Materialanalyse zur Qualitätssicherung und Abbau von Biokunststoffen

Bharath Rajaram | Michael Onepe
May 23, 2022

Was ist Biokunststoff? Und wie können Hersteller thermische Analyse, Rheologie und mechanische Analyse nutzen, um Biokunststoffe erfolgreich in Produkte einzuarbeiten?

Was ist Biokunststoff?  Wie können Hersteller thermische Analyse, Rheologie und mechanische Analyse nutzen, um Biokunststoffe erfolgreich in Produkte einzuarbeiten? Angesichts vieler aufkommender grüner Technologien müssen Hersteller und Verbraucher zwischen Greenwashing1 und wirklichem Fortschritt unterscheiden. Wenn eine neue Entwicklung als vorteilhaft für die Umwelt betrachtet wird, müssen alle Phasen der Kunststoff-Lieferkette, insbesondere die Umformung von Kunststoffen durch Converter, lernen, neue Technologien anzuwenden, ohne deren Prozesse oder Produkte zu beschädigen.

Der Begriff “Biokunststoff” oder “Biopolymerisat” kann sich eigentlich auf zwei Materialien beziehen: Biobasierte Kunststoffe werden aus nachwachsenden Rohstoffen wie Zuckerrohr oder Mais hergestellt. Biologisch abbaubare Kunststoffe können durch mikrobielle oder enzymatische Zersetzungsprozesse vollständig abgebaut werden, um umweltfreundliche natürliche Nebenprodukte wie Gase (CO2, N2), Wasser, Biomasse und anorganische Salze zu produzieren. Der biologische Abbau kann auch auf einige Arten von Kunststoffen auf Basis fossiler Brennstoffe angewendet werden, wie Polybutylenadipat und Polycaprolacton. Es ist  wichtig festzuhalten, dass nicht alle biobasierten Kunststoffe biologisch abbaubar sind und umgekehrt.

Die Nachhaltigkeit von Kunststoffen muss in jeder Phase des Materiallebenszyklus, von der Erzeugung bis zum Abbau, berücksichtigt werden. Sowohl biobasierte als auch biologisch abbaubare Kunststoffe sind zwar nachhaltiger als herkömmliche Kunststoffe, benötigen aber die richtigen Materialien und Bedingungen, um die nachhaltigsten Lösungen zu erreichen. Verwenden Sie biobasierte und biologisch abbaubare Biokunststoffe, um maximale Nachhaltigkeit zu erreichen und einen wirklich nachhaltigen Weg von der Produktion bis zur Abfallwirtschaft zu bieten. Zu den Kunststoffkategorien, die diesen Kriterien entsprechen können, gehören PLA, PHA, PHB und Stärkemischungen.

Herstellung von biobasierten Kunststoffen

Biobasierte Kunststoffe können die gleiche chemische Struktur und Eigenschaften wie herkömmliche Kunststoffe haben und sind daher sehr attraktiv.2 Daher werden sie normalerweise für Produkte mit hoher Haltbarkeit und Festigkeit verwendet. Der Ersatz von auf fossilen Rohstoffen basierenden Kunststoffen durch biobasierte Kunststoffe kann unseren Verbrauch nicht erneuerbarer Ressourcen reduzieren und langfristig nachhaltiger sein. Biobasierte Kunststoffe können jedoch die gleichen Herausforderungen für die nachhaltige Entsorgung mit sich bringen wie herkömmliche Kunststoffe aus fossilen Rohstoffen. Eine weitere Herausforderung besteht darin, die Nachhaltigkeit des Lebenszyklus zu analysieren und den Einsatz von Wasser und Kraftstoff beim Anbau biobasierter Komponenten zu minimieren.

Forscher, die an neuen Biokunststoffen arbeiten, müssen diese Nachhaltigkeitsbedürfnisse unter Beibehaltung einer effizienten Produktion und qualitativ hochwertiger Produkte ausbalancieren. Bei der Entwicklung neuer biobasierter Kunststoffrezepturen müssen Hersteller strenge Tests durchführen, um sicherzustellen, dass ihre Endprodukte die Erwartungen der Kunden in Bezug auf Leistung und Verarbeitbarkeit erfüllen und die Kosten denen von Kunststoffen aus fossilen Rohstoffen entsprechen. Daher müssen Festigkeit, Haltbarkeit, Viskosität, thermische Stabilität, Phasenumwandlung und andere Qualitätsparameter von Materialien quantifiziert werden.

Herstellung biologisch abbaubarer Kunststoffe

Biologisch abbaubare Kunststoffe können Kunststoffabfälle nach Gebrauch reduzieren, aber der Begriff selbst bezieht sich auf die biologische Abbaubarkeit in einem sehr weiten Sinne. Die meisten heutigen biologisch abbaubaren Kunststoffe müssen unter jeweils speziell vorgegebenen Temperatur- und Feuchtigkeitsbedingungen kompostiert werden, was eine Chance für neue Polymere bietet und somit die Möglichkeit erweitert, dass sie nach Gebrauch überall und schneller abgebaut werden können.3

Biologisch abbaubare Kunststoffe können aus biobasierten oder fossilen Materialien (oder einer Mischung aus beiden) stammen, was eine Vorproduktionsprüfung der oben genannten Produkte erfordert, aber es gibt zusätzliche Herausforderungen bei der Zersetzung des Designs. Bei der Entwicklung neuer Mischungen müssen Kunststoffhersteller Verarbeitbarkeit, Produktleistung und letztlich effektive biologische Abbaubarkeit sicherstellen.

Die Aufgabe der Kunststoffverarbeiter besteht darin, Produkte zu entwickeln, die normal verwendet und nach der Behandlung leicht abgebaut werden können. Materialprüfung hilft, die notwendigen Eigenschaften auszugleichen und eine Formulierung zu finden, die alle Anforderungen des Polymers während seines gesamten Lebenszyklus erfüllt. Die thermische Analyse hilft Entwicklern, die Zersetzung von Kunststoffen in Kompostierungsanlagen oder Deponien zu optimieren. Diese Messungen können als Grundlage von Entsorgungsanweisungen dienen, um die korrekte Entsorgung der Produkte für die Zersetzung sicherzustellen. Mechanische Analyse kann auch die Festigkeit und Haltbarkeit der Kunststoff für Verarbeitung, Anwendung und Zersetzung messen.

Analyse von Biokunststoffen

Bei jedem Kunststoffrohstoff ist die Materialanalyse sehr wichtig, um Verarbeitungsbedingungen und Endverwendungseigenschaften zu optimieren. Neue Biokunststoffrezepturen erfordern sogar ausführlichere Tests, um sicherzustellen, dass sie den Anwenderstandards entsprechen und gleichzeitig die Nachhaltigkeit maximieren. Folgende Materialanalysetechniken sind bereits in der Kunststoffentwicklung üblich, aber wichtiger für erfolgreiche Biokunststoffinnovationen.

Die thermische Analyse misst, wie sich Temperaturänderungen auf die Eigenschaften von Materialien auswirken. Thermische Analysegeräte messen in der Regel Wärmefluss, Gewichtsverlust, Längenänderungen oder Mechanische Eigenschaften in Abhängigkeit von der Temperatur. Die Charakterisierung thermischer Eigenschaften ist für die Auswahl und Optimierung von Biokunststoffen von großer Bedeutung. Sie hilft bei der Beantwortung von Fragen wie:

  • Wie verhält sich dieses Materials, wenn es zur Verarbeitung erhitzt wird (einschließlich Umformen oder Extrusion)?
  • Behält der Kunststoff seine Stabilität, wenn er während des Transportes oder der Verwendung erhitzt oder abgekühlt wird?
  • Wie wird das Material abgebaut? Können wir die Materialien optimieren um biologisch abbaubaren Kunststoffen zu erhalten?

Das am häufigsten verwendete thermische Analyseinstrument für Biokunststoffe ist das Dynamische Differenzkalorimeter, das die thermische Stabilität und den Phasenübergang messen kann, um das Verhalten von Kunststoffen unter verschiedenen Bedingungen zu analysieren. Biokunststoffentwickler verwenden thermogravimetrische Analyse, zur Bestimmung der genauen Materialzusammensetzung, einschließlich des Gehalts an flüchtigen Bestandteilen, Lösemittel oder Füllstoffen (Rückstände).. Die thermogravimetrische Analyse kann auch die Zersetzungstemperatur , sowie die dabei entstehenden Abbauprodukte bestimmen, was für das Design nachhaltiger biologisch abbaubarer Kunststoffe sehr wichtig ist.

Die mechanische Analyse umfasst verschiedene Techniken, um die mechanischen Eigenschaften von Materialien zu charakterisieren oder die Reaktion von Strukturen auf äußere mechanische Kräfte zu bestimmen. Biokunststoffhersteller verwenden dynamische mechanische Analyse, um Speichermodul, Verlustmodul, Dämpfung und Glasübergang zu messen; Diese Messungen helfen, das Ansprechen von Kunststoffen auf Kraft und Verformung bei einer eingestellten Temperatur vorherzusagen. Materialstärke (gemessen durch Elastizitätsmodul, Streckgrenze, Endfestigkeit, Bruchdehnung, Ermüdung und Haltbarkeit) ist sehr wichtig, um die Leistung des Endprodukts vorherzusagen und kann effektiv auf dem mechanischen Prüflastrahmen gemessen werden.

Rheologie ist die Untersuchung des Fließens und Verformens eines Material. Ein Rheometer misst die Viskosität von Biokunststoffen, was besonders bei Extrusion und Blasformen für die Optimierung der Verarbeitungseigenschaften wichtig ist. Rheologie unterstützt auch die Analyse der Gleichmäßigkeit und Haltbarkeit von Kunststoffen, während neue Mischungen entwickelt werden können.

Diese Materialmessungen tragen zu jedem Schritt der Biokunststoffherstellung bei, von der Bewertung der Qualität eines bestimmten Rohstoffs bis zur Prüfung der Leistungsfähigkeit des Endprodukts. Mit der Entwicklung neuer Biokunststoff-Formulierungen benötigen Hersteller einen systematischen Ansatz, um neue Mischungen hinzuzufügen und gleichzeitig die Effizienz zu erhalten, die Kundenerwartungen zu erfüllen und die Nachhaltigkeit zu maximieren.

 

Die besten Analysemethoden für Biokunststoffe

Biobasierte und biologisch abbaubare Kunststoffe liefern neue Herausforderungen, aber Hersteller haben sich dieser Herausforderung durch modernste Materialanalysen gestellt. Eine genaue Messung der Zusammensetzung und des Materialverhaltens in jeder Fertigungsstufe ist hilfreich, um neue grüne Kunststoffprodukte zu entwerfen und herzustellen. Führende Biokunststoffentwickler weltweit setzen  auf TA Instruments, ein weltweit führendes Unternehmen in den Bereichen thermische Analyse, Rheologie, Mikrokalorimetrie und mechanische Prüfgeräte. TA-Instrument setzt einen branchenweit anerkannten Standard für die Messung von Materialeigenschaften und ist daher die bevorzugte Marke von Top-Polymerlabors.

Während es oft als mühselig erscheint, neue Materialprüfmethoden in ein Labor aufzunehmen, ist das Design des TA-Instruments benutzerzentriert. Viele unserer Instrumente sind mit der TRIOS OneTouch-Funktion ausgestattet, die vorprogrammierte Tests per Knopfdruck durchführen kann. Wir bieten auch branchenführenden Kundensupport, um den Benutzern beim gesamten Prozess von der Geräteauswahl und Installation bis hin zu erfolgreichen Tests zu helfen.

TA-Instruments bieten Ihnen die Werkzeuge und Anleitungen, die Sie benötigen, unabhängig davon, ob Sie Ihre bestehenden Testkapazitäten erweitern oder sich auf neue Nachhaltigkeitsherausforderungen konzentrieren möchten. Bitte kontaktieren Sie unsere Experten umgehend für personalisierten Support und Antworten auf alle Fragen. Und besuchen Sie unsere Polymerseite,  um mehr über unsere einzigartigen Produkte für die Kunststoffindustrie zu erfahren.

 

Bibliographie:

  1. The troubling evolution of corporate greenwashing. (2016). Bruce Watson. The Guardian. Accessed May 2022. https://www.theguardian.com/sustainable-business/2016/aug/20/greenwashing-environmentalism-lies-companies
  2. Bio-based? Recyclable? Biodegradable? Your guide to sustainable plastics. (2020). Sandrine Ceurstemont. Neste. Accessed May 2022. https://journeytozerostories.neste.com/plastics/bio-based-recyclable-biodegradable-your-guide-sustainable-plastics#6ce5bead
  3. Are bioplastics better for the environment than conventional plastics? (2019). Anja Krieger. Ensia. Accessed May 2022. https://ensia.com/features/bioplastics-bio-based-biodegradable-environment/

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