Was sind Biokunststoffe? Definition, Anwendung, Vorteile und Limitationen

Biokunststoffe – Das Wichtigste in Kürze

• Definition: Biokunststoffe sind entweder biobasiert (aus nachwachsenden Rohstoffen) oder biologisch abbaubar, manche sind auch beides.
• Anwendungen: Biobasierte Kunststoffe werden eingesetzt in Verpackungen, Medizinprodukten, Automotive und Konsumgütern.
• Vorteile: Geringere Abhängigkeit von Erdöl, potenziell weniger CO₂-Emissionen, biologische Abbaubarkeit.
• Limitationen: Hoher Flächenbedarf für Rohstoffe, eingeschränktes Recycling, höhere Kosten, nicht für Hochleistungsanwendungen geeignet.

Was sind Biokunststoffe?

Biokunststoffe einfach erklärt: Biokunststoffe, auch Bioplastik oder technische Biopolymere genannt, sind Kunststoffe, die entweder vollständig oder teilweise aus nachwachsenden Rohstoffen hergestellt werden, also biobasiert, und/oder biologisch abbaubar sind. Im Vergleich dazu basieren konventionelle Kunststoffmaterialien wie Thermoplaste auf fossilen Rohstoffen.

Welche Arten von Bioplastik gibt es?

Bioplastik lässt sich primär in zwei Hauptkategorien einteilen: Biobasierte und biologisch abbaubare Kunststoffe. Im folgenden Abschnitt stellen wir Ihnen einige Biokunststoffe Beispiele vor, damit Sie sich einen Überblick über die Arten von Bioplastik verschaffen können.

Biobasierte Kunststoffe

Was bedeutet biobasiert? Biobasierte Kunststoffe entstehen aus biologischen, nachwachsenden Rohstoffen wie Maisstärke, Zuckerrohr oder Cellulose. Biobasiertes Bioplastik ist nicht zwingend biologisch abbaubar.

Biokunststoff Eigenschaften, wie Formbarkeit, Härte, Elastizität, Bruchfestigkeit, Temperatur-, Wärmeformbeständigkeit und chemische Beständigkeit, variieren je nach Zusammensetzung, Herstellungsverfahren und Zugabe von Additiven.

Biokunststoffe Übersicht: Biobasierte Kunststoffe

• Polymilchsäure (PLA): Aus fermentierter Pflanzenstärke und biologisch abbaubar.
• Bio-Polyethylen (Bio-PE): Aus Zuckerrohr und nicht biologisch abbaubar.
• Bio-Polyethylenterephthalat (Bio-PET): Teilweise aus nachwachsenden Rohstoffen (z.B. Ethanol aus Zuckerrohr). Chemisch identisch mit herkömmlichem Polyethylen, daher nicht biologisch abbaubar.

Biologisch abbaubare Kunststoffe

Die Biokunststoff Herstellung erfolgt bei biologisch abbaubaren Kunststoffen durch natürliche Prozesse (Mikroorganismen wie Bakterien oder Pilze), welche in natürliche Substanzen wie Wasser, Kohlendioxid (CO2) und Biomasse zersetzt werden können. Der Biokunststoffe Abbau erfolgt unter bestimmten Umweltbedingungen, die für die Aktivität der Mikroorganismen notwendig sind (mehr dazu später).

Biokunststoffe Übersicht: Biologisch abbaubare Kunststoffe

• Polyhydroxyalkanoate (PHA): Durch Bakterien fermentiert.
• Polybutylensuccinat (PBS): Kann aus nachwachsenden oder fossilen Rohstoffen hergestellt werden.
• Polycaprolacton (PCL): Aus fossilen Rohstoffen.

Biokunststoffe Übersicht: Biobasierte und biologisch abbaubare Kunststoffe

Einige Biokunststoffe erfüllen beide Kriterien: Die Biopolymere sind sowohl biobasiert als auch biologisch abbaubar.

• Polymilchsäure (PLA): Hergestellt aus Pflanzenstärke und biologisch abbaubar.
• Polyhydroxyalkanoate (PHA): Durch Bakterien aus nachwachsenden Rohstoffen fermentiert und biologisch abbaubar.
• Stärkebasierte Kunststoffe: Aus Pflanzenstärke hergestellt und biologisch abbaubar.

Übersicht aller Biokunststoff Arten

Die Eigenschaften von biobasierten Kunststoffen und biologisch abbaubaren Kunststoffen variieren je nach verwendetem Rohstoff und den Herstellungsprozessen. Prinzipiell können Biokunststoffe die gleichen Eigenschaften wie herkömmliche Polymere haben. Kunststofffolien aus Biokunststoff werden auch wie herkömmliche Thermoplaste durch Kunststoff Extrusion hergestellt.

Wofür können Biokunststoffe genutzt werden? 

Biokunststoffe sind nicht für Hochleistungsanwendungen geeignet. Der Einsatz von biobasierten Materialien wird durch begrenzte Mengen, Preis und Qualitäten, basierend auf begrenzten Rohstoffen und höheren Herstellungskosten eingeschränkt. Momentan können Produkte aus Bioplastik vor allem für diese Anwendungen verwendet werden:

Verpackungsmaterial / Landwirtschaft:

Verpackungsprodukte aus kompostierbaren Biokunststoffen, wie Schalen für Gemüse, Obst, Eier und Fleisch, Behältern für Getränke und Molkereiprodukte und Kosmetikverpackungen.

Medizin / Pharma

Für Biokunststoffe in der Medizintechnik setzt man auf die Resorbierbarkeit der Produkte, wie z.B. Nahtmaterialien oder Implantate, die nach der Nutzung vom Körper abgebaut werden können.

Automobilbau

Biobasierte Materialien werden im Automotive Sektor im “Sandwichverfahren” eingesetzt. Der Kern des Bauteils ist aus biobasiertem Polymer, eine Schicht eines herkömmlichen Materials mit höherer Qualität wird darüber verwendet (z.B. für Optik, Haptik, Funktionalitäten).

Biokunststoff vs. Kunststoff: Vorteile und Nachteile

Biokunststoffe haben Vorteile und Limitationen im Vergleich zu herkömmlichen Kunststoffen, wobei letztere ihre Eignung für verschiedene Anwendungen beeinflussen. Hier werfen wir einen detaillierten Blick auf die Unterschiede und Herausforderungen von Biokunststoffen im Vergleich zu herkömmlichen Thermoplasten.

Biokunststoffe Vorteile

Die Verwendung von Biopolymeren bietet einige Vorteile, darunter:

Nachwachsende Rohstoffe

Erdöl ist ein limitierter Rohstoff. Im Gegensatz dazu sind nachwachsende Rohstoffe unerschöpflich. Denn Biokunststoffe werden aus Rohstoffen wie Mais, Zuckerrohr oder Cellulose hergestellt, was die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen verringert.

Potenzial für geringere CO2-Emissionen

Für die Herstellung von Biokunststoffen wird Stärke aus Pflanzen verwendet. Diese Pflanzen entziehen der Atmosphäre CO2 für ihr Wachstum. Bei der Verbrennung des Biokunststoffs wird nur die Menge an CO2 freigesetzt, die zuvor von der Pflanze aufgenommen wurde. Dadurch entsteht ein geschlossener CO2-Kreislauf.

Biologische Abbaubarkeit

Einige Biokunststoffe, wie PLA und PHA, sind biologisch abbaubar/kompostierbar und zersetzen sich unter bestimmten Bedingungen (z.B. in industriellen Kompostieranlagen) in harmlose Substanzen wie CO₂, Wasser und Biomasse.

Biokunststoffe Nachteile

Trotz der genannten Vorteile gibt es bei Bioplastik jedoch mehrere Nachteile, die bei der Bewertung ihrer Umweltfreundlichkeit und Praktikabilität berücksichtigt werden müssen. Hier sind die wesentlichen Herausforderungen und Nachteile von Biokunststoffen im Detail.

Hoher Flächenbedarf

Der Anbau von Rohstoffen für Biokunststoffe benötigt landwirtschaftliche Flächen, die auch für die Nahrungsmittelproduktion genutzt werden könnten. Dies kann zu einer Konkurrenz um landwirtschaftliche Ressourcen führen.

Energie- und Ressourcenverbrauch

Biokunststoffe = bessere Umwelt. Das stimmt leider nicht in Hinsicht auf Energie- und Ressourcenverbrauch. Die Produktion von Biokunststoffen kann energieintensiv sein und hohen Wasserverbrauch erfordern, was ihre Umweltbilanz beeinträchtigen kann.

Abbaubedingungen

Viele biobasierte und biologisch abbaubare Kunststoffe benötigen spezielle Bedingungen (z.B. industrielle Kompostieranlagen) für den Abbau, die nicht immer flächendeckend vorhanden sind oder wiederum Energie benötigen.

Kosten

Die Preise von Biokunststoffen sind oft teurer als herkömmliche Kunststoffe, was ihre breite Anwendung einschränken kann.

Begrenzte Recyclingmöglichkeiten

Ohne spezielle Recyclingverfahren, die auf den jeweiligen Stoffstrom abgestimmt sind, können Biokunststoffe im Gegensatz zu herkömmlichem Kunststoff Rezyklat nicht werkstofflich recycelt werden. Das Recycling von Biokunststoffen gestaltet sich daher als schwierig, da biologisch abbaubare Kunststoffe oft eine längere Verweildauer in den Kompostieranlagen benötigen.

Biokunststoffe im Thermoformen

Können Biokunststoffe nun auch für das Kunststoff Tiefziehen verwendet und somit für Trays, Behältnisse, Inlays und Abdeckungen eingesetzt werden? Und wie verhält sich Bioplastik im Gegensatz zu herkömmlichen Thermoplasten? In den nächsten Abschnitten mehr dazu.

Materialeigenschaften

Biokunststoffe weisen unterschiedliche Eigenschaften im Vergleich zu herkömmlichen Kunststoffen auf. Einige biobasierte Kunststoffe, wie Polymilchsäure (PLA) und Polyhydroxyalkanoate (PHA), sind thermoplastisch und können deshalb theoretisch für das Thermoforming verwendet werden.

Spezielle Temperatur- und Verarbeitungsanforderungen

Aufgrund ihrer anderen Struktur haben Biokunststoffe spezielle Anforderungen in Bezug auf Temperatur und Verarbeitung, die von denen konventioneller Kunststoffe abweichen können. Die Anpassung der Formwerkzeuge an die spezifischen Eigenschaften von Biokunststoffen kann daher zusätzliche Kosten verursachen.

Verarbeitungsparameter

Die Verarbeitungstemperaturen und -Zeiten für Biokunststoffe können variieren. PLA, zum Beispiel, hat eine geringere Verarbeitungstemperatur im Vergleich zu vielen Standard-Kunststoffen wie Polyethylen (PE) oder Polypropylen (PP).

Einige Biokunststoffe sind hygroskopisch, was bedeutet, dass sie Feuchtigkeit aus der Umgebung aufnehmen. Dies kann zu Verarbeitungsproblemen wie Blasenbildung oder unerwünschten Materialveränderungen führen. Mehr dazu in unseren Gestaltungsregeln für Kunststoff Tiefziehteile.

Mechanische Eigenschaften

Biokunststoffe haben oft unterschiedliche mechanische Eigenschaften als traditionelle Kunststoffe. Einige können weniger schlagzäh oder weniger elastisch sein, was die Auswahl der Anwendungen beeinflusst. Die Festigkeit und Flexibilität müssen sorgfältig geprüft werden, um sicherzustellen, dass die Endprodukte den Anforderungen entsprechen.

Ist Biokunststoff eine Alternative? - Ein Fazit

Der Biokunststoffe Marktanteil liegt derzeit bei etwa 1%. Daher sind die Möglichkeiten noch lange nicht ausgeschöpft, was die Nutzung von Biopolymeren im Thermoformen angeht. Die Vorteile von Biokunststoff sind dabei ein großer Faktor, diesen für mehr Anwendungen zu nutzen: Biologische Abbaubarkeit, geringere CO₂-Emissionen und Ressourcenschonung. Die Nutzung von Bioplastik hat jedoch auch seine Limitationen und Nachteile. Nicht nur können Produkte aus Bioplastik nicht mit regulären Thermoplasten mithalten, was Hochleistungsanwendungen angeht. Ihre Herstellung kann erhebliche Mengen an landwirtschaftlichen Ressourcen beanspruchen.

Oftmals benötigen Biopolymere spezielle Bedingungen für die Zersetzung und sind in herkömmlichen Kompostieranlagen nicht vollständig abbaubar. Zudem fehlen derzeit effiziente Recyclingverfahren, wodurch die Verbrennung die gängigste Entsorgungsmethode bleibt. Und ein weiterer wichtiger Faktor: Biokunststoffe sind häufig teurer in der Produktion als konventionelle Kunststoffe, was ihre wirtschaftliche Attraktivität verringert. Wenn der Marktanteil an Biokunststoffen wachsen sollte und mehr als 1% ausmacht, könnten sich diese Aspekte jedoch ändern.