Toepassing van PHA s: overzicht & ervaringen

Transcriptie

1 Toepassing van PHA s: overzicht & ervaringen Gerald Schennink 17 december 2013 Wageningen UR Food & Biobased Research

2 Toepassing van PHA s Inhoud Bioplastics & PHA s Huidige (commerciёle) toepassingen Nieuwe mogelijkheden met PHA s

3 Bioafbreekbare plastics Ontwikkeld in de afgelopen 25 jaar: Op zetmeel gebaseerde plastics Op cellulose gebaseerde materialen Afbreekbare polyesters - PBAT: Ecoflex - PBS, PBSA: Bionolle,GS-PLA - PHA: Mirel, Enmat, Sogreen - PLA: Ingeo, Synterra, Hisun Overige

4 Productiecapaciteit bioafbreekbare polymeren (2011) Belangrijkste bedrijven (1) Polymelkzuur-materialen ton/jaar Futerro... België Nature Works LLC Ingeo polymer USA uitbreiding gepland Purac Lactide customers Diverse Europa/Azië. diverse in opstartfase Zhejiang Hisun Biomaterials C. Hisun China uitbreiding gepland Op zetmeel gebaseerde materialen Biotec Biol. Nat. Verp. GmbH Bioplast Duitsland > Biop Biopolymer Techn. AG Biopar Duitsland Cardia Bioplastics Ltd. Cardia compostable China Cereplast Inc. Cereplast compostable USA > Limagrain Céréales Ingrédients Biolice Frankrijk Novamont SpA Mater-bi Italië Plantic Technologies Ltd. Plantic Australië Rodenburg Biopolymers B.V. Solanyl Nederland Wuhan Huali Env. Ltd. PSM China Op cellulose gebaseerde materialen Celanese/Clarifoil Clarifoil Engeland.. FKUR Biograde Duitsland Innovia films Natureflex Engeland

5 Productiecapaciteit bioafbreekbare polymeren (2011) Belangrijkste bedrijven (2) Poly hydroxy alkanoaten Biomer Biomer Duitsland... Ecomann Ecomann China uitbreiding tot ton Kaneka Aonilex Japan uitbreiding tot ton Metabolix Mirel USA.... opstartfase (opnieuw) Meredian.. USA 14 uitbreiding > ton PHB Industrial SA Biocycle Brazilië 50 uitbreiding tot 3000 ton Tianan Enmat China TGBM SoGreen China Bioafbreekbare polyesters BASF Ecoflex Duitsland Mitsibishi Chemical GS Pla Japan Showa Denko Bionolle Japan Solvay/Perstorp CAPA Engeland... Xingfu Pharm Biocosafe China

6 PHA (polyhydroxy alkanoaat) Voor: 100 % hernieuwbaar Voor: (biologisch) afbreekbaar in vrijwel alle milieus (compost, (koude) grond, water) Voor: voor bio-afbreekbare materialen relatief hydrofoob Voor: grote variatie in eigenschappen mogelijk Tegen: materiaal moet geoogst worden Tegen: op dit moment nog duur Tegen: competitie tussen taaiheid vs kristallisatiesnelheid Tegen: weinig smeltsterkte

7 PHA families Algemene struktuur van Polyhydroxy- alkanoaat (PHA) PHB (Polyhydroxy-butyraat 4 koolstof atomen in keten) PHV (Polyhydroxy-valeraat 5 koolstof atomen in keten) PHH (Polyhydroxy-hexanoaat 6 koolstof atomen in keten) P3HB P4HB meer koolstofatomen in keten scl-pha < mcl-pha < lcl-pha

8 PHA (polyhydroxy-alkanoaat) Huidige (commerciёle) toepassingen Hernieuwbare thermoplast Uitdagingen Prijs Verwerkings- en mechanische eigenschappen Waar potentie? Produkten die anders niet gemaakt kunnen worden bijv. water-afbreekbaar PHA als functioneel additief Uitdagingen Constantheid product & stabiliteit Nieuw, dus nog veel onderzoek nodig Waar potentie? Programmeerbare eigenschappen

9 PHA (polyhydroxy-alkanoaat) Huidige (commerciёle) toepassingen: thermoplasten PHA-type (A. Eutrophus) Mw (gram/mol) Mw/Mn Tg ( C) Tm ( C) PHB Up to Poly(3HB-co-3HV) 15 mol% 3HV Poly(3HB-co-3HV) 28 mol% 3HV

10 PHA (polyhydroxy-alkanoaat) Spuitgietproducten PHB/PHBV: waarom?? + Kristalliseren (relatief) snel, dus korte cyclustijden: meer HV geeft langzamere kristallisatie + (Relatief) lage viscositeit, dus dunne wanden mogelijk + Oudst, dus meest van bekend Mechanische eigenschappen Meer specifieke PHA copolymeren of blends

11 Mechanische eigenschappen van PHA s Buig modulus (MPa) PHB PLA PHBV PETS PHBH 3HH=7% PHBH 3HH=11% PP HDPE Rek bij breuk (%) PBAT LDPE PBS PCL Bron: Kaneka Corporation

12 PHA (polyhydroxy-alkanoaat) Huidige (commerciёle) toepassingen: thermoplasten Folies / films / thermovormproducten P(3HB-co-4HB): waarom?? + Breder smelttraject dan traditionele typen, dus meer processing window + Meer smeltsterkte dan traditionele types Smeltsterkte / processing window nog steeds een kritisch punt Meer specifiek PHA copolymeren of blends

13 PHA (polyhydroxy-alkanoaat) Huidige (commerciёle) toepassingen: functioneel additief Programmering afbraaksnelheid biomaterialen PVC additief Weekmaker Impact modifier Foto s van

14 Functionele additieven op basis van PHA Geprogrammeerde afbraak C C Industriële Compostering Thuis composteren Bodem Zoet water Zee water Bacteriёn en schimmels Bacteriёn PHA is afbreekbaar onder al deze omstandigheden Exacte snelheid is mede afhankelijk van: Type PHA Kristalliniteit.. PLA zonder PHA PLA met PHA

15 Functionele additieven op basis van PHA PVC additieven Bron:

16 Nieuwe toepassingen op basis van PHA Nieuwe toepassingen: high(er) value additives PHA s als bron voor specifieke building blocks: diverse C3 & C4 chemicaliёn bijv. Butaandiol PHA s als bron voor componenten op gebied van rubber & verf (mcl-pha s: bijv. P3HH): reactieve additieven

17 Mcl-PHA Producten WUR FBR (1) Halffabrikaat-producten: Oplosmiddel geёxtraheerd PHA PHA in latex vorm Gepelleteerd PHA Als verfbinder: Als latex (in water) Als component in high solid paints (low voc) - zeer flexibel - hoge glans - sterke adhesie - goede hardheid Als kaascoating (latex) Eigenschappen (e.g. uitdrogingsgedrag) vergelijkbaar met commerciёle coatings

18 Mcl-PHA Producten WUR FBR (2) PHA-type (A. Eutrophus) Mw (gram/mol) Mw/Mn Tg ( C) Tm ( C) PHB Poly(3HB-co-3HV) 15 mol% 3HV Poly(3HB-co-3HV) 28 mol% 3HV Up to PHA-type (P. Putida) Grown on Mw (gram/mol) Mw/Mn Tg ( C) Tm ( C) Coconut fatty acids Oleic fatty acids Tall oil fatty acids Linseed oil fatty acids

19 Mcl-PHA Producten WUR FBR (3) Nieuwe toepassingen op basis van PHA Onverzadigdheden kunnen worden gebruikt voor: Crosslinking Vulcanisatie Oxidatieve crosslinking Chemical modificatie dihydroxy carboxy epoxy etc.

20 Toepassingen PHA s Aandachtspunten ontwikkeling toepassingen voor PHA s Constantheid van product & (thermische) stabiliteit (in de tijd) zijn essentiële factoren in een geslaagde productontwikkeling Beschikbaarheid voldoende hoeveelheden gereed PHA (incl. DSP) is veelal een bottleneck bij productontwikkeling Denk eerder aan toepassingen als additief dan als 100 % thermoplast: programmeerbare eigenschappen vs prijs

21 Vragen?! Acknowledgements Deze presentatie was niet mogelijk geweest zonder de bijdrage van Karin Molenveld (senior scientist polymeer- technologie), Hans Mooibroek (senior scientist bioconversie), Gerrit Eggink (initiator PHA onderzoek WUR-FBR) en vele anderen.