Stoffliche Nutzung nachwachsender Rohstoffe

Werkstoffe, Halbzeuge und Endprodukte auf Basis nachwachsender Rohstoffe gewinnen zunehmend an Aufmerksamkeit und Bedeutung, obwohl viele werkstoffliche Anwendungen biogener Stoffe schon seit langer Zeit etabliert sind. Einige Stoffe sind buchstäblich schon seit historischen Zeiten im Einsatz, wie z. B. das Milchprotein Casein als Bindemittel für Farben, die für Höhlenmalereien verwendet wurden, Wolle als Bekleidungsfaser oder fettgegerbtes Leder. Diese biogenen Werkstoffe gehören damit zu den ältesten Produkten der Menschheit.

Traditionelle Werkstoffe der Menschheit sind Holz, Leder, Wolle und Metalle [1]. Im Industriezeitalter kamen die Kunststoffe hinzu, deren Geburtsstunde bei den Thermoplasten je nach Definition im Jahr 1856 war (Alexander Parkes, Anmeldung von Patenten zu einem Cellulose- Kunststoff) oder im Jahr 1862 (Vorstellung des „Parkesins“ durch Parkes auf der Londoner Weltausstellung) [2]. Eine industriell nutzbare Variante eines Kunststoffs auf Cellulose-Basis entstand jedoch erst im Jahr 1870 als J. W. Hyatt die Herstellung von Celluloid in anwendbarer Form gelang [2], [3]. Bei den Duroplasten dauerte es bis zum Jahr 1907 als L. H. Baekeland mit Bakelit den ersten komplett synthetischen industriell anwendbaren Kunststoff herstellte [4], [5]. Elastomere wurden schon ab dem Jahr 1840 eingeführt, als C. N. Goodyear die Vulkanisation von Naturkautschuk gelang [3]. Noch viel älter ist die erste dokumentierte Rezeptur eines duroplastischen Kunststoffs auf Basis von Milchcasein (siehe Kap. 3.4) [2]. Diese geht schon auf das Jahr 1530 zurück, als in Augsburg der Metallhändler Bartholomäus Schobinger auf den Mönch Wolfgang Seidel (1492–1562) traf, der Schobingers Beschreibung der Herstellung von Caseinkunststoff in seiner Sammlung chemischer und medizinischer Verfahren niederschrieb. Zur Geschichte der Kunststoffe siehe insbesondere [2], [6].

Proteine, vom griechischen proteuein = „der erste sein“, bestehen aus α-Aminosäuren, monomere chemische Verbindungen, die sowohl eine Aminogruppe als auch eine Carboxylgruppe besitzen und der in Bild 61 gezeigten allgemeinen Strukturformel entsprechen [1], [2], [3].

Kohlenhydrate oder Polysaccharide, von griechisch poly = viel und griechisch sakcharon = Zucker, sind wörtlich demnach „Vielzucker“, d. h. Polymere oder Makromoleküle, die aus Monosacchariden, d. h. Zucker-Monomeren, aufgebaut sind. Polymere sind demnach Moleküle aus vielen gleichen Grundbausteinen, wohingegen Makromoleküle heterogen zusammengesetzt sein können [1]. Die Zahl der Wiederholungseinheiten ist bei Polymeren größer als zehn, meist jedoch sehr viel größer [2]. Polysaccharide sind neben Proteinen, Lipiden und Nukleinsäuren eine der vier Hauptklassen von Biomolekülen [3].

Unter einem Ester versteht man ein chemisches Strukturinkrement, wie es in Bild 189 gezeigt ist.

Kautschuk ist eines der wenigen Beispiele für ein Material, das sich wie Schellack der eindeutigen Grundeinteilung A) Biopolymere aus der Natur oder B) Biopolymere aus biogenen Monomeren entzieht, die hier als Struktur für die Darstellung der biogenen Materialien gewählt worden ist. Schellack (siehe Kap. 5.3) liegt als nur schwach vorpolymerisiertes Material (drei bis vier Moleküle) vor, das zu einem Duroplasten ausgehärtet werden kann. Bei Kautschuk ist eine weitere Variante verwirklicht, da aus der Natur ein Polymer gewonnen wird, das von Menschenhand weiter polymerisiert wird. Dies geschieht sogar dergestalt, dass ein polymeres aber nicht-quervernetztes Material anschließend dreidimensional vernetzt wird wie es für Duroplaste typisch ist. Allerdings entsteht hier aufgrund der Struktur der Grundbausteine (Isoprene und Schwefel) sowie der Art und Dichte des gebildeten Netzwerks kein Duroplast sondern ein Elastomer (s. Bild 35).

Teil B des Buches widmet sich Biopolymeren, die aus biogenen Monomeren aufgebaut sind, jedoch erst in einem nachgelagerten künstlich durchgeführten Schritt aus den biogenen Monomeren hergestellt werden [1].

In Analogie zur Herstellung von thermoplastischen Polyestern (siehe Kap. 5.1) werden ungesättigte Polyesterharze (UP-Harze) durch eine Veresterungsreaktion von Diolen (Glykole) mit Dicarbonsäuren gebildet. Bei den thermoplastischen Polyestern kommen nur gesättigte Dicarbonsäuren zum Einsatz, so dass in den Polymerketten keine funktionellen Gruppen verbleiben, die die Ausbildung weiterer Bindungen ermöglichen. Polyesterharze hingegen werden unter Verwendung ungesättigter Dicarbonsäuren wie z. B. Maleinsäure (bzw. in der Praxis Maleinsäureanhydrid) hergestellt (siehe Bild 258) [1], [2], [3], [4], [5], [6].

Biogenes Glycerin hat aufgrund der gestiegenen Erzeugung von Biodiesel große Bedeutung erlangt und ist damit eine wichtige neue Rohstoffbasis für Glykole zur Herstellung von Polyesterharzen und anderen Produkten. Unter Biodiesel versteht man eine Mischung von Methylestern der Fettsäuren aus Pflanzenölen (siehe Kap. 16.1 Öle und Fette). Glycerin wird bei der Umesterung (siehe Bild 316) als Nebenprodukt frei. Die für die Polyesterharzherstellung benötigten Diole 1,2-Propandiol (Kap. 9.3) und 1,3-Propandiol (Kap. 9.4) können nachfolgend aus Glycerin hergestellt werden.

Der Name Kolophonium (Engl.: rosin) leitet sich vom Namen der lydischen Stadt Kolophon ab, die in der Antike ein wichtiges Handelszentrum für Kolophonium war [1]. Kolophonium ist das wichtigste natürliche Harz [2] und wurde schon im ersten Jahrhundert unserer Zeitrechnung gehandelt [3]. Weitere natürliche Harze wie Kopal, Dammar und Bernstein werden in [1], [2], [3] und [4] und behandelt. Schellack und Urushi (Japanlack) werden in Kap. 5.3 und Kap. 15.3 dargestellt.

Polyolefine [1], [2] sind die wichtigsten Massenkunststoffe und speziell Polyethylen (PE) in seinen verschiedenen Varianten PE niedriger Dichte (PE-LD), PE hoher Dichte (PE-HD) und lineares PE niedriger Dichte (PE-LLD), sind die wichtigsten Kunststoffe weltweit. Ihre Produktionsmenge macht ca. 30 % der weltweiten Kunststoffproduktion von ca. 280 Millionen Tonnen pro Jahr aus (2011, [3]). Ethylen, als Edukt zur PE-Herstellung, ist die bedeutendste petrochemische Basischemikalie, die als Rohstoff für 30 % aller petrochemischen Stoffe dient [4]. Anwendungsgebiet für Polyolefine und speziell PE ist vor allem der Bereich Verpackungen, in geringerem Umfang die Sektoren Bauwesen und Konstruktion sowie Automobilanwendungen, Elektro- und Elektronikanwendungen (siehe Bild 36, [5]). Polyolefine sind auch Standardkunststoffe für eine Vielzahl von Anwendungen in Haushalt, Kosmetik, Spielwaren und weiterer Bereiche [6].

Zur Herstellung von Vinylchlorid, dem Ausgangsmaterial für Polyvinylchlorid (PVC) [1], kann auch Ethylen auf Basis von biogenem Ethanol verwendet werden. Vinylchlorid ist eine der wichtigsten Basischemikalien mit einer Weltproduktionsmenge von über 30 Millionen t/a [2]. Bild 274 zeigt die Herstellung von Ethylen aus Ethanol, Bild 278 die Umwandlung zu Vinylchlorid und die Polymerisation zu PVC. Es werden drei wichtige Verfahren angewendet [3], [4]: Suspensionspolymerisation (S-PVC, 80 % Anteil an der Weltproduktion), Emulsionspolymerisation (E-PVC, 12 % Anteil) und Masse-Polymerisation (M-PVC, 8 % Anteil). Der Polymerisationsgrad liegt typischerweise zwischen 700 und 1500 [4].

Furanharze bezeichnen eine Gruppe linearer Harze [1], die unter Ausbildung dreidimensionaler Verknüpfungen härtbar sind und damit duroplastische Netzwerke bilden. Furfurylaldehyd oder Furfural (siehe Bild 281), von dem lateinischen Wort furfur = Kleie [2], ist ein Synthesebaustein, aus dem eine große Anzahl von Derivaten hergestellt werden können (siehe Anwendungen sowie Bild 289) [1].

Polyamide [1] sind makromolekulare Verbindungen, die entweder in der Natur vorkommen können oder auf synthetischem Weg hergestellt werden. In der Natur vorkommende Polyamide sind z. B. die Proteine, die aus Aminosäuren aufgebaut sind und in Kap. 3 behandelt werden. Polyamide besitzen das in Bild 292 gezeigte Strukturinkrement, die Amid-Bindung. In diesem Kapitel werden Polyamid-Biokunststoffe dargestellt.

Die Cashew-Nuss oder Kaschunuss ist eine Frucht der Pflanze Anacardium occidentale, die in vielen tropischen Gebieten kultiviert wird [1], [2]. Bei der Gewinnung der Nuss als Lebensmittel wird die Schale entfernt. Sie enthält ein toxisches Öl, das zu ca. 20 % in der Schale enthalten ist. Das Öl wird als Cashew Nut Shell Liquid (CNSL, Erdnussschalenflüssigkeit) bezeichnet. Es kann als sogenanntes Natural CNSL durch Extraktion mit organischen Lösungsmitteln gewonnen werden, durch mechanische Verfahren oder durch Erhitzen des Öls, ein Prozess bei dem die enthaltenen Säuren decarboxylieren und das sogenannte Technical CNSL gewonnen wird [3], [4].

Triglyceride oder Triacylglycerole sind Fette (fest bei Raumtemperatur) und Öle (flüssig bei Raumtemperatur), die in Pflanzen und Tieren vorkommen [1], [2]. In Ölsaaten, die für die stoffliche Nutzung besonders relevant sind, kann der Anteil der Öle und Fette bis zu ca. 80 Gewichtsprozent betragen (siehe Tabelle 120) [3]. Bei Raps lassen sich bei Hektarerträgen von bis zu 4 t/ha [4] und einem Ölgehalt von bis zu 50 % demnach 2 t/ha Rapsöl gewinnen. Beim werkstofflich besonders interessanten Öllein ergeben sich bei Hektarerträgen von bis zu 2,5 t/ha und Ölgehalten von bis zu 40 % Ölausbeuten von bis zu 1 t/ha [5].

Polyurethane [1], [2], [3] (PU bzw. PUR) sind äußerst vielseitige Kunststoffe, die durch die Reaktion zweier Komponenten gebildet werden: Di- bzw. Polyisocyanate und Di- bzw. Polyalkohole reagieren in einer Polyadditionsreaktion unter der Bildung der charakteristischen Urethan-Gruppe wie in Bild 337 dargestellt [4], [3]. Durch die Wahl der beiden Komponenten, d. h. die Verwendung von starren oder flexiblen Isocyanaten und starren oder flexiblen Alkoholen ergeben sich schon mannigfaltige Kombinationsmöglichkeiten. Hinzu kommt, dass die Funktionalität der beiden Komponenten zwei oder größer sein kann, so dass zielgerichtet lineare, schwach verzweigte oder dreidimensional vernetzte Polyurethane hergestellt werden können [5].

Die stoffliche Nutzung nachwachsender Rohstoffe gewinnt zunehmend an Bedeutung. Antrieb für diese Entwicklung sind u. a. der Klimawandel und die Notwendigkeit, begrenzte, vor allem fossile Ressourcen zu schonen. Die Nutzung nachwachsender Rohstoffe und Werkstoffe ist besonders interessant, wenn diese Materialien am Ende ihres stofflichen Lebens energetisch genutzt werden können (Kaskadennutzung). Die Werkstoffe setzen dann aus den biogenen Komponenten nur so viel Kohlenstoff in Form von CO2 frei, wie die zugrunde liegenden Organismen während der Wachstumsphase gebunden haben.