Original-URL des Artikels: https://www.golem.de/news/nachhaltigkeit-kunststoff-wird-zum-halben-naturstoff-1908-143122.html    Veröffentlicht: 13.08.2019 12:02    Kurz-URL: https://glm.io/143122

Nachhaltigkeit

Jute im Plastik

Baustoff- und Autohersteller nutzen sie zunehmend, doch etabliert sind Verbundwerkstoffe mit Naturfasern noch lange nicht. Dabei gibt es gute Gründe, sie einzusetzen, Umweltschutz ist nur einer von vielen.

Ein Baumhaus aus Kunststoff? Nicht ganz: Der dänische Spielzeugherstellers Lego setzt in seinem Lego Ideas Baumhaus einige Bauteile ein, die nicht aus konventionellem Kunststoff bestehen. Sie sind ein Komposit aus Polyethylen und Zuckerrohrfasern - passenderweise die Teile für den Baum und die Blätter.

Die meisten Kunststoffe sind heute Komposite, also Verbundwerkstoffe aus einem Kunststoff und einem Füllstoff. Meist werden mineralische Füllstoffe einsetzt. Dazu gehören glasfaserverstärkte Kunststoffe (GFK), aus denen heute die meisten Yachten gefertigt werden, oder kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe (CFK), die beispielsweise im Flugzeug- oder Automobilbau eingesetzt werden. Seit einiger Zeit beschäftigen sich Wissenschaftler aber auch damit, Naturmaterialien wie Bast, Holz, Jute, Hanf, Ramie, Sisal oder Wolle in Kunststoffen zu verarbeiten.

Ein Großteil der Kunststoffe, die heute verfügbar seien, könnten durch biobasierte ersetzt werden und dadurch nachhaltig gemacht werden, sagt Lovis Kneisel im Gespräch mit Golem.de. "Die Grundbestandteile kann man aus nachwachsenden Rohstoffen beziehen. Das ist nur eine Frage des Preises." Kneisel arbeitet am Fraunhofer-Pilotanlagenzentrum für Polymersynthese und -verarbeitung PAZ des Fraunhofer-Instituts für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS in Schkopau und entwickelt thermoplastbasierte Faserverbund-Halbzeuge - Schkopau war schon zu DDR-Zeiten ein Standort für die Kunststoffherstellung.

Ein Beispiel für die neuen Materialien sind Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoffe (Wood-Plastic-Composites, WPC). WPC haben heute schon einen Holzanteil von meist über 50 Prozent. Im Gegensatz zu GFK und CFK sind Kunststoffe wie WPC noch deutlich weniger verbreitet. Dabei gebe durchaus verschiedene Gründe, solche biobasierten Faserverbundstoffe einzusetzen, sagt Kneisel.

Was vor allem dafür spricht, ist der Umweltschutz: Kunststoffgegenstände enden üblicherweise in der Müllverbrennungsanlage. Sie sind auf Erdölbasis hergestellt, wird dabei viel fossiles Kohlendioxid freigesetzt. Je höher hingegen der Anteil an nachwachsenden Rohstoffen, desto weniger belastet der Kunststoff bei der Verbrennung also das Klima.

Ein anderer Grund ist die Leistungsfähigkeit solcher Stoffe: "Faserverstärkungen bieten in der Regel eine verbesserte mechanische Leistungsfähigkeit als ihre unverstärkten Pendants", sagt Kneisel. Sie sind dabei auch noch leichter: BMW etwa setzt in seinem Elektroauto i3 Verkleidungsteile aus einem Komposit mit Kenaf-Fasern ein. Diese wiegen etwa ein Drittel weniger, als wenn sie aus konventionellem Material hergestellt wären. Auch andere Autohersteller haben die Vorteile erkannt und setzen Bio-Kunststoffe ein: In vielen Fahrzeugen aus der Mittel- und Oberklasse seien solche Teile verbaut, sagt Kneisel.



Allerdings lassen sich nicht alle Kunststoffarten gleich gut auffüllen, und nicht alle Fasern sind gleich gut zum Füllen geeignet.

Granulate und UD-Tapes

Unter anderem mit zwei Formen von thermoplastischen Halbzeugen beschäftigen sich die Forscher am Fraunhofer IMWS: Granulate und gerichtete Faserstrukturen in unidirektionalen (UD) Tapes. Thermoplast-Granulate werden mithilfe einer Extruderschnecke hergestellt: Das Material wird in Schneckenzylinder eingefüllt und geschmolzen. In der Schnecke werden Grundmaterial, Additive und Füllstoffe gemischt. Am Ende kommt ein Strang eines homogenen Materials heraus, der zu einem Granulat verarbeitet wird.

In einen solchen Prozess lassen sich laut Kneisel am besten kurze Fasern zuführen. Das Holzmehl für WPC lässt sich gut dosieren. Längere Fasern hingegen müssen erst voraufbereitet werden.

Allerdings sind die Werkstoffe bei den Herstellern nicht immer beliebt. Sie wollen Werkstoffe, die immer die gleiche Materialcharakteristik aufweisen, ohne Schwankungen. Sobald Naturmaterialien ins Spiel kommen, sind Schwankungen aber unvermeidlich. Sie seien im Prinzip auch zu verschmerzen, sagt der Fraunhofer-Forscher. Das nötige Umdenken finde aber nur langsam statt.

Für die UD-Tapes hingegen sind lange Fasern gefragt. Sie werden auf einer Kunststofffolie zum einem Faserbett angeordnet und dann einlaminiert. In einem Schritt können UD-Tape-Lagen übereinander angeordnet und verbunden werden, um dann mit einem Spritzgusswerkzeug weiter verarbeitet zu werden. Das ist zwar aufwendiger als herkömmlicher Spritzguss. Aber durch das Faserbett wird Material eingespart, was zumindest einen Teil des Aufwandes wieder wettmacht.

Vor allem bieten diese UD-Tapes mechanische Vorteile: Längs der Faserrichtung weisen sie eine sehr hohe Stabilität auf. Das Faserbett und damit das UD-Tape kann sogar entsprechend der Belastung eines Bauteils angefertigt werden.

Am Fraunhofer PAZ können die Forscher solche UD-Tapes herstellen. Zusammen mit dem schwäbischen Unternehmen Britax Römer, einem Hersteller von Produkten für Kindersicherheit, haben sie einen Kindersitz konstruiert, ein sicherheitsrelevantes Bauteil, das auch Crashtests bestehen soll.

Aber warum setzen sich diese Faserverbundwerkstoffe dann nicht in der Breite durch?

Langsames Umdenken

In einigen Branchen sind sie inzwischen etabliert, etwa wie erwähnt in der Autoindustrie. Die Hersteller profitieren von dem geringeren Materialeinsatz: Das Bauteil ist leichter und vor allem kostet es weniger. Weitere Vorteile sind die geringe Splitterneigung sowie gute Schalldämmung. Etabliert sind zudem Bauteile aus WPC: Daraus werden beispielsweise Terrassendielen oder Hausverkleidungen hergestellt.

Ein Grund warum sich die Industrie - noch - nicht auf die naturfaserverstärkten Kunststoffe stürzt, ist der Preis: Mineralische Füllstoffe wie Kreide, Talkum oder Glasfasern sind derzeit konkurrenzlos günstig. Ein Kilogramm Kreide koste etwa 20 Cent, sagt Kneisel, wohingegen selbst ein einfacher Kunststoff noch 1 Euro pro Kilogramm koste. "An diese Preise kommt man aktuell mit Naturfaserrohstoffen nicht heran." Schließlich sind die Prozesse oft aufwendiger, und zusätzliche Prozessschritte kosten mehr Geld.

Das scheinen auch Kosteneinsparungen durch geringeren Materialeinsatz und die höhere Belastbarkeit nicht kompensieren zu können. Beides sei zwar vorhanden, sagt Kneisel. "Aber trotzdem steht dann auf der anderen Seite gegenüber: Das ist ein Naturmaterial. Die Vorbehalte sind sehr groß, und die Erfahrung im Umgang damit ist relativ klein."

Durch die öffentliche Diskussion um die globale Erwärmung findet aber auch in der Industrie ein Umdenken statt. Unternehmen erkennen, dass Nachhaltigkeit ein Vorteil im Wettbewerb um die Gunst der Kunden sein kann: Das gilt für Elektroautos, recyclebare Smartphones - oder eben Produkte aus einem Kunststoff mit hohem Anteil an Naturfasern.

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