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Alles Bio? – neue Ansätze von Biopolymeren
in der Produktentwicklung
R. Schlutter, Prof. Dr.-Ing. T. Seul, Prof. Dr.-Ing. M. Koch
FH Schmalkalden, 98574 Schmalkalden, r.schlutter@fh-sm.de
Zusammenfassung
Der Vortrag stellt den Stand der Technik in der Anwendung von biobasierten,
nicht biologisch abbaubaren Kunststoffen dar. Es wird auf verschiedene Anwendungen
eingegangen und das Potential der biobasierten Kunststoffe aufgezeigt.
Daneben werden erste Ergebnisse hinsichtlich der Kennwertermittlung ausgewählter
biobasierter Kunststoffe präsentiert. Im Speziellen wird auf die thermischen
Kennwerte und die Fließkurven der betrachteten biobasierten Kunststoffe
eingegangen.
Ein kurzer Ausblick über die im Folgenden notwendigen Arbeiten wird gegeben.
Die Ziele der Forschungsarbeit werden genannt.
1 Einleitung
Abbildung 1: kompostierbare Kunststofftüte aus PLA-Blends [1]
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Ungefähr 90% der heute gefertigten Kunststoffteile werden über Spritzgießen
hergestellt. Daneben werden immer neue Anwendungsgebiete für technische
Kunststoffteile erschlossen, die immer extremeren Umweltbedingungen ausgesetzt
sind. Als Beispiele seien hier Teile unter der Motorhaube im Ansaugtrakt
oder Luftfiltersystem oder Implantate im menschlichen Körper genannt. Außerdem
wird die Nachhaltigkeit und Ressourcenschonung immer wichtiger, was den
Einsatz neuer Werkstoffe bedingt.
2 Definition „Biopolymere“
Abbildung 2: Anwendung von Biopolymeren [2]
Jedes Jahr werden weltweit ca. 220 Millionen Tonnen Kunststoffe hergestellt und
verbraucht. Die jährliche Wachstumsrate liegt bei ungefähr 5% pro Jahr. Davon
entfallen jedoch erst 0,1% auf Kunststoffe, die aus nachwachsenden Rohstoffen
produziert werden. Hier sind alle Kunststoffe eingeschlossen, die einen Anteil an
nachwachsenden Rohstoffen von deutlich über 50% Gewichtsanteil haben [3].
Bei biobasierten Kunststoffen oder Biopolymeren handelt es sich nicht um eine
einheitliche Produktklasse. Die einzelnen Produkte können sich erheblich voneinander
unterscheiden. Es handelt sich jedoch nicht um eine neue Werkstoffart
sondern um eine Untergruppe der Kunststoffe. Biobasierende Kunststoffe haben
den gleichen Aufbau und daher auch die gleichen Verarbeitungs- und Funktionseigenschaften,
wie sie bei petrochemisch gewonnen Kunststoffen ermittelt
wurden [4]. In [4] werden die bereits bestehenden Biopolymere mit entsprechenden
konventionell hergestellten Polymeren in materialtechnischer Hinsicht
verglichen. Daneben werden der chemische Aufbau, die Herstellung sowie die
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Verarbeitungs- und Gebrauchseigenschaften und die Entsorgungsvorschriften
für Biopolymere diskutiert.
Der Begriff „Biobasierend“ hat im Allgemeinen zwei Bedeutungen. Zum einen
bedeutet es, dass Kunststoffe aus nachwachsenden Rohstoffen, wie Stärke, Cellulose
oder Zucker hergestellt werden. Solche Kunststoffe müssen nicht zwingend
biologisch abbaubar sein. Zum anderen bedeutet es, dass solche Kunststoffe
biologisch abbaubar sind. Hier sind aber auch Kunststoffe mit eingeschlossen,
die aus erdölbasierten Polymeren gewonnen werden. In Abbildung 3 sind die
verschiedenen Teile der Kunststofffamilie mit jeweils zwei Vertretern dargestellt.
Abbildung 3: die Kunststofffamilie [5]
Im Rahmen der Arbeit wird nur die erste Gruppe von Kunststoffen, die aus
nachwachsenden Materialien hergestellt werden (in Abbildung 3 unten links),
betrachtet. Dabei ist es wichtig, dass diese biobasierten Kunststoffe nicht biologisch
abbaubar sind, da sie sonst nicht in der Lage sind, schwierigsten Bedingungen
zu widerstehen.
3 Potentiale und heutige Einsatzgebiete
Der Kunststoffhersteller DuPont hat das Ziel im Jahr 2010 einen Umsatz von
8 Milliarden Euro mit auf nachwachsenden Rohstoffen basierenden Kunststoffen
zu erzielen [6]. Hier spiegelt sich das gewaltige Potential dieser Kunststoffe wieder,
auch wenn der Großteil an biobasierten Kunststoffen biologisch abbaubar
ist.
Stand der Technik ist bereits, dass vereinzelt Biopolymere unter der Motorhaube
eingesetzt werden können. In [7] wird der Einsatz von Polyamid 5.10 und Polyamid
6.10 aus nachwachsenden Rohstoffen im Luftfiltersystem eines Ottomotors
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eschrieben. Das Polyamid 6.10 wird mit Glasfasern und Mineralien verstärkt.
Basis für die Herstellung dieser Polyamide ist Sebazinsäure, welche aus Rhizinusöl
gewonnen wird. Insgesamt besteht das Polyamid 6.10 zu 60% aus nachwachsenden
Rohstoffen. Das Polyamid 5.10 erreicht nahezu 100%. Es wird aus
Monomeren der Sebazinsäure und Diaminopentan hergestellt. Das Diaminopentan
wird fermentativ durch Bakterien gewonnen, die beispielsweise Zucker umsetzen.
Das genannte Polyamid 5.10 ist normalen Polyamiden in mechanischer
Hinsicht nicht unterlegen. Außerdem nehmen beide Polyamide weniger Wasser
auf und fließen besser als petrochemisch gewonnene Polyamide.
Die Idee, Kunststoffe aus nachwachsenden Rohstoffen zu erzeugen, wurde das
erste Mal während des zweiten Weltkrieges von Ford getestet. Im Ergebnis stand
ein Auto, dass nur halb so schwer war wie vergleichbare Modelle. Allerdings
blieb dieses Auto eine Studie [6].
Heute wird beispielsweise Polyester aus Mais produziert. Hier sind keine hohen
Temperaturen und Drücke zur Herstellung der biobasierten Kunststoffe notwendig.
Allerdings eignen sich diese Kunststoffe nicht für technische Bauteile sondern
allenfalls als Dämmmaterial. [6]
Ein anderer Entwicklungsansatz zur Herstellung von Biopolymeren wird in [8]
beschrieben. Hier wird auf die Möglichkeit eingegangen, dass Bakterien fermentativ
kurzkettige Alkohole, wie Methanol oder Ethanol herstellen. Diese reagieren
dann mit Hilfe eines Katalysators und der Zugabe von Kohlendioxid zu Polycarbonaten.
Diese sind biologisch abbaubar und ähneln in ihren Eigenschaften
Polyethylen und Polypropylen. Die Herstellung dieser Biopolymere ist jedoch
im Vergleich zu petrochemisch hergestellten Polymeren immer noch zu teuer.
Im Allgemeinen werden die Biopolymere in Biopolymere erster, zweiter und
dritter Generation unterschieden. Die erste Generation der Biopolymere entstand
in den 80er Jahren des vergangenen Jahrhunderts. Diese waren jedoch sehr teuer
und hatten im Vergleich zu konventionellen Polymeren unausgereifte Materialeigenschaften.
Die zweite Generation der Biopolymere entstanden aus der Weiterentwicklung
der ersten Generation. Sie haben ihren Schwerpunkt vor allem auf der biologischen
Abbaubarkeit und finden Anwendung in der Verpackungsindustrie und bei
anderen kurzlebigen Produkten, zum Beispiel kompostierbare Mulchfolien.
Die dritte Generation der Biopolymere umfasst die nicht bioabbaubaren Polymere.
Sie sind geeignet für technische Kunststoffteile, beispielsweise in der Automobilindustrie.
Allerdings liegen zu diesen Biopolymeren noch keine Kenntnisse
über deren Langzeitverhalten, wie Kriechvorgänge, thermische Beständigkeit
oder UV-Beständigkeit vor. Auch im Bereich der rheologischen Kennwerte liegen
momentan nur lückenhafte Informationen vor [4].
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In absehbarer Zeit wird es aufgrund des Konkurrenzdenkens der Hersteller von
Biopolymeren keine einheitlichen und umfassenden Werkstoffkennwerte und Informationen
geben.
Abbildung 4: Potentiale der Biopolymere [1]
In [1] (Abbildung 4) wird geschätzt, dass der Anteil an biobasierten, nicht biologisch
abbaubaren Kunststoffen von 30.000t auf 575.000t im Jahr 2011 anwachsen
wird, was das gewaltige Potential dieser neuen Kunststoffklasse zeigt. Das
heutige Haupteinsatzgebiet dieser Kunststoffe liegt vor allem im Sport- und Freizeitbereich.
So werden biobasierte Kunststoffe in Gehäusen für Mobiltelefone
verwendet, aber auch Skischuhe werden heute schon aus PLA und Bambusfasern
hergestellt. Daneben setzen sich die biobasierten Kunststoffe auch immer mehr
im Automobil, vor allem im Innenraum, durch. Hier werden sie vorrangig als
Dämmstoffe, atmungsaktive Sitzpolster oder in Oberflächenteilen verwendet.
Als Rohstoff für Kraftstoffleitungen sind sie sich besonders in Asien auf dem
Vormarsch.
Zusammenfassend kann gesagt werden, dass die Herstellung der Biopolymere
noch am Anfang steht. Zukünftig werden neue Monomere und Polymere entwikkelt
werden. Es werden aber auch neue Blends und Faserzusätze und Additive
entwickelt. Daher ist es momentan wichtig, biobasierte Kunststoffe weiter zu
entwickeln und Kenntnisse über ihre Verarbeitbarkeit und Eigenschaften zu gewinnen
sowie die bereits bestehenden Produkte weiter zu optimieren.
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4 Ziele
Ziel der Arbeit ist die Erarbeitung von Verarbeitungs-, und Konstruktionsrichtlinien
für die Produktentwicklung mit biobaserten Kunststoffen, sowie die Etablierung
der biobasierten Kunststoffe in der fertigenden Industrie.
Nebenziel ist die Erstellung von Datensätzen von Biopolymeren, die zu Fließsimulationen
verwendet werden können.
Als Nicht-Ziel sei an dieser Stelle die Entwicklung neuer Biopolymere genannt.
5 Prinzipieller Aufbau der Guideline
Die Produktentwicklung beschreibt den Prozess von der Idee für ein neues
Produkt bis zur fertigen Umsetzung dieser Idee in ein konkretes Produkt und
wird nach VDI 2222 [9] in vier Phasen unterteilt.
In der Planungsphase werden die grundlegenden Vorgaben wie Designvorgaben,
die Funktion des Produktes oder mögliche Stückzahlen für die Realisierung des
Produktes zusammengestellt. Die Angaben sind allgemein zu halten, da hier
noch keine technische Umsetzung der Ideen in Produkte erfolgt.
In der Konzeptphase werden die Produktideen technisch umgesetzt. Dazu
werden die Vorgaben in eine Anforderungsliste überführt. Aus dieser wird
dann die ideale technische Lösung ausgearbeitet und bewertet. Als Ziel kann
beispielweise formuliert werden, dass Produkte aus nachwachsenden Rohstoffen
hergestellt werden.
In der Entwurfsphase werden die ausgewählten Konzepte in konkrete
Konstruktionen überführt. Das Hauptaugenmerk liegt hier auf der
Dimensionierung, der Werkstoffauswahl und der Gestaltung. In dieser Phase
werden die Konstruktionsprinzipien geklärt; das heißt, ob sämtliche Funktionen
in einem Bauteil vereint werden können oder ob das gesamte Produkt aus
einzelnen Bauteilen und Funktionsgruppen zusammengebaut wird.
In der letzen Phase, der Ausarbeitungsphase werden die Einzelteile optimiert.
In der Erstellung von Kunststoffprodukten wird dieser Schritt zumeist schon
in der Entwurfsphase durch den intensiven Einsatz von Simulationssoftware
durchgeführt. In dieser Phase werden außerdem die Einzelteilzeichnungen,
Stücklisten und Anweisungen erstellt. Heute werden in der Regel keine komplett
bemaßten Zeichnungen erstellt. In Zeichnungen werden die Hauptmaße und die
Prüfmaße für die Qualitätssicherung dargestellt. Abschließend werden Prototypen
gebaut, da sich hier die Funktionen am besten erproben lassen. Sollten in diesem
Stadium Fehler auftreten, so muss der Produktentwickler in die zweite Phase
zurückkehren und den Produktentwicklungsprozess erneut durchlaufen.
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6 Durchzuführende Arbeiten
Anfangs werden die durchzuführenden Versuche theoretisch analysiert.
Dabei werden nach den Forderungen der entsprechenden DIN-Normen
Protokollvorlagen erstellt, die das Auswerten der Versuche aus dem dritten
Arbeitspaket erleichtern. Im Ergebnis stehen Tabellen und Protokolle zum
Auswerten und Prozessparameter für die zu prüfenden biobasierten Kunststoffe.
Im Weiteren erfolgt die Auswahl der zu prüfenden biobasierten Kunststoffe. Die
Erwartungen an die ausgewählten biobasierten Kunststoffe werden in einem
Sollzustand festgehalten und mit einem Meilenstein eingefroren.
Ausgehend von den Ergebnissen der theoretischen Analyse werden die Versuche
durchgeführt, um die Verarbeitbarkeit der gewählten biobasierten Kunststoffe
festzustellen und um gegebenenfalls Änderungen vorzuschlagen.
Anfangs wird die Dichte nach DIN EN ISO 1183-1 ermittelt. Anschließend
werden die Glasübergangstemperatur, die Schmelztemperatur sowie die
Enthalpie mittels dynamischer Differenzkalometrie nach DIN EN ISO 11357-1
bestimmt. Parallel wird eine thermogravimetrische Analyse nach DIN EN ISO
11358 durchgeführt, um die Massenänderung in Abhängigkeit der Temperatur zu
messen. Im Weiteren werden Versuche durchgeführt, um die Stabilität gegenüber
thermischer Oxidation festzustellen. Die Bestimmung des thermischen
Ausdehnungskoeffizienten mittels Dilatometer stellt eine weitere Versuchsreihe
dar. Mit der Schmelz- und der Glasübergangstemperatur ist es möglich, die
Viskosität nach ISO 11443 und das p-v-T-Diagramm nach ISO 17744 mittels
Kapillarrheometer abzubilden. Hierbei wird außerdem betrachtet, wie sich die
thermische Zersetzung der biobasierten Kunststoffe auf diese Kenngrößen und
damit auch auf deren Verarbeitbarkeit auswirken.
Im Anschluss an diese Untersuchungen werden Probekörper nach
DIN EN ISO 294 durch Spritzgießen hergestellt, um mechanische Kennwerte
ermitteln zu können. Hierbei werden Zugstäbe, Biegeproben, Kerbschlagproben
und Härteprüfkörper gespritzt.
Mit Hilfe der Probekörper können unter Anderem der Elastizitätsmodul für
Zug und die Streckgrenze sowie die Bruchspannung und die Bruchdehnung
bei verschiedenen Temperaturen nach DIN EN ISO 527 sowie die
Kugeleindruckhärte nach DIN EN ISO 2039-1 und die Kerbschlagarbeit nach
DIN EN ISO 179 bestimmt werden. Außerdem werden die Biegeeigenschaften
nach DIN EN ISO 178 bestimmt.
Zum Ende liegt das Hauptaugenmerk darin, aus den gewonnenen Ergebnissen
Rückschlüsse für die Verbesserung der betrachteten biobasierten Kunststoffe zu
ziehen. Dabei wird ein Sollzustand definiert, der mit dem ermittelten Istzustand
verglichen wird. Dieses Arbeitspakt wird in enger Zusammenarbeit mit den be-
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teiligten Projektpartnern realisiert. Werden hierbei gravierende Mängel in der
Handhabbarkeit und Verwendung der biobasierten Kunststoffe festgestellt, so
können diese behoben werden. In diesem Fall schließt sich eine erneute Prüfung
nach Arbeitspaket 3 an.
Sind die ermittelten Ergebnisse zufriedenstellend, erfolgt abschließend die Formulierung
von Verarbeitungs- und Konstruktionsrichtlinien, die den Umgang
mit den betrachteten biobasierten Kunststoffen erleichtern und so zu deren Akzeptanz
bei der Produktentwicklung beitragen sollen.
Daneben werden aus den Ergebnissen Fließkurven zur Beschreibung des Fließverhaltens
der Biopolymere und p-v-T-Diagramme zum Abschätzen des Schwindungsverhaltens
erstellt. Zusammen mit den anderen gemessenen Daten werden
Datensätze für die Spritzguss-simulationssoftware Moldflow erstellt.
Literatur
[1] Käb, H.: Eine logische Entwicklung, in Kunststoffe. (August 2009), Seite 12-19
[2] N.N.: http://www..kunststoffforum.de/ information/news_artikel.php?id=5376,
aufgerufen am 14.03.2010
[3] N.N.: http://www.european-bioplastics.org/index.php?id=5: Biokunststoffe, 07.
August 2009
[4] ENdrEs, H.-J.; siEbErt-ratHs, a. : technische Biopolymere. München: Carl Hanser
Verlag, 2009, 1. Auflage
[5] rEimEr, V.; KüNKEl, a.; PHiliPP, s.: Sinn oder Unsinn von Bio, in Kunststoffe. (August
2008), Seite 32-36
[6] KircHEr W.: Highlights: Leichtbau und Bio, in Kunststoffe. (November 2007),
Seite 90-93.
[7] GrEiNEr, r.; scHäfEr, H.-J.: Neuer Standard in der Materialanwendung: Biopolyamide,
in Konstruktion. (Juni 2009), Seite 4f
[8] mENGEs, G.: CO2 - Klimakiller oder Rohstoff für Kunststoffe, in Kunststoffe. (Oktober
2008), Seite 78-84
[9] Vdi-ricHtliNiE 2222-1: Konstruktionsmethodik: Methodisches Entwickeln von
Lösungsprinzipien (Juni 1997)
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