Biokunststoffe
Grundlagen. Anwendungen. Märkte.
Published on 1. April 2012
Book
Paperback/Softback
100 pages
978-3-9814981-0-3 (ISBN)
Description
Biokunststoffe sind zum einen biobasierte Kunststoffe (aus nachwachsenden Rohstoffen) und zum anderen biologisch abbaubare (oder bioabbaubare) Kunststoffe. Viele Biokunststoffe sind beides. Aber nicht alle - und so ist es ein weit verbreitetes Missverständnis, biobasierte Kunststoffe seien automatisch biologisch abbaubar und umgekehrt.
Dieses Buch gibt eine kurze Einführung in Kunststoffe und Biokunststoffe, erläutert aus welchen nachwachsenden Rohstoffen Biokunststoffe hergestellt werden können und welche Typen von Biokunststoffen es grundsätzlich - und welche es bereits am Markt gibt.
Kapitel zu Anwendungen, Markt, End-of-Life Szenarien, politischen Rahmenbedingungen und Zukunftsaussichten runden das Werk ab.
Dieses Buch gibt eine kurze Einführung in Kunststoffe und Biokunststoffe, erläutert aus welchen nachwachsenden Rohstoffen Biokunststoffe hergestellt werden können und welche Typen von Biokunststoffen es grundsätzlich - und welche es bereits am Markt gibt.
Kapitel zu Anwendungen, Markt, End-of-Life Szenarien, politischen Rahmenbedingungen und Zukunftsaussichten runden das Werk ab.
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Content
1 Biokunststoff, was ist das eigentlich? 6
1.1 Grundlegendes 6
1.2 Biokunststoffe 7
1.2.1 Biobasierte Kunststoffe 8
1.2.2 Bioabbaubare Kunststoffe 8
1.3 Biobasierte Kunststoffe, warum eigentlich? 10
2 Nachwachsende Rohstoffe 12
2.1 Einführung 12
2.2 Natürliche Polymere 12
2.2.1 Polysaccharide (Kohlenhydrate) 12
2.2.2 Proteine 13
2.2.3 Lignin 13
2.2.4 Naturkautschuk 13
2.2.5 Sonstige 13
2.3 Weitere biogene Rohstoffe 14
2.3.1 Pflanzenöle 14
2.3.2 Monomere 14
3 Biobasierte Kunststoffe 16
3.1 Einführung 16
3.2 Biobasiert - teil-biobasiert 19
3.3 Modifizierte natürliche Polymere 21
3.3.1 Thermoplastische Stärke 21
3.3.2 Cellulose-basierte Kunststoffe 22
3.3.3 Naturkautschuk und thermoplastische Elastomere 24
3.3.4 Lignin-basierte Kunststoffe 26
3.3.5 Protein-basierte Kunststoffe 26
3.3.6 PHA 27
3.4 Aus biobasierten Monomeren synthetisierte biobasierte Polymere 30
3.4.1 Biobasierte Polyester 30
3.4.2 Biobasierte Polyamide 36
3.4.3 Biobasierte Polyurethane 38
3.4.4 Biobasierte Polyacrylate 39
3.4.5 Biobasierte Polyolefine 39
3.4.6 Biobasierte Duromere 41
3.4.7 Weitere biobasierte Kunststoffe 42
3.4.8 Biokunststoffe aus Abfällen 43
4 Kunststoff-Verarbeitungsverfahren 46
4.1 Einführung 46
4.2 Compoundieren 46
4.3 Weiterverarbeitung 47
4.3.1 Extrusion 48
4.3.2 Blasfolien-Extrusion 48
4.3.3 Spritzgießen 49
4.3.4 Blasformen 50
4.3.5 Thermoformen 52
4.3.6 Schäumen 53
4.3.7 Gießen 55
4.3.8 Weitere Kunststoffverarbeitungsverfahren 55
4.3.9 Fügen von Kunststoffen 55
5 Anwendungen 56
5.1 Verpackungen 56
5.2 Catering 58
5.3 Gartenbau und Landwirtschaft 59
5.4 Medizin und Körperpflege 61
5.5 Unterhaltungselektronik 62
5.6 Automobilbau 63
5.7 Textil 65
5.8 Sonstiges 66
6 End-of-Life / Entsorgung / Kreisläufe 68
6.1 Recycling 68
6.1.1 Stoffliches Recycling 68
6.1.2 Chemisches Recycling 69
6.2 Kompostierung 69
6.3 Energetische Nutzung / Thermische Verwertung 70
6.4 Deponie 71
6.5 Kreisläufe 72
7 Markt 74
8 Potenziale und Perspektiven 78
8.1 Weitere Entwicklung 78
8.2 Haben wir überhaupt genug Agrarflächen? 79
9 Gesetzliche Rahmenbedingungen 82
9.1 Normen und Zertifizierung: "kompostierbar" 82
9.2 Die Verpackungsverordnung 83
9.3 Normen und Zertifizierung: "bio-basiert" 83
10 Weiterführende Literatur 86
11 Internet-Informationsquellen 88
12 Quellenangaben 90
13 Stichwortverzeichnis 96
1.1 Grundlegendes 6
1.2 Biokunststoffe 7
1.2.1 Biobasierte Kunststoffe 8
1.2.2 Bioabbaubare Kunststoffe 8
1.3 Biobasierte Kunststoffe, warum eigentlich? 10
2 Nachwachsende Rohstoffe 12
2.1 Einführung 12
2.2 Natürliche Polymere 12
2.2.1 Polysaccharide (Kohlenhydrate) 12
2.2.2 Proteine 13
2.2.3 Lignin 13
2.2.4 Naturkautschuk 13
2.2.5 Sonstige 13
2.3 Weitere biogene Rohstoffe 14
2.3.1 Pflanzenöle 14
2.3.2 Monomere 14
3 Biobasierte Kunststoffe 16
3.1 Einführung 16
3.2 Biobasiert - teil-biobasiert 19
3.3 Modifizierte natürliche Polymere 21
3.3.1 Thermoplastische Stärke 21
3.3.2 Cellulose-basierte Kunststoffe 22
3.3.3 Naturkautschuk und thermoplastische Elastomere 24
3.3.4 Lignin-basierte Kunststoffe 26
3.3.5 Protein-basierte Kunststoffe 26
3.3.6 PHA 27
3.4 Aus biobasierten Monomeren synthetisierte biobasierte Polymere 30
3.4.1 Biobasierte Polyester 30
3.4.2 Biobasierte Polyamide 36
3.4.3 Biobasierte Polyurethane 38
3.4.4 Biobasierte Polyacrylate 39
3.4.5 Biobasierte Polyolefine 39
3.4.6 Biobasierte Duromere 41
3.4.7 Weitere biobasierte Kunststoffe 42
3.4.8 Biokunststoffe aus Abfällen 43
4 Kunststoff-Verarbeitungsverfahren 46
4.1 Einführung 46
4.2 Compoundieren 46
4.3 Weiterverarbeitung 47
4.3.1 Extrusion 48
4.3.2 Blasfolien-Extrusion 48
4.3.3 Spritzgießen 49
4.3.4 Blasformen 50
4.3.5 Thermoformen 52
4.3.6 Schäumen 53
4.3.7 Gießen 55
4.3.8 Weitere Kunststoffverarbeitungsverfahren 55
4.3.9 Fügen von Kunststoffen 55
5 Anwendungen 56
5.1 Verpackungen 56
5.2 Catering 58
5.3 Gartenbau und Landwirtschaft 59
5.4 Medizin und Körperpflege 61
5.5 Unterhaltungselektronik 62
5.6 Automobilbau 63
5.7 Textil 65
5.8 Sonstiges 66
6 End-of-Life / Entsorgung / Kreisläufe 68
6.1 Recycling 68
6.1.1 Stoffliches Recycling 68
6.1.2 Chemisches Recycling 69
6.2 Kompostierung 69
6.3 Energetische Nutzung / Thermische Verwertung 70
6.4 Deponie 71
6.5 Kreisläufe 72
7 Markt 74
8 Potenziale und Perspektiven 78
8.1 Weitere Entwicklung 78
8.2 Haben wir überhaupt genug Agrarflächen? 79
9 Gesetzliche Rahmenbedingungen 82
9.1 Normen und Zertifizierung: "kompostierbar" 82
9.2 Die Verpackungsverordnung 83
9.3 Normen und Zertifizierung: "bio-basiert" 83
10 Weiterführende Literatur 86
11 Internet-Informationsquellen 88
12 Quellenangaben 90
13 Stichwortverzeichnis 96
Biokunststoff, was ist das eigentlich?
1.1 Grundlegendes
Kunststoffe sind organische Polymere, umgangssprachlich auch Plastik oder Plaste, die sich vielfältig verarbeiten lassen. Ihre technischen Eigenschaften, wie Formbarkeit, Härte, Elastizität, Festigkeit, Wärmeformbeständigkeit und chemische Beständigkeit lassen sich durch die Wahl der Ausgangsmaterialien, Herstellungsverfahren und Beimischung von Additiven in weiten Grenzen variieren. Kunststoffe sind leichter und ökonomischer als viele andere Werkstoffe. Diese Eigenschaften und ihre extrem flexible und gute Verarbeitbarkeit machen sie für viele industrielle und gewerbliche Anwendungen zur ersten Wahl [1, 2]. Seit der massenhaften Verfügbarkeit von Erdöl im frühen 20. Jahrhundert werden die meisten traditionellen Kunststoffe aus diesem fossilen Rohstoff hergestellt
Die Statistik ist beeindruckend (Stand 2010): Die Kunststoffindustrie beschäftigt mehr als 1,6 Millionen Menschen in Westeuropa und setzt jährlich rund 300 Milliarden Euro um. Von den weltweit erzeugten 230 Mio. Tonnen Kunststoffen stammt etwa ein Viertel aus Europa und davon wiederum ein Drittel aus Deutschland. Nicht nur für Verpackungen (40 %) und Baumaterialien (20 %), sondern auch zur Automobil- (7%) und Möbelherstellung sowie von der Elektroindustrie und der Haushaltswarenherstellung werden sie benötigt [3].
Dementsprechend steigt der Verbrauch kontinuierlich an; weltweit von 50 Mio. Tonnen im Jahr 1976 auf voraussichtlich 330 Mio. Tonnen im Jahr 2015.
Kunststoff ist allerdings nicht gleich Kunststoff: während duroplastische (oder besser duromere) Kunststoffe nach dem Aushärten für immer fest bleiben, lassen sich thermoplastische durch Erwärmen verformen oder schmelzen. Diese thermoplastischen Kunststoffe sind mit einem Marktanteil von 80 % am weitesten verbreitet. Eine weitere Gruppe von Kunststoffen sind die dehnbaren oder gummielastischen Elastomere [1].
1.2 Biokunststoffe
Der weit verbreitete Begriff Biokunststoffe ist nicht eindeutig und umfasst mehrere Kategorien von Kunststoffen. Dies sind zum einen biobasierte Kunststoffe (aus nachwachsenden Rohstoffen) und zum anderen biologisch abbaubare (oder bioabbaubare) Kunststoffe. Viele Biokunststoffe sind beides (I in Bild 1.1).
Bei biobasierten Kunststoffen liegt das Hauptaugenmerk auf der Herkunft der Ausgangsstoffe, nämlich den nachwachsenden Rohstoffen im Gegensatz zum Erdöl als begrenzter Quelle. Nachwachsende Rohstoffe werden häufig kurz als NaRo oder NaWaRo bezeichnet.
Bioabbaubare Kunststoffe werden nach ihrer zusätzlichen Entsorgungsmöglichkeit charakterisiert. Diese Kunststoffe sind Mikroorganismen als Nahrungs- und Energiequelle zugänglich und können durch den Stoffwechsel der Mikroorganismen in Kohlendioxid (CO2), Wasser und Biomasse zersetzt werden (s.a. Kap. 1.2.2).
Biobasierte Kunststoffe können biologisch abbaubar sein oder auch nicht.
Bioabbaubare Kunststoffe können aus nachwachsenden Rohstoffen hergestellt sein, oder auch nicht.
Insofern ist es ein weit verbreitetes Missverständnis, biobasierte Kunststoffe seien automatisch biologisch abbaubar und umgekehrt.
Bild 1.1: Biobasierte und bioabbaubare Kunststoffe (nach Endres [4])
1.2.1 Biobasierte Kunststoffe
Kunststoffe bestehen im Grunde aus Makromolekülen die sich im Wesentlichen aus Kohlenstoff (C), Wasserstoff (H) und weiteren Elementen wie Sauerstoff, Stickstoff etc. zusammensetzen. Ist die Herkunft des Kohlenstoffes eine fossile Ressource (Erdöl, Erdgas, Kohle) so sprechen wir von konventionellen, traditionellen oder erdölbasierten Kunststoffen. Bei biobasierten Kunststoffen kommt der Kohlenstoff aus "heutigen" kurzfristig nachwachsenden Rohstoffen. Dies können die Früchte von Pflanzen sein, oder auch so genannte Reststoffe wie Stängel, Blätter etc. Selbst Abfallströme wie kommunale Abwässer können reich an "heutigem" Kohlenstoff sein, so dass sie grundsätzlich als Ressource für biobasierte Kunststoffe geeignet sind (vgl. Kap. 3.3.6).
Auf die biobasierten Kunststoffe wird in dieser Schrift noch ausführlich eingegangen.
1.2.2 Bioabbaubare Kunststoffe
Ein Stoff, ein Material oder eine Substanz ist biologisch abbaubar oder bioabbaubar, wenn sie durch Mikroorganismen wie Bakterien, Protozoen oder Pilze, bzw. Enzyme abgebaut werden. Die Mikroorganismen nutzen die Substanzen als Nahrung bzw. als Energiequelle. Dabei bleiben als Abbauprodukte Kohlendioxid (CO2), Wasser und mineralische Salze sonstiger vorliegender Elemente (Mineralisierung) sowie Biomasse zurück [5].
Dabei wird zwischen aerobem Abbau unter Anwesenheit von Sauerstoff, wie dies im Komposthaufen der Fall ist, und anaerobem Abbau unterschieden. Beim anaeroben Abbau fehlt Sauerstoff. In Biogasanlagen beispielsweise führt ein derartiger Abbau zur Entstehung von Methan, das kontrolliert aufgefangen und zur Energiegewinnung genutzt werden kann. Die Umwandlung organischer Abfälle in Biogas wird häufig auch Vergärung (oder auch Anaerobic Digestion, AD) genannt [6]
1.1 Grundlegendes
Kunststoffe sind organische Polymere, umgangssprachlich auch Plastik oder Plaste, die sich vielfältig verarbeiten lassen. Ihre technischen Eigenschaften, wie Formbarkeit, Härte, Elastizität, Festigkeit, Wärmeformbeständigkeit und chemische Beständigkeit lassen sich durch die Wahl der Ausgangsmaterialien, Herstellungsverfahren und Beimischung von Additiven in weiten Grenzen variieren. Kunststoffe sind leichter und ökonomischer als viele andere Werkstoffe. Diese Eigenschaften und ihre extrem flexible und gute Verarbeitbarkeit machen sie für viele industrielle und gewerbliche Anwendungen zur ersten Wahl [1, 2]. Seit der massenhaften Verfügbarkeit von Erdöl im frühen 20. Jahrhundert werden die meisten traditionellen Kunststoffe aus diesem fossilen Rohstoff hergestellt
Die Statistik ist beeindruckend (Stand 2010): Die Kunststoffindustrie beschäftigt mehr als 1,6 Millionen Menschen in Westeuropa und setzt jährlich rund 300 Milliarden Euro um. Von den weltweit erzeugten 230 Mio. Tonnen Kunststoffen stammt etwa ein Viertel aus Europa und davon wiederum ein Drittel aus Deutschland. Nicht nur für Verpackungen (40 %) und Baumaterialien (20 %), sondern auch zur Automobil- (7%) und Möbelherstellung sowie von der Elektroindustrie und der Haushaltswarenherstellung werden sie benötigt [3].
Dementsprechend steigt der Verbrauch kontinuierlich an; weltweit von 50 Mio. Tonnen im Jahr 1976 auf voraussichtlich 330 Mio. Tonnen im Jahr 2015.
Kunststoff ist allerdings nicht gleich Kunststoff: während duroplastische (oder besser duromere) Kunststoffe nach dem Aushärten für immer fest bleiben, lassen sich thermoplastische durch Erwärmen verformen oder schmelzen. Diese thermoplastischen Kunststoffe sind mit einem Marktanteil von 80 % am weitesten verbreitet. Eine weitere Gruppe von Kunststoffen sind die dehnbaren oder gummielastischen Elastomere [1].
1.2 Biokunststoffe
Der weit verbreitete Begriff Biokunststoffe ist nicht eindeutig und umfasst mehrere Kategorien von Kunststoffen. Dies sind zum einen biobasierte Kunststoffe (aus nachwachsenden Rohstoffen) und zum anderen biologisch abbaubare (oder bioabbaubare) Kunststoffe. Viele Biokunststoffe sind beides (I in Bild 1.1).
Bei biobasierten Kunststoffen liegt das Hauptaugenmerk auf der Herkunft der Ausgangsstoffe, nämlich den nachwachsenden Rohstoffen im Gegensatz zum Erdöl als begrenzter Quelle. Nachwachsende Rohstoffe werden häufig kurz als NaRo oder NaWaRo bezeichnet.
Bioabbaubare Kunststoffe werden nach ihrer zusätzlichen Entsorgungsmöglichkeit charakterisiert. Diese Kunststoffe sind Mikroorganismen als Nahrungs- und Energiequelle zugänglich und können durch den Stoffwechsel der Mikroorganismen in Kohlendioxid (CO2), Wasser und Biomasse zersetzt werden (s.a. Kap. 1.2.2).
Biobasierte Kunststoffe können biologisch abbaubar sein oder auch nicht.
Bioabbaubare Kunststoffe können aus nachwachsenden Rohstoffen hergestellt sein, oder auch nicht.
Insofern ist es ein weit verbreitetes Missverständnis, biobasierte Kunststoffe seien automatisch biologisch abbaubar und umgekehrt.
Bild 1.1: Biobasierte und bioabbaubare Kunststoffe (nach Endres [4])
1.2.1 Biobasierte Kunststoffe
Kunststoffe bestehen im Grunde aus Makromolekülen die sich im Wesentlichen aus Kohlenstoff (C), Wasserstoff (H) und weiteren Elementen wie Sauerstoff, Stickstoff etc. zusammensetzen. Ist die Herkunft des Kohlenstoffes eine fossile Ressource (Erdöl, Erdgas, Kohle) so sprechen wir von konventionellen, traditionellen oder erdölbasierten Kunststoffen. Bei biobasierten Kunststoffen kommt der Kohlenstoff aus "heutigen" kurzfristig nachwachsenden Rohstoffen. Dies können die Früchte von Pflanzen sein, oder auch so genannte Reststoffe wie Stängel, Blätter etc. Selbst Abfallströme wie kommunale Abwässer können reich an "heutigem" Kohlenstoff sein, so dass sie grundsätzlich als Ressource für biobasierte Kunststoffe geeignet sind (vgl. Kap. 3.3.6).
Auf die biobasierten Kunststoffe wird in dieser Schrift noch ausführlich eingegangen.
1.2.2 Bioabbaubare Kunststoffe
Ein Stoff, ein Material oder eine Substanz ist biologisch abbaubar oder bioabbaubar, wenn sie durch Mikroorganismen wie Bakterien, Protozoen oder Pilze, bzw. Enzyme abgebaut werden. Die Mikroorganismen nutzen die Substanzen als Nahrung bzw. als Energiequelle. Dabei bleiben als Abbauprodukte Kohlendioxid (CO2), Wasser und mineralische Salze sonstiger vorliegender Elemente (Mineralisierung) sowie Biomasse zurück [5].
Dabei wird zwischen aerobem Abbau unter Anwesenheit von Sauerstoff, wie dies im Komposthaufen der Fall ist, und anaerobem Abbau unterschieden. Beim anaeroben Abbau fehlt Sauerstoff. In Biogasanlagen beispielsweise führt ein derartiger Abbau zur Entstehung von Methan, das kontrolliert aufgefangen und zur Energiegewinnung genutzt werden kann. Die Umwandlung organischer Abfälle in Biogas wird häufig auch Vergärung (oder auch Anaerobic Digestion, AD) genannt [6]