Compoundieren von nachwachsenden Rohstoffen

Dipl.-Ing., Dipl.-Wirtsch.-Ing. Patrick Zimmermann, Dipl.-Ing. Carmen Michels et al., FKuR Kunststoff GmbH

Unter dem Motto "Kunststoffe - aber natürlich!" begann die FKuR Kunststoff GmbH, Willich, bereits im Jahr 1995 biologisch abbaubare Kunststoffe zu entwickeln. Die seit 1998 bestehende Kooperation mit dem Fraunhofer Institut UMSICHT, Oberhausen, beflügelte die Arbeiten an dieser Zielsetzung. Dabei wurde im Hinblick auf die begrenzten fossilen Ressourcen neben der biologischen Abbaubarkeit zunehmend der Einsatz nachwachsender Rohstoffe bedeutsam.

Zwischenzeitlich ist die maßgebliche Kernkompetenz der FKuR GmbH die Herstellung von Compounds mit hohen Anteilen an nachwachsenden Rohstoffen. Die bisher industriell verfügbaren Werkstoffe eignen sich allerdings erst durch intelligentes Compoundieren für die Weiterverarbeitung zu verlässlichen Endprodukten. Nur die Kombination von vielfältigen Füll- und Verarbeitungshilfsmitteln ermöglicht maßgeschneiderte Werkstoffe, die auch mit konventionellen Kunststoffen konkurrieren können.

FKuR und Fraunhofer UMSICHT schufen bislang zwei Werkstofffamilien: Polymilchsäure (PLA) - Blends und Celluloseester - Blends. Die PLA - Blends können problemlos viele Anwendungen der Polyolefine, z.B. Verpackungen übernehmen, während die Celluloseester - Blends das weite Eigenschaftsspektrum der Polystyrole erfüllt.

Der Schwerpunkt von Polyester/PLA liegt zwar in der Folien- und Film-Anwendung, doch sind auch hervorragende Spritzgussartikel mit hoher Steifigkeit herstellbar. Die Celluloseblends sind von Hause aus für Spritzgießartikel gedacht, doch lassen sie sich in gleicher Weise zu Folien und Tafeln für Tiefziehanwendungen extrudieren.

Trotz der guten Vergleichbarkeit der Eigenschaften mit konventionellen Kunststoffen dürfen die Biopolymere nicht nur als Ersatz für die herkömmlichen Werkstoffe aus fossilen Rohstoffen angesehen werden. Aufgrund ihrer speziellen Eigenschaften werden sich die Biopolymere, bzw. die Bioblends als Ergänzung zu den bestehenden Kunststoffen zu einer eigenständigen Materialklasse mit eigenen Anwendungsprofilen entwickeln. Bisher ist die Auswahl der gesichert verfügbaren biologisch abbaubaren Rohstoffe und der Werkstoffe aus nachwachsenden Rohstoffen noch gering, doch kann davon ausgegangen werden, dass mit zunehmendem Verbrauch der Rohölreserven neue Bio-Werkstoffe geschaffen werden.

Im Vordergrund aller Entwicklungsarbeiten stand stets die problemlose Maschinengängigkeit der Compounds auf allen herkömmlichen Kunststoffverarbeitungsmaschinen. Die gute Verarbeitbarkeit der PLA-Blends ist auf die verbesserte Kompatibilität der Polymerkomponenten zurückzuführen. Im Allgemeinen sind die Blendkomponenten PLA und Copolyester unverträglich. Dies zeigt sich unter anderem in einer Delamination beider Materialien bei starker Scherbeanspruchung. Durch die Zugabe einer intelligenten Kombination von Verträglichkeitsmachern wird eine stabile Kopplung des PLA an den Copolyester sichergestellt. Dadurch wird der Anteil des PLA in bisher nicht gekannte Größenordnungen gesteigert. Weiterhin wird die Einbindung von natürlichen Füllstoffen in die Matrix PLA/Copolyester erheblich verbessert. Bedingt durch die homogenere Verbindung der Polymere kann eine aus Bio-Flex gefertigte Folie in der Blasfolienextrusion problemlos bis zu einer Dicke von 8 µm verstreckt werden.

Die Standardqualität Bio-Flex 219F ist ein universell einsetzbarer Folienwerkstoff, der vergleichbare mechanische Eigenschaften wie PELD besitzt. Je nach Extruder und Schneckengeometrie kann der Durchsatz von Bio-Flex 219F um bis zu 10% gegenüber PELD gesteigert werden. Wichtige Einsatzbereiche für Folien aus Bio-Flex 219F sind alle Varianten von Tragetaschen, Beuteln und Säcken. Einen starken Wachstumsmarkt stellen auch Mulch- und Agrarfolien (siehe Abb. 1, rechts) dar. Ein weiteres Anwendungsgebiet sind Laminierfolien für Papiere und Stärketrays. Bio-Flex 219F ist nach DIN Certco und OK Compost zertifiziert.

Die neueste Entwicklung ist eine transparente Folienqualität, die PEHD ähnliche Eigenschaften aufweist. Bio-Flex 467F, so der neue Produktname, zeichnet sich durch seine hohe mechanische Festigkeit bei gleichzeitig guter Dehnung aus. Dadurch eignet sich eine Folie aus Bio-Flex 467F für edles Verpackungsdesign. Der Anteil an nachwachsenden Rohstoffen beträgt über 30%. Bio-Flex 467F besitzt eine Unbedenklichkeitserklärung für den Kontakt mit Lebensmitteln. Die Tests zur Kompostierung werden voraussichtlich im Juni 2006 abgeschlossen sein.

Mit dem Produkt Bio-Flex 482CF wurde eine neue Folienqualität entwickelt, die überwiegend auf nachwachsenden Rohstoffen basiert . Folien aus Bio-Flex 482CF weisen eine ausgezeichnete Steifigkeit bei gleichzeitig hoher Dehnung auf. Sie werden bevorzugt durch Flachfolienextrusion hergestellt. Die Herstellung der Bio-Flex Blends erfolgt unter Verwendung von NatureWorksPLA®.

Für die Herstellung von Spritzgießprodukten wurde die Werkstoffrezeptur Biograde 300A entwickelt, die sich durch hervorragende Verarbeitungseigenschaften (siehe Abb. 2, rechts) und beachtliche mechanische Kennwerte auszeichnet. Dabei wurde ein vorzüglicher Kompromiss zwischen den entgegengerichteten Anforderungen einer guten biologischen Abbaubarkeit und hoher Wärmeformbeständigkeit erreicht. Bei der Prüfung nach Vicat-A (DIN ISO 306) übertrifft Biograde 300A mit 117°C die Werte von Standardpolystyrol. Die meisten Biopolymere "verweigern ihren Dienst" bereits bei Temperaturen oberhalb von 65°C. Die Spritzgießrezeptur Biograde 300A ist auf Standard-Spritzgießmaschinen mit Universalschnecke problemlos zu verarbeiten. Durch die sehr kurzen Zykluszeiten, die mit dem Werkstoff erreichbar sind, können auch Massenprodukte kostengünstig realisiert werden. Biograde 300A ist nach DIN EN 13432 (200µm Folie) kompostierbar und besitzt eine Unbedenklichkeitserklärung für den Kontakt mit Lebensmitteln.

Die Anwendungen für Biograde 300A reichen von Catering-Artikeln, wie z.B. Bestecken oder Tellern, bis hin zu technischen Teilen. Im Catering-Bereich wurde der Weltjugendtag 2005 in Köln mit Bestecken aus Biograde 300A ausgestattet.

Für transparente Produkte wurde das Cellulose-Blend Biograde 200C entwickelt. Dieses Blend besteht zu 100% aus nachwachsenden Rohstoffen. Biograde 200C zeichnet sich durch hohe Steifigkeit und brillante Transparenz aus. Eine Folie aus Biograde 200C lässt sich problemlos zu Bechern und Trays thermoformen. Im Vergleich zu bisherigen Biopolymeren besitzt eine Folie aus Biograde 200C gute Barriereeigenschaften. Die Folie ist im wesentlichen mit PP zu vergleichen. Spritzgegossene Produkte weisen dagegen vergleichbare Eigenschaften wie Standard-Polystyrol auf.

Nature-Compounds sind eine gemeinschaftliche Produktentwicklung von biologisch abbaubaren und naturfaserverstärkten Polymeren, die von der FKuR Kunststoff GmbH, Willich, in Kooperation mit dem Fraunhofer-Institut für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik, UMSICHT, Oberhausen, entwickelt werden. Die exklusive Produktion und den Vertrieb der Nature-Compounds übernimmt die FKuR Kunststoff GmbH.

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