Nachwachsende Rohstoffe und Kunststoffe aus nachwachsenden Rohstoffen

Unter dem Gesichtspunkt der Nachhaltigkeit gilt es auch für die Kunststoffindustrie, die klassischen fossilen Ressourcen zu schonen und regenerierbare Ressourcen zu nutzen, allerdings nur in dem Maße wie die Bestände natürlich nachwachsen und eine Konkurrenz zur Nahrungsmittelproduktion ausgeschlossen ist. Andererseits muss auch die Kunststoffindustrie dazu beitragen, Natur und Umwelt zu schützen, also energiesparend zu produzieren und mit den Reststoffen verantwortungsvoll umzugehen; das hohe Molekulargewicht und die Bioabbaubarkeit nachwachsender Rohstoffe stellen hierfür besonders gute Voraussetzungen dar, und nicht nur beim biologischen Abbau sondern auch bei thermischer Verwertung der Reststoffe und Energiegewinnung verhalten sich Biopolymere CO²-neutral.

In diesem Rahmen gewinnen nachwachsende Rohstoffe als Ausgangsmaterialien für und als Komponenten von Kunststoffen zunehmende Bedeutung. Hierzu gehören auch Naturfaserverbundkunststoffe. Eine besondere Herausforderung dabei ist es, neben der ökologischen auch die ökonomische Nachhaltigkeit sicher zu stellen, d.h. durch Forschung ständig die Produktqualität/Funktionalität im Vergleich zu der von konventionellen Werkstoffen auf fossiler Basis zu verbessern und in der Folge die Produktionsmengen zu erhöhen. Eine weitere Herausforderung besteht darin, mit der nicht gleich bleibenden Qualität der nachwachsenden Rohstoffe umzugehen.

Die wichtigsten Rohstoffe sind die Biopolymeren* Stärke und Cellulose sowie Zucker (Saccharose); hinzukommen Kasein, Chitin und Chitosan, Collagen (Gelatine) und andere Proteine sowie Naturharze und Wachse, Pflanzenöle (Leinöl) und tierische Fette. Als Sekundärprodukte sind Polylactid (PLA) und Copolymere sowie Polyhydroxybuttersäure/Polyhydroxybutyrolacton (PHB) und andere Polyhydroxycarbonsäuren/Polyhydroxyalkanoate zu nennen, die aus Zucker oder Stärke durch Fermentation zu Milchsäure über Dilactid und anschließende Polymerisation zu PLA bzw. von Bakterien als Speicherstoffe (PHB) hergestellt werden. Klassische Biopolymere auf Cellulosebasis sind die Celluloseester. Sekundärprodukte sind u. a. auch Diole und Dicarbonsäuren aus Biopolymeren, die mit den entsprechenden Komponenten, ggf. aus fossilen Quellen, zu Polyestern, Polyamiden und Polyurethanen umgesetzt werden können.

Als Verstärkungsfasern sind Flachs, Hanf, Jute, Kenaf, Sisal und Abaca zu nennen, aber auch Holzfasern aus Abfällen (WPC) der holz- und papierverarbeitenden Industrie und Reißbaumwolle.

Erst durch das richtige Compoundieren werden Biopolymere für den jeweiligen Einsatz maßgeschneidert. Haupteinsatzgebiete von Biopolymeren, oft als Blends mit biologisch abbaubaren Kunstoffen, auch aus fossilen Rohstoffen, sind Folien, Fasern, Vliese thermoplastische Werkstoffe, Klebstoffe und Grundstoffe für Dispersionen. Zielprodukte sind Verpackungen und Beschichtungen von Papier und Kartonverbunden, Säcke und Beutel zum Sammeln von Biomüll, sowie Cateringprodukte und Produkte für den Garten- und Landschaftsbau. Ein besonderes Anwendungsgebiet in der Medizintechnik stellen chirurgische Nähfäden, Hart- und Weichgewebeimplantate sowie Wirkstoffverkapselungen u.a. aus PLA, PHB und ihren Copolymeren dar. Hierbei ist die Einstellbarkeit der mechanischen Eigenschaften und der Abbaurate von besonderem Vorteil. Proteine, Naturharze und Wachse werden vorzugsweise für die Herstellung von Klebstoffen, Lacken und Farben eingesetzt.

Naturfaserverbundkunststoffe haben als Leichtbauwerkstoffe hohe Bedeutung und werden bereits seit vielen Jahren in der Automobilindustrie eingesetzt, und zwar besonders im PKW-Innenraum für hochwertige Türkonstruktionen bis hin zum Armaturenbrett sowie als Unterbodenschutz und in LKW-Fahrerkabinen. WPC haben eine gewisse Verbreitung mit steigender Tendenz in der Baubranche erreicht ebenso wie Naturfasern und Naturfaserverbunde.

Die Einstellbarkeit der mechanischen Eigenschaften und der Abbauraten von Biopolymeren zeigt, dass sie sich bei entsprechender Fortentwicklung auch für die Herstellung von langlebigen und hochwertigen Kunststoffen eignen; Walkman- und Handygehäuse aus Biopolymeren sind bereits auf dem Markt.

Zwei besondere Herausforderungen ergeben sich heute für die Erschließung von nachwachsenden Rohstoffen. Die eine ist, biologische Abfallprodukte wie z. B. das Lignin verstärkt nutzbar zu machen. Die andere besteht darin, natürliche Standorte auszumachen, die nicht in Konkurrenz zur Wald-, Forst- und Landwirtschaft stehen. Hierzu gehören Meerespflanzen aller Art, die sich durch hohe Wachstumsraten auszeichnen und eine wirkungsvolle CO²-Senke darstellen. Ein erhebliches Zukunftspotenzial liegt aber auch in der Herstellung von "nachwachsenden Rohstoffen" wie Cellulose und PHB durch Mikroorganismen. Dabei ist sowohl vorgesehen, Biopolymere im Fermenter zu erzeugen als auch die entsprechenden Gene der Mikroorganismen in Pflanzen zu übertragen, um die Biopolymeren in klassischer Weise ernten zu können. Hier kann der Anbau genetisch veränderter Pflanzen auf Stilllegungsflächen erfolgen, so dass keine Konkurrenz zu Nutzpflanzen für den Nahrungsmittelbereich besteht.

Neben der Schonung fossiler Ressourcen und der CO²-neutralen Nutzung von Biopolymeren (from the cradle to the grave) bieten nachwachsende Rohstoffe eine erhebliche Chance für die Entwicklung innovativer Produkte und Prozesse und erhöhen die Sicherheit der Versorgung mit Rohstoffen. Es gibt also gute Gründe für die Kunststoffindustrie, sich heute mit dem großen Potenzial nachwachsender Rohstoffe zu befassen, um den Anschluss auf diesem expandierenden Gebiet nicht zu verpassen.


*Biopolymere sind natürliche hochmolekulare Stoffe. Kunststoffe auf der Basis von Biopolymeren werden oft als Biokunststoffe bezeichnet. Im Gegensatz dazu sind Biomaterialien oder Biowerkstoffe Materialien oder Werkstoffe, die im Kontakt mit dem Biosystem, dem menschlichen Körper, eingesetzt werden.

Nachwachsende Rohstoffe und Kunststoffe aus nachwachsenden Rohstoffen - Vita Prof. Dr. Dr. h.c. Heinrich Hartwig Höcker