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Kunststoffe Grüne Kunststoffe mit dem Doppelschneckenextruder entwickeln

Quelle: Hochschule Bielefeld 4 min Lesedauer

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Wer Kunststoffe umweltfreundlicher herstellen und ihre Recyclingfähigkeit verbessern will, muss neue Zutaten ausprobieren: Forschenden der Hochschule Bielefeld wollen unter anderem Farbstoffe auf Algenbasis ausprobieren und hartnäckige Kunststoffverbindungen aufdröseln. Wie? Mit einem Doppelschneckenextruder.

Die richtige Temperatur für ein bestimmtes Material zum richtigen Zeitpunkt: bei der Arbeit von Johannes Brikmann geht es oft um Details.(Bild: Patrick Pollmeier/HSBI)
Die richtige Temperatur für ein bestimmtes Material zum richtigen Zeitpunkt: bei der Arbeit von Johannes Brikmann geht es oft um Details.
(Bild: Patrick Pollmeier/HSBI)

Rund fünf Meter lang und drei Meter breit messen die verschiedenen Komponenten des Extruders, mit dem das Team um Johannes Brikmann und sein Laborleiter, Professor Dr. Bruno Hüsgen, Prozesse der Kunststoffproduktion realistisch nachbilden kann und Kunststoffe der Zukunft kreieren. „Mit dem Extruder können wir sowohl neue Materialien entwickeln als auch vorhandene gezielt verändern, indem wir beispielsweise neue Stoffe zumischen oder andere abbauen“, erklärt Hüsgen die Haupteinsatzgebiete der Anlage, die fachlich Compounder genannt wird.

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Ein aktuelles Beispiel für die Forschung der Arbeitsgruppe Bielefelder Kunststofftechnik an nachhaltigen Kunststoffen ist ein neues Blend aus den beiden natürlich vorkommenden Rohstoffen Polylactid (Kurz PLA) und Polyhydroxybuttersäure (PHB). Ihren Einsatz könnte die Verbindung aus Sicht Brikmanns zukünftig in nachhaltigen Verpackungen finden, die sich unter den richtigen Bedingungen vollständig biologisch abbauen ließen. Bei der Entwicklung des neuen Materialmix machte sich das Team ausgerechnet die Schwachpunkte der beiden Polymere zu eigen: „PHB ist sehr spröde, während PLA nur eine niedrigere Temperaturbeständigkeit aufweist. Durch die Mischung heben sich die Nachteile beider Sorten auf. In kombinierter Form werden die Nachteile zu positiven Eigenschaften eines neuen Rohstoffs, der ohne den Einsatz von Erdöl auskommt“, illustriert Brikmann, der gerade an seiner Promotion sitzt, den Entwicklungsprozess. Das hitzebeständige Polymer könnte auch in technischen Bauteilen mit kurzer Halbwertzeit oder als Verpackung von Medizinprodukten mit meist kurzer Lebensdauer eingesetzt werden.

Schwer recycelbare Kunststoffe recycelbar machen

Ein weiterer Ansatz des Teams um Hüsgen und Brikmann ist die Kunststoff-Lebenszyklen durch Recycling zu verlängern. Dafür haben sie sich die Gruppe der Elastomere ausgesucht. Dieser Grundstoff für Reifen, Dichtungen und Gummibänder hat durch lange Molekülketten den Vorteil, äußerst dehnbar und elastisch zu sein.

Kommt ein mit Elastomeren hergestelltes Kunststoffprodukt an sein Lebensende wird aber genau die vernetzte, lange Molekülstruktur zum Problem. Denn die Ketten eines Elastomers lassen sich nicht durch den üblichen Recyclingvorgang aus Zerkleinern, Aufschmelzen und Aushärten wiederherstellen.

Scherkräfte im Compounder nutzen

Deshalb wurden bisher Elastomerprodukte das Downcycling genutzt: So wird aus einem abgefahrenen Autoreifen beispielsweise noch ein Bodenbelag oder die Füllung für Kunstrasenplätze. Meistens werden solche Abfallprodukte jedoch nur thermisch verwertet, sprich: Sie wandern in die Müllverbrennungsanlage oder als Brennstoff in ein Zementwerk. Das will Bruno Hüsgen und sein Team ändern: „Wir wollen die auf das Material im Compounder einwirkenden Scherkräfte nutzen, um die Schwefelbindungen im Elastomer zu trennen,“ erläutert Hüsgen die derzeit laufenden Versuche. „Wenn uns das gelingt, wäre ein werkstoffliches Recycling möglich und damit eine erneute Nutzung des Materials.“

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Um wirklich nachhaltig zu wirken, müssen alle anderen Komponenten eines Endprodukts neben dem Hauptwerkstoff dann auch ohne den Einsatz neuen Kunststoffs auf Erdölbasis auskommen. Dazu zählt beispielsweise auch das Einfärben der entstehenden Kunststoffe. Denn auch Farben und Lacke basieren vielfach auf Erdölprodukten.

Nur den Kunststoff zu ersetzen und weiterhin Farben aus der Petrochemie zu nutzen, ist keine vollständig grüne Lösung. Dafür braucht es auch auf Seite der Zusätze biobasierte Innovationen.

Dr. Thomas Zimmermann

Eine Alternative erforschen derzeit Tessa Strümpfler und Dr. Thomas Zimmermann von der Arbeitsgemeinschaft von Prof. Dr. Anant Patel, Verfahrenstechniker und HSBI-Vizepräsident für Forschung und Entwicklung. In ihrer Forschung an Blaualgen möchte das Team ein Verfahren entwickeln, mit dem sie aus Algen einen natürlichen Farbstoff extrahieren können. Weil dieser der fehlende Baustein für das Schließen eines nachhaltigen Kunststoffkreislaufs sein könnte, hat sich zwischen den beiden Arbeitsgruppen eine innovative Zusammenarbeit entwickelt: Die AG Patel stellt ihr Wissen rund um pflanzliche Farbstoffe bereit, während die AG Hüsgen ihr Know-how über die Verfahrenstechnik des Extruders für die Versuche der Biotechnologiegruppe einbringt.

Getrennte Verfahren bei der Formulierung in einem Prozess zusammenführen

„Nur den Kunststoff zu ersetzen und weiterhin Farben aus der Petrochemie zu nutzen, ist keine vollständig grüne Lösung. Dafür braucht es auch auf Seite der Zusätze biobasierte Innovationen“, erklärt Thomas Zimmermann, wie der Stein für die Zusammenarbeit der beiden Forschungsgruppen ins Rollen kam. „Umgekehrt ermöglicht der Extruder unserer AG, bisher getrennte Verfahren bei der Formulierung unserer Wirkstoffe in einem einzigen Prozess zusammenzuführen“, beschreibt Tessa Strümpfler ihr Ziel der Kooperation.

Mit der „Formulierung“ meint die Biotechnologin die Form, in der ein Wirkstoff an seinen Einsatzort kommt. In ihrem Forschungsfeld arbeiten Strümpfler und Zimmermann aktuell oft mit Kapseln, die in einem zweistufigen Verfahren zuerst formuliert und anschließend beschichtet werden. Dies ist oft kostenintensiv. Aufgrund seiner höheren Produktivität und Skalierbarkeit könnte der Extruder schon die Formulierung erheblich günstiger machen. Im besten Fall könnte die abschließende Beschichtung zukünftig überflüssig werden.

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