mini|Verpackung aus Biokunststoff (Celluloseacetat)

Als bio-basierte Kunststoffe (englisch bio-based plastics) werden Kunststoffe bezeichnet, die auf Basis nachwachsender Rohstoffe erzeugt werden. Davon zu unterscheiden sind biologisch abbaubare Kunststoffe, denn biogene Herkunft und biologische Abbaubarkeit gehen nicht zwangsläufig miteinander einher.

Abgrenzung zu anderen Begriffen Biologisch abbaubare Kunststoffe Oft werden biobasierte Kunststoffe als Biokunststoffe oder Bioplastik bezeichnet.Stichwort Biokunststoff In: Brockhaus Enzyklopädie online, abgerufen am 8. August 2008. Diese Begriffe sind jedoch missverständlich und bezeichnen – je nach Definition – auch Kunststoffe, die auch oder nur biologisch abbaubar sind. Aufgrund der Missverständlichkeit sollten die Begriffe Biokunststoff und Bioplastik nicht verwendet werden.

Biobasiertheit ist eine Eigenschaft, die sowohl biologisch abbaubare Kunststoffe (z. B. PLA), als auch nicht biologisch abbaubare Kunststoffe (z. B. CA) besitzen können. Im Gegenzug gibt es auch biologisch abbaubare Kunststoffe, die nicht biobasiert sind (z. B. PCL). zentriert|rahmenlos|hochkant=2.4|Kunststoffe können biobasiert (gelb und grün), biologisch abbaubar (blau und grün) oder nichts davon sein.

Geschichte mini|links|hochkant|Schildkröt-Puppe Inge aus Celluloid (1950) Biobasierte Kunststoffe waren die ersten Massenkunststoffe, die industriell hergestellt wurden. Bereits im Jahr 1869 eröffneten die Gebrüder Hyatt die erste Fabrik zur Herstellung von Celluloid, einem thermoplastischen Kunststoff auf der Basis von Cellulose. John Wesley Hyatt erfand das Celluloid im Rahmen eines Preisausschreibens, bei dem eine preiswerte Alternative für das in Billardkugeln verwendete Elfenbein gefunden werden sollte. In der Folge wurde Celluloid für eine Reihe weiterer Verwendungen, vor allem für Filme, Brillenfassungen, Spielzeug, Kämme und Tischtennisbälle eingesetzt; aufgrund seiner schnellen Entflammbarkeit wurde es allerdings rasch wieder verdrängt. Der Werkstoff Galalith (aus Casein) wurde 1897 erfunden und ähnelt stark dem tierischen Horn oder Elfenbein. Man fertigte daraus zum Beispiel Knöpfe, Anstecknadeln, Gehäuse für Radios, Zigarettendosen, Spielzeuge, Griffe für Regenschirme und vieles mehr in den unterschiedlichsten Farben an.

mini|Bedruckte Cellophantüte und klare Cellophanverpackung Im Jahr 1923 startete die Massenproduktion von Cellulosehydrat, dem Zellglas unter dem Markennamen „Cellophan“, welches ebenfalls auf Cellulosebasis entstand und bis heute vor allem für Verpackungen sowie als Einsatz in Briefumschlägen genutzt wird. Es wurde vor allem für die Herstellung von transparenten Folien eingesetzt, wobei die Kosten für die Herstellung im Vergleich zu späteren Konkurrenten sehr hoch waren und Zellglas somit in vielen Bereichen verdrängt wurde. Aufgrund seiner Wasserempfindlichkeit wird Zellglas allerdings mit Polyvinylidenchlorid beschichtet und ist damit nicht mehr biologisch abbaubar.

Durch die Entdeckung von Kunststoffen auf der Basis von Mineralölen entstand schnell eine Konkurrenz, bei der die ersten biobasierten weitestgehend verdrängt wurden. 1907 wurden von Leo Hendrik Baekeland die Bakelite erfunden, duroplastische Kunststoffe auf der Basis von Phenolharz. 1930 folgte Acrylglas (Polymethylmethacrylat), besser bekannt unter dem Markennamen Plexiglas, und nachfolgend kamen Polyamid (Nylon, Perlon), Polystyrol und Polytetrafluorethylen (Teflon) auf den Markt. Ab 1956 wurden schließlich großtechnische Herstellungsverfahren für die bis heute marktbeherrschenden Kunststoffe Polyethylen und Polypropylen eingeführt und Kunststoffe wurden für unterschiedlichste Einsatzgebiete mit verschiedenen Materialeigenschaften entwickelt.

Erst nach 1980 gab es wieder Innovationen im Bereich der biobasierten Kunststoffe, die vor allem auf ein verändertes ökologisches Bewusstsein zurückzuführen sind. Als Argumente wurden erneuerbare Rohstoffe und geschlossene Stoffkreisläufe angeführt, später kam die Substitution des Erdöls als Hauptrohstoff aufgrund der steigenden Erdölpreise und der Endlichkeit der Ressourcen zum Tragen. Während der Anteil neuer Patente im Bereich petrochemischer Kunststoffe in der Folge zurückging, nahmen die Patentanmeldungen für biobasierte Kunststoffe vor allem auf Stärke- und Cellulosebasis zu. Aktuell wird die Entwicklung der Biokunststoffe – obschon nicht unbedingt nachhaltiger als herkömmliche PolymereNeus Escobar, Salwa Haddad, Jan Börner, Wolfgang Britz: Land use mediated GHG emissions and spillovers from increased consumption of bioplastics. In: Environmental Research Letters. 13, 2018, S. 125005, . – vor allem auf der Basis der Nachhaltigkeit und Ressourcenschonung vorangetrieben. Agrarflächen zur stofflichen Nutzung von nachwachsenden Rohstoffen werden zukünftig als ein wesentliches Standbein der Landwirtschaft betrachtet, wobei auch neue Technologien wie die industrielle Weiße Biotechnologie eine große Rolle in der Entwicklung neuer sowie der Optimierung bestehender Technologien spielen. Zu den neuartigen biobasierten Kunststoffen gehören vor allem Thermoplastische Stärke (TPS), Celluloseacetat und Polylactide (PLA; nur in „Blends“ (Polymergemischen)) während Verfahren zur Herstellung von biobasiertem Polyethylen (Bio-PE), Polypropylen (Bio-PP) und anderen Kunststoffen entwickelt und etabliert werden.

Gruppierung von biobasierten Kunststoffen Wie oben erwähnt können biobasierte Kunststoffe hinsichtlich ihrer biologischen Abbaubarkeit eingeteilt werden.

Daneben werden sie aber auch dahingehend eingeteilt, wie lange sie schon bekannt sind. Biobasierte Kunststoffe, die es schon vor den petrochemischen Kunststoffen gab, werden als Old economy bezeichnet. Beispiele dafür sind Gummi und Cellophan. Neuere Kunststoffe werden zur New Economy gezählt, welche sich wiederum untergliedern lässt. Einerseits in Novel bioplastics, das sind Kunststoffe, die auf chemisch neuartigen Polymeren basieren, wie PLA oder PHA. Andererseits in Drop-Ins also bekannte Polymere, in deren Herstellung fossile Rohstoffe durch nachwachsende Rohstoffe ganz oder teilweise ersetzt wurden, wie bei Bio-PET oder Bio-PE.

Rohstoffe und Typen von biobasierten Kunststoffen Als Ausgangsstoffe für biobasierte Kunststoffe dienen aktuell vor allem Stärke und Cellulose als Biopolymere von Zuckern, mögliche Ausgangspflanzen sind stärkehaltige Pflanzen wie Mais oder Zuckerrüben sowie Hölzer, aus denen Cellulose gewonnen werden kann. Weitere potenzielle Rohstoffe wie Chitin und Chitosan, Lignin, Casein, Gelatine, Getreideproteine und Pflanzenöl kommen ebenfalls für die Herstellung von biobasierten Kunststoffen in Frage. Abhängig von ihrer Zusammensetzung, dem Herstellungsverfahren und Beimischung von Additiven ändern sich Formbarkeit, Härte, Elastizität, Bruchfestigkeit, Temperatur-, Wärmeformbeständigkeit und chemische Beständigkeit.

Stärke und Stärkeblends mini|Maisstärkechips als Kinderspielzeug

Mit einem Marktanteil von etwa 80 Prozent bildet thermoplastische Stärke den derzeit wichtigsten und gebräuchlichsten Vertreter der biobasierten Kunststoffe. Die wichtigsten Pflanzen, die zur Gewinnung von Stärke genutzt werden, sind aktuell Mais, Weizen und Kartoffeln in Europa, Afrika und Nordamerika sowie Tapioka in Asien. Die Rohmasse wird von Beiprodukten wie Proteinen, Pflanzenölen und Pflanzenfasern gereinigt und entsprechend für die Nutzung vorbereitet.

Reine Stärke besitzt die Eigenschaft Feuchtigkeit zu absorbieren und wird deshalb vor allem im Pharmabereich zur Erzeugung von Medikamentenkapselhüllen eingesetzt. Hier wurde sie allerdings von der Hartgelatine weitgehend verdrängt. Um die leicht verfügbare Stärke auch thermoplastisch verarbeitbar zu machen, werden ihr natürliche Weichmacher und Plastifizierungsmittel wie Sorbit und Glycerin hinzugefügt. Diese Zusatzstoffe ermöglichen durch variierbare Dosierung eine spezifische, dem Verwendungszweck entsprechend angepasste Veränderung der Materialeigenschaften der sogenannten thermoplastischen Stärke.

Thermoplastische Stärke ist aufgrund ihrer für die Nutzung negativen Eigenschaft, Wasser aufzunehmen, im Regelfall nur eine der Komponenten, aus der moderne Produkte auf Stärkebasis hergestellt werden. Der zweite Grundbestandteil dieser Kunststoffblends besteht aus wasserabweisenden, biologisch abbaubaren Polymeren wie Polyester, Polyesteramiden, Polyurethanen oder Polyvinylalkohol. Ein Kunststoffblend setzt sich demnach aus der hydrophoben Polymerphase sowie der dispersen und hydrophilen Stärkephase zusammen. Während des Schmelzvorgangs im Extruder verbinden sich die wasserlösliche, disperse Stärkephase und die wasserunlösliche, kontinuierliche Kunststoffphase zu einem wasserfesten Stärkekunststoff. Diese Erkenntnisse bildeten die Basis für die Weiterentwicklung und den schließlichen Durchbruch der Stärkekunststoffe (EP 0596437, EP 0799335).

Stärkeblends und -compounds werden je nach Einsatzgebiet individuell für ihre weitere Nutzung in der kunststoffverarbeitenden Industrie entwickelt und produziert. Als Kunststoffgranulate lassen sie sich auf den vorhandenen Anlagen zu Folien, thermoformbaren Flachfolien, Spritzgussartikeln oder Beschichtungen verarbeiten. Beispiele dafür sind Tragetaschen, Joghurt- oder Trinkbecher, Pflanztöpfe, Besteck, Windelfolien, beschichtete Papiere und Pappen. Auch durch chemische Veränderung wie die Umsetzung zu Stärkeestern oder Stärkeethern mit hohem Substitutionsgrad kann Stärke thermoplastisch modifiziert werden. Diese Verfahren haben sich aber wegen der damit verbundenen hohen Kosten bislang noch nicht durchgesetzt.

Celluloseprodukte mini|Transparente Würfel aus Celluloseacetat

Ebenso wie die Stärke stellt auch Cellulose ein natürliches Biopolymer aus Zuckermolekülen dar. Cellulose ist in den meisten Pflanzen als Hauptstrukturbaustoff neben dem Lignin vorhanden und kann entsprechend aus Pflanzenmaterial gewonnen werden. Ihr Anteil beträgt etwa bei Baumwolle fast 95 Prozent, beim Hanf 75 Prozent, bei Hartholz 40 bis 75 Prozent und bei Weichholz 30 bis 50 Prozent. Entsprechend ist Cellulose nach dem Holz weltweit der bedeutendste nachwachsende Rohstoff und es wird jährlich in Mengen von etwa 1,3 Milliarden Tonnen genutzt. Über verschiedene chemische Verfahren wird die Cellulose von Lignin und Pentosen gereinigt und zu Zellstoff, der Basis für Papier, Pappe und andere Werkstoffe wie Viskose, verarbeitet.

Für die Herstellung von biobasierten Kunststoffen auf Cellulosebasis bedarf es im Regelfall weiterer chemischer Modifizierung. Dabei wird die gereinigte Cellulose vor allem verestert, um das Celluloseacetat (CA) als wichtigsten Kunststoff auf Cellulosebasis zu gewinnen. Celluloseacetat wird zu den thermoplastischen Kunststoffen gezählt, ist ein entsprechend modifizierter Naturstoff, der nicht biologisch abbaubar und auch nicht kompostierbarZukunftsmarkt Biokunststoffe (PDF; 563 kB), auf umweltdaten.de ist. Schon 1919 wurde ein mit Weichmachern modifiziertes Celluloseacetat als erste Spritzgießmasse patentiert und ermöglichte damit ganz neue und sehr effektive Produktionsmethoden für Schirmgriffe, Tastaturen, Lenkräder, Spielzeuge, Kugelschreiber und viele weitere Produkte.

Auch das Celluloid sowie das Cellophan sind Kunststoffe auf der Basis von Cellulose. Weitere Kunststoffe auf Cellulosebasis sind Vulkanfiber, Cellulosenitrat, Cellulosepropionat und Celluloseacetatbutyrat.

Polymilchsäure (PLA)

Die Polymilchsäure (Polylactid, PLA) entsteht durch Polymerisation von Milchsäure, die wiederum ein Produkt der Fermentation aus Zucker und Stärke durch Milchsäurebakterien ist. Die Polymere werden nachfolgend bei der Polymerisation aus den unterschiedlichen Isomeren der Milchsäure, der D- und der L-Form, entsprechend den gewünschten Eigenschaften des resultierenden Kunststoffs gemischt. Weitere Eigenschaften können durch Copolymer wie Glykolsäure erreicht werden.

mini|Verpackung für Süßigkeiten aus Polymilchsäure (PLA)