Ing. Lubomír Zeman: Nachhaltige Entwicklung und Kunststoffrecycling, Teil 1

1. EINLEITUNG

Nachhaltige Entwicklung ist eine Form der Entwicklung, deren Ziel es ist, die negativen Auswirkungen der bisherigen Entwicklungsweise der menschlichen Gesellschaft zu beseitigen oder abzumildern, also einer Entwicklung, die vor allem auf Wirtschaftswachstum beruht und die Gestalt und Funktionsweise unseres Planeten unumkehrbar beeinflusst. Die meisten natürlichen Ressourcen sind endlich, und ihre übermäßige Nutzung schädigt unseren Planeten, d. h., es handelt sich um eine Entwicklung auf Kredit.

Zur nachhaltigen Entwicklung gehören nicht nur Wirtschaftswachstum, sondern auch gesellschaftliche Werte und natürliche Reichtümer. Die zentrale Frage ist daher, wie sich die Lebensqualität erhalten und die Bedürfnisse der heutigen Generationen decken lassen, während zugleich auch künftigen Generationen die Möglichkeit erhalten bleibt, ihre grundlegenden Lebensbedürfnisse zu befriedigen, ohne die Vielfalt der Natur zu verringern und unter Erhaltung der natürlichen Funktionen des Ökosystems ( ohne die Erfüllung der Bedürfnisse künftiger Generationen zu gefährden ).

Nachhaltige Entwicklung geht zwar historisch auf die Notwendigkeit zurück, Natur und Umwelt besser zu schützen – also auf den ökologischen Bereich, heute bezieht sie sich jedoch auch auf gute und wirksame Regierungsführung und öffentliche Verwaltung – den sozialen Bereich sowie auf Finanzinstrumente – den wirtschaftlichen Bereich, der sich aus allen wirtschaftlichen Aktivitäten innerhalb einer Gesellschaft zusammensetzt und sich auch mit den Wechselwirkungen zwischen diesen Aktivitäten, der Umwelt und der Gesellschaft befasst. Es muss verstanden werden, dass die sozialen, ökologischen und wirtschaftlichen Bestandteile nachhaltiger Entwicklung eng miteinander verknüpft sind und dass keiner von ihnen auf Kosten der anderen bevorzugt werden darf. Der sich beschleunigende technologische Wandel und die zunehmende Vernetzung der heutigen Welt machen es notwendig, die Welt in all ihren Zusammenhängen zu betrachten.

Einer der integralen ( untrennbaren ) Bestandteile nachhaltiger Entwicklung ist die zirkuläre Wirtschaft, auch Kreislaufwirtschaft genannt. Vereinfacht: Produktion – Nutzung – Recycling, aber auch Reparatur oder Austausch eines verschlissenen Bauteils – Wiederverwendung – gemeinsame Nutzung – Verlängerung der Produktlebensdauer. Die Kreislaufwirtschaft befasst sich somit mit Möglichkeiten, durch eine Steigerung der Produktionseffizienz die Umweltqualität und die Lebensqualität der Menschen zu verbessern.

Entscheidend ist, dass die verwendeten Materialien in zwei unabhängig voneinander zirkulierende Kreisläufe getrennt werden, die unterschiedlichen Prinzipien folgen. Der erste umfasst Stoffe organischen Ursprungs, die leicht abbaubar sind und sich daher problemlos in die Biosphäre zurückführen lassen. Der zweite umfasst synthetische Stoffe, beispielsweise Kunststoffe aus Erdöl, Kohle usw., die so in Produkte eingebracht werden sollten, dass sie anschließend daraus extrahiert ( zurückgewonnen )  und erneut verwendet werden können, ohne dass sie in die Biosphäre zurückgeführt werden müssen. Hier ist daran zu erinnern, dass das Hauptproblem nicht die Kunststoffe als solche oder daraus hergestellte Produkte sind, sondern Produkte, deren Lebensdauer aus welchen Gründen auch immer abgelaufen ist und die zu Kunststoffabfällen geworden sind.

Natürlich gilt diese Unterscheidung nicht uneingeschränkt ( aus energetischer Sicht würde dies einen Verstoß gegen den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik bedeuten – in praktischen Anwendungen besagt dieser, dass keine Wärmekraftmaschine oder ähnliche, auf den Prinzipien der Thermodynamik beruhende Vorrichtung auch nur theoretisch einen Wirkungsgrad von 100% erreichen kann ), und so enthält auch die Kreislaufwirtschaft  einen Anteil linearer Wirtschaft. Die lineare Wirtschaft, wiederum vereinfacht: Rohstoffe – Produktion – Nutzung – Abfall. Als Zwischenstufe zwischen den beiden genannten Wirtschaftsformen lässt sich die Recyclingwirtschaft einordnen, vereinfacht: Rohstoffe – Produktion – Nutzung – Recycling – Abfall. 

Zur nachhaltigen Entwicklung gehört auch nachhaltiges Unternehmertum, bei dem wir insbesondere in sieben Bereiche investieren sollten, die dazu beitragen, unsere Effizienz zu steigern:

- erneuerbare Ressourcen im größtmöglichen Umfang nutzen, nicht nur im Energiebereich, sondern auch im Materialbereich

- lokale Ressourcen nutzen – „billige“ Importe aus Asien durch Produkte und Arbeitskräfte aus dem Umfeld des Unternehmens ersetzen

- in höchstmöglicher Qualität produzieren – das bedeutet eine geringere Produktionsmenge ohne Gewinneinbußen, eine längere Nutzungsdauer des Produkts und ein höheres Ansehen des Unternehmens

- verlängern wir den Lebenszyklus unserer Produkte – durch Innovationen und konstruktive Ansätze zu einer längeren Lebensdauer der Produkte beitragen, ihre Reparierbarkeit und die Verwendung von Ersatzteilen bei Reparaturen ermöglichen

- teilen wir – die Trends gehen in Richtung Minimalismus, ich muss etwas nicht besitzen, möchte aber die Möglichkeit haben, einen Gegenstand beispielsweise für einen bestimmten Zeitraum zu mieten, wobei derselbe Gegenstand mehreren Kunden dient

- recyceln wir ( Recycling ), verwenden wir wieder ( Re-use ), wandeln wir Abfälle in neue Materialien um ( Upcycling ) , bereiten wir erneut auf ( Downcycling ) - stellen wir ausschließlich recycelbare Produkte her , getrennt gesammelte Abfälle sind eine neue Ressource,nutzen wir auch Abwärme

- seien wir innovativ – Innovationen sind der Katalysator des Wachstums,der Wettbewerb ist der Motor ; das Prinzip von Innovationen ist die ständige Suche nach einem besseren Weg zur Befriedigung der Kundenbedürfnisse durch die Steigerung des Gebrauchswerts des Produkts,durch die Verbesserung der Servicequalität,usw.

Der Übergang zur Kreislaufwirtschaft wird uns viel Zeit, Mühe und Investitionen kosten. Doch jede Innovation hin zu einem höheren ökologischen Standardwird sich für uns vielfach auszahlen. Bilden wir uns selbst und unsere Mitarbeiter weiter und suchen Sie nach neuen Möglichkeiten im Bereich der Digitalisierung.

Die Kunststoffindustrie,einschließlich des Bereichs des Thermoplastspritzgießens, steht vor einem neuen Trend, einer Aufgabe,vor der nachhaltigen Entwicklung. Die Umweltgesetzgebung drängt auf eine möglichst schnelle Einführung verschiedener Vorschriften,festgelegter Mengen,Prozentsätze,usw. in den Alltag,doch die industrielle Realität erlaubt es nicht,die gesetzlichen Anforderungen innerhalb kurzer Zeit umzusetzen. Als Beispiel lassen sich die Anforderungen an Spritzgießthermoplaste anführen, die auf eine langjährige Entwicklung und Anwendung zurückblicken und daher nicht von heute auf morgen durch neue Kunststoffe ersetzt werden können,die stärker zur nachhaltigen Entwicklung beitragen. Zudem ist die Geschichte neuer Kunststoffe sehr kurz, und daher sind nicht alle ihre Eigenschaften  umweltverträglich und sie beispielsweise nicht durchweg leicht recycelbar.

Große Themen sind die Verarbeitung recycelter Materialien,Materialsubstitutionen, Biomaterialien,usw., der Endkunde ist in der Regel für Umweltanforderungen empfänglich,doch der Wandel in der Thermoplastspritzgießindustrie kann nicht so schnell darauf reagieren, und dies kann eine gewisse Abneigung gegenüber der Verwendung von Kunststoffen hervorrufen.

Einer der Bereiche der nachhaltigen Entwicklung ist der Bereich der Kunststoffabfälle. Die einzige mögliche Lösung ist der Übergang vom linearen zum kreislauforientierten Umgang mit Kunststoffprodukten.  Während in der linearen Wirtschaft die Richtung von den Ressourcen über die Produkte hin zu den Abfällen verläuft, beruht die Kreislaufwirtschaft auf der Rückverwandlung von Abfällen in Ressourcen. Dabei geht es nicht nur um die Schließung des Kreislaufs der Ressourcen, sondern auch um die Verlangsamung des Stoffstroms beziehungsweise die  Erhöhung der Lebensdauer der Produkte ( mithilfe durchdachter Technologien,ihrer Konstruktion und ihres Designs ). Darüber hinaus geht es um die Verbesserung der Möglichkeiten zum Austausch von Teilen, zu deren Reparatur,Verbesserung,Umbau ( beispielsweise durch die Einführung einer stärkeren Modularität der Produkte ). Und nicht zuletzt um die Neuausrichtung der Ressourcenströme vom Besitzen zum Teilen, was eine Änderung des Verbraucherverhaltens betrifft.

2. RECYCLING VON THERMOPLASTEN - EINLEITUNG

Die zivilisatorische Entwicklung bringt einerseits die Verbesserung von Technologien mit sich und erhöht die Befriedigung menschlicher Bedürfnisse ( Ansprüche ? ), andererseits steht sie in direktem Zusammenhang mit dem wachsenden Abfallaufkommen, einschließlich der Kunststoffabfälle.

Im Hinblick auf die Verwendung für konkrete Produkte werden am häufigsten Polyethylenterephthalat PET ( Schalen,Flaschen ), Polyethylen PE ( Lebensmittelindustrie ), Polypropylen (PP) ( entwickelt sich zu einem technischen Kunststoff beziehungsweise wird als Verbundwerkstoffmatrix eingesetzt  ), Polystyrol (PS) PS ( Becher,Besteck ), Polyvinylchlorid PVC ( Flaschen,Bauwesen ), Polyethylen hoher Dichte HDPE ( Rohrleitungen, Spielzeug, Flaschen ), Polyethylen niedriger Dichte LDPE ( Verpackungen ) verwendet.

In der Europäischen Union verbraucht die Verpackungsindustrie die meisten Kunststoffe,im Jahr 2020 waren es 39,7 % der verbrauchten Menge ( im Jahr 2020 wurden in Europa ca. 55 Millionen Tonnen Kunststoffprodukte hergestellt,weltweit ca. 367 Millionen Tonnen ). Der zweitgrößte Absatzmarkt für Kunststoffprodukte in Europa ist die Bauindustrie mit 19,8 %. An dritter Stelle stand die Automobilindustrie mit einem Anteil von 10,1 %, die elektrotechnische und elektronische Industrie verbraucht 6,2 %,Haushaltsgeräte,weiße Ware 4,1 % des Gesamtverbrauchs, die Landwirtschaft 3,4 %. Die übrigen Branchen teilen sich die restlichen 21,7 %.

In den letzten Jahren steigt in Europa die Menge der recycelten Kunststoffabfälle, gleichzeitig sinkt die Menge der auf Deponien abgelagerten Abfälle, und die Menge der zur energetischen Verwertung bestimmten Abfälle bleibt stabil. Beispielsweise wurden im Jahr 2020 fast 10,2 Millionen Tonnen Kunststoffabfälle recycelt und eingelagert.

 Seit 2019 hat sich der Kampf gegen Kunststoffe in der Europäischen Union intensiviert. Im März 2019 verabschiedete das Europäische Parlament die Richtlinien über Einwegkunststoffe. Dieses Abfallpaket bedeutet für die EU-Mitgliedstaaten neue Pflichten im Bereich der Abfallbewirtschaftung und -beseitigung und führt neue Recyclingquoten ein:

- 55 % bis zum Jahr 2025

- 60 % bis zum Jahr 2030

- 65 % bis zum Jahr 2035

 In der EU treten zahlreiche Vorschriften in Kraft, die nicht recycelbare Kunststoffprodukte schrittweise aus der Produktion verbannen. Die wichtigsten davon sind:

- ab 2021 – Verbot des Inverkehrbringens von Einwegkunststoffprodukten, beispielsweise Lebensmittelbehältern und Bechern aus Polystyrol (PS)

- ab 2025 – alle Kunststoffflaschen müssen zu mindestens 25 % aus recyceltem Material hergestellt werden

- ab 2030 – alle Kunststoffflaschen müssen zu mindestens 30 % aus recyceltem Material hergestellt werden

- bis 2025 – Sammlung und Recycling von Einweggetränkeflaschen aus Kunststoff erreichen 77 %

- bis 2029 – Sammlung und Recycling von Einweggetränkeflaschen aus Kunststoff erreichen 90 %

- ab 2025 – Kunststoffverschlüsse und -deckel müssen dauerhaft an Flaschen und Behältern befestigt sein

 Trotz der genannten Anforderungen und Einschränkungen steigt der Kunststoffverbrauch kontinuierlich an. Der Verbrauchsanstieg ist höchstwahrscheinlich auf drei wesentliche Gründe zurückzuführen:

- Entwicklung neuer Materialien - beispielsweise setzt man beim Spritzgießen von Thermoplasten auf Polymerblends, wobei neu entwickelte Kompatibilisatoren es ermöglichen, ansonsten nicht mischbare Polymere miteinander zu verbinden und neue Blends mit den gewünschten Eigenschaften herzustellen, die für eine bestimmte Art von Formteilen (Spritzgussteilen) erforderlich sind, beispielsweise PC/PEI , PA/ABS, PA/PET , ASA/PMMA , PPS/PET , ABS/PPS , PEEK/PES , usw.

- die Entwicklungsländer wachsen wirtschaftlich und benötigen daher auch mehr Kunststoffprodukte

- sinkende Kosten für die Herstellung von Kunststoffen aus fossilen Rohstoffen – die Welt verfügt über Vorräte an fossilem Brennstoff – Erdöl – für Hunderte von Jahren, und es werden ständig neue Lagerstätten entdeckt, beispielsweise könnte Guyana in etwa 20 Jahren ein zweites Saudi-Arabien sein, im kanadischen Alberta gibt es mehr Erdöl als in den Reserven des bereits erwähnten Saudi-Arabiens, die USA sind der größte Erdölproduzent der Welt, während sie vor 15 Jahren noch der größte Erdölimporteur waren, Israel, der Libanon, Zypern und die Türkei könnten zu bedeutenden Förderländern werden.

Derzeit landen Kunststoffe nach Erfüllung ihrer Gebrauchsfunktion überwiegend auf Deponien. Da die überwiegende Mehrheit von ihnen nicht biologisch abbaubar ist, stellen sie ein immer gravierenderes Problem dar, insbesondere in Gebieten mit hohem Urbanisierungsgrad. Der biologische Abbau von Kunststoffen aus fossilen Rohstoffen verläuft sehr langsam. Je nach verwendetem Material dauert die Zersetzung von Kunststoffprodukten im Boden bis zu mehrere Hundert Jahre ( beispielsweise benötigt ein Folienbeutel aus LDPE für die Zersetzung fast 450 Jahre und eine PET-Flasche tausend Jahre ).

Eine der allgemeinen Aufgaben der Kunststoffindustrie ist es unter anderem, die Anforderung zu erfüllen, dass Kunststoffe Vorteile bei minimalen Auswirkungen auf die Umwelt bieten müssen. Immer restriktivere Rechtsvorschriften in den europäischen Ländern schränken die Möglichkeiten zur Lagerung von Kunststoffabfällen ein, zwingen zu einem vernünftigeren Umgang mit Kunststoffen und zum Einsatz verschiedener Lösungen zur Unschädlichmachung von Kunststoffabfällen und zum Recycling. Kunststoffrecycling ist nicht nur wegen der hohen Kosten für die Deponierung von Abfällen sehr wichtig, sondern auch wegen der Möglichkeit der energetischen Verwertung von Kunststoffen und weil recycelte Produkte günstiger sind als Produkte aus Neuware. Ein unsachgemäßer Umgang mit Kunststoffabfällen kann dazu führen, dass Kunststoffe beziehungsweise daraus hergestellte Produkte in Flüsse, Meere, Ozeane und Böden gelangen. Bis 2030 werden jährlich 58,4 Millionen Tonnen Kunststoffe zusätzlich in die Weltmeere  gelangen.

 Etwa zwei bis fünf Prozent der Kunststoffe werden über Flüsse in die Ozeane transportiert. Jeglicher Kunststoffabfall an Land kann letztlich in den Ozean gelangen, da die Ozeane die endgültige Senke unseres Erdballs sind. In der Umwelt zerfallen Kunststoffe langsam zu Mikroplastik, also  Fragmenten mit einem Durchmesser von weniger als 5 mm. Mikroplastik kann auch durch den Abbau von Kleidung aus Kunststoffen über das Abwasser in die Umwelt gelangen. Zu den Abbaumechanismen gehören Verwitterung, Auswaschung, Fragmentierung ( Zerfall in Bruchstücke ) und bei Biokunststoffen potenziell auch Assimilation ( biologische Stoffumwandlung ) und Mineralisierung ( Umwandlung abgestorbener organischer Substanz in anorganische Stoffe unter Freisetzung von Kohlendioxid ).

Insgesamt werden etwa vierzig Prozent der Kunststoffe deponiert. In entwickelten Ländern sind  Deponien in der Regel gut gegen den Austritt von Abfällen in die Umwelt gesichert. Weniger entwickelte Länder haben jedoch häufig offene Deponien, aus denen Kunststoffe leicht in die Umwelt gelangen können. In den USA, die über eine moderne Infrastruktur für die Entsorgung fester Abfälle verfügen, gelangen Schätzungen zufolge 0,98–1,26 Millionen Tonnen Kunststoffe beziehungsweise 2,33 % bis 2,99 % der erzeugten Kunststoffabfälle in die Umwelt.

Vierzehn Prozent der Kunststoffe werden zur energetischen Verwertung verbrannt. Dies verursacht zwar kein Problem mit festen Abfällen, es entstehen jedoch unerwünschte Treibhausgase. Vierzehn Prozent der Kunststoffe werden recycelt, 8 % werden  zu Materialien geringerer Qualität recycelt und nur 2 % der Kunststoffe werden in einem geschlossenen Recyclingkreislauf eingesetzt.

Die Menge der recycelten Kunststoffe unterscheidet sich von Land zu Land: In den USA werden 10 % und in den EU-Ländern 31 % der verbrauchten Kunststoffe recycelt. Die geringe Menge an recycelten Kunststoffen hat viele Gründe, beispielsweise:

- es wird eine sehr breite Palette von Kunststoffen mit sehr unterschiedlicher Zusammensetzung verwendet

- damit verbunden sind hohe Kosten für die Sammlung und Sortierung verschiedener Kunststoffarten, einschließlich der Entfernung von Verunreinigungen

- hohe Investitionskosten und technologische Unsicherheiten bei fortschrittlichen Recyclingverfahren, die sich in der Entwicklung befinden

Der erste Schritt beim Kunststoffrecycling ist die Sortierung der Kunststoffabfälle in getrennte Stoffströme. Hierzu dienen neben der unzuverlässigen manuellen Sortierung automatisierte  Anlagen – MRF – Materialrecyclinganlagen, die kontinuierlich weiterentwickelt werden.  MRF sortieren Glas, Metalle, Kartonagen usw. einschließlich Kunststoffen aus, die anschließend beispielsweise an Recyclingunternehmen verkauft werden.

Kunststoffabfälle lassen sich in vier Gruppen einteilen:

- Post-Industrial-Abfälle – PIW – Industrieabfälle

- Post-Consumer-Abfälle – PCW – Verbraucherabfälle

- Kunststoffe, die in festen Siedlungsabfällen enthalten sind – MSW – feste Siedlungsabfälle ; TKO – feste Siedlungsabfälle

- Kunststoffe in den Ozeanen

Bei PIW lassen sich in der Regel eine einheitlichere Zusammensetzung und ein geringerer Gehalt an Verunreinigungen als bei anderen Arten von Kunststoffabfällen sicherstellen. Die Kunststoffindustrie recycelt PIW häufig in geschlossenen Recyclingprozessen. Die derzeitige Infrastruktur für das Kunststoffrecycling konzentriert sich in erster Linie auf das mechanische Recycling fester Kunststoffe

3. HERSTELLUNG VON THERMOPLASTEN UND ÖKOLOGISCHER FUSSABDRUCK DER KUNSTSTOFFENTSORGUNG

Die wichtigsten  und grundlegenden Rohstoffe für die Herstellung von Thermoplasten sind Erdgas und Naphtha ( Naphtha = eine bestimmte Siedefraktion des Erdöls ). Naphtha ist ein Gemisch aus Kohlenwasserstoffen, das bei der Verarbeitung die Prozesse des Reformierens ( katalytisches Reformieren ist ein chemischer Prozess zur Umwandlung von aus Rohöl destilliertem Raffinerie-Naphtha – üblicherweise mit niedriger Oktanzahl – in hochoktanige flüssige Produkte, sogenannte Reformate ; Reformieren ist die Umwandlung unverzweigter Kohlenwasserstoffe in verzweigte sowie die Umwandlung acyclischer Kohlenwasserstoffe in cyclische ) und der Pyrolyse ( Pyrolyse ist die thermische Zersetzung eines Materials bei erhöhter Temperatur, üblicherweise in einer inerten Atmosphäre, die nicht mit anderen Elementen reagiert ; dabei verändert sich die chemische Zusammensetzung des Materials ) durchläuft. Dabei wird es in chemische Verbindungen umgewandelt, die für die anschließende Polymerisation der einzelnen Kunststoffarten verwendet werden.

Der chemische Prozess der Polymerisation ist nicht für alle Kunststoffe gleich, da die Reaktion von der Chemie des Monomers abhängt und durch Bedingungen wie Temperatur, Druck, Monomerkonzentration und den gewünschten Verwendungszweck sowie durch struktursteuernde Additive bestimmt wird, darunter Katalysatoren ( Katalysator = ein Stoff, der eine Reaktion ermöglicht oder ihre Geschwindigkeit erhöht ), Aktivatoren, Beschleuniger, Initiatoren und Inhibitoren ( Inhibitor = ein Zusatzstoff, der eine Reaktion verlangsamt oder vollständig stoppt ).

Es gibt zwei grundlegende Kategorien, die die meisten Polymerisationsschemata umfassen: Stufenwachstum ( Kondensation – Verdichtung ) und Kettenwachstumspolymerisation ( Addition – Anlagerung ). Lineare und nichtlineare Stufenwachstumspolymerisationen sind Prozesse, bei denen die Polymerisation durch die Reaktion von mehr als einer Molekülart erfolgt. Kettenpolymerisationsprozesse hingegen laufen bei Monomeren ab, die eine ungesättigte Gruppe aufweisen. Beispielsweise wird Polyethylen ( PE ) durch Polymerisation von Ethylenmonomeren ( oder Ethenmonomeren, Olefinmonomeren ) mittels Polyaddition hergestellt, entweder durch radikalische Polymerisation von Ethylenmonomeren oder mithilfe von Ziegler–Natta- oder Metallocen-Katalysatoren.

Polypropylen ( PP ), der weltweit am weitesten verbreitete Thermoplast, zeichnet sich durch seine kosteneffiziente Herstellung und seine vielfältigen Anwendungen aus, einschließlich technischer Anwendungen und des Einsatzes als Matrix für Verbundwerkstoffe. Polyolefine ( PP , PE ) machen nahezu 48 % der weltweiten Kunststoffnachfrage aus.

Die Copolymerisation wird eingesetzt, um die Eigenschaften der hergestellten Kunststoffe so anzupassen, dass sie spezifische Anforderungen und industrielle Bedürfnisse erfüllen, wodurch eine Verbesserung der mechanischen und chemischen Eigenschaften ermöglicht wird. Durch gezielte Veränderung der Monomerchemie wurden auf die Kundenbedürfnisse zugeschnittene Materialien wie Copolymere entwickelt und erfolgreich kommerziell eingeführt. Acrylnitril–Butadien–Styrol ( ABS ), Styrol–Butadien-Copolymer ( SBR ), Nitrilkautschuk ( NR ), Styrol–Acrylnitril ( SAN ), Ethylen–Vinylacetat  ( EVA ), alle  entstehen durch Kettenwachstumspolymerisation.

Die Stufenwachstumspolymerisation wird zur Herstellung der meisten Polyamide, beispielsweise der Polymere  PA 12 und PA 66, sowie der PET-Familie eingesetzt. Diese Polymere bestehen aus mindestens zwei Arten von Komponenten ( Monomeren, beispielsweise Dicarbonsäuren und Dialkoholen ) und können je nach Struktur der Wiederholungseinheiten klassifiziert werden.

Nach einem kurzen Exkurs zu den Verfahren zur Herstellung von Kunststoffen aus fossilen Rohstoffen betrachten wir die Herstellung von Biokunststoffen aus nachwachsenden Rohstoffen. Zur Veranschaulichung der Thematik habe ich den am weitesten verbreiteten Biokunststoff ausgewählt, PLA ( Polylactid, Polymilchsäure ).

Der Grundrohstoff für die Herstellung von PLA ist pflanzliche Biomasse, beispielsweise Mais, Getreide, Kartoffeln, Zuckerrüben, Zuckerrohr, Soja, Tabak, sowie natürliche Rohstoffe wie beispielsweise Cellulose oder Lignit. Der Biokunststoff wird aus der Stärke dieser Pflanzen hergestellt. Damit die Stärke in einen Stoff umgewandelt wird, dessen Eigenschaften denen von Kunststoffen aus fossilen Rohstoffen entsprechen, muss sie hohen Temperaturen ausgesetzt und daraus durch Isolierung Glucose gewonnen werden. Durch Fermentation wird aus Glucose Milchsäure und später Polymilchsäure – Polylactid – PLA gewonnen.

Das Problem bei der Herstellung von PLA liegt im hohen Herstellungsaufwand. Die Lebenszyklusanalyse ( LCA  - Lebenszyklusanalyse ) von PLA zeigt, dass seine Umweltauswirkungen noch größer sind als die herkömmlicher Kunststoffe. Zunächst müssen die Pflanzen angebaut werden ( in der Regel handelt es sich um riesige Monokulturflächen ), die anschließend biotechnologisch und chemisch zu einem Polymer verarbeitet werden müssen.

Ein weiteres Problem ist die Kennzeichnung von Produkten aus PLA. Die Kennzeichnung muss so gestaltet sein, dass sie sich von Produkten aus fossilen Rohstoffen unterscheiden lassen; ein visueller Vergleich reicht dafür nicht aus. Die Produkte sind häufig falsch oder unzureichend gekennzeichnet und unterscheidbar, sodass es leicht passieren kann, dass wir nicht bemerken, dass wir gerade ein Spritzgussteil aus PLA in der Hand halten. Häufig fehlen zudem ausreichende Informationen darüber, wo sie entsorgt werden sollen. Denn Biokunststoff ist nicht gleich Biokunststoff. Gelangen bestimmte Typen, zu denen  PLA gehört, in einen für Standardthermoplaste vorgesehenen Sammelbehälter und werden gemeinsam mit diesen recycelt, wird dadurch das entstehende Rezyklat unbrauchbar, und es kann allenfalls verbrannt oder auf einer Deponie abgelagert werden.

Wie bereits erwähnt, ist bei der Herstellung von Biokunststoffen eine chemische Herstellung erforderlich. Mit anderen Worten: Es kommt zu einer funktionellen Veränderung des Ausgangsmoleküls durch eine chemische Reaktion, die zu Veränderungen seiner Eigenschaften führt. Das bedeutet, dass diese Produkte nach der Anwendung dieser Reaktion nicht natürlich und somit auch nicht vollständig kompostierbar sind, obwohl ihre Hersteller dies behaupten.

Deshalb gehört PLA auch nicht in die braune Biotonne. Die meisten industriellen Kompostieranlagen in Tschechien sind auf die Verarbeitung von Biokunststoffen nicht vorbereitet, verarbeiten sie nicht und nehmen sie nicht an. Solche Materialien landen letztlich auf einer Deponie. PLA kann daher aussortiert oder in dafür vorgesehenen Behältern entsorgt und seine separate, getrennte Sammlung und Abfuhr sichergestellt werden, oder es kann in den üblichen Restmüll gegeben werden, der zur energetischen Verwertung oder zur Ablagerung auf einer Deponie bestimmt ist.

Aus der genannten Perspektive ist Polyhydroxyalkanoat PHA das einzige biologisch abbaubare Polymer. Polyhydroxyalkanoate sind Polyester organischer Hydroxysäuren, die von einer Vielzahl prokaryotischer Mikroorganismen in Form intrazellulärer ( innerhalb der Zelle befindlicher ) Granula angereichert werden. Sie können auch synthetisch hergestellt werden, üblicherweise erfolgt die Herstellung jedoch auf biotechnologischem Weg.

Bei der Herstellung von PHA werden industrielle Fermenter eingesetzt ( ein Fermenter – Bioreaktor – ist eine Anlage mit einer künstlichen Umgebung, die zur Kultivierung von Viren, Mikroorganismen und Zellen dient ), in denen die Lebensbedingungen für PHA-synthetisierende Bakterien simuliert werden. Im Fermenter werden die Bakterien durch den Entzug eines essenziellen, grundlegenden Nährstoffs ( Phosphor, Stickstoff, Sauerstoff oder Spurenelemente ) dazu gezwungen, Kohlenstoff in Form von PHA zu speichern. Anschließend wird PHA aus den Bakterien isoliert und im Hinblick auf verschiedene Anwendungen weiterverarbeitet.

Eine entscheidende Anforderung betrifft auch den Preis des Ausgangsrohstoffs. Für die Herstellung von PHA  können Melasse, Silage, Altöle, Nebenprodukte der Biokraftstoffherstellung, Cellulose und Lignocellulose, Molke und Abfälle aus der Herstellung von Milchprodukten und Lebensmitteln im Allgemeinen, Abwasser aus verschiedenen industriellen Prozessen und Haushalten, Methan sowie weitere kohlenstoffreiche Rohstoffe verwendet werden. PHA lassen sich ( je nach ihren konkreten Eigenschaften ) mit konventioneller Spritzgießtechnik verarbeiten; ähnlich wie synthetische Kunststoffe eignen sich PHA auch für den 3D-Druck und weitere Anwendungen.

Oben habe ich mich mit der Herstellung von Kunststoffen als Grundrohstoff für die weitere Veredelung befasst. Solche Kunststoffe besitzen keine für die Weiterverarbeitung geeigneten Eigenschaften, und insbesondere fehlen ihnen die Gebrauchseigenschaften. Die Umwandlung von Rohkunststoffen in Produkte umfasst eine Reihe von Fertigungsprozessen, die sich selbstverständlich je nach Kunststoffart – Thermoplaste, thermoplastische Elastomere, Duroplaste – und den Qualitätsanforderungen an die Endprodukte unterscheiden.

 Generell lässt sich die Herstellung funktionaler Kunststoffe ( Kunststoffe mit Gebrauchseigenschaften ) in drei Hauptfertigungsphasen unterteilen. Die erste Phase ist die Modifizierung des polymeren Rohmaterials, bei der es sich um eine gezielte Veränderung der Polymereigenschaften handelt, um ein neues Polymermaterial mit anderen Eigenschaften als denen des unmodifizierten Materials zu erhalten. Die Modifizierung erfolgt auf drei grundlegende Arten :

 - physikalische Modifizierung – mechanisches Mischen ; Vermischen von zwei oder mehr Polymeren ; Einbringen von Zusätzen, Additiven ( Additive = Stoffe, die anderen Stoffen oder Gemischen zugesetzt werden, um deren Eigenschaften zu verändern oder zu verbessern ) – die Zusätze beeinflussen die physikalischen und mechanischen Eigenschaften der Polymere ; der makromolekulare Stoff übernimmt die Funktion des Bindemittels, der Matrix, und bestimmt die grundlegenden physikalischen und mechanischen Eigenschaften der Polymere ; Additive können auf organischer oder anorganischer Basis vorliegen. Dazu gehören beispielsweise partikuläre und verstärkende Füllstoffe, Nanofüllstoffe, Kompatibilisatoren zur Verbesserung der Haftung zwischen den Komponenten, Treibmittel, Farbkonzentrate, Farbstoffe, Pigmente, Flammschutzmittel, Gleitmittel, Nukleierungsmittel, Antistatika, Alterungsschutzmittel, Zusätze zur Einstellung der Verarbeitbarkeit von Polymerschmelzen usw.  

 - mechanochemische Modifizierung – auf mechanischem Weg, beispielsweise durch intensives Kneten, entstehen unter Bedingungen und in Gegenwart von Stoffen, die den Abbau erleichtern, reaktive Abschnitte der Polymerketten, die sich entweder miteinander verbinden oder mit einem vorhandenen polymerisationsfähigen Monomer reagieren ; zu dieser Gruppe von Modifizierungen gehört insbesondere die Mastikation von Kautschuken

 - chemische Modifizierung – Modifizierung auf Grundlage chemischer Reaktionen von Wirkstoffen mit reaktiven Gruppen der Polymerketten

Zu den Modifizierungen zählen wir auch die Vernetzung von Polymeren -   darunter verstehen wir die gegenseitige Verbindung von Polymerketten unter Bildung eines räumlichen Netzwerks. Allgemein lässt sich sagen, dass durch die Vernetzung die Löslichkeit der Polymere abnimmt ( in Lösungsmitteln quellen sie lediglich und vergrößern ihr Volumen ), sie ihre Schmelzbarkeit und Thermoplastizität verlieren, sich dagegen aber ihre Formbeständigkeit bei erhöhten Temperaturen verbessert und bei einigen auch die Chemikalienbeständigkeit zunimmt. Je dichter das Netzwerk eines Polymers ist, desto schwieriger können niedermolekulare Stoffe eindringen und desto geringer sind sein Quellvermögen und seine Feuchtigkeitsaufnahme.

Die Bildung eines räumlichen Polymernetzwerks kann auf unterschiedliche Weise erfolgen. Im Bereich des Spritzgießens von Thermoplasten wird üblicherweise die Vernetzung durch ionisierende Strahlung eingesetzt – sie wird am bereits fertigen Produkt durchgeführt.