Alternative Kunststoffe
Als alternative Kunststoffe werden verschiedene innovative Materialien bezeichnet, mit deren Hilfe die durch traditionelle Kunststoffe verursachten Umweltprobleme vermieden oder gelöst werden sollen. Dazu gehört Bioplastik, das entweder biologisch hergestellt wird (also aus erneuerbaren Ressourcen wie Pflanzen stammt) oder biologisch abbaubar ist (also sicher zerlegt und in die Natur zurückgeführt werden kann). Der Begriff bezieht sich auch auf moderne Polymere, die für die Kreislaufwirtschaft optimiert sind, z. B. kovalente adaptive Netzwerke (CANs), die sich gut zur Wiederverarbeitung und zum Recycling eignen, sich selbst reparierende Polymere, die die Lebensdauer von Materialien verlängern, oder Polymere, die aus Treibhausgasemissionen oder organischen Abfällen erzeugt werden. So werden Schadstoffe zu wertvollen Ressourcen umgewandelt. Derartige Entwicklungen verringern die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen, führen zu einer längeren Nutzung von Materialien, minimieren den Austritt von Giftstoffen, nutzen Abfälle erneut und ermöglichen nachhaltige, geschlossene Kreislaufsysteme für die Erzeugung und den Gebrauch von Kunststoffen.
- Design im Hinblick auf Haltbarkeit
Design im Hinblick auf gute Recyclingfähigkeit und/oder Haltbarkeit bezieht sich darauf, dass Materialien und Produkte im Sinne einer Kreislaufwirtschaft konzipiert werden. Dabei geht es sowohl um Innovationen auf der molekularen Ebene (z. B. kovalente adaptive Netzwerke oder selbstheilende Polymere) als auch um Produktdesign-Strategien. Dieser Ansatz stellt sicher, dass Materialien ohne Beeinträchtigung ihrer Eigenschaften oder ihrer Integrität gut recycelt, wiederverarbeitet oder wiederverwendet werden können. Auf molekularer Ebene gehört dazu die Nutzung dynamischer, kovalenter Bindungen, die reversibel und austauschbar sind. Auf Produktdesign-Ebene geht es um die Entwicklung von modularen, reparierbaren und leicht zerlegbaren Produkten, weil dadurch die Lebensdauer der Produkte verlängert und Abfälle vermieden werden. Diese Ansätze sollen die Umweltauswirkungen minimieren und die Ressourceneffizienz maximieren und gleichzeitig nachhaltige Fertigungs- und Konsumsysteme unterstützen.
Kovalente adaptive Netzwerke (CANs)
Kovalente adaptive Netzwerke (CANs) sind Polymernetzwerke mit dynamischen, kovalenten Bindungen, die reversibel ausgetauscht werden können. Deshalb kann die Materialintegrität auch bei Umformungen, Reparaturen oder beim Recycling gewahrt oder wieder hergestellt werden. CANs sorgen auf molekularer Ebene für Kreislauffähigkeit, minimieren Abfälle und verlängern die Lebensdauer von Materialien, weil sie eine kontrollierte Wiederverarbeitung ohne Abnutzung ermöglichen. Je nach der Art des Bindungsaustauschs können CANs assoziativer Natur sein (Vitrimere), also die Netzwerkkonnektivität bewahren, oder dissoziativer Natur, was bedeutet, dass die Bindungen vorübergehend aufgebrochen und neu gebildet werden. Aufgrund dieser Anpassungsfähigkeit sind CANs für verschiedene Industrien eine wichtige Innovation für nachhaltige, wieder verarbeitbare Hochleistungsmaterialien.
Dissoziative kovalente adaptive Netzwerke
Bei dissoziativen kovalenten adaptiven Netzwerken (CANs) handelt es sich um Polymere, die dynamische kovalente Bindungen mit dissoziativen Austauschreaktionen bilden. Dabei brechen die Bindungen unter bestimmten Bedingungen (z. B. Temperatur, pH-Umfeld oder Licht) reversibel auf und bilden sich neu, sodass die Netzwerkstruktur vorübergehend zerbricht und neu gebildet wird. Dadurch lassen sich Materialien besser verarbeiten und recyceln und reagieren flexibler. Deshalb sind dissoziative CANs gut für Anwendungen geeignet, die einen umfassenden Materialfluss, umfassenden Abbau oder umfassende Umformungen erfordern, z. B. selbstheilende Beschichtungen, Materialien mit Formgedächtnis, intelligente Polymere oder Funktionspolymere. Im Gegensatz zu konventionellen Duroplasten wurden dissoziative CANs für die Kreislaufwirtschaft entwickelt, können also wiederholt wiederverwendet und wiederverarbeitet werden, ohne aus dem nachhaltigen Materialzyklus herauszufallen.
Vitrimere
Bei Vitrimeren handelt es sich um eine Klasse von Polymeren, die kovalente adaptive Netzwerke (CANs) bilden, bei denen assoziative Austauschreaktionen der dynamischen kovalenten Bindungen stattfinden. Im Gegensatz zu dissoziativen CANs besteht die Konnektivität in Vitrimer-Netzwerken auch während des Bindungsaustauschs fort, sodass die mechanische Integrität bei der Umformung oder Selbstheilung bzw. beim Recycling nicht beeinträchtigt wird. Diese einzigartigen Eigenschaften machen Vitrimermaterialien langlebig, reparierbar und wiederverwertbar, sodass sie für Anwendungen in Frage kommen, bei denen hohe Leistung und Belastbarkeit benötigt wird, z. B. Verbundstoffe für Flugzeuge, Autoteile, Klebstoffe, Elektronikgeräte oder medizinische Geräte. Weil Vitrimere ohne Beeinträchtigung ihrer mechanischen Eigenschaften wiederholt verformt werden können, stellen sie eine nachhaltige Alternative zu traditionellen Duroplasten dar. Zudem erhöhen sie die Lebensdauer von Materialien in einer anspruchsvollen Umgebung.
Selbstreparierende Klebstoffe
Selbstreparierende/selbstheilende Polymere sind Materialien, die auf molekularer Ebene im Sinne der Kreislaufwirtschaft so konzipiert sind, dass Schäden (z. B. Risse oder Kratzer) durch dynamische Bindungen oder eingebettete, durch bestimmte Reize (z. B. Temperatur oder Licht) aktivierte Heilungsmittel autonom repariert werden. Dies erhöht die Lebensdauer und verringert Abfälle und den Bedarf an neuen Rohstoffen. Solche Polymere werden zunehmend in Bereichen eingesetzt, in denen Haltbarkeit, Langlebigkeit und geringer Pflegeaufwand wichtig sind. Zu nennen sind Beschichtungen, Klebstoffe, Elektronik, biomedizinische Anwendungen, Verpackungen, Infrastruktur, Textilien, Automobile, Reifen und die Luftfahrt. Selbstheilende Klebstoffe können Schäden autonom mithilfe dynamischer Bindungen oder von Mikrokapseln reparieren. Dies verlängert die Lebensdauer von Produkten und das Abfallaufkommen in Sektoren wie Elektronik, Automobilbau oder Bauwirtschaft.
Selbstreparierende Reifen
Für selbstreparierende Reifen werden moderne Polymere mit dynamischen Bindungen oder eingebetteten Versiegelungen verwendet, um Löcher automatisch zu verschließen. Dies erhöht die Haltbarkeit, Sicherheit und Nachhaltigkeit und verringert den Wartungsaufwand und das Abfallaufkommen.
Selbstreparierende Beschichtungen
Selbstreparierende Beschichtungen nutzen dynamische Polymere oder Mikrokapseln, um Kratzer und Risse selbsttätig zu reparieren. Dadurch steigt die Lebensdauer von Oberflächen in der Automobil-, Elektronik- und Bauindustrie und das Abfallaufkommen sinkt.
Selbstreparierende Hydrogele
Selbstreparierende Hydrogele sind weiche Materialien mit dynamischen Bindungen, die Schäden selbsttätig reparieren können. Daher sind sie ideal für biomedizinische Anwendungen wie Verbände, die Verabreichung von Medikamenten oder Gewebekultivierung geeignet.
Selbstreparierende Folien und Laminate
Selbstreparierende Folien und Laminate nutzen dynamische Polymere, um Kratzer und Risse selbsttätig zu reparieren. Dadurch steigt die Haltbarkeit und Lebensdauer von Verpackungen, Elektronikprodukten und Schutzbeschichtungen.
Selbstreparierende Polymer-Verbundstoffe
Selbstreparierende Polymer-Verbundstoffe verfügen über dynamische Bindungen oder Mikrokapseln, die Schäden selbsttätig reparieren können. Dies verlängert die Lebensdauer von Materialien bei Anwendungen wie Beschichtungen, Verbundstoffen oder Klebstoffen.
Selbstreparierende Polymerarchitekturen; Herstellung
Selbstreparierende Polymerarchitekturen sind so konzipiert, dass sie Schäden mithilfe dynamischer Bindungen oder eingebetteter Mittel selbsttätig reparieren können. Ihre Herstellung erfordert eine maßgeschneiderte Synthese, um die Reparatureffizienz und die Eigenschaften des Materials zu optimieren.
Selbstreparierender Beton/Asphalt
Selbstreparierender Beton und Asphalt enthalten Bakterien, Polymere oder Kapseln, die bei Schäden aktiviert werden und autonom Risse schließen, um die Lebensdauer der Infrastruktur zu verlängern und die Wartungskosten zu reduzieren.
Selbstheilende Polymere in Kabelbeschichtungen und Leitern
Bei selbstheilenden Polymeren handelt es sich um Materialien, die Schäden selbsttätig mithilfe von dynamischen Bindungen oder Mikrokapseln reparieren können. Dadurch verlängert sich die Lebensdauer von Produkten und das Abfallaufkommen sinkt. Anwendungsmöglichkeiten sind Folien und Beschichtungen von Elektronikerzeugnissen und medizinischen Produkten.
Selbstheilende Polymere für Prothesen und zahnmedizinische Präparationen, Bandagen, Wundverbände und sonstige medizinische Präparationen
In medizinischen Anwendungen reparieren selbstheilende Polymere selbsttätig Schäden und erhöhen so die Haltbarkeit und Funktionalität von Prothesen, zahnmedizinischen Materialien, Bandagen und Wundverbänden, was die Patientenversorgung verbessert und den Ersatzbedarf verringert.
Selbstreparierende Textilien
Selbstreparierende Textilien nutzen Polymere mit dynamischen Bindungen oder Beschichtungen, um Risse oder abgewetzte Stellen selbsttätig zu reparieren. Dadurch steigt die Lebensdauer von Bekleidungsstücken und das Abfallaufkommen in der Mode sowie bei industriellen Anwendungen sinkt.
Selbstreparierende Polymere für spezifische elektrische Anwendungen
Bei OLEDs, Solarzellen, Batterien, Elektrolyseuren, Brennstoffzellen und Kondensatoren können selbstreparierende Polymere selbsttätig Schäden beheben und so die Lebensdauer, Effizienz und Nachhaltigkeit von Geräten in modernen elektrischen Systemen verbessern.
- Design im Hinblick auf gute Recyclingfähigkeit
Design im Sinne einer guten Recyclingfähigkeit bezieht sich darauf, dass Produkte von Anfang an mit Rücksicht darauf konzipiert werden, wie sie nach ihrer Nutzung wieder in den technischen oder biologischen Kreislauf eingehen können. So ist sichergestellt, dass sie am Ende ihrer Lebensdauer umweltschonend und wirtschaftlich effizient recycelt werden können. Dazu gehört, dass recycelbare Polymere und ungiftige Zusatzstoffe ausgewählt werden und die Produkte leicht zerlegt werden können.
Design von Verpackungen im Hinblick auf gute Recyclingfähigkeit
Beim Design von Verpackungen im Hinblick auf gute Recyclingfähigkeit liegt der Schwerpunkt auf Einstoffverpackungen, einfachen Strukturen und einer standardisierten Kennzeichnung, um Recyclingverfahren zu vereinfachen.
Design von Behältern im Hinblick auf gute Recyclingfähigkeit
Behälter, die im Sinne einer guten Recyclingfähigkeit konzipiert sind, nutzen Einstoffverpackungen, modulare Designs und möglichst wenig Zusatzstoffe, um das Sortieren und die Weiterverarbeitung zu erleichtern, das Abfallaufkommen zu verringern und die Kreislaufnutzung von Verpackungssystemen zu fördern.
Recyclingfähige Polymer-Schichtprodukte
Recyclingfähige Polymer-Schichtprodukte werden mit kompatiblen Materialien und Strukturen hergestellt, um die Trennbarkeit und das Recycling zu erleichtern. Dies verringert das Abfallaufkommen und unterstützt nachhaltige Herstellungsverfahren.
Recyclingfähige Materialien für die additive Fertigung
Zu den recyclingfähigen Materialien für die additive Fertigung gehören Polymere, die für eine Wiederverwendung konzipiert sind. Dies ermöglicht nachhaltige 3D-Druckverfahren, die das Abfallaufkommen minimieren und Prinzipien der Kreislaufwirtschaft unterstützen.
Design von Klebstoffen im Hinblick auf gute Recyclingfähigkeit
Klebstoffe, die im Hinblick auf gute Recyclingfähigkeit entwickelt wurden, nutzen reversible Bindungen oder kompatible Rezepturen, die eine problemlose Trennung und Wiederverarbeitung der Materialien ermöglichen.
Design von Beschichtungen im Hinblick auf gute Recyclingfähigkeit
Beschichtungen, die im Hinblick auf gute Recyclingfähigkeit entwickelt wurden, verwenden kompatible, trennbare oder abbaubare Rezepturen, was die Wiederverwertung von Materialien erleichtert und das Abfallaufkommen in der Verpackungs- und Automobilindustrie sowie bei industriellen Anwendungen reduziert.
Textilien aus Polymeren mit guter Recyclingfähigkeit
Textilien aus natürlichen oder synthetischen Polymeren enthalten Materialien wie Baumwolle, Polyester oder Biokunststoffe und sind so konzipiert, dass das Recycling in der Modeindustrie sowie bei industriellen und technischen Anwendungen erleichtert wird.
Polymere in Kabelbeschichtungen und Leitern
Polymere in Kabelbeschichtungen und Leitern dienen zur Isolierung und sorgen für Haltbarkeit und Flexibilität. So erhöhen sie die Leistung und die Sicherheit von elektrischen Systemen und fördern die Verwendung nachhaltiger Materialien.
Folien und Laminate mit höherer Recyclingfähigkeit
Folien und Laminate, die im Hinblick auf gute Recyclingfähigkeit entwickelt wurden, verwenden Einstoffmaterialien oder voneinander trennbare Schichten, was die Wiederverwertung erleichtert und das Abfallaufkommen bei Verpackungen sowie bei industriellen Anwendungen reduziert.
Zumindest teilweise aus recycelbaren Materialien hergestellte Fußbekleidung
Für Fußbekleidung, die teilweise aus recycelbaren Materialien hergestellt wird, werden nachhaltige Polymere oder biologisch abbaubare Stoffe verwendet. Dadurch werden die Umweltauswirkungen verringert und gleichzeitig Haltbarkeit und Leistungsfähigkeit von Schuhen und Stiefeln sichergestellt.
- Polymere aus Treibhausgasemissionen und organischen Abfällen
Polymere aus Treibhausgasen und organischen Abfällen werden erzeugt, indem der Kohlenstoff aus CO₂, Methan und organischen Abfällen (z. B. städtische Bioabfälle, Klärschlamm) in wertvolle Rohstoffe umgewandelt wird. In diesem Verfahren werden schädliche Emissionen und Bioabfälle aufgearbeitet. Außerdem senkt es die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen und unterstützt eine regenerative Kreislaufwirtschaft, denn Kohlenstoffe werden abgeschieden und verbleiben im Produktionszyklus, statt in die Atmosphäre zu entweichen. Mithilfe dieser Verfahren können biologisch abbaubare oder nicht biologisch abbaubare Polymere erzeugt werden.
Synthese aus CO2
CO₂-basierte Kunststoffe entstehen, indem Kohlendioxid aus der Atmosphäre oder aus Industrieemissionen aufgefangen und zu wertvollen Rohstoffen verarbeitet wird. Dabei wird CO₂ aufgefangen, das anderenfalls zum Klimawandel beitragen würde. Es handelt sich also um eine Form der CO2-Abscheidung. Wenn die Emissionen zu neuen Kunststoffen verarbeitet werden, gerät das CO2 für die Lebensdauer des Produkts nicht in die Atmosphäre.
Synthese aus städtischen Bioabfällen (PHAs aus organischen Abfällen)
Bei der Erzeugung von Polyhydroxalkanoaten (PHAs) aus organischen Abfällen wird die einzigartige Fähigkeit bestimmter Mikroorganismen genutzt, kohlenstoffhaltige Lebensmittelabfälle in nutzbare Rohstoffe zu verwandeln. Dies ermöglicht es, das wachsende Aufkommen an organischen Abfällen in städtischen Gebieten nicht als Entsorgungsproblem, sondern als nachhaltige Quelle für die Erzeugung von Bio-Polyester zu begreifen. Die PHA-Produktion kann dezentralisiert erfolgen, was die Kosten für das Abfallmanagement sowie den entsprechenden CO2-Fußabdruck verringert. PHAs werden von Mikroorganismen in Stresssituationen erzeugt und als Energiereserven gespeichert. Sie sind biokompatibel, vollständig biologisch abbaubar und zersetzen sich selbst im Meer auf natürliche Weise. So fügen sie sich harmonisch in den natürlichen Kreislauf ein. PHAs können flexibel für eine Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten genutzt werden, von Verpackungen und Hygieneprodukten bis hin zur landwirtschaftlichen und biomedizinischen Nutzung.
Synthese aus Klärschlamm
Bei der Synthese von Polyhydroxyalkanoaten (PHAs) aus Klärschlamm dient aktivierter Schlamm zur Ernährung von Bakterien, die vollständig biologisch abbaubare Biopolyester als Energiereserve erzeugen. Gewissermaßen ist dies mit der Fetteinlagerung beim Menschen vergleichbar. PHA dienen den Bakterien seit alters her zur Speicherung von Kohlenstoffen. Dieses Verfahren fördert die Verwendung von Abfällen als Rohstoffe und trägt dazu bei, Emissionen, Abfälle und die Abhängigkeit von fossil basierten Kunststoffen zu verringern. Gleichzeitig treibt es die weltweite Umstellung auf eine regenerative Kreislaufwirtschaft voran.
PHA-Erzeugung aus Methangas
Polyhydroxyalkanoate (PHAs) können auch aus Methangas synthetisiert werden, einem Treibhausgas, das 28-mal so stark wirkt die Kohlendioxid. Bestimmte Mikroorganismen, die sogenannten Methanotrophe, können Methan mithilfe spezialisierter Stoffwechselwege in PHAs umwandeln, wobei sie CH4 sowohl als Kohlenstoff- als auch als Energiequelle nutzen. Weil Methan als Rohstoff dient, ist dies ein kostengünstiges und hochgradig skalierbares Verfahren. So lässt sich die Kunststofferzeugung von fossilen Rohstoffen abkoppeln, was den Weg für eine technologische Entwicklung ebnet, die die Umstellung von einem linearen Wirtschaftsmodell auf eine Kreislaufwirtschaft unterstützt.
- Gewerbliche Anwendungen von Biokunststoffen
Gewerbliche Anwendungen von Biokunststoffen zeichnen sich durch Flexibilität und Nachhaltigkeit aus. Sie bieten sektorübergreifend bei gleichbleibender Leistung und Ressourceneffizienz verschiedene funktionale Alternativen zu traditionellen Kunststoffen.
Biokunststoffe im Verpackungswesen
In der Verpackungswirtschaft bieten Biokunststoffe nachhaltige Lösungen für Lebensmittel, Konsumgüter und Industriegüter. Sie stehen für Haltbarkeit, Barriereeigenschaften und Kompostierbarkeit und verringern die Nutzung von konventionellen Kunststoffen.
Biokunststoffe für Kosmetika und Waschmittel
Bei Kosmetika und Waschmitteln werden Biokunststoffe für Behälter, Kapseln und Folien verwendet. Sie bieten umweltschonende, haltbare und sichere Alternativen, die mit dem Nachhaltigkeitstrend bei der Körperpflege in Einklang stehen.
Biokunststoffe in der Elektronik
Im Elektroniksektor werden Biokunststoffe für Gehäuse, Bauteile und Isolierungen verwendet. Sie dienen als leichte, haltbare und nachhaltige Alternativen, die den technischen Anforderungen entsprechen und umweltschonender sind als traditionelle Kunststoffe.
Biokunststoffe in Textilien
In der Textilbranche werden Biokunststoffe für Fasern, Beschichtungen und Accessoires verwendet. Sie dienen als nachhaltige, biologisch abbaubare Alternativen, die die Funktionalität erhöhen und den ökologischen Fußabdruck der Mode- und Textilindustrie verringern.
Biokunststoffe in der Automobilindustrie
In der Automobilindustrie werden Biokunststoffe für die Innenverkleidung, für die Polsterung und für Bauteile verwendet. Sie dienen als leichte, haltbare und nachhaltige Materialien, die die Treibstoffeffizienz verbessern und die Umweltauswirkungen der Automobilindustrie reduzieren.
Biokunststoffe in der Bauwirtschaft
In der Bauwirtschaft werden Biokunststoffe für Isolierungen, Platten und Verbundstoffe verwendet. Sie dienen als nachhaltige, langlebige und leichte Alternativen, die eine größere Energieeffizienz ermöglichen und die Umweltauswirkungen von Baustoffen verringern.
Biokunststoffe in der Landwirtschaft
Biokunststoffe werden in der Landwirtschaft für Mulchfolien, Pflanzgefäße und Bewässerungssysteme eingesetzt. Sie bieten biologisch abbaubare, haltbare und umweltschonende Lösungen für nachhaltige Anbaumethoden.
Biokunststoffe für Lebensmittelverpackungen
Biokunststoffe dienen in der Lebensmittelverpackung als nachhaltige Lösungen für Schalen, Folien und Behälter. Sie stellen Frische, Sicherheit und Kompostierbarkeit sicher und verringern die Abhängigkeit von konventionellen Kunststoffen.
Biokunststoffe für Behälter
Biokunststoffe können als umweltschonende Alternative für Behälter zur Aufbewahrung, zum Transport und für Konsumgüter dienen. Sie vereinen Haltbarkeit, Leichtigkeit und Kompostierbarkeit und entsprechen so sektorübergreifend den Nachhaltigkeitsanforderungen.
Biokunststoffe im Gesundheitswesen
Im Gesundheitswesen werden Biokunststoffe für sterile Verpackungen, medizinische Geräte und Medikamentenabgabesysteme eingesetzt. Sie vereinen biologische Kompatibilität, Nachhaltigkeit und Funktionalität und entsprechen strikten Sicherheits- und Umweltvorgaben.
Biokunststoffe für Verpackungsschäume
Bei der Verwendung als Verpackungsschäume bieten Biokunststoffe Leichtigkeit, Polsterung und Isolierung für Schutzverpackungen und vereinen Nachhaltigkeit mit Funktionalität, um die Umweltauswirkungen von Transport und Lagerung zu verringern.