Biopolymere: Eigenschaften, Verarbeitung und Anwendungen

Biopolymere sind natürlich vorkommende Polymere, die von lebenden Organismen produziert werden. Sie unterscheiden sich von synthetischen, biologisch abbaubaren Polymeren.

Die Besorgnis über die negativen Auswirkungen der Umweltverschmutzung durch fossile Brennstoffe und Abfälle aus petrochemischen Produkten hat zugenommen. Es wurde viel geforscht, um Alternativen zu erdölbasierten Produkten zu finden, die sowohl erneuerbar als auch biologisch abbaubar sind und somit eine geringere Gefahr für die Umwelt darstellen. Biopolymere sind eine solche mögliche Lösung für das Problem, da es sich in der Regel um biologisch abbaubare Materialien handelt, die aus erneuerbaren Rohstoffen gewonnen werden. Es ist jedoch zu beachten, dass nicht alle biologisch abbaubaren Polymere Biopolymere sind (d. h. aus erneuerbaren Ressourcen hergestellt werden). Wie zu erwarten, gibt es Herausforderungen im Zusammenhang mit Biopolymeren, wie z.B. ihre begrenzte Produktionsrate, die Produktionskosten und die Eignung ihrer Eigenschaften.

Zu den ersten modernen Biomaterialien, die aus natürlichen Biopolymeren hergestellt wurden, gehören Gummi, Linoleum, Zelluloid und Zellophan. Die beiden letztgenannten werden aus Zellulose hergestellt, dem am häufigsten natürlich vorkommenden Biopolymer und dem am häufigsten vorkommenden organischen Material auf der Erde, das ein Drittel der gesamten Pflanzenmasse ausmacht. Seit Mitte des 20. Jahrhunderts wurden diese vom Menschen hergestellten Biopolymere praktisch vollständig durch Materialien auf petrochemischer Basis ersetzt. Aufgrund wachsender ökologischer Bedenken erfreuen sich Biopolymere jedoch eines neuen Interesses in der Wissenschaft, der Industrie und sogar in der Politik.

In diesem Artikel erfahren Sie mehr über:

• Die Eigenschaften von Biopolymeren
• Die Herstellung und Verarbeitung von Biopolymeren
• Anwendungen von Biopolymeren
• Beispiele von Biopolymeren
• Die Zukunft der Biopolymere

Eigenschaften von Biopolymeren

Das Hauptinteresse an Biopolymeren besteht darin, viele Alltagsgegenstände zu ersetzen, die aus Erdölprodukten hergestellt werden. Das bedeutet, dass sie ähnliche, wenn nicht sogar bessere Eigenschaften aufweisen müssen als die Materialien, die sie ersetzen, damit sie für die verschiedenen Anwendungen geeignet sind. Ein Großteil der Messungen der Eigenschaften von Biopolymeren variiert aufgrund von Faktoren wie dem Polymerisationsgrad, der Art und Konzentration der Zusatzstoffe und dem Vorhandensein von Verstärkungsmaterialien. Die Informationen über die Eigenschaften von Biopolymeren sind nicht so umfangreich wie bei herkömmlichen Polymeren, aber es gibt dennoch eine beträchtliche Anzahl von Untersuchungen über ihre physikalischen, mechanischen und thermischen Eigenschaften.

Es wurde festgestellt, dass einige Biopolymere eine elektronische und ionische Leitfähigkeit besitzen und wurden daher als elektroaktive Biopolymere (EABP) bezeichnet. Dadurch haben sie das Potenzial, andere synthetische Materialien zu ersetzen. Diese Biopolymere, zu denen Stärke, Cellulose, Chitosan und Pektin gehören, weisen eine breite Palette von elektrischen Leitfähigkeiten zwischen 10-3 und 10-14 S/cm auf.

Tabelle 1. Physikalische, mechanische und thermische Eigenschaften von einigen handelsüblichen Biopolymeren.

(Sie können diese Materialien auch visuell auf der Matmatch Vergleichsseite vergleichen)

Biopolymer	Dichte bei 20 °C	Zugfestigkeit bei 20 °C	Biegemodul bei 20 °C	Schmelzpunkt	Dehnung bei 20 °C
PLA Luminy® LX530	1.24 g/cm³	50 MPa	N/A	165 °C	5 %
TYÜP BMF 990	1.26 – 1.3 g/cm³	40 MPa	N/A	110 – 120 °C	300 %
NuPlastiQ®BC 27240	1.3 g/cm³	12MPa	0.24 GPa	140 – 160 °C	272 %
Extrudr Wood Filament	1.23 g/cm³	40 MPa	3.2 GPa	150 – 170 °C	N/A
EVO 719	1.3 g/cm³	40 MPa	2 GPa	140 °C	30 %
Injicera CHX 0113	1.11 g/cm³	14 MPa	0.48 GPa	165 °C	59%
CR1 1013	1,1 g/cm³	9 MPa	4.43 GPa	132 °C	89 %

Die Herstellung und Verarbeitung von Biopolymeren

Es gibt viele verschiedene Methoden und Techniken, um Biopolymere herzustellen. Da die meisten dieser Polymere bereits in der Natur vorkommen oder von natürlichen Organismen produziert werden, handelt es sich bei diesen Verfahren häufig um eine Extraktion mit anschließender Synthese. Sie können eine Kombination aus Fermentation, Filtration, Compoundierung/Granulation, Hydrolyse, Veresterung, Polykondensation, Oxidation und Dehydratisierung umfassen. Nachfolgend ein Beispiel für den Produktionsprozess zur Herstellung von Polybutylensuccinat (PBS).

Abbildung 1. Prozessweg zur Herstellung von Polybutylensuccinat (PBS) mit biobasierter Bernsteinsäure (PBS bb SCA).

Anwendungen von Biopolymeren

Biopolymere werden in vielen industriellen Anwendungen sowie in der Lebensmittelverpackung, Kosmetik und Medizin eingesetzt. Sie können die traditionellen Kunststoffe auf Erdölbasis in vielen Anwendungen ersetzen. Einige Biopolymere werden auch für spezielle Anwendungen eingesetzt, für die andere Kunststoffe nicht geeignet sind, z. B. für die Herstellung von künstlichem Gewebe. Für diese Anwendungen werden biokompatible und biologisch abbaubare Materialien benötigt, die empfindlich auf Änderungen des pH-Werts sowie auf physikalisch-chemische und thermische Schwankungen reagieren.

Biopolymere weisen im Allgemeinen im Vergleich zu synthetischen Polymeren oft schlechte mechanische Eigenschaften, chemische Beständigkeit und Verarbeitbarkeit auf. Um sie für bestimmte Anwendungen besser geeignet zu machen, können sie mit Füllstoffen verstärkt werden, die diese Eigenschaften drastisch verbessern. Biopolymere, die auf diese Weise verstärkt wurden, werden als Biopolymer-Verbundwerkstoffe bezeichnet. Die folgende Tabelle gibt einen Überblick über einige gängige Biopolymer-Verbundwerkstoffe, ihre Eigenschaften und die Industriezweige, in denen sie bereits weit verbreitet sind.

Tabelle 2. Zusammenfassung der Produktionsmethoden, Eigenschaften und Anwendungen von Biopolymer-Verbundwerkstoffen .

Matrix/Füllstoff	Produktionsmethode	Eigenschaften	Anwendungen
PLA/PEG/Chit	Extrusion	Geringe Steifigkeit/ Hohe Flexibilität	Knochen &Dentalimplantate Lebensmittelverpackungen
PLA/Zellulose	Extrusion/Injektion	Verbesserte Steifigkeit &Biologische Abbaubarkeit	Verpackungen, Automotive
PLA/Kartoffelzellstoff	Extrusion/Spritzguss	Geringe Steifigkeit &Duktilität, gute Verarbeitbarkeit	Lebensmittelverpackung
PLA/MgO	Lösungsguss	Verbesserte Stabilität und Bioaktivität	Medizinische Implantate, Tissue Engineering, orthopädische Geräte
PHB/Holzsägemehlfasern	Extrusion	Verbesserter Abbau im Boden	Landwirtschaft oder Gärtnerei
PHBV/TPU/Zellulose	Extrusion/Injektion	Ausgewogene Hitzebeständigkeit, Steifigkeit, und Zähigkeit	Lebensmittelverpackungen, Tissue Engineering
Nanocellulose/CNT	Gussformverfahren	Gute elektrische Leitfähigkeit	Superkondensator, Sensoren
Gummi/Kartoffelstärke	Walzenmischung	Beschleunigte thermische Alterung	Schwingungsisolatoren, Stoßdämpfer, elektrische Bauteile
Kartoffelstärke/Weizengluten	Kompressionsformen	Verbesserte maximale & Dehnbarkeit	Entwicklung von bio-basierten Kunststoffen
Alginat/Zimtöl	Lösungsguss	Gute antibakterielle Aktivität	Aktive Verpackungsmaterialien
PVA/Chitosan	Elektro-Spinnerei	Gute chemische Stabilität	Arzneimittelabgabe Lebensmittelverpackung
PPC/TPU	Schmelzcompoundierung	Gute thermische Stabilität & Steifigkeit	Elektronische Verpackungsanwendungen

Beispiele für Biopolymere

Biopolymere können auf der Grundlage ihrer Monomereinheiten und Struktur grob in drei Kategorien eingeteilt werden:

• Polynukleotide: DNA (Desoxyribonukleinsäure) und RNA (Ribonukleinsäure)
• Polysaccharide: Cellulose, Chitosan, Chitin, etc.
• Polypeptide: Kollagen, Gelatine, Gluten, Molke, etc.

Biopolymere können auch nach anderen Kriterien eingeteilt werden, z. B. nach ihren Ausgangsstoffen (tierisch, pflanzlich oder mikrobiell), ihrer biologischen Abbaubarkeit, ihrem Syntheseweg, ihren Anwendungen oder ihren Eigenschaften.

Beispiele für einige kommerziell hergestellte Biopolymere sind:

• Polyester auf Biobasis wie Polymilchsäure (PLA), Polyhydroxybutyrat (PHB), Polybutylensuccinat (PBS), Polybutylensuccinatadipat (PBSA), Polytrimethylenterephthalat (PTT)
• Biobasierte Polyolefine wie Polyethylen (Bio-PE)
• Biobasierte Polyamide (Bio-PA) wie Homopolyamide (Bio-PA 6, Bio-PA 11) und Copolyamide (Bio-PA 4.10 – Bio-PA 5.10 – Bio-PA 6.10, Bio-PA 10.10)
• Polyurethane wie Bio-PUR
• Polysaccharidpolymere wie Polymere auf Cellulosebasis (regenerierte Cellulose, Cellulosediacetat) und Polymere auf Stärkebasis (thermoplastische Stärke, Stärkeblends)

Die Zukunft der Biopolymere

Die folgende Abbildung zeigt den Anstieg der Produktion biobasierter Polymere zwischen 2017 und dem geschätzten Wert für 2022. Außerdem wird prognostiziert, dass biologisch abbaubare Biopolymere in den kommenden Jahren einen größeren Anteil an der Biopolymerproduktion ausmachen werden. Es ist klar zu erkennen, dass die Biopolymerproduktion auf einem Aufwärtstrend ist. Auch wenn es noch ein weiter Weg ist, um Erdölprodukte abzulösen, wird die Produktion voraussichtlich von 2,27 Millionen Tonnen im Jahr 2017 auf 4,31 Millionen Tonnen im Jahr 2022 steigen. Dies ist zumindest teilweise auf die öffentliche Nachfrage und staatliche Vorschriften zurückzuführen, die weiterhin einen erheblichen Einfluss haben werden.

Abbildung 2. Produktionskapazitäten für Biokunststoffe der New Economy nach Materialtyp.