Fossile Rohstoffquellen zur Herstellung von Kunststoffen und faserverst\u00e4rkten Materialien werden immer knapper \u2013 aber der Bedarf an Polymeren steigt aufgrund der wachsenden Weltbev\u00f6lkerung. Nachwachsende Alternativen aus der Natur k\u00f6nnten das drohende Dilemma entsch\u00e4rfen.<\/p>\n
Faserverst\u00e4rkte Kunststoffe sind ein Megatrend der Kunststoffbranche. Auch Biokunststoffen wird ein gro\u00dfes Wachstum zugesprochen. Eine sehr interessante, neue Werkstoffklasse entsteht auch, wenn Biokunststoffe und Naturfasern zu neuartigen Werkstoffkombinationen verschmelzen. Bei den Biokunststoffen treten auch von Zeit zu Zeit Diskussionen \u00fcber \u00d6kobilanzen auf. Das hei\u00dft, es ist nicht immer gekl\u00e4rt, ob Biowerkstoffe im Vergleich zu ihren fossilen Verwandten wirkliche Vorteile bieten.<\/p>\n
Auch gibt es unterschiedliche \u00d6kobilanzierungsverfahren und Betrachtungswinkel, die eine fundierte Aussage erschweren. Anders k\u00f6nnte sich die Situation bei durch Naturfasern verst\u00e4rkten Biowerkstoffen darstellen: Denn wenn etwa Fasern aus Hanf und Kenaf Glasfasern aus Kohlendioxid substituieren, k\u00f6nnen sie bez\u00fcglich der bei der Produktion verursachten Kohlendioxidemissionen deutliche Vorteile bieten.<\/p>\n
Deshalb geh\u00f6ren naturfaserverst\u00e4rkte Biokunststoffe zu den Materialien der Branche mit den besten \u00d6kobilanzen, betont Michael Carus, der Gesch\u00e4ftsf\u00fchrer des nova-Instituts aus H\u00fcrth bei K\u00f6ln. Durch die vielf\u00e4ltigen Kombinationsm\u00f6glichkeiten kann sich ein gro\u00dfes Spektrum an Werkstoffen mit neuen Eigenschaften ausbreiten. Auf der Matrixseite stehen nicht nur biobasierte Kunststoffe wie Polymilchs\u00e4ure (PLA) und Polyhydroxy-Fetts\u00e4ure (PHA) zur Verf\u00fcgung: Neue Technologien mit biobasierten Grundstoffen, erlauben heute auch die Herstellung von Polyethylen aus Zuckerrohr oder Polyamiden aus Fetts\u00e4uren, die klassische Polymere aus fossilen Rohstoffen ersetzen k\u00f6nnten.<\/p>\n
Faserseitig bietet die Natur vielf\u00e4ltige Auswahlm\u00f6glichkeiten: Das reicht von Holzfasern \u00fcber Hanf und Bast bis Sisal. In der Polymermatrix sorgen diese Fasern dann f\u00fcr die mechanische Stabilit\u00e4t des Composites.<\/p>\n
Ein Experte f\u00fcr diese Werkstoffklasse ist Prof. J\u00f6rg M\u00fcssig von der Hochschule Bremen. Der ambitionierte Wissenschaftler interessiert sich besonders f\u00fcr die Wechselwirkungen zwischen Faser und Matrix sowie f\u00fcr die Betrachtung der Faser aus dem bionischen Blickwinkel; also f\u00fcr die Wechselwirkungen zwischen Strukturen und Eigenschaften biologischer Systeme.<\/p>\n
Auf einem Expertentreffen gab er k\u00fcrzlich einen Einblick in seine Forschungen, die sich auch auf die Funktion der Faser innerhalb einer Pflanze richten. Dabei kommt er nicht nur f\u00fcr den Laien zu \u00fcberraschenden Ergebnissen.<\/p>\n
Zum Beispiel haben Hanffasern eine hohe Festigkeit und Steifigkeit, weil sie innerhalb der Pflanze den St\u00e4ngel stabilisieren \u2013 alternativ dazu kann sich eine Kokosfaser extrem gut dehnen, weil sie innerhalb der Pflanze diese Funktion auszu\u00fcben hat. Auch kann bei den Naturfasern nicht von einer homogenen Struktur ausgegangen werden, denn die Geometrie der Zellen bildet sich je nach Belastungen in der Natur unterschiedlich aus.<\/p>\n
Die Fasern k\u00f6nnen aus der Polymermatrix extrahiert werden. Mittels Farbmessung lassen sich dann Aussagen \u00fcber die thermische Belastung bei der Herstellung treffen. So spalten und brechen speziell Holzfasern beim Verarbeitungsprozess. Dieser Zustand der Fasern im Werkstoff l\u00e4sst sich mit tomografischen Methoden, \u00e4hnlich denen aus der Medizin, untersuchen. Aufgrund der Erkenntnisse empfiehlt M\u00fcssig f\u00fcr eine bessere Verarbeitung einen Haftvermittler, der die Festigkeit und Steifigkeit des ganzen Werkstoffsystems steigert.<\/p>\n
Die n\u00f6tige Technik dazu kann der Extruderspezialist Krauss-Maffei-Berstorff liefern. Die Verfahrens- und Anlagentechnik stellte Lars Darnedde in Oberhausen vor: \u201eNaturfasern gibt es in unterschiedlichsten Handelsformen: vom Mehl bis zur langen Faser.\u201c Um aus Naturfasern mit Feuchtegehalten bis zu 12 % und dem Matrixpolymer zur Weiterverarbeitung taugliche Granulate herzustellen, empfehlen die Kunststoffspezialisten einen gleichlaufenden Zweischneckenextruder. Dieser garantiert durch patentierte Multiprozess-Schneckenelemente eine schonende Dispergierung der Naturfasern.<\/p>\n
Der 8- bis 12-prozentige Feuchtigkeitsgehalt der Fasern ist ein weiteres Problem. Das kann aber durch die am Markt einzigartigen 6D-Entgasungs\u00f6ffungen prozesssicher abgef\u00fchrt werden. Die Kombination von Compounding und Fasertrocknung senkt die Restfeuchte im Granulat und er\u00fcbrigt das teure Vortrocknen der Fasern. Die fertigen Granulate k\u00f6nnen dann im herk\u00f6mmlichen Extrusions- oder Spritzgussprozess zum gew\u00fcnschten Teil umgeformt werden.<\/p>\n
Zudem besch\u00e4ftigt sich Mona Dune vom Fraunhofer-Institut Umsicht in Oberhausen promotionsbedingt mit dem Thema Faser-Matrix-Wechselwirkung. Sie beobachtet an naturverst\u00e4rkten Werkstoffen einen gr\u00f6\u00dferen Elastizit\u00e4tsmodul sowie eine gr\u00f6\u00dfere Zugfestigkeit als bei nicht verst\u00e4rkten Werkstoffen. Dabei k\u00f6nnen die Eigenschaften durch das Matrixmaterial, Hilfsmittel sowie Additive variiert werden. Au\u00dferdem kann die Faser mit Natronlauge chemisch modifiziert werden. Im Forschungsumfeld registriert die junge Wissenschaftlerin h\u00e4ufiger den Biokunststoff PLA f\u00fcr eine Matrix.<\/p>\n
Schon seit einiger Zeit gibt es eine Studie \u00fcber die Wirtschaftlichkeit des Prozesses durch das nova-Institut in H\u00fcrth. Eine Kernfrage widmet sich der Zufuhr der Naturfaser \u00fcber Naturfaserpellets f\u00fcr die Prozesse der Kunststoffindustrie, um die Anwendung \u00f6konomisch attraktiv zu machen. Dabei liegt der Zielpreis des Hanffaser-PP-Granulate bei maximal 1,30 Euro pro Kilogramm. Diese Analyse bewertete der Volkswirt Janpeter Beckmann. Er kam zu dem Schluss: \u201eDie Pelletierungskosten erf\u00fcllen im Wesentlichen die Projektanforderungen. Den Preis f\u00fcr die Pellets steuern die Rohstoffkosten.\u201c Er h\u00e4lt das Pelletierverfahren f\u00fcr die kleinen K\u00fcgelchen aus Naturfasern und Biokunststoff grunds\u00e4tzlich f\u00fcr eine wettbewerbsf\u00e4hige L\u00f6sung. Solche Pellets k\u00f6nnen bereits bei der Firma BAVE\u2013Badischer Faserveredelung bezogen werden.<\/p>\n
Unter der Leitung von Roland Essel untersuchte die Abteilung Nachhaltigkeit vom nova-Institut auch die \u00d6kobilanzen naturfaserverst\u00e4rkter Biokunststoffe. Das Analyseverfahren, auch Life Cycle Assessment (LCA) genannt, betrachtet systematisch die Umwelteinwirkung von Produkten w\u00e4hrend ihres gesamten Lebenszyklus. Der Prozess vom Hanfanbau, der Faseraufbereitung \u00fcber die Pelletierung und das Compounding bis zum Naturfaser\/Biokunststoff-Granulat wird unter die Lupe genommen. Es konnten erhebliche Einsparungen im Vergleich zu gleichartigen fossilen Werkstoffkombinationen festgestellt werden \u2013 das spricht f\u00fcr die Bioalternativen.<\/p>\n
Auch von der Chemieindustrie wurde das Thema bereits aufgegriffen: Evonik Industries hat eine neuartige Kombination aus biobasierten Hochleistungspolyamiden und biobasierten Hochleistungsfasern entwickelt und auf den Markt gebracht. Bis dato beobachtete das Unternehmen eine Schw\u00e4chung des Verst\u00e4rkungspotenzials bei der Substitution von Glasfasern durch Naturfasern. Alternativ setzt Evonik auch spezielle Viskosefasern ein. Dabei besteht der Kunststoff aus Polyamiden, die komplett aus der Rizinuspflanze gewonnen werden k\u00f6nnen. Handels\u00fcbliche Schnitt-Viskosefasern bilden dabei das Verst\u00e4rkungssubstrat. Im Vergleich mit glasfaserverst\u00e4rkten Systemen bietet die Kombination aus Viskosefasern und Polymermatrix eine deutlich bessere Kohlendioxidbilanz.<\/p>\n
Dazu ein Beispiel: Die CO2<\/sub>-Ersparnis betr\u00e4gt bei einem Viskosefasersystem aus Polyamid mit 30 % F\u00fcllgrad gegen\u00fcber einem zu 30 % glasfaserverst\u00e4rkten Polyamid mehr als 57 %. Zugleich sind Viskosefasern deutlich leichter als glasbasierte Verst\u00e4rkungsfasern: Je nach Fasergehalt sparen die viskosefaserverst\u00e4rkten Biopolyamide bis zu 10 % Gewicht \u2013 und das bei gleicher Verst\u00e4rkungsleistung. \u201eMit dieser Produktentwicklung wollen wir unseren Kunden eine starke Erweiterung f\u00fcr den Einsatz von biobasierten Produkten in technisch anspruchsvollen Anwendungen erm\u00f6glichen\u201c, erkl\u00e4rt Dr. Benjamin Brehmer, Business Manager Biopolymers bei Evonik.<\/p>\n Zahlreiche auf Bio-Verbundwerkstoffe spezialisierte Aussteller werden vom 7. bis 9. Oktober auf der Composites Europe in D\u00fcsseldorf ihre Produktl\u00f6sungen vorstellen. Das nova-Institut ist einer der Organisatoren zum Thema \u201ebio-based-composites\u201c und ist dort auch vertreten. Carus sieht schon jetzt eine positive Entwicklung, wenn es darum geht, wo Bioverbundwerkstoffe in der Industrie eingesetzt werden. \u201eIm Jahr 2012 stellten etwa 100 Unternehmen in der EU \u00fcber 350.000 t Bio-Verbundwerkstoffe her \u2013 mit Holz- und Naturfaserverst\u00e4rkung. Die meisten Produkte daraus wurden mit Holzmehl und -fasern zu Terrassendielen verarbeitet (Wood-Plastic-Composites), sagt Dr. Asta Eder.<\/p>\n Die zugeh\u00f6rige Studie baut auf einer umfangreichen europ\u00e4ischen Befragung auf und wurde in Kooperation mit Asta Eder Composites Consulting aus Wien in \u00d6sterreich durchgef\u00fchrt. Naturfasern finden vor allem im Automobilinterieur als Formpressteile Verwendung. 2012 flossen 90.000 t Naturfaseverbundwerkstoffe (Natural Fibre Composites) in die europ\u00e4ische Automobilproduktion. Der Anteil aller Bioverbundwerkstoffe WPC und NFC zusammen, hat bereits 15 % des gesamten Compositemarkts erreicht. Dies beinhaltet dann jedoch auch Werkstoffe mit fossil basierten Matrizen. Der Messebesucher kann sich auf dem Stand von nova-Institut zum Thema Marktforschungen im Bereich\u201ebio-based composites\u201c, technisch-\u00f6konomischer Bewertungen und \u00d6kobilanzen sowie zu Projektentwicklungen und \u00fcber Beratungen informieren.<\/p>\n In D\u00fcsseldorf werden sich auch die Topunternehmen die Ehre geben: So geh\u00f6ren zu den Bioverbundwerkstoff-Ausstellern bislang die belgischen Unternehmen Amacell Benelux, Basaltex NV oder Beologic. Fkur Kunststoff GmbH aus Willich bietet eine breite Palette an Biokunststoffen und faserverst\u00e4rkten Granulaten sowie das passende Know-how \u00fcber die Compoundierung. Auch das belgische Unternehmen Trans-Furans Chemicals, das biobasierte Duroplaste entwickelt, sowie die European Industrial Hemp Association aus H\u00fcrth, der Dresdner Forum Technologie und Wirtschaft e.V. oder die Weberei G\u00fcth & Wolf aus G\u00fctersloh stellen ihre Ideen aus diesem Bereich vor.<\/p>\n Hinzu kommen Isowood aus Rudolstadt und Jakob Winter aus Nauheim. Gezeigt werden vor allem Werkstoffe auf Basis von Holz- und Naturfasern, wie etwa Flachs oder Hanf. Das Unternehmen Biowert aus Brensbach zeigt Werkstoffe mit Wiesengras und eine der \u00e4ltesten Firmen Deutschlands \u2013 Staedtler aus N\u00fcrnberg \u2013 pr\u00e4sentiert das mehrmals preisgekr\u00f6nte Material Wopex. Vorgestellt werden Naturfaser-Nadelvliese f\u00fcr Formpressteile sowie verschiedene Produkte aus Naturfaser-Formpressteilen, wie etwa Spezialkoffer, technische Sch\u00e4ume und D\u00e4mmstoffe.<\/p>\n Zu einer differenzierten Betrachtung r\u00e4t der Leiter des IfBB \u2013 Institut f\u00fcr Biokunststoffe und Bioverbundwerkstoffe der Hochschule Hannover, Professor Hans Josef Endres: \u201eBiokunststoffe sind alternativlos, wenn es \u00e4hnlich wie bei den erneuerbaren Energien um die Substitution von Kohlenstoffquellen geht.\u201c Endres weiter: \u201eJedoch ist auch hier die Nachhaltigkeitsdiskussion pr\u00e4zise und faktenbasiert zu f\u00fchren. Die Branche sollte gemeinsame Standards sowie nachvollziehbare Aussagen und Werte f\u00fcr Nachhaltigkeitsindikatoren zu Biowerkstoffen entwickeln.\u201c<\/p>\n Das IfBB werde deshalb ein Pilotvorhaben \u2013 eine sogenannte Multi-Client-Studie \u2013 mit interessierten gro\u00dfen \u201ePlayern\u201c im Bereich der Biokunststoffherstellung und aus der Industrie starten. \u201eDabei wollen wir exemplarisch belastbare Daten f\u00fcr vier bis f\u00fcnf Werkstoffe oder Produkte entwickeln. Denn bei dieser emotionalen Diskussion \u00fcberzeugen nur verl\u00e4ssliche und glaubhafte Daten\u201c, erkl\u00e4rt Endres. Ein anderes Projekt soll die Leistungsf\u00e4higkeit von Bioverbundwerkstoffen beweisen: das Bioconcept-Car. In einem VW Scirocco werden Bauteile aus Bioverbundwerkstoffen, wie etwa T\u00fcren, Motorhaube und Heckspoiler aus flachsfaserverst\u00e4rkten Harzen sowie Tankklappen und Spiegelgeh\u00e4use aus talkumgef\u00fcllten, biobasierten Polyamiden, unter den harten Anforderungen des Rennalltags erprobt.<\/p>\n * Dr. Thomas Isenburg ist freier Wissenschaftsjournalist in Bochum<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":" Fossile Rohstoffquellen zur Herstellung von Kunststoffen und faserverst\u00e4rkten Materialien werden immer knapper \u2013 aber der Bedarf an Polymeren steigt aufgrund der wachsenden Weltbev\u00f6lkerung. Nachwachsende Alternativen aus der Natur k\u00f6nnten das drohende Dilemma entsch\u00e4rfen. Faserverst\u00e4rkte Kunststoffe sind ein Megatrend der Kunststoffbranche. Auch Biokunststoffen wird ein gro\u00dfes Wachstum zugesprochen. 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