Bioplastics4U : keuzetool Bioplastics (Concept) Opmerkingen bij versie 1.0 Deze versie 1.0 is een concept dat gelanceerd is tijdensde Dutch Design Week in Eindhoven 2014. Het is besproken met gebruikers op 20-10-14. De toen gemaakte opmerkingen moeten nog worden verwerkt. Als u op- en aanmerkingen heeft bij deze versie wilt u dan zo vriendelijk zijn om contact op te nemen met Matthijs de Jong, docent-onderzoeker aan de Hogeschool van Amsterdam, bereikbaar op m.a.de.jong2@hva.nl? Welk bioplastic lijkt het meest geschikt te zijn voor mijn toepassing? Deze tool beoogt een hulpmiddel te zijn om voor uw toepassing een geschikte bioplastic kiezen. Na een uiteindelijk verkregen bioplastic optie is optimalisatie/specificering van de juiste grade met de juiste additieven en procesomstandigheden nog nodig. Ook een blend/combinatie van 2 bioplastics kan de oplossing voor een specifiek product zijn. De term bioplastic kan voor flink wat verwarring zorgen. Dit komt doordat het niet alleen gebruikt wordt voor hernieuwbaar of biobased plastic als tegenhanger van olie-gebaseerd plastic, maar ook voor bio-afbreekbare plastics. Terwijl sommige olie-gebaseerde plastics toch bio-afbreekbaar zijn en sommige biobased plastics niet! De term biobased of hernieuwbaar verwijst naargrondstoffen uit bronnen zoals planten en gewassen die door de natuur opnieuw gegenereerd worden en dus niet uitgeput raken. De term bio-afbreekbaarheid verwijst naar een proces waarbij een productafgebroken wordt door de natuurlijke activiteit van micro-organismen, zoals bacteriën en schimmels tot kooldioxide (CO 2 ), water en natuurlijke mineralen. Page 1 of 15
Bioafbreekbaar product [%] Versie : 1.0 In onderstaande figuur staan de verschillende bioplastics uitgezet in het spectrum van deze 2 verschillende termen. 100 PHA Ecoflex TPS PLA CDA 50 0 biopet PA-11 biope PEF biopp 0 20 40 60 80 100 Biobased Grondstof [%] Rechtsbovenin (in groen) de figuur zijn de bioplastics zowel hernieuwbaar als bio-afbreekbaar. Rechtsonderin (in rood) zijn de bioplastics wel hernieuwbaar, maar niet bio-afbreekbaar. Linksbovenin (in blauw) zijn de bioplastics niet hernieuwbaar, maar wel bio-afbreekbaar. In het midden (in geel) zijn de bioplastics gedeeltelijk hernieuwbaar en niet volledig bioafbreekbaar. Waarom wil ik een biobased en/of biodegradeerbaar plastic gebruiken (ter oriëntatie)? Hieronder zijn enkele motieven gegeven om voor een biobased en/of biodegradeerbaar plastic te kiezen. Het is belangrijk om zich te realiseren welke eigenschappen een eis zijn en welke een wens zijn. Dit beperkt of vergroot juist de mogelijke opties voor een bioplastic. Hernieuwbaarheid, verminderde afhankelijkheid van aardolie, CO 2 -emissie reductie. Groene regelgeving, imago, consumentenvraag. Afbreekbaarheid, recycling is onmogelijk of te duur, toenemende afvalprijzen. Lagere kostprijs (door gebruik te maken van biobased vullers of door minder handelingen (personeelskosten)). Toenemende competitie, marktvergroting/vernieuwing. Overige specifieke eigenschappen van biobased en/of biodegradeerbare plastics. Page 2 of 15
Uitleg gebruik keuzetool Deze tool is geschikt voor oriëntatie op uw specifieke toepassing en om een aantal materiaalopties te bepalen die getest kunnen worden. Aan de hand van 10 onderscheidende vragen wordt bepaald welke bioplastics geschikt zouden kunnen zijn. Er zijn ondertussen vele soorten en grades met verschillende additieven, maar om deze tool zo simpel mogelijk te houden is uitgegaan van een standaard grade uit beperkte keuze aan bioplastics. Uit welke biobased en/of biodegradeerbare plastics kan ik kiezen in deze keuzetool? Afkorting Volledige naam Grondstof Voorbeelden PLA Poly-lactic acid, polymelkzuur Gebaseerd op suikers uit Verpakkingen bijvoorbeeld maïs T-shirts PHA Poly-hydroxy-alkanoaten Gemaakt door bacteriën Shampooflessen Wegwerpartikelen TPS Thermoplastic starch, Gebaseerd op zetmeel uit Loose-fill schuimen thermoplastisch zetmeel bijvoorbeeld aardappelen Draagtassen CDA Cellulose di-acetaat, Gebaseerd op cellulose uit Textiel thermoplastisch cellulose derivaat bijvoorbeeld hout Handvatten PA-11 poly-amide-11, nylon-11 Gebaseerd op castor-olie Hydraulische leidingen Kabels PEF Poly-ethyleenfuranoaat Gebaseerd op plantaardige Verpakkingen suikers Flessen biopet bio-poly-ethyleen-tereftalaat Ethyleen is gebaseerd op Als PET suikerriet Coca-Cola Plant Bottle biope bio-poly-ethyleen Gebaseerd op suikerriet Als PE biopp bio-poly-propyleen Gebaseerd op suikerriet Als PP Ecoflex merknaam van een alifatisch polyester Gebaseerd op aardolie Vuilniszakken Wegwerpartikelen Deze bioplastics geven naast een range van plastics van natuurlijke polymeren, op basis van natuurlijke grondstoffen of op basis van aardolie, ook een range in bioafbreekbaarheid. Op deze wijze is geprobeerd een mogelijkheid van een bioplastic te hebben voor de meeste toepassingen. Page 3 of 15
Welke eigenschappen zijn voor mijn toepassing van belang? 1. Biobased plastic? Moet het bioplastichernieuwbaar (niet-aardolie gebaseerd) zijn? Is een verminderde afhankelijkheid van aardolie van belang? 100% biobased Gedeeltelijk biobased 0% biobased Er zijn certificaten mogelijk voor het gehalte aan biobased materialen. Wanneer een certificaat ontbreekt, wil dat nog niet altijd zeggen dat het materiaal niet biobased is; de fabrikant kan er ook voor gekozen hebben geen (duur) certificaat aan te vragen. In de praktijk zijn combinaties van plastics mogelijk: bijv. PLA met Ecoflex om de taaiheid van PLA te verbeteren, zetmeel met Ecoflex of PLA om de waterresistentie van zetmeel te verbeteren, etc. BioPE, biopp en biopet hebben dezelfde eigenschappen als normaal PE, PP of PET. De grondstoffen komen echter uit suikerriet i.p.v. aardolie. Hoewel ze wel bioplastics genoemd worden, zijn ze niet bio-afbreekbaar. 2. Biodegradeerbaar plastic? Moet het product biodegradeerbaar zijn? En in welke omgeving? Of juist niet? Niet biodegradeerbaar Composteerbaar In de grond biodegradeerbaar In water biodegradeerbaar Cellofaan Er zijn certificaten mogelijk voor het gehalte aan biobased materialen of de afbreekbaarheid in verschillende omgevingen (industriële compostering, thuis compost, in de grond, in water). Wanneer een certificaat ontbreekt, wil dat nog niet altijd zeggen dat het materiaal/product niet afbreekt; de fabrikant kan er ook voor gekozen hebben geen (duur) certificaat aan te vragen. Page 4 of 15
Zogenaamde oxo-degradables worden hier niet genoemd: dit zijn additieven voor bijvoorbeeld PE waarbij het hoog-moleculaire PE wordt afgebroken onder invloed van UV of zuurstof tot laagmoleculair PE dat microscopisch klein is maar even schadelijk of schadelijker is (één van de oorzaken van bijv. plastic soep in de oceanen). Wanneer er in een combinatie van bioplastics of gebruikte additieven, niet alle componenten bioafbreekbaar zijn, dan kan het product meestal ook niet bioafbreekbaar genoemd worden. 3. Vormvastheid?(HDT, Vicat) Bij welke temperatuur gaat het product gebruikt worden? Moet het product bijvoorbeeld bestand zijn tegen kokend water? <60 C > 60 C, <100 C >100 C alle x-pla, sc-pla PET sc-pla De temperatuur waarbij een product vormvast moet zijn is vaak hoger dan de directe gebruikstemperatuur; denk bijvoorbeeld aan producten achter glas of in een auto. Sc-PLA is stereo-complex PLA: een speciale (dure) grade met een gebruikstemperatuur tot 180 C. 4. Transparantie? Moet het product transparant zijn of juist ondoorzichtig? niet, 0%, ondoorzichtig Hazy, opaque 100%, transparant alle, met vulmiddelen De transparantie is mede afhankelijkvan het gebruik van additieven, vullers en processing (kristalliniteit). Ook de dikte van het product is van belang. Page 5 of 15
5. Oplosbaarheid? Moet het product oplosbaar zijn in water? Er bestaan veel bioplastics die niet oplosbaar zijn in water. Wel kan PLA bijvoorbeeld een zeer kleine hoeveelheid water (orde grootte minder dan een promille) bevatten en moet dus voor productie goed gedroogd worden. Waterresistent Wateroplosbaar 6. Barrière eigenschappen? Vooral verpakkingen hebben vaak eisen aan welke gassen wel of niet doorgelaten worden. Voor welke gassen moet uw product een barrière hebben? Wanneer een materiaal een lage waterdampbarrière heeft, wil dat nog niet zeggen dat het product oplosbaar is in water (bekijk als voorbeeld PLA). Een barrière tegen meerdere gassen kan verkregen worden door verschillende lagen van verschillend materiaal te gebruiken. Waterdamp Zuurstof, O 2 Kooldioxide, CO 2 Page 6 of 15
7. Mechanische eigenschappen? Welke mechanische eigenschappen moet het product hebben? Moet het bestand zijn tegen buigen, uitrekken en/of impact? De breekbaarheid zegt iets over de manier waarop het product onder mechanische belasting (trekken) breekt. Een taai materiaal vervormt voordat een breuk optreedt. Taaiheid geeft ook weerstand tegen het doorgroeien van kerven en scheuren. Het tegenovergestelde van taai is bros. Wordt de maximale spanning ergens in bros materiaal overschreden, dan zal een scheur ontstaan die door de kerfwerking snel verder kan groeien. De taaiheid van een product is behalve van het materiaal zelf afhankelijk van de dikte van het product, de temperatuur, de snelheid van de vervorming en van de aanwezigheid van kerven of scheuren. Taai (Izod) Bros (Izod) Page 7 of 15
Met het begrip flexibiliteit of flexibel wordt aangeduid dat iets buigzaam en soepel is en blijft. Het tegenovergestelde is de stijfheid of rigiditeiten dit geeft aan in welke mate een materiaal of een constructie zich tegen elastische vervorming verzet. Flexibel Stijf Kracht, weerstand tegen vervorming (trekken) Rekbaar (treksterkte, rek bij breuk) Door middel van combinaties van plastics kunnen mechanische eigenschappen verbeterd worden:bijv. PLA wordt taaier in combinatie met Ecoflex (deze blend is commercieel verkrijgbaar onder de naam Ecovio). Ook door middel van additieven kunnen mechanische eigenschappen aangepast worden: bijv. de hoeveelheid weekmaker bepaalt of een TPS bros of taai is (vergelijk met PVC: van harde regengoten tot zachte bad-eendjes). Page 8 of 15
8. Levensfase? Research Ontwikkeling Opstart (groei) Standaard (volwassen) x-pla, sc-pla x-pla, sc-pla Cellulosediacetaat Sommige bioplastics zijn nieuw en er wordt nog gezocht naar nieuwe toepassingen. Er zijn nog weinig grades beschikbaar, maar vaak is het mogelijk om in samenwerking met de leverancier een specifieke grade voor uw toepassing te ontwikkelen. Andere bioplastics bestaan al langer en er zijn vele toepassingen bekend die als voorbeeld kunnen dienen. De industrie is bekent met de verwerking ervan. 9. Beschikbaarheid? Alleen proefbatches In ruime mate x-pla, sc-pla cda Sommige bioplastics zijn slechts op kleine schaal verkrijgbaar omdat het een nieuw product is of omdat er op dit moment nog geen markt voor is. Wanneer u voor uw toepassing vele tonnages nodig hebt, dan kan dit op korte termijn voor toeleveringsproblemen zorgen. Wel wordt er geïnvesteerd in nieuwe fabrieken voor bioplastics. Andere bioplastics zijn in ruime mate verkrijgbaar, maar men moet er wel rekening mee houden dat de productiecapaciteit slechts een fractie is vergeleken met de capaciteit van bijv. op olie gebaseerd PE. Page 9 of 15
Prijs [ /kg] Versie : 1.0 10. Kosten? <2 /kg 2-8 /kg >8 /kg De kostprijs hangt vanzelfsprekend af van de afname hoeveelheid. Ook geldt dat wanneer de productiecapaciteit vergroot wordt, dat de prijs over het algemeen daalt ( economy of scale ). D.m.v goedkope vullers kan de kostprijs per kilo product nog naar beneden gebracht worden. 20 15 PEF 10 5 0 biopp biopet PA-11 CDA Ecoflex TPS PLA biope 0 Research 20 40 60 80Uitontwikkeld 100 Proefbatches Ontwikkelingsfase In ruime mate beschikbaar Beschikbaarheid Voorbeeld van een ingevulde keuzetabel. Als product is hier een disposable bloempotje genomen. Het moet gemaakt zijn van 100% biobased materiaal, mag niet in de grond of in water vergaan, en moet in de zon achter glas staand wel vormvast zijn. Het moet sterk genoeg zijn om gestapeld te kunnen worden. Er zijn geen eisen aan transparantie of aan gasdichtheid. Het uitgangsmateriaal moet goedkoop zijn en in ruime mate verkrijgbaar. Page 10 of 15
Bioplastics 100% biobased 100% biodegradeerbaar >60 C n.v.t. niet n.v.t. Taai en stijf Volwassen In ruime mate < 2 /kg Biobased Biodegradeerbaar Temperatuur vormvastheid Transparantie Oplosbaarheid Barrière Mechanisch Levensfase Beschikbaarheid Kosten Resultaat Versie : 1.0 Eigenschappen 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Casus bloempotje Antwoorden Antwoorden PLA X X X X X X X X X X X PHA X X X X X X X X TPS X X X X X X X X CDA X X X X X X X X X PA-11 X X X X X X X X PEF X X X X X biopet X X X X X X X biope X X X X X X X X biopp X X X X X X X X X Ecoflex X X X X X X X Uit bovenstaande keuzetabel blijkt dat voor het bloempotje het meest geschikteuitgangsmateriaal PLA is. Het feit dat hier alle kruisjes zijn ingevuld geeft aan dat PLA aan alle voorwaarden voldoet. Page 11 of 15
Ander voorbeeld van resultaat keuzetool Een ander, volkomen willekeurig resultaat van de keuzetool kan bijvoorbeeld onderstaand overzicht zijn. Het gaat in dit voorbeeld er vooral om hoe verder te gaan, nadat met behulp van de keuzetool een selectie is gemaakt. Keuze uit: Na keuzevragen: Wat betekent dit? En daarna: PLA PHA TPS CDA PA-11 PEF biopet biope biopp Ecoflex PLA PHA TPS CDA PA-11 PEF biopet biope biopp Ecoflex Of niets... Deze soort plastic lijkt geschikt of kan geschikt gemaakt worden voor mijn toepassing Meer vragen stellen om keuze te beperken? Bij geen mogelijkheden: Minder strikte antwoorden geven Welke eis is de bottleneck? Op te lossen door combinaties van plastics? R&D is misschien nodig Plastic leverancier zoeken? Verwerker zoeken? Investeren in R&D? Specifieke grade uitzoeken? Additieven voor specifieke eigenschappen? Quickscan of uitvoerige LCA? Marktanalyse?... Of het kan niet... Page 12 of 15
Overige selectiecriteria Met deze 10 vragen zijn onderscheidende eigenschappen van bioplastics benoemd. Andere belangrijke vragen voor toepassing van een bioplastic in een product zijn o.a.: - Welke verwerkingstechniek kan gebruikt worden? Filmblazen, thermovormen, spuitgieten, etc. - Vlamgedrag, brandwerendheid - Elektrische geleidbaarheid - Inkleurbaarheid, look&feel Deze materiaaleigenschappen zijn niet uitsluitend afhankelijk van de soort bioplastic. Door het toevoegen andere hulpstoffen kunnen verschillende gradesworden samengesteld. Zo kunnen de eigenschappen van het product worden gestuurd en bijvoorbeeld de brandwerendheid, elektrische geleidbaarheid en/of de verwerkbaarheid verbeterd worden. Na een uiteindelijk verkregen bioplastic optie is optimalisatie/specificering van de juiste grade met de juiste additieven en procesomstandigheden dus nog nodig. Ook een blend/combinatie van 2 bioplastics kan de oplossing voor een specifiek product zijn. Deze tool is geschikt voor oriëntatie op uw specifieke toepassing en om een aantal materiaalopties te bepalen die getest kunnen worden. Page 13 of 15
Samenvatting Onderstaande tabel kan gebruikt worden om d.m.v. arcering of omcirkeling de eisen (en wensen) van uw product aan te geven. Op grond van deze high lights en de uitgewerkte eigenschappen in de pagina s hiervoor, kan dan de kruisjestabel ingevuld worden. Eigenschap Gegeven opties 1 Biobased 100% Gedeeltelijk 0% N.V.T 2 Biodegradeerbaar Niet Composteerbaar In grond In water N.V.T 3 Temperatuur vormvastheid < 60 C 60-100 C >100 C N.V.T 4 Transparantie 0% Opaque 100% N.V.T 5 Oplosbaarheid Waterresistent Wateroplosbaar N.V.T 6 Barrière Waterdamp O 2 CO 2 N.V.T 7 Mechanisch Taai Bros N.V.T Flexibel Stijf N.V.T Rekbaar N.V.T 8 Levensfase Research Ontwikkeling Groei Volwassen N.V.T 9 Beschikbaarheid Proefbatches In ruime mate N.V.T 10 Kosten < 2 /kg 2-8 /kg > 8 /kg N.V.T Page 14 of 15
Bioplastics Biobased Biodegradeerbaar Temp. vormvasth. Transparantie Oplosbaarheid Barrière Mechanisch Levensfase Beschikbaarheid Kosten Resultaat Versie : 1.0 Invultabel eigen product Eigenschappen 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Product... Antwoorden Antwoorden PLA PHA TPS CDA PA-11 PEF biopet biope biopp Ecoflex Page 15 of 15