Biobasierter xPBS-Schaum: Alternative zu PE-Schäumen?

Biobasierte Kunststoffe sind für industrielle Anwendungen besonders interessant, wenn sie sich in bestehende Produktionsprozesse integrieren lassen. Genau hier setzen die Projekte xPBS und xPBS Food, gefördert vom Fraunhofer Clusters of Excellence Circular Plastics Economy CCPE, an: Gemeinsam arbeiten die Fraunhofer-Institute ICT, IAP, IVV und LBF an der Entwicklung sowie an der Bewertung zur Einsatzfähigkeit eines biobasierten Schaumstoffs auf Basis von Polybutylensuccinat (PBS). Der entwickelte Schaumstoff kann dabei auf bestehenden Extrusionsanlagen verarbeitet werden.

Im Interview sprechen Anja Dennard vom Fraunhofer ICT und Dr. Jens Balko vom Fraunhofer IAP über die Eigenschaften von xPBS, mögliche Einsatzgebiete und die nächsten Schritte auf dem Weg zur industriellen Anwendung.

Was war die größte Herausforderung dabei, PBS-Schaum so zu entwickeln, dass er auf bestehenden Extrusionsanlagen verarbeitet werden kann?  

Anja Dennard: Das Eigenschaftsprofil von PBS ist generell gut geeignet, um das Polymer ohne anlagentechnische Anpassungen im Extrusionsprozess verarbeiten zu können. Im Schaumprozess sind die größten Herausforderungen eine hohe Schmelzefestigkeit bei gleichzeitig hoher Elastizität. Hierbei bedarf es einer Materialmodifikation im Syntheseprozess oder einer Additivierung im Verarbeitungsprozess.

Kann xPBS PE-Schäume heute schon eins zu eins ersetzen, oder gibt es noch Anwendungsfälle, bei denen das nicht funktioniert?           

Dennard: PBS und PE haben ähnliche Eigenschaftsprofile, sind jedoch für unterschiedliche Einsatzprofile geeignet. PE ist der technisch jahrzehntelang ausgereifte und wirtschaftlich etablierte Standardkunststoff. Er zeichnet sich durch niedrige Kosten, hohe Verfügbarkeit, ausgezeichnete Chemikalien- und Feuchtebeständigkeit, gute Langzeitstabilität und eine etablierte Recyclinginfrastruktur aus. Daher ist PE besonders geeignet für langlebige Verpackungen, technische Formteile, Rohre, Behälter und Standardfolien.

Jens Balko: Mechanisch ist PBS ebenso wie PE flexibel und zäh, gleichzeitig aber gegenüber einer Langzeitbeanspruchung etwas empfindlicher. Mitteldichte Schäume sind sehr gut als Anwendungsfälle durch PBS adressierbar. Die niedrigsten Schaumdichten sind für die PBS-Materialien noch eine Herausforderung. Daran arbeiten wir.

Die Einsatzgebiete der Schäume reichen von technischen Teilen und Profilen bis hin zu Verpackungsmaterialien. PBS kann auf vollständig biobasierter Rohstoffbasis produziert und heute schon bezogen werden. Zudem können die Rohstoffe auch aus Reststoffen der Agrar- und Forstwirtschaft oder aus Lebensmittelresten gewonnen werden. Wenn daher der Kunde einen flexiblen, massentauglichen Kunststoff mit reduziertem CO₂-Fußabdruck benötigt, liegt er mit PBS genau richtig. Wenn der Eintrag von Mikroplastik in die Umwelt reduziert werden soll – einige Verluste in die Umwelt lassen sich gar nicht vermeiden – spielt die biologische Abbaubarkeit von PBS eine Rolle. Auch kompostierbare Verpackungen und biologisch abbaubare Einwegprodukte sind für einige Anwendungsfälle interessant.

Eine pauschale Überlegenheit eines der beiden Werkstoffe lässt sich daher technisch nicht begründen. Die Materialauswahl sollte anwendungsbezogen erfolgen und sowohl Verarbeitbarkeit als auch End-of-Life-Anforderungen berücksichtigen.

Ist xPBS preislich schon konkurrenzfähig zu PE-Schäumen?

Balko: Aufgrund des höheren Preises und der geringeren Marktverfügbarkeit ist PBS derzeit nicht konkurrenzfähig zu PE. Aber – und dies ist ein wichtiges „Aber“ – wir sehen für die petrobasierten Kunststoffe wie PE eine zunehmende Preisvolatilität, steigende Preise und eine stark gestiegene Unsicherheit in der Verfüg- und Lieferbarkeit. PBS ist hingegen komplett aus in Europa verfügbaren Rohstoffen herstellbar. Wir haben kurze und kontrollierte, sichere Lieferwege. Sicherheit für den Kunden. Einige Unternehmen haben diesen Vorteil von PBS schon erkannt.

Wird xPBS bereits von Unternehmen in der Praxis eingesetzt, und wie schätzen Sie die Akzeptanz in der Branche insgesamt ein?

Balko: Bisher sind uns noch keine Unternehmen mit auf dem Markt platzierten Produkten aus xPBS bekannt. Es laufen jedoch derzeit Pilotprojekte, das Interesse daran ist groß. Dafür machen wir als Fraunhofer die Pilotstudien – im Idealfall zusammen mit dem Kunden, um zügig in den industriellen Maßstab zu gelangen.

In welchem Bereich sehen Sie kurzfristig das größte Potenzial von xPBS, um fossile Schaumstoffe zu ersetzen?         

Dennard: Das zukünftige Potenzial von PBS wird vor allem dort gesehen, wo Flexibilität, Zähigkeit und teilweise auch biologische Abbaubarkeit gemeinsam erforderlich sind. Für einen breiteren Marktdurchbruch müssen jedoch die Materialkosten sinken, die industrielle Verfügbarkeit steigen und die Verarbeitungsfenster – insbesondere im Schaumstoffbereich – weiter verbessert werden. PBS ist damit kein direkter Massenersatz für Polyolefine, aber ein aussichtsreicher Spezialwerkstoff in nachhaltigkeitsorientierten Anwendungen.

Zum Folgeprojekt xPBS-food: Warum ist dafür ein eigenes Projekt nötig?

Dennard: An Schaumstoffverpackungen mit Lebensmittelkontakt werden hinsichtlich Sicherheit, Konformität und sensorischer Akzeptanz höhere Anforderungen gestellt als an Schaumstoffe im Non-Food-Bereich wie beispielsweise Bau, Automotive oder Freizeitsektor. Dies kommt bei PBS insbesondere bei der Verwendung von Additiven zum Tragen. Das Projekt sowie die Entwicklung laufen aktuell noch. Mit dem Projekt xPBS-food wird ein besonders sensibler Anwendungsbereich adressiert, der sich aufgrund des Materialcharakters sehr gut für eine Demonstration als zukünftiger Use-Case eignet.