Biobased materialen College 30 september 2013 VHL Karin Molenveld (karin.molenveld@wur.nl)
Inhoud Introductie Wat zijn biopolymeren Hernieuwbaar (biobased) Biologisch afbreekbaar/composteerbaar Stand van zaken Voorbeelden van bioplastics Voorbeelden van producten
Introductie Focus van de presentatie Overeenkomsten met traditionele plastics Verschillen met traditionele plastics Diepgang van de presentatie Overzicht Aansluiting met andere onderwerpen/presentaties Nadruk op thermoplastics Thermosets meer onder bouwstenen
Wat zijn bioplastics? Door de mens gemaakte of verwerkte polymeren, afgeleid van biologische grondstoffen Term wordt regelmatig ook gebruikt voor biologisch afbreekbare plastics Niet afbreekbaar Afbreekbaar Petrochemisch PE, PP PS, PET PVC, PC PBAT PCL PBS Biobased Eco-LDPE Nylon 11 PLA PHA s TPS
Biobased plastics Biobased of hernieuwbare polymeren zijn polymeren waarvan de grondstoffen direct of indirect afkomstig zijn uit de natuur Classificatie van hernieuwbare polymeren: (gemodificeerde) Natuurlijke polymeren (zetmeel, cellulose) Direct uit micro-organismen of gemodificeerde gewassen (PHA s ) Uit biobased bouwstenen (bijv. via fermentatie, PLA)
Waarom biobased? Verminderde afhankelijkheid van aardolie Duurzaamheid, verminderde CO 2 uitstoot Specifieke of soms betere eigenschappen (Soms afbreekbaarheid) Prijs?!
Bioafbreekbare plastics Biodegradatie: afbraak gekatalyseerd door biologische activiteit (micro-organismen) leidend tot mineralisatie en/of biomassa Afhankelijk van milieu Bodem (soil burial) Water, zeewater Anaeroob (vergisting), Compostering (industrieel of thuis) Standardisatie en certificering is heel belangrijk! Eisen aan composteerbare producten staan beschreven in EN13432
Wanneer biodegradeerbare producten? Biodegradatie is een functioneel voordeel (groen-afval zak) Biodegradatie is een wettelijk vereiste Recycling is onmogelijk of te duur (landbouwtoepassingen) (Beste prijs/prestatie verhouding (PLA vezels))
Ontwikkeling van bioplastics Tijdlijn biopolymeren ~1900 ontwikkeling eerste (biogebaseerde) polymeren Na WOII opkomst van de petrochemische polymeren Sinds ~1980 nieuwe interesse in biopolymeren met focus op biologische afbreekbaarheid Sinds ~2000 focus op biogebaseerde polymeren
Ontwikkelingsstadia van biobased plastics Biobased PE Gedeeltelijk biobased PHA s PEF Nylon 6,10 Nylon 10,10 PUR PEIT PP PBS PET PC PBS UP PVC PET PTT Zetmeel blends PLA Alkyd harsen Nylon 11 Geregenereerd cellulose R&D Pilot schaal Commercieel Uitontwikkeld
Overstappen op bioplastics Vervanging traditionele materialen? (drop-inn) BioPE BioPET... Invoering nieuwe materialen? PLA PHA s... Functionaliteiten? Eigenschappen Afvalfase
Typen bioplastics Drop-inn BioPE BioPET PLA Zetmeelplastics PHA s Cellulose plastics Overigen
BioPE Braskem (Brazilië), PE uit suikerriet Voordelen Zelfde materiaal als traditioneel PE Recycling met petrochemische PE Minder uitputting fossiele grondstoffen Verminderde CO 2 uitstoot Nadeel Zelfde materiaal als traditioneel PE
Toepassing biope
BioPET Voordelen Zelfde materiaal als tradioneel PET Recycling met PET Minder uitputting fossiele grondstoffen Verminderde CO 2 uitstoot
PLA (polymelkzuur) Biobased en biologisch afbreekbaar Diverse producenten, veel grades, ~150 kton/jaar Prijs < 2 /kg, één van de goedkoopste bioplastics Goede mechanische eigenschappen Transparant, glossy Verwerkbaar via diverse technieken Toepassingen; vezels, folies, thermoform producten
PLA (polymelkzuur) PLA is een familie van copolymeren van L en D melkzuur Meeste grades 90-99% L en 1-10% D melkzuur Amorf tot kristallijn Tg ca. 55 C, Tm 150-170 C Kristallisatie relatief langzaam MFI 2-40 g/10 min (@190 C, 2.16 kg) Polyester, dus drogen voor gebruik
PLA; onderzoeksonderwerpen Smeltsterkte/verwerkingsmogelijkheden Blaasfolies, (extrusie)schuimen Weekmakers/lawaaierige folie Mechanische eigenschappen, Impact eigenschappen Kristallisatiesnelheid, verhogen HDT Hydrolytische stabiliteit Recycling
Hitte stabiel PLA; stereo complex PLA PLLA/PDLA blends sc-pla kristallen als nucleating agent for PLLA Snellere kristallisatie Hoger percentage kristalliniteit Verbeterde thermische eigenschappen Hogere sterkte en stijfheid
Voorbeeld; PLA als engineering plastic Sicco de Vos (Purac), Bioplastics conference 2010, Düsseldorf
Voorbeeld; toevoeging van chain extender
Toepassing; PLA folies 100% biobased Composteerbaar Retail Transparant Specifieke barrière eigenschappen Verpakte sla langer houdbaar Uitstekende krimpeigenschappen
Toepassingen; 3D-geschuimde structuren Expandable bead techniek Goede celstructuur Dichtheid <30 g/l
Zetmeelplastics (gedeeltelijk) biobased, snel biologisch afbreekbaar Diverse producenten, veel grades, ~150 kton/jaar Prijs 2.5-4 /kg (prijs bepaald door toevoegingen) Goede mechanische eigenschappen Niet transparant, vochtgevoelig Goed verwerkbaar Antistatisch Toepassingen; folies
Zetmeelplastics Zetmeel plastics zijn complexe blends van zetmeel met andere biologisch afbreekbare plastics, compatibilisers, weekmakers etc. Water is een essentieel onderdeel van de complexe blends Andere toevoegingen zijn bijvoorbeeld glycerol, PLA, Ecoflex, PCL Veel variaties in toevoegingen en ook type zetmeel en dus eindeigenschappen
Zetmeelplastics; onderzoeksonderwerpen Compatibilisatie van blends Minder water gevoelig maken Percentage zetmeel verhogen (goedkoper maken) Eigenschappen verbeteren Gebruik van zetmeel reststromen Verhogen van de HDT van zetmeelblends Voedselcontact toepassingen
Voorbeeld; compatibilisatie van blends Zetmeel/polyester blends met compatibilisers Co-continu systeem Verbeteren eigenschappen; helderheid, taaiheid Kosten reductie; verhogen zetmeelgehalte
Toepassingen zetmeelplastics Toepassingen in de tuinbouw waar recycling moeilijk en kostbaar is PlayMais is inventief gebruik van watergevoeligheid Paperfoam; zetmeelschuim Paragon; hondenbotjes
PHA s Biobased en snel biologisch afbreekbaar Diverse aanbieders, wereldwijd Prijs > 3.5 /kg Goede mechanische eigenschappen Hydrofoob Hoge gebruikstemperatuur (HDT) Niet transparant
PHA s PHA s zijn een familie van alifatische polyesters (met verschillende lengte zijketens) die worden geproduceerd door micro-organismen Meest bekend zijn PHB (polyhydroxybutyraat) en PHBV (polyhydroxybutyraatvaleraat) Eigenschappen afhankelijk van zijketens van rubberachtig tot semikristallijn met een smeltpunt van 175 C
PHA s; onderzoeksonderwerpen Goedkopere productieroutes Opschaling en down-stream processing Verbeteren smeltsterkte Blends met andere biopolymeren Applicatieonderzoek
Cellulose (derivaten) Biobased, biologisch afbreekbaar Enkele aanbieders Prijs >4 /kg Goede mechanische eigenschappen, taai Hoge gebruikstemperatuur (HDT) Mooi uiterlijk (transparant, glossy) Gebruik weekmaker
Cellulose acetaat; onderzoeksonderwerpen Prijsreductie Productie routes Stabiliteit tijdens verwerking (in hot-runner systemen) Minder vluchtige weekmakers Nieuwe applicaties Nieuwe blends
Cellulose acetaat; toepasssingen Waar toepassen Hoogwaardige toepassingen Hitte bestendig, taai, transparant Nu: brilmonturen, handvaten van gereedschap, beeldschermen Hypo allergeen Voelt prettig aan Mooie glans Goed te kleuren (effecten) Taai
Alifatische polyesters PCL; niet biobased, wel biologisch afbreekbaar, toegepast in blends PBAT (Ecoflex); niet biobased, wel biologisch afbreekbaar, toegepast in blends PBS(A); in de nabije toekomst biobased, wel biologisch afbreekbaar, relatief nieuw
Overige biobased plastics Type Producent Toepassing Grondstof Nylon 11 Arkema Automobiel Castorolie Pbax Rnew (TPE) Arkema o.a. Leisure Castorolie Sorona (PTT) Dupont Tapijtvezels Maïs, 1-3 propaandiol Zytel Nylon10,10 Dupont Automobiel Castorolie EcoPaXX Nylon4,10 DSM Automobiel Castorolie Palapreg Eco, UP DSM Composieten Castorolie Gaïalene Roquette Packaging PE-zetmeel graft
Sterktes en zwaktes diverse biopolymeren PLA Zetmeel blends PHA CA PBS Biobased ++ +/- ++ + -- Bioafbreekbaar + ++ ++ +/- + Transparant ++ - - ++ - HDT +/- - ++ ++ + Prijs ++ + - - - Stijf ++ +/- + ++ -
Optimalisatie van de eigenschappen Blends PLA/Ecoflex=Ecovio; betere scheursterkte, flexibiliteit PLA/PHA; goede compatibiliteit, betere processing PLA/PC; hybrides; hoge T eigenschappen PLA; goedkoop en stijf Ecoflex; scheursterkte PHA; afbreekbaarheid, HDT PBS; HDT, impact
Optimalisatie van de eigenschappen Additieven; Kleurstoffen Impact modifiers Smeltsterkte verbeteraars; chainextenders Nucleating agents Weekmakers Biobased content? Afbreekbaar
Optimalisatie eigenschappen Vulmiddelen Krijt; Calcium Carbonate Goedkoop Talc Mechanische eigenschappen Kristallisatie, nucleating agent Natuurlijke vezels Mechanische eigenschappen Effecten, uiterlijk
Vragen?!