiter des Verarbeitungstechnikums in Schwarzheide. „Wir haben erstmalig Flammschutzmittel in den PBS-Schäumen eingesetzt. Mit dem Erreichen der Brandschutzklasse V0 im UL94-Test sind wir hoch zufrieden. Ein herzlicher Dank hierfür auch an unsere Kollegen rund um Dr. Arne Schirp am Fraunhofer WKI in Braunschweig, die die Untersuchungen engagiert durchgeführt haben.“ Zudem bietet das eingesetzte phosphorhaltige Flammschutzmittel ebenso Vorteile in puncto Toxizität und Verträglichkeit mit der Umwelt. Im Brandfall werden hier keine hochgiftigen Dioxine freigesetzt, wie es bei den günstigeren halogenhaltigen Flammschutzmitteln der Fall sein kann. Noch basieren die phosphorhaltigen Flammschutzmittel auf kommerziellen, nicht biobasierten Produkten. Mit einem zusätzlichen, deutlichen Wachstum an geschäumten Biokunststoffen ist zu rechnen, wenn die PBS-basierten Materialien und ihre Eigenschaften gezielt angepasst werden. Vor allem die Vielfalt an PBS-Typen mit hoher Schmelzefestigkeit ist entscheidend. Auch hierfür werden am IAP derzeit mit Hochdruck die Möglichkeiten in der PBS-Synthese ausgebaut, um weitere Anwendungsbereiche und größere Mustermengen zu adressieren.

Traceless Materials hat ein Material auf Basis natürlicher Polymere entwickelt, das rückstandslos abbaubar ist und nicht unter die EU Single Use Plastic Directive (SUPD) fällt. Das Material kann zu Folien, Spritzgussteilen oder Papierbeschichtungen verarbeitet werden. Lesen Sie auch

Die Wirtschaftsregion Lausitz fördert das Projekt X-Bio-P innerhalb des Modellvorhabens „Unternehmen Revier“ des Bundesministeriums für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) und nutzt die Kompetenzen am Fraunhofer IAP, um anschließend ein industrielles Verbundvorhaben regionaler Unternehmen zu initiieren.

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. (Bild: Materialise)

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. (Bild: Yoloha Yoga)

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. (Bild: ERT)

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. (Bild: BASF 2020)

Etiket Schiller, Plüderhausen, hat eine bio-basierte PE-Folie entwickelt, die sich für den Etikett-Einsatz im Lebensmittelbereich eignet. Die Folie ist beständig gegen Schwitzwasser und kann bei Temperaturen von -20 bis +80 °C eingesetzt werden. Das Material wird mit einem Klebstoff verwendet, der der europäischen Lebensmittel-Richtlinie 1935/2004/EC entspricht. Die bio-basierte PE-Folie kann direkt auf trockenen, feuchten oder fettenden Lebensmitteln angebracht werden, zum Beispiel auf Milchprodukten oder Brot. Die Etiketten basieren auf Zuckerrohr-Biomasse. Aus ihr wird das Ethanol-Granulat gewonnen, das Grundlage der PE-Folien-Produktion ist. Mehr über das Produkt erfahren Sie hier. (Bild: Schiller)

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. (Bild: IKT)

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. (Bild: Sachsen-Leinen)

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. (Bild: Carlsberg)

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. (Bild: W.AG Funktion + Design)

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. (Bild: Biofibre)

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. (Bild: Brita)

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Fraunhofer Institut für Angewandte Polymerforschung IAP

Im Rahmen des VDMA-Circular-Economy- Forums präsentiert Coperion, Stuttgart, auf der K 2022 gebündelt seine Prozess-Lösungen und Technologien, die das wirtschaftliche Recycling unterschiedlichster Kunststoffe ermöglichen und dabei eine hohe Produktqualitäten erzielen. Im Zentrum steht eine Anlage rund um den Doppelschneckenextruder ZSK 58 Mc18, die für die Herstellung von hochwertigem PET-Rezyklat konfiguriert ist.Weiterlesen...

Ulrich Reifenhäuser, CSO der Reifenhäuser-Gruppe, wurde mit dem Georg-Menges-Preis 2022 ausgezeichnet. Dieser wird für hervorragendes Engagement bei der Zusammenarbeit zwischen Forschung und Industrie verliehen.Weiterlesen...

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