Biobasierte Wachse als Schlüssel für nachhaltige Verpackungsnetze
Bereits 1,5 % biobasiertes Wachsadditiv verändern Fließverhalten sowie Steifigkeit und Festigkeit von PBS messbar
Anzeigen
Biobasierte Wachse aus nachwachsenden Rohstoffen könnten künftig petrochemische Eigenschaftsmodifikatoren in Kunststoffanwendungen ersetzen. Im Rahmen des WIR!-Bündnisses BioZ, welches Teil des bundesweiten Metanetzwerks TransBIB ist, entwickelten das Fraunhofer IMWS und die DEUREX AG biologisch abbaubare Wachsadditive für Biokunststoffe und demonstrierten deren erfolgreiche Skalierung vom Labor bis in industrielle Verpackungsanwendungen.
Mikrostruktur einer Mischung aus einem Biomer und dem Biokunststoff PBS.
Im Rahmen des WIR!-Bündnisses „BioZ – Biobasierte Innovationen aus Zeitz und Mitteldeutschland“ arbeiteten Forschende des Fraunhofer-Instituts für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS gemeinsam mit der DEUREX AG an neuen Biokunststoffen, die vollständig biologisch abbaubar sind und als Drop-in-Lösungen für bestehende Kunststoffanwendungen eingesetzt werden können. BioZ ist als Kompetenzhub im bundesweiten Metanetzwerk TransBIB verankert. TransBIB vernetzt Unternehmen, Forschungseinrichtungen und Innovationsräume der industriellen Bioökonomie mit dem Ziel, den Transfer biobasierter Technologien in industrielle Anwendungen gezielt zu beschleunigen.
Im Fokus des Projekts stand die Entwicklung biobasierter Eigenschaftsmodifikatoren auf Wachsbasis („Biomere“) als nachhaltige Alternative zu bislang eingesetzten petrochemischen Modifikatoren. Die entwickelten Wachse sind biologisch abbaubar und können im großtechnischen Maßstab aus nachwachsenden Rohstoffen hergestellt werden. Ziel des Vorhabens war es, die teilweise oder vollständige Substitution petrochemischer Eigenschaftsmodifikatoren in polymeren Werkstoffen nachzuweisen und gleichzeitig neue Rezepturen für biobasierte Verpackungsanwendungen zu entwickeln.
Ein weiterer Schwerpunkt lag auf der Entwicklung von Kunststoffcompounds für Verpackungsnetze im Obst- und Gemüsebereich. Dabei sollten konventionelle Polymerwerkstoffe teilweise oder vollständig durch technische Biopolymere ersetzt werden, ohne Einbußen bei Verarbeitbarkeit oder Produkteigenschaften in Kauf nehmen zu müssen.
Die Besonderheit des entwickelten Ansatzes liegt in seiner hohen Variabilität. Durch den Einsatz der Biomere können die Verarbeitungseigenschaften von Biopolymeren wie Polybutylensuccinat (PBS) gezielt eingestellt werden – sowohl in Richtung höherer als auch niedrigerer Viskositäten. Gleichzeitig verbessert sich die Dispergierung zusätzlicher Füllstoffe, beispielsweise von Farbpigmenten, ohne dass die biologische Abbaubarkeit des Gesamtsystems beeinträchtigt wird. Eine vergleichbare Plattformtechnologie auf Basis nachwachsender Rohstoffe ist bislang nicht bekannt.
Während viele heute eingesetzte Modifikatoren auf petrochemischen Wachsen oder Pfropf-Copolymeren basieren und für biologisch abbaubare Anwendungen nur eingeschränkt geeignet sind, verfolgt der entwickelte Ansatz eine direkte Integration in bestehende industrielle Prozesse. Die Biomere können auf vorhandenen Anlagen verarbeitet werden und eröffnen damit einen vergleichsweise einfachen Weg zur nachhaltigen Transformation bestehender Kunststoffanwendungen.
Grundlage der Entwicklung war die gezielte Einstellung des Molekulargewichts der Biomere durch einen oxidativen Abbau biobasierter Ausgangsstoffe auf Basis von Zuckerrohr-Bagasse. Anschließend erfolgte eine chemische Modifikation mit reaktiven Gruppen, um die Wechselwirkungen mit dem eingesetzten Matrixmaterial Polybutylensuccinat (PBS) gezielt zu beeinflussen. Die entwickelten Wachse wurden sowohl im diskontinuierlichen als auch im kontinuierlichen Schmelzemischprozess in das Biopolymer eingearbeitet. Darauf aufbauend analysierten die Projektpartner die resultierende Mikrostruktur und die daraus entstehenden Werkstoffeigenschaften.
Die gewonnenen Erkenntnisse bildeten die Grundlage für die Entwicklung einer Rezeptur zur Herstellung von Verpackungsnetzen. Die Möglichkeit der Skalierung der Herstellung mittels kontinuierlichen Schmelzemischens in einem Doppelschneckenextruder vom Labormaßstab (etwa 1 kg/h) in den Technikumsmaßstab (etwa 10 kg/h) wurde demonstriert. Die entwickelte Rezeptur wurde anschließend im industriellen Maßstab erfolgreich zu einer Blasfolie und den daraus hergestellten Bändchen für Verpackungsnetze verarbeitet.
Gerade an der Schnittstelle zwischen Materialentwicklung, Prozessskalierung und industrieller Anwendung wird die Bedeutung leistungsfähiger Transfernetzwerke wie TransBIB deutlich:
Projekte wie BioZ Wachse zeigen, dass der erfolgreiche Transfer biobasierter Innovationen weit über die eigentliche Materialentwicklung hinausgeht. Für die industrielle Umsetzung sind passende Anwendungspartner, Skalierungsinfrastrukturen und Know-how entlang der Wertschöpfungskette entscheidend. Genau hier setzt TransBIB an, indem das Netzwerk bestehende Innovationsräume miteinander verbindet und den Austausch zwischen Forschung und Industrie erleichtert. So bietet TransBIB beispielsweise verschiedene digitale Tools, die nach erfolgreicher Skalierung dabei unterstützen, schneller in die industrielle Anwendung finden zu können.
Im Ergebnis konnte gezeigt werden, dass die rheologischen und mechanischen Eigenschaften von PBS signifikant durch die Einarbeitung biobasierter Wachse beeinflusst werden können. Bereits geringe Anteile von 1,5 % führten zu deutlichen Veränderungen im Fließverhalten sowie bei Steifigkeit und Festigkeit des Materials.
Darüber hinaus wurde die Skalierbarkeit der Herstellung erfolgreich nachgewiesen. Die entwickelten Biomere konnten vom Labormaßstab bis in den industriellen Prozess übertragen und für die Herstellung marktrelevanter Verpackungsprodukte genutzt werden. Damit liefert das Projekt einen wichtigen Beitrag zur Entwicklung nachhaltiger Kunststofflösungen auf Basis nachwachsender Rohstoffe und zeigt zugleich, wie biobasierte Materialinnovationen den Weg in industrielle Anwendungen finden können.
Weitere News aus dem Ressort Forschung & Entwicklung
Diese Produkte könnten Sie interessieren
