Biologisch abbaubare Verbundwerkstoffe. Nutzung von Pflanzenfasern (FAT-Bericht Nr.503)

Wachsendes Umweltbewusstsein und schwindender Deponieraum führen zur Suche nach neuen Wiederverwertungs- und Entsorgungsmöglichkeiten von Kunststoffen. Kompostierbare, biologisch abbaubare Polymere stellen eine interessante Alternative zu herkömmlichen Kunststoffen dar. Basieren diese auf nachwachsenden Rohstoffen, so bieten sie der Landwirtschaft eine Möglichkeit der Landumnutzung, womit der herrschenden Nahrungsmittelüberproduktion unter Beibehaltung der landwirtschaftlichen Nutzfläche entgegengewirkt werden kann.

Abbaubare Polymere weisen jedoch oft nur geringe mechanische Eigenschaften auf. Diese können durch eine Verstärkung mit Bastfasern wie Flachs und Hanf verbessert werden. Am vielversprechendsten sind degummierte, fein aufgeschlossene Bastfasern, die spezifische Festigkeiten im Bereich von technischen Glasfasern erreichen. Die technische Entwicklung auf dem Gebiet pflanzenfaserverstärkter biologisch abbaubarer Werkstoffe läuft auf drei Schienen:

 1. Verbesserung der Fasereigenschaften durch Züchtung, Optimierung des Anbaus und der Aufschlussmethoden.
 2. Erweiterung der Palette biologisch abbaubarer Polymere durch massgeschneiderte Werkstoffe.
 3. Optimierung von Verarbeitungsverfahren.

Problemstellung

Umwelt
Der Deponieraum für nicht verwertbare Abfallstoffe wird immer knapper. Weltweit fallen 25 Mio. t Kunststoffabfälle pro Jahr an, bei deren energetischen Verwertung grosse Mengen CO2 freigesetzt werden [19]. Die Schonung fossiler Rohstoffe und somit die Verminderung des CO2-Ausstosses stellt eine notwendige Massnahme für den Klimaschutz dar. Die Kompostierung biologisch abbaubarer Werkstoffe bietet eine interessante ökologische Alternative in der Entsorgungsproblematik. Bestehen solche Werkstoffe aus nachwachsenden Rohstoffen, ist für eine weitgehende CO2-Neutralität gesorgt.

Landwirtschaft
In der Schweiz wird zirka eine Mio. Hektaren landwirtschaftliche Nutzfläche bewirtschaftet. Es besteht eine Überproduktion an Futter- und Nahrungsmitteln. Daher sollten in den nächsten Jahren für eine Fläche von über 100 000 ha alternative Landnutzungen gefunden werden. Dazu werden Extensivierung, ökologischer Ausgleich, Stillegung und die Produktion nachwachsender Rohstoffe für die Industrie in Betracht gezogen (Masterplan 1994).

Entwicklung biologisch abbaubarer Werkstoffe
Die Kunststoffindustrie stellt schon heute eine Vielzahl biologisch abbaubarer Polymere grosstechnisch her, wovon einige auf nachwachsenden Rohstoffen basieren. Deren noch verbesserbare Eigenschaften genügen bereits für viele Anwendungen [8]. Die Weiterentwicklung biologisch abbaubarer Werkstoffe kann diesen das Feld technischer Konstruktionswerkstoffe öffnen. Verstärkt man diese Polymere mit Pflanzenfasern, so lassen sich Verbundwerkstoffe herstellen, deren Eigenschaften einen Einsatz in technisch anspruchsvollen Bereichen (zum Beispiel Fahrzeuge, Sportgeräte) zulassen.

Ausblick

Fasern
Die mechanische Decortisierungstechnologie für Bastpflanzen ist im industriellen Massstab realisiert. Entsprechende Fasern für die Produktion einfacher Formpressteile und Dämmstoffe sind bereits auf dem Markt erhältlich. Anders verhält es sich mit den Degummierverfahren zur Produktion von feinsten Fasern. Hier sind erst Labor- oder Technikumsanlagen vorhanden. Für die Weiterentwicklung technischer Pflanzenfasern stellen folgende Aspekte Gegenstand aktueller Forschung und Entwicklung dar:

Wie wirken sich die Anbaubedingungen auf die Faserqualität aus? Entwicklung von Methoden der Faserqualitätsbestimmung. Wo liegen die technischen, ökologischen und ökonomischen Vor- und Nachteile der verschiedenen Aufschlussverfahren? Optimierung der Aufschlussverfahren.

Polymere
Die Normung und Zertifizierung biologisch abbaubarer Polymere ist weit vorangeschritten. Für eine breite Markteinführung braucht es folgende Schritte [8]:

Die Konzepte für eine möglichst flächendeckende Entsorgung insbesondere von Verpackungswerkstoffen müssen umgesetzt werden. Die Palette der vorhandenen biologisch abbaubaren Polymere ist durch massgeschneiderte Werkstoffe mit besseren Eigenschaften (zum Beispiel niedrigere Gasdurchlässigkeit für Verpackungszwecke) zu erweitern. Eine grössere Nachfrage ermöglicht eine rationellere Produktion. Zusammen mit der Weiterentwicklung der Herstellverfahren wird eine Preissenkung möglich, sodass biologisch abbaubare Polymere mit konventionellen Thermoplasten konkurrieren können.

Verbundwerkstoffe
Biologisch abbaubare Verbundwerkstoffe für einen höheren technischen Anwendungsbereich stehen noch nicht vor der unmittelbaren Markteinführung. Hier sind noch einige Schritte nötig, welche von den Entwicklungen im Bereich der biologisch abbaubaren Matrices und Fasern abhängen:

Verbesserung der Faser-Matrix-Haftung Anpassung bestehender Verarbeitungsverfahren auf Pflanzenfasern Entwicklung neuer Verarbeitungsverfahren.

Nur mit einer engen Zusammenarbeit zwischen Landwirtschaft, Industrie und Forschungsanstalten lassen sich Erfolge beimBeantworten der zahlreichen offenen Fragen erzielen.