Vollständig biobasierte PLA-Verbundwerkstoffe mit Langzeitbeständigkeit

Die Automobilindustrie ist als wichtiger Industriezweig in Deutschland und Brasilien aufgefordert ihre Wirkung auf den Klimawandel zu begrenzen. Ökoeffiziente Faserverbundkunststoffe (FVK) bieten mit einer verbesserten CO2- und Energiebilanz eine Alternative im Leichtbau. Das Projekt BestBioPLA hat zum Ziel mit lokal angebauten Ressourcen aus Europa und Südamerika neue polymere Matrixsysteme zur Herstellung naturfaserverstärkter Kunststoffe zu entwickeln. Verwendet werden dabei PLA und regionale Fettsäuren wie Lein- und Sojaöl sowie Sisal- und Flachsfasern. Neben der positiven ökologischen Wirkung, wird so die Wertschöpfung in beiden Ländern erhöht.

CO2-Einsparungen durch Leichtbau in der Automobilindustrie

Der Klimawandel stellt die Automobilindustrie als einen der wichtigsten Industriezweige sowohl in Deutschland als auch in Brasilien vor die Herausforderung, Treibstoffeinsparungen und die Reduktion von CO2-Emissionen durch nachhaltigen Leichtbau zu erreichen. Konventionelle FVK basieren jedoch typischerweise auf fossilen Ressourcen und stellen aufgrund ihrer Energie- und CO2-Bilanz während der Produktion und fehlender Recyclingkonzepte keine nachhaltigen Werkstoffe dar. Pflanzenfasern wie Flachs haben sich aufgrund ihrer spezifischen Eigenschaften in Kombination mit konventionellen Thermoplasten v.a. im Automobilinterieur in der Serienproduktion etabliert. Im Gegensatz dazu konnten sich biobasierte Polymere wie z.B. maisstärkebasiertes Polylactid (PLA) bisher nicht durchsetzen, da die Materialkosten und -eigenschaften im Vergleich zu konventionellen Polymersystemen nicht den in der Automobilindustrie herrschenden Anforderungen entsprechen. Es besteht daher zwingender Forschungsbedarf in Brasilien und Deutschland an ökoeffizienten Werkstoffen, die in Bezug auf das Recycling sowie die CO2- und Energiebilanz großserientauglich und nachhaltig sind.

Ökoeffiziente Werkstoffe

Das Projekt BestBioPLA hat zum Ziel, alternative Polymere zur Herstellung nachhaltiger naturfaserverstärkter Kunststoffe für den Einsatz im Automobilbereich zu entwickeln. Diese Leichtbauwerkstoffe sollen sich einerseits durch Beständigkeit im Laufe des Lebenszyklus auszeichnen und andererseits ein Recycling durch biologische Abbaubarkeit ermöglichen. PLA und Pflanzenöle sollen die Basis für die nachhaltigen Polymere als Matrixsystem für naturfaserbasierte FVK bilden. Mit dem Ziel die Ökoeffizienz zu verbessern und neue Wertschöpfungsketten aufzuzeigen, werden im Projekt BestBioPLA nachwachsende Rohstoffe aus den Zielregionen Brasilien und Deutschland zum Einsatz kommen.

Für den Zugang zu vollständig biobasierten Verbundwerkstoffen, die beständig und gleichzeitig biologisch abbaubar sind, werden Forschungsarbeiten im Bereich der Polymerchemie (IFAM), der Naturfasern (Fraunhofer IFAM, Sisalgomes), der Fertigungsverfahren (Fraunhofer IFAM, Invent GmbH) und Materialcharakterisierung (Fraunhofer IFAM, UFPB, UFCG) durchgeführt.

Für die Polymerentwicklung werden PLA und die regionalen Pflanzenöle zu Grunde gelegt. Der chemische Ansatz zielt darauf ab, teilweise vernetzte Polymersysteme zu generieren, die die gewünschten Materialeigenschaften hervorbringen werden. Flachs aus Europa und Sisal aus Brasilien werden als Verstärkungsfasern zum Einsatz kommen, die hohe spezifische Festigkeiten und Steifigkeiten aufweisen. Die eingesetzten Rohstoffe, Zwischenprodukte und gefertigten Verbundwerkstoffe werden materialwissenschaftlich charakterisiert und mit der biologischen Abbaubarkeit korreliert (UFCG, UFPB, Fraunhofer IFAM).

Die Nachhaltigkeit und die wirtschaftliche Tragfähigkeit der Entwicklungen wird durch entsprechendes Life-Cycle-Assessment und eine techno-ökonomische Evaluierung sichergestellt. Die vielversprechendsten Werkstoffzusammensetzungen werden für die Auslegung und Erstellung eines Demonstrator-Bauteils aus dem Interieurbereich des Automobils verwendet.

Bei Erfolg des Projekts BestBioPLA werden neue polymere Matrixsysteme für naturfaserverstärkte Kunststoffe zur Verfügung stehen, mit denen im Anschluss an die Projektlaufzeit gemeinsam mit den Industriepartnern vermarktungsreife Produkte entwickelt werden können.

Lokale Wertschöpfung und Akzeptanz stärken

Der Ansatz des BestBioPLA-Projekts, lokal angebaute Ressourcen wertschöpfend zu verwenden, trägt zu einer nachhaltigen Entwicklung der jeweiligen Zielregion bei. Brasilianische und deutsche Unternehmen entlang der gesamten Prozesskette vom landwirtschaftlichen Anbau der Rohstoffe bis hin zum industriellen Einsatz können durch die Projektergebnisse Produktlinien aufbauen und daraus Wertschöpfung erzielen.

Neben ökonomischen Aspekten ist zu erwarten, dass die neuartigen FVK den ökologischen Impact sowohl während der Produktion als auch bei der Entsorgung am Ende des Produktlebens reduzieren, was in einer höheren Akzeptanz dieser Werkstoffklasse im Markt und der Gesellschaft resultieren kann.