Studiengang Umweltschutztechnik
Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte und Abfallwirtschaft
Universität Stuttgart
ABFALLTECHNISCHES SEMINAR
WiSe 1999/2000

Seminararbeit

ABBAUBARE KUNSTSTOFFE

Inhaltsverzeichnis

1 EINLEITUNG  1

2 ARTEN DER ABBAUBARKEIT VON POLYMEREN  1
2.1 Wasserlösliche Kunststoffe  1
2.2 Photochemisch abbaubare Polymere  2
2.3 Biologisch abbaubare Polymere  2

3 BIOLOGISCH ABBAUBARE KUNSTSTOFFE  3
3.1 Rohstoffe zur Herstellung von bioabbaubaren Kunststoffen  3
3.2 Verarbeitung von biologisch abbaubaren Werkstoffen  4
3.3 Einsatzbereiche biologisch abbaubarer Kunststoffe  5
3.4 Marktpotential für biologisch abbaubare Produkte  6
3.5 Rechtliche Rahmenbedingungen  7

4 ZUSAMMENFASSUNG  8

5 ANLAGEN  9
5.1 Anlage: Analoge chemische Strukturen natürlicher und synthetischer bioabbaubarer Polymere  9
5.2 Anlage: Wesentliche Parameter , die die Fähigkeit zum biologischen Abbau beeinflussen  9
5.3 Anlage: Rohstoffbasis zur Herstellung biologisch abbaubarer Polymere  10
5.4 Anlage: Überblick über die heute verfügbaren BAW-Werkstoffgruppen  11
5.5 Anlage: Kreislaufwirtschaft mit BAW- Produkten auf Basis nachwachsender Rohstoffe  12
5.6 Anlage: Anwendungsbereiche von biologisch abbaubaren Kunststoffen  13
5.7 Anlage: Produktpreise und Gesamtpreise für biologisch abbaubare Polymere  14
5.8 Anlage: Produktbeispiele für einige bekannte biologisch abbaubare Werkstoffe  15
5.9 Anlage: Rechtliche Rahmenbedingungen für biologisch abbaubare Verpackungen  16
5.10 Anlage: Der Weg biologisch abbaubarer Verpackungen in die Biotonne  17
5.11 Anlage: Kompostlogo nach DIN CERTCO  17

6 LITERATURVERZEICHNIS  18

7 GLOSSAR  20

1 Einleitung

In der zweiten Hälfte des letzten Jahrhunderts stieg die Produktion von Kunststoffen und synthetischen Fasern rapide, so dass das gesamte weltweite Produktionsvolumen von Kunststoffen das von Stahl heute überschreitet //Guillet 1997//. Kunststoffe wurden zum wesentlichen Material des industriellen Fortschritts und des modernen Konsums, beispielsweise bei Elektrogeräten, im Flugzeugbau, bei Haushaltsgeräten, Tragetaschen, Containern und verdrängten zum Teil gleichzeitig traditionellere Werkstoffe wie Stahl, Aluminium, Papier und Glas.

Der heutige Konsument ist informiert über Umweltprobleme, wobei unter den verschiedenen Themen des Umweltschutzes die Abfallwirtschaft in der Öffentlichkeit als eines derjenigen wahrgenommen wird, das scheinbar noch nicht über durchweg günstige und gesellschaftlich konsensfähige Lösungen verfügt. Die Öffentlichkeit möchte umweltgerechte recyclingfähige oder abbaubare Materialien, wobei als besonderes Problemfeld die Fülle an Kunststoffabfällen erscheint. In Westeuropa machen heute Kunststoffe im Haushaltsabfall zwar lediglich ca. 5 Gew.% aus, dies entspricht aber immerhin 25-30 Vol.% des Abfallstroms //C.A.R.M.E.N. 1998//, folglich also einen gut sichtbaren Anteil, wobei es sich vorwiegend um kurzlebige Verpackungsmaterialien handelt.

Mit der Bereitstellung von gezielt abbaubaren Werkstoffen wurde erstmals im Lauf der industriellen Entwicklung eine Werkstoffgruppe direkt im Hinblick auf ihre Entsorgbarkeit entwickelt. //Schroeter 1997//. Abbaubare Kunststoffe sind heute aus wirtschaftlicher Sicht noch weitgehend unbedeutend, bergen aber ein großes Potential, da sie einerseits aus Sicht der Abfallwirtschaft geeignet sind, Stoffkreisläufe zu schließen und andererseits dem Konsumenten ein gutes Gefühl vermitteln.

2 Arten der Abbaubarkeit von Polymeren

Bei Kunststoffen war die Eigenschaft der Abbaubarkeit ursprünglich unerwünscht, da sie ja gerade mit der Zielsetzung einer möglichst hohen Beständigkeit gegenüber Umwelteinflüssen wie Feuchtigkeit, Wärme, UV-Licht, entwickelt wurden. Testmethoden zur Kunststoffprüfung zielten primär auf den Nachweis ihrer Resistenz gegenüber Mikroorganismenbefall. Ein Abbau wurde negativ besetzt mit dem Begriff der „Biokorrosion“, der herangezogen wurde zur Beschreibung von mikrobiellem Bewuchs, aber auch von physikalischen Veränderungen des Materials, beispielsweise Verfärbung, Versprödung, Verminderung der mechanischen Festigkeit //Witt 1997//.

Bei allen Abbauvorgängen erfolgt eine Zerlegung der Originalsubstanz in kleinere Bruchstücke bzw. eine Änderung der ursprünglichen Materialstruktur. Als grundsätzliche Mechanismen kommen in Betracht: a) biotische Abbauvorgänge infolge mikrobieller Aktivität und b) abiotische Abbauvorgänge beruhend auf chemischem Ursprung (z.B. chemische Hydrolyse), photochemischer Oxidation (Lichteinfluss), thermooxidativem Ursprung (Temperatureinfluss), physikalischem Zerfall (mech. Einflüsse, z.B. Abrieb infolge Reibung) //Streff 1998//. In der Regel ist eine eindeutige Trennung der Mechanismen in der Praxis nicht möglich.

Die Klassifizierung von unter natürlichen Bedingungen abbaubaren Kunststoffen kann wie folgt in Anlehnung an die den Abbau auslösenden Einflüsse erfolgen //nach Utz 1991; Gotzmann 1998//:

• wasserlöslich

• photochemisch abbaubar

• biologisch abbaubar

2.1 Wasserlösliche Kunststoffe

Wasserlösliche Kunststoffe lösen sich im Wasser auf. Dabei können die Polymerketten erhalten blei-ben, durch Hydrolyse gespalten werden oder biologisch abgebaut werden. Die Bedingungen einer biologischen Kläranlage reichen häufig nicht für einen vollständigen Abbau aus //Gotzmann 1998//, wobei ein weiterer Abbau im Klärschlamm, z.B. bei einer anschließenden Behandlung, oder im Boden erfolgen kann, wenn dieser als Dünger ausgebracht wird //Witt 1997//.

Basis für wasserlösliche Kunststoffe sind Acrylate, Alkohole, Hydroxy-Propyl- oder Ethyl-Cellulose und Polyethylenoxid //Gotzmann 1998//. Von Mikroorganismen abgebaut werden kann beispielsweise Polyvinylalkohol //Utz 1991//. Wasserlösliche Polymere findet man in Bereichen, in denen genau diese Eigenschaft erwünscht ist, beispielsweise als Folie um WC-Steine, Badeperlen, Wattestäbchen. Beim Umgang mit Chemikalien und Pestiziden muss so die direkte Verpackung der Dosiereinheit nicht entfernt werden, wodurch ein unmittelbarer Kontakt mit diesen Chemikalien vermieden wird. Allerdings ist immer eine zusätzliche Verpackung zum Schutz vor Feuchtigkeit nötig.

2.2 Photochemisch abbaubare Polymere

Bei photochemisch abbaubaren Polymeren werden die Polymerketten durch Sonnenlicht (UV-Strah-lung) zu kürzeren Molekülketten abgebaut, die weiter zersetzt werden können durch Mikroorganismen (biologischer Abbau) oder fortschreitenden Photoabbau. Die den Abbau initiierenden Gruppen befinden sich entweder in der Polymerkette (Copolymere, z.B. Ethylen/ Kohlenmonoxid, Ethylen/-Vinylketone, Styrol/Vinylketone), oder es erfolgt ein Zusatz von Additiven, die einen Photoabbau be-wirken(z.B. Polyolefine mit Additiven) //Utz 1991//. Während des Gebrauchs muss ein vorzeitiger Abbau verhindert werden. Zu beachten ist auch, dass in Mülldeponien kein Zerfall erfolgen kann.

Photochemisch abbaubare Polymere werden zum Beispiel in der Landwirtschaft eingesetzt (Mulch-folien), aber auch als Tragetaschen und Gebindehalter für Getränkedosen in den USA //Utz 1991//. Bereits Mitte der 70er Jahre wurden in den USA die ersten abbaubaren Mulchfolien auf der Basis von Stärke entwickelt //Streff 1998//, heute finden sie breiten Einsatz in der Landwirtschaft. Entstehende Spaltprodukte sollten biologisch abbaubar sein. Ein weiteres sehr erfolgreiches Beispiel aus den USA ist der Gebindehalter Hi-ConeTM für sechs konventionelle Getränkedosen. Seit ungefähr zehn Jahren verlangen einige US Staaten, z.B. Kalifornien, dass solche Gebindehalter für Six-packs aus photoab-baubarem Material bestehen, da sie häufig unkontrolliert in die Umwelt gelangen und außerdem Vögel gefährden, die sich in den Ringen verfangen. Bei dem photoabbaubaren Gebindehalter handelt es sich um ein Copolymer aus Ethylen mit ca. 1% Kohlenmonoxid, der nach ungefähr 3 Wochen Tageslicht in kleine Teile zerfällt, von denen angenommen wird, dass sie biologisch abbaubar sind //Guillet 1997//.

2.3 Biologisch abbaubare Polymere

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