NaWaRo Aufbaumodul: Biowerkstoffe by Zeitbild Verlag

NACHWACHSENDE ROHSTOFFE INFORMATIONSMATERIALIEN FÃ&#x153;R BERUFSBILDENDE SCHULEN AUFBAUMODUL BIOWERKSTOFFE

H OH H H

CH2OH

OH H

H O

H OH

CH2OH

H2O O

H H

CO2 H H

H OH H

Nachwachsende Rohstoffe

Recycling

Sammlung

Synthese

Verwendung

Haushalt

CH2OH

Verarbeitung

Produkte

Biokunststoff

O O H H OH

H H CH2OH

NACHWACHSENDE ROHSTOFFE IMPRESSUM

AUFBAUMODUL BIOWERKSTOFFE

NACHWACHSENDE ROHSTOFFE ALS UNTERRICHTSTHEMA IN BERUFSSCHULEN Aufbaumodul Biowerkstoffe Herausgeber Zeitbild Verlag und Agentur für Kommunikation GmbH, mit Förderung durch das Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL) über die Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e.V. (FNR)

Text und Konzeption

Peter Wiedemann (Zeitbild Verlag und Agentur für Kommunikation GmbH)

Redaktion Peter Wiedemann, Frank J. Richter (Zeitbild Verlag und Agentur für Kommunikation GmbH) Mathias Sauritz (FNR)

Gestaltung

KAMA GbR, Berlin, www.visual-kama.de

Gesamtherstellung

Zeitbild Verlag und Agentur für Kommunikation GmbH, Berlin

Stand

Oktober 2017

Die unter MEHR WISSEN aufgeführten Internetlinks und Videos dienen der vertieften Information bzw. Anschauung im Rahmen der vorgestellten Sachthemen. Dies begründet in keinem Fall eine Empfehlung bestimmter Produkte oder Hersteller. Weiterführende Informationen finden Sie in der Datenbank der FNR: http://datenbank.fnr.de/produkte

Hinweis

Das vorliegende Informationsmaterial wird durch weitere Module inhaltlich ergänzt und erweitert. Download der Materialien unter: www.zeitbild.de

Bildnachweis Titel: Wikimedia, Ferromatik Milacron GmbH/FNR, Corbion & Kuender/European Bioplastics e.V., FOUR MOTORS GmbH; KV 2: Corbion & Kuender/European Bioplastics e.V., FOUR MOTORS GmbH, Inoutic/Deceuninck GmbH; KV 4: European Bioplastics e.V.; KV 5: Arkema/ European Bioplastics e.V., TECNARO GmbH; KV 6: Fujitsu/European Bioplastics e.V., DuPont Tate & Lyle Bio Products/European Bioplastics e.V., Hochschule Hannover (IfBB); KV 9: Coperion GmbH; KV 10: Ferromatik Milacron GmbH/FNR; KV 15: FNR, Jacob Winter GmbH, NATURinFORM GmbH; KV 16: Wikimedia, Gutex GmbH; KV 20: FNR/Hardy Müller, FOUR MOTORS GmbH; KV 21: FNR/Hardy Müller; KV 22: Hochschule Hannover (IfBB); Hintergrund 1: FNR/Hardy Müller

NACHWACHSENDE ROHSTOFFE INHALT

INHALT Aufbaumodul Biowerkstoffe Kopiervorlagen

Kopiervorlage 1: Begriffsklärung – Was bedeutet „Bio“? Kopiervorlage 2: Einführung – Was sind Biowerkstoffe? Kopiervorlage 3: Nachhaltigkeit – In Zukunft ohne Erdöl

Kopiervorlage 4: Einführung – Biokunststoffe Kopiervorlage 5: Rohstoffe – Viele mögliche Quellen Kopiervorlage 6: Rohstoffe – Biokunststoffe Kopiervorlage 7: Rohstoffverfügbarkeit – Genug Platz ist da Kopiervorlage 8: Kennzeichnung – Biobasierter Anteil | Kompostierbarkeit Kopiervorlage 9: Verarbeitung – Drei Arten Kunststoff Kopiervorlage 10: Verarbeitung – Spritzgießen Kopiervorlage 11: Verarbeitung – Thermoformen | Blasfolien-Extrusion Kopiervorlage 12: Verarbeitung – Blasformen | Schäumen | Fügen Kopiervorlage 13: Verwertung – Recycling | Verwertung | Behandlung Kopiervorlage 14: Markt – Schon in vielen Bereichen Kopiervorlage 15: Verbundwerkstoffe – Verbund von Materialien Kopiervorlage 16: Rohstoffe – Fasern und Kunststoffe Kopiervorlage 17: Verarbeitung – Vielfältige Möglichkeiten Kopiervorlage 18: Nutzung – In Zukunft noch mehr Kopiervorlage 19: Automobilbau – Naturfasern im Auto Kopiervorlage 20: Das Bioconcept-Car – Autobau mit Biowerkstoffen Kopiervorlage 21: Das Bioconcept-Car – Leicht und dabei fest Kopiervorlage 22: Das Bioconcept-Car – Neue Materialkonzepte

Arbeitsblätter

Arbeitsblatt 1: Wissenstest Arbeitsblatt 2: Rohstoffe

Versuche

Versuch 1: Formteil aus Naturfasern Versuch 2: Schaumstoff aus Stärke

Hintergrundinformationen

Hintergrund 1: Karosseriebau – Leichtbau mit Fasern und Kunststoff Hintergrund 2: Glossar – Natürliche Polymere | Weitere biogene Rohstoffe

AUFBAUMODUL BIOWERKSTOFFE

NACHWACHSENDE ROHSTOFFE KOPIERVORLAGE 1: BEGRIFFSKLÄRUNG

IN DIESEM INFORMATIONSMATERIAL

STEHT DIE VORSILBE

AUFBAUMODUL BIOWERKSTOFFE

FÜR KUNSTSTOFFE UND WERKSTOFFE AUF DER BASIS VON NACHWACHSENDEN ROHSTOFFEN („BIOBASIERT“).

Was bedeutet „Bio“? • „Bio“ steht für biobasiert – ein Kunststoff, der teilweise oder vollständig aus nachwachsenden Rohstoffen hergestellt wurde, etwa auf der Basis von Mais- oder Kartoffelstärke oder Pflanzenölen. • Mit der Vorsilbe „Bio“ werden aber auch Kunststoffe bezeichnet, die biologisch abgebaut werden können. – Solche Kunststoffe können sowohl aus nachwachsenden Rohstoffen (biobasiert), wie auch aus Erdöl (petrobasiert) hergestellt werden. – Nicht jeder Kunststoff aus nachwachsenden Rohstoffen ist auch biologisch abbaubar. – Produkte aus biologisch abbaubaren Kunststoffen können so hergestellt werden, dass sie nach Gebrauch in einer Kompostierungsanlage entsorgt werden können.

aus nachwachsenden Rohstoffen

BIOKUNSTSTOFFE

biologisch abbaubar

nicht biologisch abbaubar

PETROCHEMISCHE KUNSTSTOFFE

aus petrochemischen Rohstoffen

Quelle: Technische Biopolymere (Endres, Siebert-Raths), modifiziert durch FNR (2012)

Für den Begriff „biobasierter Kunststoff“ gibt es bisher keine Festlegung, wie hoch der Anteil nachwachsender Rohstoffe sein muss. Es gibt biobasierte Kunststoffe, die zu 100 % aus nachwachsenden Rohstoffen bestehen, aber auch Kunststoffe, die sich aus einem biobasierten und einem petrobasierten Anteil zusammensetzen.

MEHR WISSEN

HINTERGRUNDINFORMATION ZU BIOKUNSTSTOFFEN

BIOBASIERTER KUNSTSTOFF

tinyurl.com/y92chd4m

tinyurl.com/yapfp2fj

NACHWACHSENDE ROHSTOFFE KOPIERVORLAGE 2: EINFÜHRUNG

AUFBAUMODUL BIOWERKSTOFFE

Was sind Biowerkstoffe? Biowerkstoffe sind Werkstoffe, deren Bestandteile vollständig oder auch teilweise aus nachwachsenden Rohstoffen bestehen. Je nach Art des Produkts kann der Anteil an nachwachsenden Rohstoffen unterschiedlich hoch ausfallen. Zu den Biowerkstoffen zählen:

BIOKUNSTSTOFFE BIOVERBUNDWERKSTOFFE • mit den naturfaserverstärkten Kunststoffen (NFK) • und den Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoffen (WPC).

BIOKUNSTSTOFFE auch Biopolymere* genannt, können die bisher verwendeten herkömmlichen Kunststoffen aus Erdöl in vielen Anwendungen ersetzen. Biokunststoffe lassen sich aus einer Vielzahl pflanzlicher Rohstoffe herstellen. Zum einen können Polymere, also Makromoleküle, die in der Natur vorkommen, genutzt werden. Zum anderen dienen kleinere Moleküle, wie Zucker, Disaccharide und Fettsäuren, als Ausgangsbasis. Touchscreen aus Biokunststoff

BIOVERBUNDWERKSTOFFE Naturfaserverstärkte Kunststoffe (NFK) bestehen aus einem Kunststoff (Matrix) mit eingearbeiteten Naturfasern. Die Matrix ist meist ein herkömmlicher Kunststoff (z. B. Epoxidharz, Polyethylen), kann aber auch ein Biokunststoff sein. Bauteile aus NFK weisen hohe Steifigkeiten und Festigkeiten sowie eine geringe Dichte auf. Sie sind mechanisch stark belastbar und gleichzeitig leicht, also z. B. ideal für den modernen Automobilbau. Karosserie eines Ford Mustang GT Rallye mit NFK-Bauteilen

Wood-Plastic-Composites (WPC) Die Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoffe bestehen aus einem Holzmehlanteil und entweder erdölbasierten oder biobasierten Kunststoffen. Der Holzmehlanteil beträgt 50 – 90 %, die Kunststoffmatrix besteht meist aus Polypropylen (PP) oder Polyethylen (PE). Produkte sind u. a. Terrassenbeläge, Bootsstege, Außenfassaden, Zäune, Geländer, Fensterrahmen und Türen. WPC werden auch in der Automobilindustrie für Innenraumteile verwendet, ähnlich wie naturfaserverstärkte Kunststoffe. Terrassendielen aus WPC

* Polymer: chemische Verbindung aus Kettenmolekülen oder verzweigten Molekülen. Sie bestehen aus gleichen oder gleichartigen Einheiten (sogenannten Monomeren). Siehe hierzu auch KV 4.

MEHR WISSEN

BIOWERKSTOFFE

NETZWERK FÜR BIOWERKSTOFFE

tinyurl.com/yaeebdc5

tinyurl.com/y8tv34zz

NACHWACHSENDE ROHSTOFFE KOPIERVORLAGE 3: NACHHALTIGKEIT

AUFBAUMODUL BIOWERKSTOFFE

In Zukunft ohne Erdöl

Mit der Entdeckung des Erdöls als Rohstoff für die chemische Industrie begann vor ca. 100 Jahren die Erfolgsgeschichte der Kunststoffe. Sie waren relativ einfach herzustellen, und Erdöl war billig. Aus Gründen der Rohstoffsicherheit und des Umwelt- bzw. Klimaschutzes begann ab den späten 1980er-Jahren ein Umdenken einzusetzen.

Auf der Suche nach einem Ersatz wurden Forscher auf nachwachsende Rohstoffe aufmerksam. Aus Stärke, Zellulose oder Zucker wurden biobasierte Kunst- und Verbundwerkstoffe entwickelt und die Anwendungen immer mehr verfeinert. So sollen in Zukunft die nicht erneuerbaren Rohstoffe Erdöl und Erdgas ersetzt werden.

Wirtschaft

G e s e ll s c h

NACHHALTIGKEIT

Nachhaltigkeit heißt, dass die Menschen heute so handeln, dass auch künftige Generationen ihre Chance auf ein gutes Leben haben. Bei der Nachhaltigkeit geht es um Schutz von Natur und Umwelt, soziale Sicherheit und wirtschaftliche Leistungsfähigkeit. Alle drei Bereiche (auch Dimensionen genannt) sind miteinander verbunden und stehen gleichberechtigt nebeneinander.

aft

Wirtschaft Der Wohlstand für alle soll langfristig sicher sein. Es müssen intelligente Formen des Wirtschaftens entwickelt werden, die Ressourcen schonen und Natur und Umwelt schützen, sodass auch unsere Nachfahren noch wirtschaften können.

DAS ERDÖL ERSETZEN

Umwelt Die natürlichen Lebensgrundlagen wie Klima, Boden, Wasser, Luft, Vielfalt der Arten und Ökosysteme müssen nachhaltig geschützt werden. So bleiben die natürlichen Lebensgrundlagen auch für die nachfolgenden Generationen erhalten.

Gesellschaft Wichtig sind demokratische Strukturen und soziale Gerechtigkeit – heute und in Zukunft. Soziale Ziele sind u.a.: Wohlstand für alle, Frieden, individuelle Freiheit, Chancengleichheit, Gesundheit, Bildung und Ausbildung, Erwerbsmöglichkeit.

NACHHALTIG WIRTSCHAFTEN Mithilfe von Spitzentechnologie ist es heute möglich, vielfältige Produkte herzustellen, die nicht nur ohne Erdöl auskommen, sondern sogar bessere Produkteigenschaften besitzen. Immer mehr Unternehmen setzen bei der Herstellung ihrer Produkte heute auf einen Rohstoffmix aus verschiedenen nachhaltig erzeugten nachwachsenden Ressourcen und haben bereits zahlreiche neue Produkte entwickelt.

MEHR WISSEN

NAWARO: Informationsmaterial für berufsbildende Schulen. Basismodul, M1/KV3: Nachhaltigkeit, KV4/KV 5: Rohstoffe

NACHHALTIGE ENTWICKLUNG

ERDÖL ERSETZEN

tinyurl.com/y9xarhgx

tinyurl.com/y75usukn

NACHWACHSENDE ROHSTOFFE KOPIERVORLAGE 4: EINFÜHRUNG H

CH2OH H

H O

H H

AUFBAUMODUL BIOWERKSTOFFE

CH2OH

H H

CH2OH

H OH

CH2OH

O O H H

H H

CH2OH

Ausschnitt aus einem Zellulosemolekül

Biokunststoffe

Die ersten Kunststoffe bestanden aus Biomaterialien. Zelluloid wurde 1855 erfunden und für die Herstellung von Filmmaterial, Brillengestelle, Kämme, Tischtennisbälle und andere Produkte genutzt. Zelluloid wird aus Zellulose (Holz) gewonnen. Anfang des 20. Jahrhunderts wurden die ersten auf Erdöl basierenden Kunststoffe erfunden. Die Biokunststoffe verloren dadurch an Bedeutung. Erst ab den späten 1980er-Jahren wurden wieder Biokunststoffe entwickelt. Aus Biokunststoffen lassen sich heutzutage (fast) alle Produkte, die wir sonst als konventionelle Kunststoffprodukte kennen, herstellen:

DEFINITION Biokunststoffe, auch biobasierte Kunststoffe oder Biopolymere genannt, bestehen zu einem wesentlichen Anteil oder ausschließlich aus nachwachsenden Rohstoffen.

• Smartphonehüllen, Gehäuse von Elektrogeräten • Touchscreens • Zubehörteile für Automobile • Schreibtischutensilien • Folien für Lebensmittel-Verpackungen • Spielzeug • Mulchfolien, Pflanzen- und Anzuchttöpfe • Cateringgeschirr Erdgas Granulat

2,2 Mio. t

14,7 Mio. t

2,7 Mio. t

Nachwachsende Rohstoffe

Naphtha und andere Erdölderivate Rohstoffbasis der deutschen Chemieindustrie zur Herstellung von Kunststoffen (2013)

Quelle: VCI/FNR

Der Begriff Polymer lehnt sich an das altgriechische Wort polymerēs an, was so viel wie „aus vielen Teilen bestehend“ bedeutet. Es sind Kettenmoleküle, die aus einzelnen Bausteinen gebildet werden, bei den Biopolymeren stammen diese von lebenden Zellen. Für die Herstellung von biobasierten Kunststoffen sind Biopolymere wie die Polysaccharide (Vielfachzucker, z. B. Zellulose), die Proteine (Eiweiße) oder das Lignin (Stützgewebe von Holz) typisch.

MEHR WISSEN

BIOKUNSTSTOFFE

ANBIETER UND PRODUKTE

tinyurl.com/yapfp2fj

tinyurl.com/y7ak5h4g

NACHWACHSENDE ROHSTOFFE KOPIERVORLAGE 5: ROHSTOFFE

AUFBAUMODUL BIOWERKSTOFFE

Viele mögliche Quellen Biokunststoffe lassen sich aus einer Vielzahl pflanzlicher Rohstoffe herstellen. Stärkehaltige Früchte wie Mais oder Kartoffeln dienen als wichtige Rohstoffquelle, inzwischen konzentriert sich die Forschung aber darauf, nachwachsende Ressourcen zu erschließen, die nicht in Konkurrenz zur Lebensmittelproduktion stehen. Die wichtigsten Rohstofflieferanten sind:

Rohstoffbedarf zur Produktion biobasierter Kunststoffe in Deutschland (2011)

• Holz (Zellulose und Lignin) • Getreidepflanzen und Kartoffeln (Stärke) • Zuckerrohr und Zuckerrüben (Zucker) • Ölpflanzen (Pflanzenöle)

Quelle: FNR (2011)

BIOKUNSTSTOFFE AUS ZELLULOSE

Brille aus Zelluloseacetat

Der nachwachsende Rohstoff, der weltweit am häufigsten vorkommt, ist Zellulose, der Hauptbestandteil von pflanzlichen Zellwänden.

• Zelluloseacetat wird u. a. zur Herstellung von SmartphoneDisplays, Werkzeuggriffen und Kunststoffbrillen eingesetzt. • Zellophan hat sich von einer Bonbon-Folie zu einer modernen, multifunktionellen Verpackungsfolie gewandelt. • Viskose ist das Ausgangsmaterial für moderne Kleidung.

Lautsprecher aus Flüssigholz

AUS LIGNIN Noch gibt es nur wenige Lignin-Biokunststoffe auf dem Markt, wie z. B. das sogenannte „flüssige Holz“. Hergestellt werden damit u. a.

• Lautsprecher, Kopfhörer, Brillengestelle • Uhrengehäuse, Spielwaren, Möbel • Schuhe, Schachteln, Urnen MEHR WISSEN

ZELLULOSE

FLÜSSIGES HOLZ: HIGHTECH FÜR DIE ZUKUNFT

tinyurl.com/y8t7pzk4

tinyurl.com/ybjt8o3h

NACHWACHSENDE ROHSTOFFE KOPIERVORLAGE 6: ROHSTOFFE

AUFBAUMODUL BIOWERKSTOFFE

Biokunststoffe AUS STÄRKE UND ZUCKER

AUS PFLANZENÖLEN

Stärke ist der mengenmäßig wichtigste nachwachsende Rohstoff für die Herstellung von Biokunststoffen.

• Stärke wird aus Mais, Weizen und Kartoffeln gewonnen. • Zur Herstellung von Biokunststoffen kann man die Stärke direkt in Biokunststoffe umwandeln. • Stärke kann aber auch zunächst in ihre Grundbausteine (Zuckermoleküle) zerlegt werden, aus denen dann Biopolymere entstehen. • Alternativ kann Zucker (aus Zuckerrüben/ Zuckerrohr) auch direkt eingesetzt werden. Auf Stärke bzw. Zucker basierende Kunststoffe sind mittlerweile Ausgangsmaterial für eine weite Palette an Alltagsprodukten.

• Tragetaschen, Verpackungschips, Verpackungsfolien • Cateringgeschirr, Joghurtbecher, Getränkeflaschen • Büroartikel, Haushaltsartikel

Tastatur aus Biokunststoff

Aus Pflanzenölen werden Fettsäuren gewonnen, die über mehrere chemische Zwischenstufen in Biokunststoffe umgewandelt werden. Meist werden die Pflanzenöle mit anderen biobasierten, aber auch mit petrobasierten Zusatzstoffen vermischt. Typische Anwendungen sind heutzutage:

• Textilien, Teppichböden • Schaumstoffe (Autositze, Matratzen) • Kraftstoffleitungen im Auto • Schuhsohlen, Zahnbürsten, Dübel

• Spielwaren • Kosmetikprodukte (Lippenstiftgehäuse, Tiegel)

Schuhsohlen 100 % biobasiert

Auch Spezialanwendungen wie Medizinprodukte (Kapseln, Nahtmaterial, Implantate) und der 3-D-Druck können heute mit Biokunststoffen umgesetzt werden.

MEHR WISSEN

STÄRKE UND STÄRKEBLENDS

BIOKUNSTSTOFFE (FNR)

tinyurl.com/y86n5npl

tinyurl.com/ybavcqnu

NACHWACHSENDE ROHSTOFFE KOPIERVORLAGE 7: ROHSTOFFVERFÜGBARKEIT

2–4

TONNEN BIOKUNSTSTOFFE LASSEN SICH PRO HEKTAR AGRARFLÄCHE PRODUZIEREN

AUFBAUMODUL BIOWERKSTOFFE

4–7%

GLOBALE LANDWIRTSCHAFTSFLÄCHE WÜRDEN DAFÜR BENÖTIGT

Genug Platz ist da Werden wir in Zukunft ausreichend viele Agrarflächen haben, um genügend nachwachsende Rohstoffe produzieren zu können? Ein Blick auf die Zahlen zeigt die Verhältnisse.

100 % 13,4 Mrd. ha Globale Landfläche

37 % 5 Mrd. ha landwirtschaftlich genutzt

davon 0,02 % 1,4 Mio. ha Nutzung für Biokunststoff

• Fachleute gehen davon aus, dass die Biokunststoffe in den nächsten Jahren weltweit deutlich mehr Marktanteile erreichen werden.

• Je nach Biokunststoff-Typ, genutzter Pflanzenart und eingesetztem nachwachsenden Rohstoff lassen sich pro Hektar Agrarfläche 2 – 4 t Biokunststoffe produzieren. • Würde die weltweite Kunststoffproduktion überwiegend auf biobasierte Kunststoffe umgestellt,

würden 4 – 7 % der globalen Landwirtschafts fläche benötigt. • Bei der Herstellung von Biokunststoffen werden zukünftig zunehmend Rest- und Abfallstoffe aus Land- und Forstwirtschaft zum Einsatz kommen (Koppelproduktion*). • Der Anteil der Kaskadennutzung** wird weiter steigen und damit der Flächenbedarf für das einzelne Produkt reduziert.

* Koppelproduktion (auch Verbundproduktion oder Kuppelproduktion): Bei der Erstellung eines Produktes fällt ein weiteres Produkt/fallen mehrere Produkte an. Beispiel: Baumstamm wird zu Brettern zersägt, anfallendes Rest- und Kleinholz sowie Sägemehl werden auch verwertet. ** K askadennutzung: Nachwachsende Rohstoffe werden erst stofflich genutzt und dann energetisch verwertet. Beispiel: Holz wird zu Baumaterial oder Holzplatten verarbeitet, im Anschluss dann für Möbelbau und später als Holzpellet für die Energiegewinnung genutzt.

MEHR WISSEN

NAHRUNGSMITTELKONKURRENZ

KASKADENNUTZUNG

tinyurl.com/yapfp2fj

tinyurl.com/y99kxuya

NACHWACHSENDE ROHSTOFFE KOPIERVORLAGE 8: KENNZEICHNUNG

AUFBAUMODUL BIOWERKSTOFFE

Biobasierter Anteil

Kompostierbarkeit

Wie erkenne ich, wie hoch der biobasierte Anteil eines Kunststoffs ist? Um dies deutlich zu machen, gibt es verschiedene Zertifizierungssysteme, die genau festlegt, wie der biobasierte Anteil eines Kunststoffs gemessen wird.

Weitere Zertifizierungen gibt es für Kunststoffe, die kompostierbar sind. Dabei wird zwischen indus trieller Kompostierung und der Kompostierung im Garten unterschieden.

DIN CERTCO

Die deutsche Zertifizierungsstelle vergibt unterschiedliche Logos mit entsprechenden Prozent angaben. Dabei werden die Produkte – je nach dem Anteil des biobasierten Kohlenstoffs – in drei Klassen eingeteilt:

Den „Keimling“ erhalten Produkte, wenn sie sich unter standardisierten Bedingungen innerhalb von 6 bis 12 Wochen in einer industriellen Kompostieranlage zu mindestens 90 % abgebaut haben.

20 – 50 % 50 – 85 % > 85 %

Es gibt auch ein Zeichen für Gartenkompostierung.

VINÇOTTE

Die belgische Zertifizierungsstelle vergibt ein Logo, bei dem in Abhängigkeit von der Höhe des biobasierten Anteils Sterne vergeben werden.

Beim belgischen Zertifizierer Vincotte erhalten industriell kompostierbare Produkte das „OK compost“-Logo.

20 – 40 %

Mit dem „OK compost Home“-Logo werden Produkte für die Kompostierung im eigenen Garten ausgezeichnet.

0 – 60 %

60 – 80 % über 80 %

Hier werden deutlich geringere Temperaturen während der Zersetzung erreicht als bei der industriellen Kompostierung, dadurch läuft der Prozess langsamer und unregelmäßiger ab.

MEHR WISSEN

NORMEN UND ZERTIFIZIERUNG

KLASSIFIZIERUNG VON BIOKUNSTSTOFFEN

tinyurl.com/y73llvm6

tinyurl.com/ya5qfzzj

NACHWACHSENDE ROHSTOFFE KOPIERVORLAGE 9: VERARBEITUNG

AUFBAUMODUL BIOWERKSTOFFE

Drei Arten Kunststoff

Man kann aufgrund der mechanischen Eigenschaften drei Arten von Kunststoffen unterscheiden:

• Thermoplaste (thermoplastische Kunststoffe) lassen sich durch Erwärmen verformen oder schmelzen. Diese Kunststoffe sind mit einem Marktanteil von 80 % am weitesten verbreitet. • Duroplaste (duroplastische Kunststoffe, Duromere) bleiben nach dem Aushärten dauerhaft fest. • Elastomere sind flexibel und dehnbar. Es sind sogenannte gummielastische Kunststoffe.

COMPOUNDIEREN, BLENDS, EXTRUDER UND HALBZEUGE Biokunststoffe müssen – wie herkömmliche Kunststoffe auch – durch die Beimischung von Zuschlagstoffen für die jeweilige Anwendung maßgeschneidert werden. Diesen Vorgang nennt man Compoundierung. Verschiedene Kunststofftypen werden miteinander gemischt: Es entstehen Biokunststoff-Blends. DER EXTRUDER Das Compoundieren und Mischen der Biokunststofftypen geschieht mit sogenannten Extrudern. Maschinen und Anlagen der herkömmlichen Kunststoffverarbeitung können hierfür verwendet werden. Es müssen lediglich Besonderheiten wie Temperatur, Druck etc. angepasst werden.

Doppelschneckenextruder für Thermoplaste

PRINZIP EINES GLEICHLAUFENDEN DOPPELSCHNECKENEXTRUDERS Im Extruder sorgen Schnecken für die Durchmischung und Erwärmung der Stoffe. Durch eine formgebende Düse wird das fertige Material in endloser Form als Strang, Rohr, Profil, Folie oder Platte ausgetragen. Im Fall des Strangs kann das Material direkt hinter der Düse kleingeschnitten werden, es entsteht Granulat. Diese Halbzeuge werden nun weiterverarbeitet.

Quelle: Coperion

MEHR WISSEN

DOPPELSCHNECKENEXTRUDER

EXTRUSION VON KUNSTSTOFFPROFILEN AUS TECHNISCHEN KUNSTSTOFFEN

tinyurl.com/y7erc8gr

tinyurl.com/ybjhynau

NACHWACHSENDE ROHSTOFFE KOPIERVORLAGE 10: VERARBEITUNG

AUFBAUMODUL BIOWERKSTOFFE

Spritzgießen

Nahezu alle Größen und Formen von Kunststoffformteilen können im Spritzgießverfahren hergestellt werden. Daher ist dieses Verfahren das am meisten verbreitete zur Verarbeitung von Biokunststoffen.

SPRITZGIESSPROZESS Werkzeug

Kühlung Heizung

Schnecke

Granulat

Antrieb 1. Plastifizieren Nach dem Aufschmelzen des Granulats wird dieses unter Druck in die Form, das sogenannte Werkzeug, gepresst.

2. E inspritzen Der Kunststoff kühlt im Werkzeug aus.

3. Entformen Das Produkt wird als gebrauchsfertiges Formteil ausgeworfen.

Produkt

Quelle: lerntagebuch.ch: Spritzgießen. © FNR 2013

ANWENDUNG Die Anwendungsmöglichkeiten für das Spritzgießen sind sehr vielfältig.

• Kugelschreiber, Lineale und andere Büroutensilien • Einwegbestecke © Zeitbild Verlag und Agentur für Kommunikation GmbH (2017)

• Gartenmöbel • Stoßstangen • Getränkekästen • Knöpfe, mechanische Kleinteile und vieles mehr

Spritzgießmaschine

MEHR WISSEN

FERTIGUNGSTECHNIK SPRITZGIESSEN

ANIMATION SPRITZGIESSEN

tinyurl.com/y97w72f7

tinyurl.com/ycy3uqpe

NACHWACHSENDE ROHSTOFFE KOPIERVORLAGE 11: VERARBEITUNG

AUFBAUMODUL BIOWERKSTOFFE

Thermoformen

Unter Thermoformen, oder auch (Vakuum)-Tiefziehen, versteht man die Herstellung von dreidimensionalen Formteilen aus flächigen Kunststoffhalbzeugen. Typische Beispiele für Produkte, die im Thermoformverfahren hergestellt werden, sind:

• Einlagen von Pralinenschachteln • Joghurt- oder Margarinebecher • Schalen ohne und mit Klappdeckel • Sandkästen und Planschbecken für Kinder • Technische Teile in Kraftfahrzeugen

Kunststofffolie

Heizelemente

Klammer

Fertigteil

Vakuumpumpe Gussform

Quelle: CUSTOMPARTNET © FNR 2013

Formteil

Blasfolienextrusion Um dünne Folien herzustellen, wird ein Extruder mit einer Ringdüse kombiniert. Die Kunststoffmasse wird zu einem Schlauch gepresst, der mit Luft auf ein Mehrfaches des ursprünglichen Durchmessers aufgeblasen und unter hoher Geschwindigkeit nach oben gezogen wird. Die Foliendicke wird durch den Zug in Längs- und Querrichtung sowie den Zeitpunkt des Abkühlens bestimmt. Geblasene Folien finden sich u. a. als

Folie

Kühlluft

Granulat

• Müllabfallsäcke, Biomüllbeutel

Werkzeuge © Zeitbild Verlag und Agentur für Kommunikation GmbH (2017)

• Verpackungsfolien • Versandhüllen • Einmalhandschuhe

Formmasse

Heizung

Förderschnecke

• Tragetaschen

Funktionsprinzip einer Blasextrusionsanlage

Quelle: EMIL DEISS KG

MEHR WISSEN

THERMOFORMEN VON KUNSTSTOFF

ENERGIE SPARENDE FOLIENHERSTELLUNG

tinyurl.com/y9k4dm47

tinyurl.com/y8xxvhz5

NACHWACHSENDE ROHSTOFFE KOPIERVORLAGE 12: VERARBEITUNG

AUFBAUMODUL BIOWERKSTOFFE

Blasformen Durch die Technik des Blasformens werden Hohlkörper hergestellt. Man unterscheidet zwei Verfahrenstypen:

• das Extrusionsblasformen • das Streckblasformen Typische Anwendungsbereiche für das Extrusionsblasformen sind:

• Flaschen, z. B. Shampoo, Ketchup, Spülmittel etc. • Kanister, Fässer • Spiel- und Sportgeräte, z. B. Bobbycars, Kajaks

STRECKBLASFORMEN Beim Streckblasformen können sehr dünnwandige Behälter hergestellt werden. Das Verfahren wird überwiegend für die Herstellung von (Getränke-)Flaschen genutzt. Im Streckblasprozess werden Hohlkörper hergestellt, die in Umfangs- und Längsrichtung verstreckt sind. Das Kennzeichen der im Streckblasprozess hergestellten Hohlkörper ist ein am Behälterboden erkennbarer Angusspunkt im Gegensatz zu den bei extrudierten Behältern sichtbaren Quetschnähten.

Quelle: KHS Corpoplast © FNR 2013

Schäumen

Fügen

Kunststoffe können geschäumt werden, um Formteile zu erhalten, die besonders leicht sind, gute Wärme- oder Schalldämmeigenschaften oder eine gute mechanische Dämpfung aufweisen, oder um Material einzusparen. Die Poren entstehen beim Schäumen durch physikalische (Zusatz von niedrig siedenden Flüssigkeiten), chemische (Zusatz von Feststoffen, die unter Freisetzung von Gasen zerfallen) oder mechanische Treibverfahren (Einblasen eines Gases in die Kunststoffschmelze).

Halbzeuge oder Bauteile aus thermoplastischen Kunststoffen lassen sich auf vielfältige Weise miteinander verbinden (fügen). Zu den bekanntesten Fügeverfahren gehört das Kleben. Unter dem Einfluss von Druck und Wärme können thermoplastische Kunststoffe auch verschweißt werden. So werden Rohre zusammengefügt oder Behälter, Verpackungen, Tragetaschen, Beutel und Säcke hergestellt. Das Prinzip der Kunststoffverarbeitung durch Schweißen ist weit verbreitet und hat als Folienschweißgerät zum Verpacken von Lebensmitteln in PE-Folienbeuteln Einzug in viele Haushalte gehalten.

MEHR WISSEN

SPRITZSTRECK-BLASFORMEN

BLASFORMEN IN DER KUNSTSTOFFVERARBEITUNG

tinyurl.com/y7tayp8v

tinyurl.com/y9fvufbx

NACHWACHSENDE ROHSTOFFE KOPIERVORLAGE 13: VERWERTUNG

AUFBAUMODUL BIOWERKSTOFFE

ENERGETISCHE VERWERTUNG

IDEALE VORSTELLUNG EINES KREISLAUFS FÜR BIOKUNSTSTOFFE Ausgangsstoffe

Energie

Verwertungsanlage

Abbau

H2O

• Aus wirtschaftlichen Gründen werden zurzeit die meisten Biokunststoffab fälle in Müllverbrennungsanlagen verbrannt.

Biomasse

CO2 Fotosynthese Aufbereitung

Nachwachsende Rohstoffe

Recycling Synthese

Verwertung

Sammelstelle

BIOLOGISCHE BEHANDLUNG

Verarbeitung

Sammlung

• Bioabfalltüten aus Biokunststoffen können in einer Kompostierungsanlage zusammen mit den Küchenabfällen kompostiert werden.

Verwendung

Haushalt

Produkte

Biokunststoff

RECYCLING • Die Kunststoffabfälle werden möglichst sortenrein gesammelt, zerkleinert und gereinigt. • Danach können sie aufgeschmolzen und zu „neuem“ Granulat verarbeitet werden. • Je nach Reinheit und Qualität dieses aufbereiteten Altmaterials lassen sich daraus wiederum Produkte herstellen. • Ein typisches Beispiel für ein wertstoffliches Recycling ist die Wiederverwertung von Einweggetränkeflaschen. • Die meisten Biokunststoffe sind für dieses Verfahren geeignet. • Bisher gibt es noch zu wenige Biokunststoffprodukte am Markt, sodass eine getrennte Sammlung nicht wirtschaftlich ist. © Zeitbild Verlag und Agentur für Kommunikation GmbH (2017)

• Der hohe Brennwert von (Bio-)Kunststoffen macht diese zu einem idealen Ersatzbrennstoff für Kohle und Heizöl.

• Möglich ist diese Form der Verwertung allerdings für Drop-In-Biokunststoffe.* • Diese können zusammen mit herkömmlichen, gleichartigen Kunststoffen gesammelt und wiederaufgearbeitet werden.

• Cateringgeschirr (Veranstaltungen) kann zusammen mit Speiseresten kompostiert werden. • Halteclips für Obst und Gemüse lassen sich nach der Ernte zusammen mit den Grünabfällen kompostieren. • Mulchfolien aus biologisch abbaubaren Biokunststoffen können nach der Ernte untergepflügt werden, statt die Folien aufwendig einzusammeln. * Drop-In-Biokunststoffe: Biokunststoffe, deren chemische Struktur mit denen herkömmlicher Kunststoffe identisch ist, z. B. Bio-Polyethylen (Bio-PE), Bio-Polyethylenterephthalat (Bio-PET).

MEHR WISSEN

PRODUKTE AUS BIOBASIERTEN WERKSTOFFEN: VERWERTUNG UND ENTSORGUNG

BIOKUNSTSTOFF UND RECYCLING

tinyurl.com/y9zcgggo

tinyurl.com/y97sxfpr

NACHWACHSENDE ROHSTOFFE KOPIERVORLAGE 14: MARKT

2011

WURDEN IN DEUTSCHLAND

AUFBAUMODUL BIOWERKSTOFFE

KNAPP

80.000

TONNEN BIOBASIERTE KUNSTSTOFFE ERZEUGT

Schon in vielen Bereichen In Deutschland wurden 2011 knapp 80.000 t biobasierte Kunststoffe erzeugt, mit einem Umsatz von fast 500 Mio. Euro. Für die Produktion dieser Kunststoffe wurden ca. 60.000 t nachwachsende Rohstoffe eingesetzt. Wichtige Rohstoffe sind Stärke, importiertes Rizinusöl und Holz (Zellulose).

100 % 79.000 t Gesamt

Quelle: IfBB (Institut für Biokunststoffe und Bioverbundwerkstoffe) und Herstellerbefragung. Aus: Marktanalyse Nachwachsende Rohstoffe (FNR)

AUSGEWÄHLTE BEISPIELE FÜR PRODUKTE BIOBASIERTER KUNSTSTOFFE

Konsumgüter

Technische Anwendung

Flaschen

Haushaltsnahe Produkte

Elektroartikel

Badzubehör, Kosmetik, Hygiene, Gießkannen, Trinkhalme

Computermäuse, Tastaturen, Handys, Kabelisolierungen

Bürobedarf

Automotive

Schreibgeräte Lineale, Tacker, Locher, Hefter etc.

Schläuche, Sitze, Fußmatten, Airbagabdeckung

Sport + Freizeit

Baumaterial

Skischuhe, Wanderstöcke, Spielzeug

Werkzeuggriffe, Dübel, Wegwerfgeschirr Isolierungen und -besteck

Sonstige Verpackungen

Pharmaprodukte Medizin

Lebensmittelbereich/Sonstige Wasser, Säfte, Spülmittel Kosmetik etc.

Folien, Netze, Schach- Implantate, Knoteln, Luftpolster, chenschrauben, Verpackungschips Tablettenkapseln

Catering

Landwirtschaft Folien, Vliese, Pflanztöpfe

MEHR WISSEN

MARKTANALYSE NACHWACHSENDE ROHSTOFFE (FNR)

BIOPLASTICS MARKET DATA

tinyurl.com/y78hc3yv

tinyurl.com/yclwclwd

NACHWACHSENDE ROHSTOFFE KOPIERVORLAGE 15: VERBUNDWERKSTOFFE

AUFBAUMODUL BIOWERKSTOFFE

Verbund von Materialien

Ein Verbundwerkstoff (Kompositwerkstoff) besteht aus zwei oder mehr miteinander verbundenen Materialien. Eine wichtige Gruppe der Verbundwerkstoffe sind die Faserverbundwerkstoffe.

HERKÖMMLICHE VERBUNDWERKSTOFFE Diese bestehen aus einer Kunststoffkomponente (der Matrix) und einer Faser komponente. Zu den bekanntesten herkömmlichen Faserverbundwerkstoffen zählen

• Glasfaserverstärkte Verbundwerkstoffe (auch als Glasfiber bezeichnet)

• Kohlenstofffaserverstärkte Verbundwerkstoffe (auch als Carbon bezeichnet)

Glasfaser

Kohlenstofffaser

BIOVERBUNDWERKSTOFFE Bei den Bioverbundwerkstoffen ist die Faserkomponente biobasiert (aus Naturfasern), die Kunststoffmatrix zurzeit meist noch petrobasiert (aus Erdöl), kann aber auch auf Basis von Biomasse hergestellt werden. Es gibt zwei Gruppen von Bioverbundwerkstoffen:

Flachsfaser

• Naturfaserverstärkte Kunststoffe (NFK) sind Werkstoffe, die aus einem petro- oder biobasierten Kunststoff bestehen, der seine Stabilität durch eingearbeitete Naturfasern erhält. Bauteile aus NFK weisen hohe Steifigkeiten und Festigkeiten sowie eine geringe Dichte auf.

Geigenkoffer aus NFK

• Wood-Plastic-Composites (WPC) sind Verbundwerkstoffe, die aus unterschiedlichen Anteilen an Holzmehl bzw. Holzfasern und Kunststoffen bestehen. Verwendung finden sie u. a. als Terrassendielen, Zäune, Gartenmöbel. Schwimmbadsteg mit WPC-Dielen

MEHR WISSEN

BIOVERBUNDWERKSTOFFE (FNR)

NATURFASERVERBUNDWERKSTOFFE

tinyurl.com/yajlnao4

tinyurl.com/yba54j7n

NACHWACHSENDE ROHSTOFFE KOPIERVORLAGE 16: ROHSTOFFE

AUFBAUMODUL BIOWERKSTOFFE

Die Faserkomponente

In naturfaserverstärkten Kunststoffen werden meist Holz-, Flachs- und Hanffasern eingesetzt. Auch Jute-, Kenaf- und Sisalfasern kommen zum Einsatz, spielen aber noch eine Nebenrolle.

Holzfasern

Hanffasern

HOLZMEHL UND HOLZFASERN Bei der Holzverarbeitung fallen zahlreiche Nebenprodukte wie Holzspäne, Holzmehl und Holzfasern an. Sie kommen bei der Herstellung von Holz-Polymer-Verbundstoffen (WPC) zum Einsatz.

HANF Die Fasern des Hanfs zeichnen sich durch eine hohe Festigkeit und Elastizität aus. Wichtige Anwendungen für Hanffasern sind heute Naturdämmstoffe und die Naturfaserverbundwerkstoffe.

Flachsfasern FLACHS (LEIN) Flachsfasern sind besonders stark und gleichzeitig sehr leicht. Flachsfasern zeichnen sich durch hohe Formbeständigkeit aus. Die günstigen mechanischen Eigenschaften der Flachsfaser machen sie zu einem idealen Rohstoff für Verbundwerkstoffe.

Die Kunststoffkomponente (Matrix)

Die Kunststoffmatrix dient zur Verfestigung der Werkstoffe. Meist werden dazu petrochemische Kunststoffe genutzt, alternativ gewinnen biobasierte Kunststoffe aber immer mehr an Bedeutung.

Wichtige petrochemische Kunststoffe hierfür sind:

Wichtige biobasierte Kunststoffe hierfür sind:

• Acrylat-, Epoxid- und Phenolformaldehydharze

• Polymilchsäure (PLA) sowie Polyhydroxyalkanoate (PHA/PHB), Polyethylenterephthalat (PET), Polyethylen (PE)

• Polyurethane und ungesättigte Polyesterharze • Polypropylen (PP), Polyethylen (PE) • Polyvinylchlorid (PVC) und Polystyrol (PS)

• biobasierte Epoxidharze und Polyurethane (mit biobasierten Anteilen)

MEHR WISSEN

LEHRERHANDBUCH FASERVERBUNDWERKSTOFFE

FASERVERBUNDWERKSTOFFE

tinyurl.com/ycnabth9

tinyurl.com/yczfwu5v

NACHWACHSENDE ROHSTOFFE KOPIERVORLAGE 17: VERARBEITUNG

AUFBAUMODUL BIOWERKSTOFFE

Vielfältige Möglichkeiten WPC-Produktionsprozesse in Europa (2012)

81 % WPC-Extrusion

WPC-EXTRUSION 260.000 Tonnen Gesamt

13 % Formpressen

0,4 % Andere (z. B. Fließpressen)

6% Spritzgießen

Das aufgeschmolzene Holz-Kunststoff-Additiv-Gemisch wird in einem kontinuierlichen Verfahren durch eine Düse und anschließend ein Werkzeug gepresst. Nach dem Austreten aus der Düse erstarrt das Gemisch. Der Querschnitt des so entstehenden geometrischen Körpers entspricht annähernd dem verwendeten Profilwerkzeug, da nur ein geringer thermischer Schrumpf berücksichtigt werden muss.

FORMPRESSEN

SPRITZGIESSEN

Ein Naturfaservlies oder -filz (Halbzeug) wird zusammen mit der Kunststoffmatrix in eine offene Form geführt, erhitzt und unter Druck gepresst. Das so entstandene „Formpressteil“ wird aus der Form gelöst und die Ränder beschnitten. Je nach eingesetzter Matrix, unterscheidet man zwischen duroplastischem und thermoplastischem Formpressen.

Beim Spritzgießen, auch als Spritzguss bezeichnet, wird die aufgeheizte Formmasse aus meist granuliertem thermoplastischem Kunststoff in der Spritzgießmaschine direkt zu einem Formteil spritzgegossen. Dies ist in Massenproduktion sehr kostengünstig. Die Oberfläche des Formteils entspricht der Werkzeuginnenfläche. Eine Nacharbeit ist nicht oder nur in geringem Umfang erforderlich.

FLIESSPRESSEN

Quelle: R+S Technik GmbH

Thermoplastisches Formpressen Sandwichvliese (braun) werden auf einer Palette angeliefert, zur rot gekennzeichneten Kontaktheizung transportiert und erwärmt. Zusammen mit dem von der Rolle rechts zugeführten Dekor wird das Vlies dann in der Formpresse auf das grün gekennzeichnete Werkzeug aufgebracht, geformt, gepresst und mit dem Dekor verklebt (Endprodukt grau).

Beim Fließpressen wird aus Naturfasern und einem Kunststoff zunächst eine Pressmasse produziert. In das Werkzeug eingebracht, wird sie unter Druck- und Hitzeeinwirkung geformt. Dabei fließt das Harz-Faser-Gemisch in alle Konturen des Werkzeugs und härtet aus.

MEHR WISSEN

FASERAUFSCHLUSS HANF

VOM ANBAU BIS ZUR FASER

tinyurl.com/y8hs8vkv

tinyurl.com/y7nw6vzq

NACHWACHSENDE ROHSTOFFE KOPIERVORLAGE 18: NUTZUNG

AUFBAUMODUL BIOWERKSTOFFE

In Zukunft noch mehr

Bioverbundwerkstoffe stellen die wichtigste Gruppe der neuen Biowerkstoffe dar. In Europa werden pro Jahr mittlerweile mehrere hunderttausend Tonnen produziert. Davon ist nur ein kleiner Teil vollständig biobasiert, im Regelfall wird die Kunststoffmatrix noch auf Basis erdölbasierter Polymere hergestellt.

Quelle: Carus et al., WPC/NFK Market study 2014 www.bio-based.eu/markets

Produktion von Bioverbundwerkstoffen in Europa (2012) Verbundwerkstoffe gesamt 2,4 Mio. Tonnen petrobasiert 2.048.000 t

biobasiert 352.000 t

WPC 174.000 t Terrassendielen

NFK 60.000 t Automobilbereich

5.000 t Technische Anwendungen 5.000 t Möbel, sonstige Produkte

90.000 t Automobilbereich

16.000 t Verkleidung/Zäune

2.000 t Sonstige Produkte

WPC – Wood Plastic Composites WPC stellen die größte Gruppe der Bioverbundwerkstoffe. Innerhalb der WPC entfällt die Hauptproduktionsmenge auf die Terrassenbodendielen, gefolgt von automobilen Innenbauteilen, Zäunen und Fassadenelementen. Die Bereiche Möbel, technische Produkte und der Konsumgüterbereich bleiben dagegen noch relativ klein.

NFK – Naturfaserverstärkte Kunstfasern Bei den NFK sind mit einem Anteil von über 95 % die automobilen Innenbauteile am wichtigsten.

BIOWERKSTOFFE IM AUTOMOBILBAU

Einsatzmengen von Natur- und Holzfasern in Verbundwerkstoffen in der europäischen Automobilindustrie (2012) Gesamt 80.000 t in %

Die Automobilindustrie setzt naturfaserverstärkte Kunststoffe nur dann ein, wenn Kosten und Funktion den jeweiligen Bauteilanforderungen entsprechen. Dies ist in vielen Fällen gegeben. Als spezifische Vorteile von Naturfaserverbundwerkstoffen gelten:

• Massereduktion durch geringes Flächengewicht • gutes Crashverhalten

Holz

Baumwolle

Flachs

• gute Energieabsorption

• Nachhaltigkeit durch Ressourcenschonung © Zeitbild Verlag und Agentur für Kommunikation GmbH (2017)

• eine gute CO2-Bilanz In der europäischen Automobilindustrie werden im Durchschnitt knapp 4 kg an Bioverbundwerkstoffen pro PKW verbaut, in einigen deutschen Modellen sind es sogar bis zu 20 kg. Fachleute gehen davon aus, dass im Automobilbau zukünftig auch weitaus größere Mengen an NFK- und WPC-Produkten genutzt werden.

Quelle: Carus & Eder et al. (2015)

• einfache und kosteneffiziente Prozesse mit robusten Rezepturen, auch bei kleinen Stückzahlen

MEHR WISSEN

NATÜRLICH IM AUTO (ZEIT ONLINE)

NFK IM AUTOMOBILBAU

tinyurl.com/oxbbjr5

tinyurl.com/y7mnlj7c

8 Kenaf 7 Sisal, Kokos, Jute, Abaka

5 Hanf

NACHWACHSENDE ROHSTOFFE KOPIERVORLAGE 19: AUTOMOBILBAU

BEI EINIGEN AUTOS

AUFBAUMODUL BIOWERKSTOFFE

SIND BIS ZU

300

BAUTEILE AUS

NACHWACHSENDEN ROHSTOFFEN

Naturfasern im Auto Der Einsatz von Naturfasern im Automobilbau ist nichts Neues. Der Autohersteller Borgward fertigte Anfang der 1950erJahre die Karosserie einiger seiner Autos aus mit Kunstleder bezogenem Sperrholz – wofür der Volksmund die Bezeichnung „Leukoplastbomber“ erfand. Wenige Jahre später ersetzte man das Sperrholz dann durch Stahlblech. In der ehemaligen DDR wurde die Karosserie des Trabant aus Phenolharz, das mit Holz- und Baumwollfasern verstärkt war, hergestellt. Grund für die Verwendung der Naturfasern war die Materialknappheit nach dem Krieg bzw. in der DDR. Heute dagegen werden Naturfaserverbundstoffe wegen ihrer speziellen Eigenschaften weiter entwickelt und weil man Wege sucht, Alternativen zu fossilen Rohstoffen wie Erdöl oder Erzen zu finden. Der Gedanke des Umwelt- und Klimaschutzes spielt dabei auch eine wichtige Rolle.

PFLANZEN IM AUTO

Kunststoffe, die mit Naturfasern versetzt sind, sind deutlich leichter als Bauteile aus Stahl. Das macht sie hochinteressant für die Entwicklung moderner spritsparender Autos und für die Elektromobilität. Ein weiterer Pluspunkt von Flachs, Kokos, Sisal und Co. ist ihre geringe Splitterneigung, die bei der Verarbeitung und bei Unfällen von Vorteil ist. Bei der Herstellung des Armaturenbretts und des Innenraums (Kofferraum und Türen) nutzen Autobauer deshalb Naturfasern als Verstärkungsmaterial. Sitzbezüge und Kopfstützen können ebenfalls bald aus Biokunststoffen hergestellt werden. Schon heute bestehen bei einigen Modellen über 300 Bauteile aus nachwachsenden Werkstoffen. Weitere Möglichkeiten zum Einsatz nachwachsender Rohstoffe im Automobilbau werden mit Computersimulationen erforscht. Welche Naturfasern eignen sich am besten? Was sind die jeweiligen Eigenschaften des Verbundwerkstoffs und wie gut sind sie zu verarbeiten? Und ist das Bauteil sicher? Computermodelle simulieren dafür am Bildschirm Crashtests, die zeigen, wie sich das Material im „Fall der Fälle“ verhalten wird.

Hutablage aus Holzfurnier, Flachs

Blenden aus Kokosfaser

Armaturen aus Kokosfaser, Holzfurnier Verkleidungen aus Flachs, Bioplastik

Sitzpolsterung aus Baumwolle

Aktivkohlefilter aus Olivenkernen

MEHR WISSEN

PFLANZENAUTOS

DAS ELEKTROAUTO AUS NATURFASERN

tinyurl.com/p6ue2cx

tinyurl.com/y86fd6n8

NACHWACHSENDE ROHSTOFFE KOPIERVORLAGE 20: DAS BIOCONCEPT-CAR

IN DIESEM PROJEKT WURDEN BAUTEILE

AUFBAUMODUL BIOWERKSTOFFE

AUS BIOKUNSTSTOFF SOWIE BIOVERBUNDWERKSTOFFEN

MIT EINEM BIOGENEN ANTEIL VON

30–70

PROZENT HERGESTELLT

Autobau mit Biowerkstoffen

Sie sind leichter als Glasfasern, billiger als Kohlenstofffasern und werden aus nachwachsenden Rohstoffen hergestellt: Pflanzenfasern als Verstärkung für eine Kunststoffmatrix sind eine nachhaltige Alternative für leichte Fahrzeugkarosserien.

Das Bioconcept-Car auf dem Nürburgring (VW Scirocco)

Künftig könnten Bioverbundwerkstoffe ein Schlüsselwerkstoff für den Automobilbau werden. Denn Gewichtsersparnis ist das Zauberwort in der Fahrzeugindustrie: egal, ob es um geringeren Spritverbrauch oder größere Reichweiten bei Elektrofahrzeugen geht. Seit einigen Jahren wird in verschiedenen Forschungsprojekten erprobt, wie mithilfe von Bioverbundwerkstoffen Bauteile für den Automobilbereich eingesetzt werden könnten. Besondere Aufmerksamkeit erhielt ein Projekt durch die Zusammenarbeit mit dem bekannten Musiker und Motorsportler Smudo von den Fantastischen Vier. Dieser ging mit dem sogenannten Bioconcept-Car u. a. beim ADAC-24h-Rennen auf dem Nürburgring an den Start. Zum Bioconcept-Car wurden verschiedene Autotypen umgebaut, u. a. ein VW Scirocco 2.0l TDI und ein Ford Mustang GT.

Smudo mit Heckklappe aus NFK

Einbau des rechten Kotflügels an einem Ford Mustang GT RTD: Biogewebe aus Flachs, Sisal, Hanf. Matrix: 50 % biobasiert (Leinöl), 50 % Kunstharz (Epoxid).

Im Projekt wurden Bauteile aus Biokunststoff sowie Bioverbundwerkstoffen mit einem biogenen Anteil von 30 bis 70 Prozent hergestellt und am Bioconcept-Car montiert. Zwischen den Rennen und am Ende der Saison wurden die Biobauteile ausgebaut und im Labor zerstörungsfrei geprüft. Die Ingenieure wollten überprüfen, wie das Material auf die hohen Belastungen im Motorsport reagiert, um die Werkstoffe weiter zu optimieren.

Es geht bei den Forschungsprojekten nicht darum, ein einzelnes (biobasiertes) Auto zu bauen, sondern eine Technologie sowie die Werkstoffe und Verfahren zu entwickeln, damit diese später im Serienbau einsetzt werden können.

MEHR WISSEN

BIOCONCEPT-CAR

tinyurl.com/y9nwg3ws

tinyurl.com/nvabt2v

NACHWACHSENDE ROHSTOFFE KOPIERVORLAGE 21: DAS BIOCONCEPT-CAR

AUFBAUMODUL BIOWERKSTOFFE

Leicht und dabei fest Die Automobilindustrie nutzt schon länger naturfaserverstärkte Kunststoffe für die Ausstattung des Innenraums, die Anwendung im Karosseriebau hat sich dagegen bisher nicht durchgesetzt. Das Bioconcept-Car soll dazu beitragen, dies zu ändern.

• Viele Karosserieteile des Bioconcept-Cars bestehen aus Gewebematten (reines Flachsgewebe). • Diese werden in eine Form gelegt und mit Epoxidharz (Duromer) getränkt, das anschließend aushärtet. • Wichtig für die endgültige Stabilität des Bauteils ist das kontrollierte Aushärten des Harzes im Ofen. • Die chemische Reaktion muss vollständig abgeschlossen sein, sonst wird die gewünschte Festigkeit nicht erreicht.

– 67 kg

– 60 %

GEWICHT

14 kg statt

38,4 kg 2,50 €/kg

statt 30 €/kg

Zuschnitt des Flachsgewebes

• Durch Heckklappe, Motorhaube und Türen aus naturfaserverstärktem Duromer wiegt das Fahrzeug 67 kg weniger als ein Serienfahrzeug.

• Im Vergleich zu den Bauteilen aus Stahlblech sind das fast 60 % weniger Gewicht bei den einzelnen Bauteilen.

Auftrag der Harzschicht auf das Flachsgewebe

• Eine serienmäßig gefertigte Tür wiegt 38,5 kg, die Tür aus dem pflanzenfaserverstärkten Werkstoff dagegen nur noch 14 kg.

• Kohlenstofffasern (Carbon) für den Karosseriebau kosten etwa 30 €/kg. Für die eingesetzten Naturfasern (Flachs) liegen die Preise bei ca. 2,50 €/kg.

Autotür aus Naturfasermatte und duroplastischem Kunststoff

Anfangs wurde noch mit einem herkömmlichen, petrochemischen Epoxidharz gearbeitet. Später wurde dann für einzelne Bauteile auch eine biogene Matrix eingesetzt. Als Rohstoff für das Bioharz kommen Leinoder Sonnenblumenöl oder auch Ligninbestandteile in Frage.

MEHR WISSEN

KAROSSERIE AUS BAUMWOLLE, HANF UND HOLZ

BIOWERKSTOFFE FÜR DAS AUTO DER ZUKUNFT

tinyurl.com/y9bujv47

tinyurl.com/p6wvvl7

NACHWACHSENDE ROHSTOFFE KOPIERVORLAGE 22: DAS BIOCONCEPT-CAR

AUFBAUMODUL BIOWERKSTOFFE

Neue Materialkonzepte

Ressourceneffizienz und Leichtbau sind die aktuellen Themen in der Fahrzeugindustrie. Deutschland importiert die meisten Rohstoffe (z. B. Eisenerz, Aluminium) zur industriellen Fertigung von Karosseriebauteilen. Aus diesen Gründen beschäftigt sich die Forschung zunehmend mit der Entwicklung von Verbundwerkstoffen auf Basis von einheimischen, nachwachsenden Rohstoffen.

BIOCONCEPT-CAR

• Rohstoffe wie Pflanzenstärke, Pflanzenöl, Zellulose und Lignin liefern die Ausgangsmoleküle für die Biokunststoffe.

FASERGEWEBE Kurzfasern (< 4 mm)

Langfasern (Gewebe)

Glasfasern Holzfasern

Glasfasern Kohlefasern Pflanzenfasern Regeneratfasern

Duroplaste

Petrobasiert Biobasiert

• Dazu kommen, je nach Anforderung, für einzelne Bauteile auch Glas- oder Kohlefasern zum Einsatz. Die neuartigen Biokunststoffe und Bioverbundwerkstoffe lassen sich auf den bekannten Maschinen verarbeiten. So werden auch beim BioconceptCar herkömmliche Maschinen genutzt. Mit dem Extruder werden die verschiedenen Ausgangsstoffe gemischt, danach das erhaltene Granulat auf der Spritzgussmaschine zum fertigen Bauteil verarbeitet.

KUNSTSTOFFMATRIX Thermoplaste

• In Kombination mit petrobasierten und biobasierten Kunststoffen (Matrix) werden Kurzfasern (v. a. Holz, Hanf und Flachs) genutzt.

Quelle: IfBB

1 Heckklappe 2 Dachspoiler

3 Tür

4 Motorhaube

9 Heck-

spoiler

8 Diffusor

1 2/5 3/4 6/8/9 7

7 Tankklappe

6 Geschlossener Unterboden

5 Frontsplitter

JETZT

VORHER

Biobasierter Kunststoff (Epoxidharz) mit Leinengewebe

Stahlblech

Biobasierter Kunststoff (Epoxidharz) mit Leinengewebe

Erdölbasierter Kunststoff

Erdölbasierter Kunststoff (Epoxidharz) mit Leinengewebe

Stahlblech

Biobasierter Kunststoff (Epoxidharz) mit Leinengewebe

Erdölbasierter Kunststoff (Epoxidharz) mit Kohlenstofffaser

Biobasierter Kunststoff (Polyamid) mit Talkum gefüllt

Erdölbasierter Kunststoff Quelle: Institut für Biokunststoffe und Bioverbundwerkstoffe (IfBB Hannover)

MEHR WISSEN

BIOCONCEPT-CAR (FNR)

BIOBASIERTE WERKSTOFFE IM AUTOMOBILBAU

tinyurl.com/y9u72yhd

tinyurl.com/y87vslzu

NACHWACHSENDE ROHSTOFFE ARBEITSBLATT 1: WISSENSTEST

AUFGABE

AUFBAUMODUL BIOWERKSTOFFE

Testen Sie Ihr Wissen!

1. Benennen Sie drei Gründe, warum biobasierte Kunststoffe als Alternative zu den herkömmlichen Kunststoffen weiterentwickelt werden sollten.

2. Führen Sie drei wichtige Rohstoffe für die Produktion von Biokunststoffen auf.

3. Erläutern Sie die stoffliche Zusammensetzung von Bioverbundwerkstoffen (NFK bzw. WPC).

4. Der Einsatz von Biowerkstoffen im Automobilbau hat Vorteile. Welcher Art sind diese?

5. Was versteht man unter dem Begriff Kaskadennutzung und warum ist diese ökologisch vorteilhaft?

NACHWACHSENDE ROHSTOFFE ARBEITSBLATT 2: ROHSTOFFE

AUFGABE

AUFBAUMODUL BIOWERKSTOFFE

Vergleichen Sie die Vor- und Nachteile bei der stofflichen Nutzung der Rohstoffquellen!

NACHWACHSENDE ROHSTOFFE ROHSTOFFVERFÜGBARKEIT ?

UMWELTSCHUTZ

KLIMASCHUTZ

GESUNDHEITSSCHUTZ

ABFALLENTSORGUNG

NACHHALTIGKEIT

HEIMISCHE ARBEITSPLÄTZE

FOSSILE ROHSTOFFE

NACHWACHSENDE ROHSTOFFE VERSUCH 1: FORMTEIL AUS NATURFASERN

AUFBAUMODUL BIOWERKSTOFFE

Versuch: Formteil aus Naturfasern

ZUTATEN Flachs-, Jute- oder Baumwollgewebe

Viele moderne Bauteile wie z. B. die Innenverkleidung von Pkws, Lkws, Flugzeugen und Booten werden heute aus Glasoder Carbonfasergewebe hergestellt. Man nennt diese Gewebe Verbundwerkstoffe, weil hier Fasern aus Glas bzw. Fasern aus Kohlenstoff bei hoher Temperatur mit einem Kunststoffharz verklebt werden. Ihr Vorteil: Sie können in viele verschiedene Formen gepresst werden, haben ein geringes Gewicht und vertragen starke mechanische Belastungen. Die Herstellung ist aber energieaufwendig und die Entsorgung ist nicht unproblematisch. Naturfasern wie Jute, Baumwolle, Hanf oder Flachs können in einigen Fällen die Rolle der Verstärkungsfasern übernehmen. In diesem Experiment wird ganz einfach gezeigt, wie ein Formteil entsteht.

Holzleim (schnell abbindend)

GERÄTE UND MATERIALIEN Tasse

Schere

Pinsel

VERSUCHSAUFBAU UND DURCHFÜHRUNG

Flachs-, Jute- oder Baumwollgewebe

Holzleim

Man schneidet aus dem Gewebe ein kreisrundes Stück aus. Der Durchmesser sollte etwa 3 cm größer als der Durchmesser der Tasse.

Das Gewebestück wird von der Seite in Richtung auf den Kreismittelpunkt eingeschnitten. Die Schnitte sollten so lang sein, dass in der Mitte ein Stück, das etwa dem Boden der Tasse entspricht, unversehrt bleibt.

Das Gewebestück wird nun in die Tasse gelegt, wobei die eingeschnittenen Ränder hochklappen und sich überlappen. Das Innere der Tasse stellt die Form dar.

Das Gewebe wird vorsichtig mit einem Pinsel vollständig mit Holzleim getränkt und immer wieder an die Tasse gedrückt. Den Pinsel sollte man nach Gebrauch sofort mit Wasser auswaschen!

Nachdem der Leim ausgehärtet ist, kann man das Formteil vorsichtig aus der Tasse lösen und den oberen Rand mit einer Schere glatt schneiden.

Versuchsanleitung: Institut für Didaktik der Chemie, Goethe-Universität Frankfurt am Main, in: Experimentierordner zu nachwachsenden Rohstoffen aus Industriepflanzen, Modul 1. Hrsg.: FNR (2010)

NACHWACHSENDE ROHSTOFFE VERSUCH 2: SCHAUMSTOFF AUS STÄRKE

AUFBAUMODUL BIOWERKSTOFFE

Versuch: Schaumstoff aus Stärke Bei diesem Experiment wird Schaumstoff hergestellt. Schaumstoff ist als Schutz für viele Dinge geeignet. Schaumstoff hat die Fähigkeit nachzugeben, obwohl er fest ist. Er schützt so empfindliche Gegenstände gegen Stoß und Druck (wichtig z. B. beim Fahrradschutzhelm). Aufgrund seines geringen Gewichts wird Schaumstoff häufig als Verpackungsmaterial verwendet und dient außerdem auch als Dämmmaterial.

ZUTATEN Kartoffelstärke

Alginat (dient als Emulgator)

Backpulver (dient als Treibmittel)

GERÄTE UND MATERIALIEN Bechergläser

Rührlöffel oder Magnetrührer

250 ml 500 ml

Waffeleisen

VERSUCHSAUFBAU UND DURCHFÜHRUNG

Im kleinen Becherglas werden 70 g Kartoffelstärke, 3 g Backpulver und 1 g Alginat gemischt.

In das größere Becherglas kommen 80 ml Wasser. Unter Rühren (wenn möglich mit einem Magnetrührer) wird das gemischte Pulver langsam zugegeben.

Der entstandene flüssige Teig wird in dünner Schicht auf das Waffeleisen gegossen. Das Waffeleisen schließen und bei mittlerer Temperatur den Schaum ausbacken.

Versuchsanleitung: Nachwachsende Rohstoffe (Medienkombination). Hrsg. Benz, Scharf, Weber/C.A.R.M.E.N (2001)

NACHWACHSENDE ROHSTOFFE HINTERGRUND 1: KAROSSERIEBAU

AUFBAUMODUL BIOWERKSTOFFE SEITE 01/04

Leichtbau mit Fasern und Kunststoff

Für das Bioconcept-Car entwickelten die Experten vom IfBB* biobasierte Bauteile für die Karosserie des Rennwagens. Die Karosserieteile bestehen – vereinfacht dargestellt – aus Gewebematten, die in eine Form gelegt und mit Harz getränkt werden, das anschließend aushärtet. Das Rohmaterial für die Verstärkung des Kunststoffs (Duromer) ist ein Gewebe aus Flachsfasern. Die Formen für die Bauteile entstehen zum Teil als direkte Abdrücke der Originalkarosserieteile und werden mit einem Trennmittel und einer Grundierung vorbehandelt, damit sich die Karosserieteile später leichter herauslösen lassen.

Im ersten Schritt werden die Maße des Bauteils – in diesem Beispiel einer Tür – auf das Flachsgewebe übertragen. Anschließend werden die Gewebematten zugeschnitten.

Besonderes wichtig beim Zuschnitt ist eine ausreichend große Gewebezugabe, um später beim dreidimensionalen Modellieren in der Form ausreichend Material zur Verfügung zu haben. In einem industrialisierten Prozess könnten die Gewebematten gestanzt statt geschnitten werden.

Um zu vermeiden, dass sich in engen Radien der Tür Hohlräume oder Fehlstellen bilden, werden diese Bereiche mit zähflüssigem Harz gefüllt. So passt sich das zu fertigende Bauteil ideal der Form an.

* Institut für Biokunststoffe und Bioverbundwerkstoffe (IfBB Hannover)

MEHR WISSEN

LEICHTBAUKAROSSERIE AUS PFLANZENFASERN (FNR)

LEICHTBAUKAROSSERIE AUS PFLANZENFASERN

tinyurl.com/y8op8c4u

tinyurl.com/yd4nn9bs

NACHWACHSENDE ROHSTOFFE HINTERGRUND 1: KAROSSERIEBAU

AUFBAUMODUL BIOWERKSTOFFE SEITE 02/04

4. Nun kann mit dem Auftrag der ersten Schicht begonnen werden. Zunächst werden die kleinen Flächen der Form mit einem Pinsel getränkt.

Nun wird in die Form eine erste Schicht des Harzes aufgebracht, das zuvor aus zwei Komponenten angemischt wurde.

6. In die Form mit der noch flüssigen Matrix wird das Gewebe gelegt und allen Radien sorgfältig angepasst. Während des gesamten Produktionsprozesses muss die zuvor eingeplante Bearbeitungszeit eingehalten werden, um vorzeitiges Aushärten des Harzes auszuschließen.

Schmiegt sich das Flachsgewebe überall eng an die Form, erfolgt das Auftragen einer weiteren Harzschicht. Die beiden Vorgänge – Harz auftragen und Gewebe einlegen – werden z. B. bis zu viermal wiederholt, bis die erforderliche Stärke des schichtförmig aufgebauten Bauteils erreicht ist.

8. Auf die letzte Harzschicht wird zunächst eine dünne Lochfolie gelegt und dann ein Vakuumvlies. Das Vlies nimmt überschüssiges Harz auf, die Lochfolie erleichtert das Entfernen des Vakuumvlieses und das Durchdringen des Harzes.

NACHWACHSENDE ROHSTOFFE HINTERGRUND 1: KAROSSERIEBAU

AUFBAUMODUL BIOWERKSTOFFE SEITE 03/04

Damit sich die noch flexiblen Gewebematten perfekt der Form anpassen, muss das Bauteil nach Anlegen eines Vakuums aushärten. Eine luftdichte Folie, die an den Rändern der Form mit Acryl verklebt wird, ermöglicht das Erzeugen des Unterdrucks.

10. Mithilfe eines Schlauches wird bei Raumtemperatur die Luft unter der Folie abgesaugt, und das Vakuum sorgt für einen ausreichenden Anpressdruck und eine vollständige Durchtränkung der Fasern mit dem Harz.

11.

Die Detailaufnahme zeigt, wie Harz durch die Lochfolie in das Vlies drängt. Dabei handelt es sich um überschüssiges Material, das sicherheitshalber aufgetragen wurde, um Fehlstellen und Hohlräume zu vermeiden.

12. Zur Unterstützung und Homogenisierung des Aushärtungsprozesses wird die Form in einen Großraumofen gelegt, das Vakuum bleibt erhalten. Der Ofen wird auf 60° C aufgeheizt und kühlt dann langsam wieder ab, das Bauteil härtet innerhalb von etwa acht Stunden aus. Dauer und Temperatur haben dabei einen entscheidenden Einfluss auf die späteren mechanischen Eigenschaften des Bauteils und müssen dem jeweiligen Harzsystem angepasst werden.

NACHWACHSENDE ROHSTOFFE HINTERGRUND 1: KAROSSERIEBAU

AUFBAUMODUL BIOWERKSTOFFE SEITE 04/04

13. Nach dem Aushärten und Entfernen der abdichtenden Folie können das Vlies mit dem überschüssigen Harz und die Lochfolie abgezogen werden.

14. Mit mechanischen Entformungshilfsmitteln wird das Bauteil vorsichtig aus der Form gelöst (entformt).

15.

Anschließend wird das Bauteil auf eventuelle Unregelmäßigkeiten untersucht. Die weiße Oberfläche ergibt sich durch die Grundierung der Form. Die Innenseite der Tür hat dagegen eine „Naturoptik”, die Flachsfasern sind durch das transparente Harz sichtbar.

16.

Hier sind beide Teile der Tür – Innen- und Außenteil – probehalber zusammengefügt. Das spätere Verkleben erfolgt mit dem gleichen Harz, das zur Herstellung der Teile verwendet wird.

17. In weiteren Bearbeitungsprozessen werden die Ränder mit der Pressluftsäge auf das richtige Maß geschnitten und es folgt eine Feinanpassung der Abmessungen. Abschließend wird die Oberfläche geschliffen und je nach Bauteil noch poliert bzw. lackiert.

NACHWACHSENDE ROHSTOFFE HINTERGRUND 2: GLOSSAR

AUFBAUMODUL BIOWERKSTOFFE

Glossar NATÜRLICHE POLYMERE Unter natürlichen Polymeren (Biopolymeren) verstehen wir von Lebewesen synthetisierte Polymere. Dies können beispielsweise Polysaccharide, Proteine oder Lignin sein, die als Energiespeicher dienen oder eine strukturelle Funktion für die Zelle oder den gesamten Organismus haben. Die im Folgenden kurz vorgestellten natürlich vorkommenden Biopolymere können für die Herstellung von biobasierten Kunststoffen verwendet werden.

POLYSACCHARIDE Zu den wichtigsten Biopolymeren gehören die Polysaccharide (Mehrfachzucker oder Vielfachzucker). α-Polysaccharide kommen z. B. als Energiespeicher in Stärke vor. β-Polysaccharide dienen als Gerüstsubstanz, beispielsweise in der Cellulose, dem Hauptbestandteil der Zellwände von Pflanzen.

PROTEINE Proteine sind aus Aminosäuren aufgebaute Biopolymere. Sie kommen in allen Lebewesen vor und dienen dem Stofftransport, als Struktur verleihende Gerüstsubstanz oder als Signalstoffe oder Katalysatoren. Zu den Proteinen gehört Casein (oder Kasein) aus der Milch von Säugetieren. Gluten (auch Kleber oder Klebereiweiß) ist ein Gemisch aus verschiedenen Proteinen, das in den Getreidekörnern vorkommt. Collagen ist ein Strukturprotein des Bindegewebes (z. B. Haut, Zähne, Sehnen, Bänder oder Knochen) vieler höherer Lebewesen. Es ist der Hauptgrundstoff für die Herstellung von Gelatine.

LIGNIN Lignin ist ein dreidimensional vernetztes aromatisches Makromolekül. Der feste farblose Stoff ist in der pflanzlichen Zellwand eingelagert und bewirkt die Verholzung (Lignifizierung) von Gräsern, Stauden, Sträuchern, Bäumen etc. Neben Cellulose ist Lignin der häufigste organische Stoff der Erde. Als Nebenprodukt der Zellstoffindustrie fällt Lignin weltweit jährlich zu etwa 50 Mio. Tonnen an. Der Großteil davon wird heute zur Energieerzeugung verbrannt.

NATURKAUTSCHUK Ein elastisches Biopolymer ist Naturkautschuk aus Pflanzenprodukten, in erster Linie Milchsaft (Latex) bestimmter Bäume. Neben dem Kautschukbaum wird solches Latex auch von anderen Bäumen wie Balata oder Guttapercha gewonnen. Naturkautschuk ist der wichtigste Rohstoff zur Herstellung von Gummi durch Vulkanisierung.

SONSTIGE Eine interessante Gruppe von Biopolymeren sind die Polyhydroxyalkanoate (PHA), Polyester, die in bestimmten Mikroorganismen als Energiespeicher gebildet werden.

NACHWACHSENDE ROHSTOFFE HINTERGRUND 2: GLOSSAR

AUFBAUMODUL BIOWERKSTOFFE

WEITERE BIOGENE ROHSTOFFE PFLANZENÖLE Pflanzenöle bestehen in der Regel aus Glycerin und verschiedenen Fettsäuren. Sie finden Verwendung in der menschlichen und tierischen Ernährung, als Schmierstoff und vor allem auch als Energieträger. Insbesondere die enthaltenen Fettsäuren sind aber auch eine interessante Rohstoffquelle zur Herstellung von Biokunststoffen.

KOHLENHYDRATE Über die oben genannten Substanzen hinaus können noch eine Reihe weiterer Kohlenhydrate als Ausgangsstoffe für Monomere und Dimere für die Produktion von biobasierten Kunststoffen dienen. Dies sind Monosaccharide (Zucker), wie Glukose und Fruktose (beide C6H12O6) oder Disaccharide, wie Saccharose (C12H22O11). Auch bestimmte zweiwertige Alkohole, die als Bausteine für die Herstellung (teilweise) biobasierter Kunststoffe herangezogen werden können, sind aus nachwachsenden Rohstoffen herstellbar. So wird seit einigen Jahren biobasiertes 1,3-Propandiol als Bio-PDO und bald auch 1,4-Butandiol als Bio-BDO aus nachwachsenden Rohstoffen wie z. B. Maisstärke vermarktet. Ein wichtiger Baustein, der zur Herstellung von Biokunststoffen eingesetzt wird, ist die Bernsteinsäure (C4H6O4), die sich auch fermentativ aus Stärke und verschiedenen Oligosacchariden herstellen lässt. Das derzeit wirtschaftlich wichtigste Monomer ist Milchsäure, aus der Polylactic (PLA), sprich Polymilchsäure, hergestellt wird. Der weltweit häufigste Massenkunststoff ist das Polyethylen (PE). Dessen Monomer Ethylen wird heute zumeist durch Steamcracken von Kohlenwasserstoffen, wie z. B. Naphta (Erdöl), aber auch aus Ethan, Propan und Flüssiggas gewonnen. Durch die Dehydrierung von zuckerrohrbasiertem Bio-Ethanol kann ein biobasiertes Ethylen für die Herstellung von Bio-Polyethylen gewonnen werden.

SONSTIGE Ein aktueller Trend ist die Biomassevergasung zu Synthesegas. Durch eine nachfolgende chemische oder biotechnologische Umwandlung des so gewonnenen Synthesegases können auch Biopolymer-Monomere erzeugt werden. Beide Wege sind aber noch im Forschungsstadium.

Ein chemischer Weg könnte über die Umwandlung von Synthesegas zu Ethanol und schließlich zu Ethylen und dann zu Polyethylen führen. Derzeit wird jedoch eher der biotechnologische Weg intensiv verfolgt, der Synthesegas als Kohlenstoffquelle für Mikroorganismen nutzt, wobei durch Fermentation Polymermonomere gebildet werden können.

Quelle: BIOKUNSTSTOFFE (2016). Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e. V. (FNR) https://mediathek.fnr.de/broschuren/nachwachsende-rohstoffe/biowerkstoffe.html