Mit Doppelschneckenextruder zu „grünen“ Kunststoffen
Mit einem Doppelschneckenextruder wollen HSBI-Forscher unter anderem mit PLA, PHB und pflanzlichen Farbstoffen neue „grüne“ Kunststoffe entwickeln.
Wer Kunststoffe umweltfreundlicher herstellen und ihre Recyclingfähigkeit verbessern will, muss neue Zutaten ausprobieren und die Bestandteile immer wieder trennen und neu mischen. Hierbei hilft an der Hochschule Bielefeld –HSBI – neuerdings ein 800.000 EUR teurer Doppelschneckenextruder. Mit ihm wollen die Forscher unter anderem Farbstoffe auf Algenbasis ausprobieren und hartnäckige Kunststoffverbindungen aufdröseln, um die Grundstoffe wiederverwerten zu können.
Mit dem rund 5 m langen und 3 m breiten Doppelschneckenextruder kann das Team um Johannes Brikmann und Laborleiter Professor Dr. Bruno Hüsgen Prozesse der Kunststoffproduktion realistisch nachbilden. „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 des Compounders.
„Das Besondere bei diesem Compounder ist, dass wir nicht nur alle industriell verwendeten Additive zumischen können, sondern auch neue Additive auf Pflanzenbasis ausprobieren können, die eine schonende Temperaturführung benötigen“, weist Bruno Hüsgen auf ein weiteres Charakteristikum des Extruders hin – ideal für die Entwicklung nachhaltiger Kunststoffe.
Biopolymere und Recycling machen Kunststoffe nachhaltig
Ein aktuelles Beispiel für die Forschung der Arbeitsgruppe 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“, erklärt Brikmann, der gerade an seiner Promotion sitzt, den Entwicklungsprozess. Auch in technischen Bauteilen mit kurzer Halbwertzeit oder als Verpackung von Medizinprodukten mit meist kurzer Lebensdauer könnte der gleichermaßen zähe wie hitzebeständige Polymer Anwendung finden.
Versuche zum Recycling bisher kaum recycelbarer Kunststoffe
Ein weiterer Ansatz des Teams um Hüsgen und Brikmann ist die Verlängerung von Kunststoff-Lebenszyklen durch Recycling. Dafür haben sie sich mit der Gruppe der Elastomere einen bisher eher „schwierigen Kandidaten“ 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.
Genau deshalb bleibt für Elastomerprodukte am Ende ihrer Nutzung bisher vor allem das Downcycling: Aus einem abgefahrenen Autoreifen wird so beispielsweise bestenfalls 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. Für Bruno Hüsgen und sein Team ein nicht hinnehmbarer Zustand: „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.“
Für echte Nachhaltigkeit alle Komponenten betrachten
Um wirklich nachhaltig zu wirken, muss ein solcher Kreislauf aber nicht nur den Hauptwerkstoff in den Blick nehmen. Auch alle anderen Komponenten eines Endprodukts müssen dann ohne den Einsatz neuen Kunststoffs auf Erdölbasis auskommen. Dazu zählt zum Beispiel auch das Einfärben der entstehenden Kunststoffe. Denn auch Farben und Lacke basieren vielfach auf Erdölprodukten. Das ist der Einsatz für Tessa Strümpfler und Dr. Thomas Zimmermann. Die beiden gehören zum Team der AG von Prof. Dr. Anant Patel, Verfahrenstechniker und HSBI-Vizepräsident für Forschung und Entwicklung, und beschäftigen sich eigentlich mit der Erforschung neuer Pflanzenschutzmittel.
Häufig dreht sich ihre Arbeit um die unterschiedlichen Eigenschaften von Algen. Heute interessieren sie sich aber vor allem für die Technik des Doppelschneckenextruders, weil er der Gruppe bei ihren aktuellen Forschungsvorhaben ebenfalls gute Dienste erweisen könnte. In ihrer Forschung an Blaualgen entwickelte die AG ein Verfahren, mit dem sie aus Algen einen natürlichen und leicht abbaubaren Farbstoff gewinnen kann. 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.
Arbeit am Doppelschneckenextruder fördert ungeahnte Synergien
„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 der Hochschule Bielefeld 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. gk
Passend zu diesem Artikel
Für Forschungen zu Aufbereitung und Recycling von Kunststoffen haben die TU Illmenau und das TITK in einen hochmodernen Doppelschneckenextruder investiert.
