Biopolymere - Gut in Form - Wacker Chemie AG


Biopolymere - Gut in Form

Biopolyester aus nachwachsenden Rohstoffen lassen sich in vielen Fällen deutlich schlechter verarbeiten als herkömmliche, auf Erdöl basierende Kunststoffe. Durch Zugabe des Bindemittels VINNEX® können Biopolyester jetzt wie handelsübliche Thermoplaste verarbeitet werden.

Stärkebasiertes Polymergranulat mit VINNEX® ist der Ausgangsstoff für eine Vielzahl von Produkten aus biologisch abbaubarem Kunststoff.

Kunststoffe bestehen im Wesentlichen aus Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff. Der Kohlenstoff in den Polymerketten kann dabei aus Erdöl stammen. Oder aus nachwachsenden Rohstoffen. Werden Polymere nicht aus dem zunehmend knapper und teurer werdenden Erdöl hergestellt, sondern aus nachwachsenden Rohstoffen wie Stärke oder Cellulose, spricht man von Biopolymeren. Diese gelten als vielversprechende und nachhaltige Alternative zu erdölbasierten Rohstoffen: Das Ausgangsmaterial ist im Prinzip unbegrenzt verfügbar, und die biopolyesterbasierten Kunststoffe sind zudem umweltverträglich, da sie sich im Lauf der Zeit selbst abbauen. Experten schätzen, dass Biopolymere künftig bis zu 90 Prozent aller herkömmlichen Kunststoffe ersetzen könnten. Bislang führten Biopolymere jedoch gegenüber der herkömmlichen petrochemischen Konkurrenz ein Nischendasein. Im Jahr 2011 wurde laut einer Studie des Branchenverbands European Bioplastics und der Universität Hannover weltweit gerade 1,2 Millionen Tonnen produziert – dies entspricht weniger als einem Prozent der weltweiten Kunststoffproduktion. Die Gründe hierfür liegen auf der Hand: Oft entsprechen die Materialeigenschaften von Biokunststoffen noch nicht den Eigenschaften von vergleichbaren konventionellenKunststoffen, sie sind meist noch teurer und mit den etablierten Prozessen der Industrie schwieriger zu verarbeiten.

Allerdings arbeiten die chemische und kunststoffverarbeitende Industrie sowie Forschungsinstitute intensiv an der Entwicklung neuer und verbesserter Biokunststoffe – die Forschungsdynamik schlägt sich in einem überdurchschnittlichen Marktwachstum nieder: Bis 2016 sollen sich die Produktionskapazitäten für Biopolymere verfünffachen – auf weltweit 6 Millionen Tonnen.

„Unternehmen arbeiten an Neuerungen, mit denen die Eigenschaften von bestehenden Biopolymeren verbessert werden können, und ihre Erfindungen dürften die Art, wie Kunststoffe in Verpackungsanwendungen verwendet werden, stark verändern.“

Sujatha Vijayan Research Analyst, Frost & Sullivan
Biologisch abbaubare Lebensmittelverpackungen sind immer mehr im Kommen. Das neue Bindemittelsystem VINNEX® ermöglicht nun eine bessere Verarbeitung sogenannter Biokunststoffe und verringert die Geräuschentwicklung der Folie.

Umweltbewusste Verbraucher

Laut einer Untersuchung des Beratungsunternehmens Frost & Sullivan sind Biopolymere vor allem im Lebensmittelbereich nachgefragt, wo die Verbraucher verstärkt biologisch abbaubare Verpackungen fordern und dafür auch höhere Preise in Kauf nehmen. Die Meldungen über riesige Plastikmüllstrudel auf den Weltmeeren, die so groß wie Mitteleuropa sind, haben umweltbewusste Konsumenten aufgeschreckt. Allerdings hänge der Erfolg des Biopolymer-Marktes auch von der Entwicklung neuer Technologien ab, mit deren Hilfe die Qualität und die Eigenschaften der verwendeten Materialien verbessert werden könnten, heißt es in der Frost-&-Sullivan-Studie weiter. „Unternehmen arbeiten im Bereich verschiedener Technologien an Neuerungen, mit denen die Eigenschaften von bestehenden Biopolymeren verbessert werden können, und ihre Erfindungen dürften die Art, wie Kunststoffe in Verpackungsanwendungen verwendet werden, stark verändern“, erklärte Sujatha Vijayan, Research Analyst bei der US-Beratungsfirma.

Neue Mischungen verbessern Eigenschaften

Eines dieser Unternehmen ist die Wacker Chemie AG: Um die noch bestehenden Defizite der Biopolymere auszugleichen, setzen die Entwickler von WACKER auf das Prinzip der Polymerblends, also ein Gemisch aus synthetischen und biobasierten Polymeren. Durch die Beigabe des auf Vinylacetat basierenden Bindemittels VINNEX® lassen sich jetzt deutlich leistungsfähigere Mischungen aus Biopolymeren entwickeln, die ein vielfältigeres Anwendungs- und Verarbeitungsspektrum erschließen.

Typischerweise werden zwischen fünf und 30 Prozent des Bindemittels in den Blends verwendet. Durch diesen Zusatz verbessern sich die physikalischen Eigenschaften der sonst eher schwer zu verarbeitenden Biopolymere erheblich: Je nach VINNEX®-Anteil und -Typ sind die Polymerblends schlagzäher, schmelzstabiler oder flexibler als die reinen Biopolymere.

Das Produkt

VINNEX®

ist ein weichmacherfreies Bindemittel auf Basis auf Basis von Vinylacetat-, Homo-, Co- und Terpolymeren. Es ermöglicht nun auch die problemlose Verarbeitung von Biopolymerblends. Diese neuen Blends lassen sich beispielsweise zu Verpackungsmaterialien für Nahrungsmittel, Broschüren, Bauteilen für Elektrogeräte oder selbstzersetzende Gefäße im Garten und Agrarbereich verarbeiten.

Leicht zu verarbeiten

Die Rezepturen der Polymerblends lassen sich außerdem so einstellen, dass die Maschinen der Kunststoffverarbeiter die biobasierten Materialien wie konventionelle Thermoplaste verarbeiten können: vom Spritzgießen und Extrudieren und Blasfolien über Vakuum- und Thermoformen bis hin zum Kalandrieren. Zudem können die Biopolymere dank VINNEX® jetzt wesentlich einfacher in die gewünschte Form gebracht werden.

Das verbesserte Bindemittel verträgt sich mit den unterschiedlichsten Biopolyester-Sorten. Nach dem Baukastenprinzip lassen sich auch verschiedene VINNEX®-Typen – entweder als Pulver oder als Festharz – mit einzelnen oder mehreren Biopolymeren und Füllstoffen kombinieren. Je nach Anwendung lässt sich VINNEX® mit Stärke, Polymilchsäure (PLA ), Polyhydroxylalkanoaten (PHA), Polybutylensuccinat (PBS) oder Celluloseacetat (CA ) zu verschiedenen Polymerblends kombinieren. Dadurch können die Eigenschaften je nach Bedarf genau eingestellt werden. Weil VINNEX® die Rekristallisierungseigenschaften von PBS reduziert und auch die Schmelzstabilität verbessert, lassen sich aus dem Polymerblend nun durch Thermoformen stabile, dreidimensionale Strukturen erzeugen.

Ganz neue Möglichkeiten

Mit der VINNEX®-Reihe haben es die WACKER-Experten auch geschafft, dass sich Behälter für Heißabfüllungen durch Tiefziehen von PLA /PBS-Mischungen herstellen lassen: Für Kaffeebecher und Suppenbehälter könnte das Bindemittel deswegen künftig ein wertvoller Rohstoff sein. Die meisten VINNEX®-Typen sind für Anwendungen mit Lebensmittelkontakt geeignet.

Durch den Bindemittelzusatz eröffnen sich für die Biokunststoffe ganz neue Möglichkeiten – Beispiel Polymilchsäure: Obwohl PLA ein sehr steifer Werkstoff ist, lassen sich mithilfe von 20 bis 30 Prozent VINNEX®-Anteil problemlos sehr dünne, hochtransparente Folien herstellen. Diese Folien haben eine verringerte Geräuschentwicklung und lassen sich deutlich besser verschweißen. Sie sind dadurch beispielsweise für Display- und Schrumpffolien in der Lebensmittelbranche geeignet. Da PLA mithilfe von VINNEX® deutlich besser auf Papier haftet, ergeben sich so auch neue Möglichkeiten im Bereich der Hochgeschwindigkeits-Extrusionsbeschichtung, beispielsweise für beschichtete Papierbecher und Ablageschalen.

Produkte bleiben biologisch abbaubar

Auch das Anwendungsspektrum von Polyhydroxylalkanoaten wie PHB lässt sich dank VINNEX® vergrößern: Dieses Biopolymer wird durch Fermentation produziert und besitzt je nach Zusammensetzung unterschiedliche Eigenschaften von hart wie ABS bis flexibel wie Weich-PVC. Entsprechend positiv schätzen Experten das Marktpotenzial von Polyhydroxylalkanoaten ein. Mit VINNEX® lässt sich nun das Prozessfenster des Materials erweitern und die ungewünschte Nachkristallisation verhindern. Zudem verhält sich das Polymerblend weniger spröde und ist deutlich flexibler als der reine Biokunststoff: Die Bruchdehnung eines Blends, das mit einem Anteil von rund zehn Prozent VINNEX® hergestellt wird, ist mit etwa 220 Prozent fast dreimal so groß wie die des reinen PHB. Zudem verfügt die Mischung über eine leicht verbesserte Zugfestigkeit.

Ein weiterer Vorteil der VINNEX®-Reihe: Abhängig von der Formulierung kann die biologische Abbaubarkeit der Biopolymere entsprechend der ISO-Norm 14855 erhalten werden. Eine Mischung aus PLA, Stärke und 30 Prozent VINNEX® erreicht unter den Bedingungen einer industriellen Kompostierung innerhalb von 65 Tagen eine biologische Abbaubarkeit von 90 Prozent. Nicht anders als Zellulose – das Referenzsubstrat im Test – ist die Mischung aus Stärke, biobasierten und synthetischen Polymeren nach zwei Monaten im Boden weitgehend zerfallen.