28 März 2002

Hochwertige Spritzgussteile aus nachwachsenden Rohstoffen

Ursprünglich sind Plastikartikel als Ersatz für nicht haltbare Naturprodukte entwickelt worden. Heute werden sie wegen gestiegenem Umweltbewusstsein und Forderungen nach nachhaltigem Handeln als eher belastend angesehen. Verlangt wird eine möglichst vollständige Wiederverwertung. Dies ist jedoch bei vielen Anwendungen nur schwer oder nur mit großen Kosten durchführbar. Dank neuer Entwicklungen können jetzt Artikel mit Thermoplasten aus nachwachsenden Rohstoffen hergestellt werden. Diese erfüllen den Wunsch der Konsumenten nach Nachhaltigkeit, besitzen eine hohe Wertschätzung, und verringern, da sie biologisch abbaubar sind, das Entsorgungsproblem. Zudem entlasten sie die CO2-Bilanz der Atmosphäre. Diese Argumente sind besonders bei kurzlebigen Artikeln gefragt. Bei Produkten, die in der Umwelt verloren gehen, sind sie ein starkes Verkaufsargument. Biomer-Thermoplaste sind unempfindlich gegen Wasser und weitgehend resistent gegen Öle und Fette. Dadurch können auch Artikel hergestellt werden, die mit Wasser in Berührung kommen. Verpackungen aus PHB-Material schützen empfindliche Produkte gegen Nässe und fettige Verschmutzungen.

Bioabbaubare Thermoplaste sind aus zwei Gründen entwickelt worden. Der erste Grund ist der Gedanke der Nachhaltigkeit, der zweite Grund ist die leichte Entsorgung durch Kompostierung. Hier spielt nur die chemische Bindung zwischen den Monomeren eine Rolle, nicht aber die Herkunft des Polymers. In diesem Sinne ist es legitim, bioabbaubare Werkstoffe aus Erdöl herzustellen. Die Hydrolyse zu Monomeren ist jedoch nur ein Teil der Geschichte. Entscheidend ist, ob die Monomere in angemessener Zeit zu 100% metabolisiert werden. Bei Werkstoffen aus nachwachsenden Ressourcen ist dies gegeben, da die Evolution dafür gesorgt hat, dass alle biologischen Komponenten vollständig ab- und umgebaut werden. Dieser Beweis steht für synthetische Polymere, die Aromaten enthalten, noch aus. Ein warnendes Beispiel sind die Phthalatweichmacher für PVC. Es ist unbestritten, dass diese biologisch abbaubar sind. Nur ist die Abbaurate in der Umwelt so langsam, dass sie sich in Sedimenten anreichern.

Plastik und Biomer

PHB ist ein Biopolymer, das in allen Lebewesen vorkommt. Viele Bakterien produzieren PHB in großen Mengen als Reservestoff (wie Öl oder Stärke). PHB ist thermoplastisch verarbeitbar, ungiftig und wird biologisch ohne schädliche Rückstände abgebaut. Biomer produziert PHB und stellt daraus Granulate her, die auf Kunststoffmaschinen wie die klassischen Werkstoffe auf Rohölbasis verarbeitet werden können. PHB ist als biologischer Speicherstoff eine Nahrungsquelle für Bakterien und Pilze. Dasselbe gilt auch für Produkte, die aus PHB hergestellt sind. PHB wird jedoch nur dann abgebaut, wenn Phosphate, Stickstoff, Salze, Wärme und Feuchtigkeit das Wachstum von Mikroorganismen zulassen. Diese Voraussetzungen findet man im Kompost und im Boden, nicht jedoch unter normalen Gebrauchsbedingungen. Daher sind Artikel aus PHB unter Normalbedingungen über Jahre haltbar.

PLLA: Natürliche Milchsäure wird durch Fermentation von Zucker gewonnen und polymerisiert (L-Form, daher PLLA, Poly-L-Lactat). Biomer stellt daraus Granulate her, die auf Standard-Kunststoffmaschinen verarbeitet werden können. Die Schmelze verhält sich wie flüssigkristalline Werkstoffe (LCP’s). Die auf PLLA basierten Formulierungen sind transparent. PLLA wird unter feuchten Bedingungen oberhalb der Glastemperatur (55ºC) autokatalytisch hydrolysiert. Es entsteht Milchsäure. Diese wird von Mikroorganismen als Nahrungsquelle genutzt. Unter den oben genannten Abbaubedingungen hängt die Geschwindigkeit des biologischen Abbaus von der Wandstärke der Produkte und der Umgebungstemperatur ab: im Boden langsam (bis Jahre), im Gartenkompost schneller und in gewerblichen Kompostanlagen in ein paar Wochen. Als Faustregel gilt, dass Artikel aus PHB etwa gleich schnell abgebaut werden wie Holz. Produkte aus PLLA werden dagegen nur im gewerblichen Kompost abgebaut.

PLA hat eine Glasübergangstemperatur von 50ºC bis 60ºC. Wenn die Schmelze bei der Verarbeitung rasch unter diese Temperatur abgekühlt wird, bleiben die Artikel transparent. Ein Beispiel für die Anwendung von transparentem PLA ist der ELISA-Strip. Weitere Formulierungen, die Biomer mit der pab productions(http://www.pabproductions.de/) entwickelt hat, sind ELISA-Platten und Immuno-Sticks für medizinische Anwendungen.

PHB ist wasserfest und unter dem Gesichtspunkt “bioabbaubar” ein idealer Thermoplast. Er wird vollständig und schnell metabolisiert. PHB hat aber weitere, außergewöhnliche Eigenschaften, so dass es schade wäre, den Polyester nur unter dem Aspekt “bioabbaubar” einzusetzen. Trinkbecher aus PHB haben eine ansprechende Farbe und eine exzellente, glänzende Oberfläche. Das Material ist wasserfest und gegen Hitze resistent. Der Glasübergang bei PHB liegt unter 0ºC. Es gelingt daher nicht, transparente Teile herzustellen. Drei Eigenschaften unterscheiden PHB von allen anderen Thermoplasten, die derzeit am Markt sind: es ist absolut linear, isotaktisch, stereoisomer und es ist absolut frei von Nukleierungskeimen.

PHB ist absolut linear bedeutet, dass sich die Moleküle in der Schmelze nicht verhaken können. Wie heiße Spaghettis gleiten sie aneinander vorbei. Daher ist die Schmelze dünnflüssig. Eine dünnflüssige Schmelze eignet sich jedoch gut für die Herstellung von dünnwandigen Artikeln oder Spritzgussteilen mit komplexen, feingliedrigen Strukturen. Wir haben mit elektronenmikroskopischen Aufnahmen zeigen können, dass Oberflächenstrukturen unter 1 Mikron noch exakt abgebildet werden. Man braucht dazu weder große Maschinen noch extreme Haltekräfte. Eine kleine, einfache Spritzgussmaschine reicht völlig aus.

PHB ist absolut isotaktisch und stereoisomer bedeutet, dass es eine große Tendenz zum Kristallisieren besitzt. In der Tat sind bis zu 70% der gesamten Masse in Kristallen eingelagert. Praktisch bedeutet dies, dass die Schmelze extrem schnell fest wird. Sie Zyklenzeiten auf den Spritzgussmaschinen sind um rund 20% bis 30% schneller als mit konventionellen Werkstoffen.
Die Freiheit von Nukleierungsmitteln (Katalysatorresten) bedeutet schließlich, dass man durch Zugabe von externen Nukleierungsmitteln die Dichte und Größe der Sphärulite gezielt steuern kann. Damit ist es möglich, die Gebrauchseigenschaften von steif bis duktil zu beeinflussen. Im Labor, noch nicht im Technikum, haben wir Größen unter 1 Mikron erreicht. Die Materialeigenschaften ändern sich dadurch dramatisch, etwa wie von Guss zu Stahl. Durch Recken der Sphärulite können Festigkeiten über 300 MPa erreicht werden. Wichtig ist aber nicht die Tatsache, dass diese Eigenschaften vergleichbar sind, sondern dass die daraus hergestellten Artikel zusätzlich bioabbaubar, leichter herzustellen, auf kleinen Maschinen und mit reduzierten Zyklenzeiten zu spritzen sind.

Das gilt für Verpackungen von Lebens- und Futtermitteln wie z.B. Becher für Joghurt (auslöffeln und -ohne zu waschen- zu den Küchenabfällen). Zur gleichen Kategorie gehören Freizeit- und andere Artikel, die in der Umwelt verloren gehen können oder verloren gehen wie z.B die Trägerteile von Feuerwerkskörpern. Das Verkaufsargument “vollständig biologisch abbaubar” kann auch für Gärtnereiartikel, besonders im Hobbygärtnereibereich, und für Friedhofsartikel interessant sein. Bei technischen Anwendungen ist das Argument “abbaubar” eher hinderlich. Diese Eigenschaft ist jedoch in diesem Bereich irrelevant, da PHB nur durch lebende Bakterien und Pilze abgebaut wird. Dazu sind aber Salze von Ammoniak und Phosphorsäure sowie andere Komponenten und hohe Feuchtigkeit nötig. Ohne diese Bedingungen bleibt PHB für Jahre intakt. Die Biomer GmbH garantiert die Gebrauchseigenschaften spezieller Formulierungen bis zu fünf Jahren.

Zum technischen Anwendungsbereich gehören Artikel mit komplexen Strukturen, die schwierig zu spritzen sind. Solche Artikel werden üblicherweise mit teuren flüssig-kristallinen Werkstoffen, den LCP’s gespritzt. Wegen der niedrigen Schmelzeviskosität bietet PHB eine interessantere Lösung. Die Schmelze fließt leicht in die feinsten Kanäle und Strukturen. PHB kann deshalb LCP’s überall dort ersetzen, wo sie aus spitzgusstechnischen Gründen, nicht wegen der Temperaturbeständigkeit eingesetzt werden. Die Teile aus PHB können Temperaturen von 130ºC bis 150ºC leicht aushalten.
Die dünnflüssige Schmelze von PHB ist auch ein Argument, wenn feinste Oberflächenstrukturen und Zeichnungen erwünscht sind. Ein Beispiel wäre die selbstreinigende Oberfläche durch den Lotuseffekt.

Ein weiterer Bereich, bei dem sich der Einsatz von PHB lohnt, sind Teile mit dünnen Wänden. Mit PHB können diese Artikel auf kleinen Maschinen mit niedrigen Schließkräften hergestellt werden. Dieses Argument ist dann besonders interessant, wenn ein Verarbeiter dadurch die großen Maschinen für andere Teile frei halten kann. Besonders überlegenswert ist der Einsatz von PHB bei Kleinstteilen unter 0,5 g Teilgewicht. Die Erfahrung hat gezeigt, dass bei solchen Kleinteilen die Maschinenlaufzeiten bis zu 90% der Stückkosten ausmachen. Es ist daher schon interessant, wenn man mit PHB 1.300 statt 1.000 Teile pro Zeiteinheit spritzen kann.

Sowohl das Polymer wie auch das Monomer sind Stoffwechselprodukte der menschlichen Zelle. Sie sind auch in höheren Dosen toxikologisch unbedenklich. Daher können auch Artikel, die mit der Haut oder mit Futter- oder Nahrungsmitteln in Berührung kommen, aus Biomer-Granulat hergestellt werden (Zulassung für Lebensmittel eingeleitet).

Biopolymere stehen im Wettbewerb mit klassischen Thermoplasten, die während fünfzig oder mehr Jahren auf ihre Anwendungen hin optimiert worden sind (vgl. auch Meldung vom 2002-02-06. Nur wenn die Biopolymere bei gleicher Qualität billiger sind oder bessere Eigenschaften besitzen, werden sie die klassischen Polymere substituieren.

Thermoplaste aus nachwachsenden Rohstoffen werden dieses Jahrhundert prägen und einen Marktvorsprung wird derjenige haben, der von Anfang an dabei ist.

© 2001/2002-www.biomer.com

Kontakt:

Biomer
Urs J. Hänggi
Forst-Kasten-Str. 15
D-82152 Krailling
Tel.: +49/89/8572665
Fax: +49/89/8572792
E-Mail: Hanggi@Biomer.com

Autorin: Marion Kupfer (nova)
Endredaktion: Michael Karus (nova)
Quellen: Vortrag “Verarbeitung von PHB” vom 3. Intern. Symposium “Werkstoffe aus Nachwachsenden Rohstoffen” 2001, Messe Erfurt; Firmeninformationen von Biomer vom 2002-03-28.

Source: Vortrag "Verarbeitung von PHB" vom 3. Intern. Symposium "Werkstoffe aus Nachwachsenden Rohstoffen" 2001, Messe Erfurt; Firmeninformationen von Biomer vom 2002-03-28.

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