Poly(butylenadipat-co-terephthalat) (PBAT) ist ein biologisch abbaubares und kompostierbares Copolymer aus der Gruppe der Polyester. Der Copolyester besteht statistisch aus den Monomeren Adipinsäure, 1,4-Butandiol und Terephthalsäure (Dimethylterephthalat).
| Strukturformel | |
|---|---|
| Allgemeines | |
| Name | Poly(butylenadipat-co-terephthalat) |
| Andere Namen |
|
| CAS-Nummer | |
| Monomere/Teilstrukturen | 1,4-Butandiol, Adipinsäure, Terephthalsäure (TPA)/Dimethylterephthalat (DMT) |
| Art des Polymers | Polyester, Thermoplast |
| Eigenschaften | |
| Aggregatzustand | fest |
| Dichte | 1,22 g·cm−3 |
| Sicherheitshinweise | |
| |
| Soweit möglich und gebräuchlich, werden SI-Einheiten verwendet. Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen. |
Herstellung Bearbeiten
Um die Umweltprobleme zu lösen und der Marktnachfrage gerecht zu werden, besteht ein wachsendes Interesse an der Entwicklung neuer biologisch abbaubarer Polymere, die die Grundlage biologisch abbaubarer Kunststoffe bilden.
Im ersten Schritt wird der Polyester der Adipinsäure (AA) unter Verwendung von 1,4-Butandiol (BDO) synthetisiert und zum Butylen-co-Adipinsäure-Polyester (PBA) polymerisiert. Durch die Verwendung eines Überschusses an Diol in der Reaktion werden die Kettenlängen gering gehalten.
Im zweiten Schritt wird Dimethylterephthalat (DMT) als Dimethylester der 1,4-Benzoldicarbonsäure (Terephthalsäure) (TA) synthetisiert.
Im dritten Schritt wird ein Polymer von Dimethylterephthalat (DMT) mit 1,4-Butandiol synthetisiert (BT) und zu Butylen-co-Terephthal-Polyester (PBT) polymerisiert.
Im vierten Schritt werden dann die beide Copolyester unter Verwendung von Umesterungskatalysatoren wie Tetrabutoxytitan (TBOT) oder anderen metallorganischen Verbindungen auf Basis von Zink, Zinn oder Titan, kombiniert und vernetzt. Ein Überangebot an 1,4-Butandiol beeinflusst die Kettenlängen. Das Ergebnis ist das statistische Blockpolymer Polybutylenadipat-terephthalat (PBAT) der beiden zuvor hergestellten Copolymere.
Die Synthese von PBAT kann in Vormisch-, Vorpolymerisations- und Endpolymerisationsprozesse unterteilt werden. Die Herstellung von PBAT erfordert herkömmliche Polyesterherstellungstechnologien und -ausrüstungen, eine lange Reaktionszeit, ein hohes Vakuum und eine Temperatur von üblicherweise mehr als 190 °C. Diese Bedingungen sind erforderlich, um Kondensationsreaktionen zu begünstigen und die leichteren Moleküle Wasser und Methanol zu entfernen.
Die Edukte werden derzeit hauptsächlich auf Basis fossiler Rohstoffe hergestellt.
Phosphorverbindungen wie Phosphorsäure und Phosphorige Säure können im Vor- oder Endpolymerisationsprozess als Farbstabilisatoren zugesetzt werden, was jedoch zu einer Verringerung der Geschwindigkeit der Kondensationsreaktion führt.
Herstellung von biobasierten Rohstoffen Bearbeiten
In der Novamont „Mater-Biotech plant“ in Bottrighe (Adria), (Italien) werden seit 2016 30.000 Tonnen/a 1,4-Butandiol (BDO) aus biobasiertem Zucker aus Mais, Kartoffeln oder Zuckerrohrstärke fermentativ produziert.
Biobasierter Polyester vergleichbar zu PBAT Bearbeiten
Zukünftig ist die Umwandlung von Biomassekomponenten in PBAT eine der vielversprechenden und wirtschaftlichen Techniken zur Überwindung der Krise bei fossilen Brennstoffen. Erstens wurde biobasiertes 1,4-Butandiol (BDO) durch industrielle biologische Fermentation gewonnen, um petrochemisches BDO in PBAT direkt zu ersetzen.
Zweitens wurde Sebacinsäure als Ersatz für Adipinsäure (AA) aus Rizinusöl als Monomer zur Herstellung von Polybutylensebacinat-butylenterephthalat (PBSeT)-Copolyestern verwendet.
Schließlich gilt 2,5-Furandicarbonsäure (FDCA) als eines der biobasierten, aromatischen Monomere mit dem größten Potenzial. Es ist eine perfekte biobasierte Alternative zur erdölbasierten Terephthalsäure (TPA). Daher ist absehbar, dass in einigen Jahren vollständige biobasierte aliphatisch-aromatische Copolyester entstehen werden.
Eigenschaften Bearbeiten
Eigenschaften von PBAT
Mechanische Eigenschaften Bearbeiten
Im Vergleich zu LDPE weist PBAT ähnliche mechanische Eigenschaften auf.
PBAT ist in seinen mechanischen Eigenschaften vergleichbar zu Polypropylen (PP) und Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymer (ABS).
Die mechanischen Eigenschaften von PBAT werden durch die Monomerzusammensetzung und der Molmassenverteilung beeinflusst.
Der Elastizitätsmodul steigt mit dem Gehalt an Terephthalat-Einheiten, während die Bruchdehnung abnimmt. Mit zunehmendem Molekulargewicht steigt die Zugfestigkeit, während die Bruchdehnung abnimmt.
PBAT mit weniger als 20 Mol-% BT-Einheiten kristallisiert im PBA-Gitter. PBAT mit mehr als 30 Mol-% BT-Einheiten kristallisieren im PBT-Gitter. Die Copolymere mit 20–30 Mol-% BT-Einheiten enthalten sowohl PBA- als auch PBT-Kristalle.
Eigenschaften, Werte, Testmethoden Bearbeiten
| Eigenschaft | Wert | Test Methode | Kommentar |
|---|---|---|---|
| Glasübergangstemperatur (TG). | −30 (°C) | ||
| Wärmeverformungstemperatur (HDT) | 55 (°C) | ASTM D628 | |
| Vicat-Erweichungstemperatur (VST) | 89 (°C) | ISO 306 | |
| Schmelzpunkt (Tm) | 110–125 (°C) | DSC | |
| Kristallisationstemperatur | 60 (°C) | DSC | |
| Zersetzungstemperatur | 350 (°C) | TG bis 5 % Gewichtsverlust | PBAT weist eine gute Kristallisation und thermische Stabilität auf. Es ist hitzestabil. |
| Dichte | 1,22 (g/cm³) | ISO 1183, ASTM D972 | |
| Young-Elastizitsmodul E | 0,08 (GPa) | ||
| Zugfestigkeit | 20–21 (MPa) | ASTM D648 | |
| Bruchdehnung | 670–900 (%) | ASTM D638, ISO 527 | je nach Kettenlänge der Polymere |
| Biegefestigkeit | 3,1–7,5 (MPa) | ASTM D790 | je nach Quelle |
| Biegemodul | 126 (MPa) | ASTM D790 | je nach Quelle |
| Schmelzflussindex | 4,0 (g/10 min) | ASTM 1238, ISO 1133 | PBAT eignet sich sehr gut für Blasfolienanwendungen. |
Verarbeitung Bearbeiten
PBAT verfügt es über eine gute Verarbeitungsstabilität, sodass es allein oder in Mischung mit anderen Materialien durch herkömmliche Herstellungsverfahren wie Extrusion, Spritzguss, Intrusion und Folienblasen verwendet werden kann.
Anwendungen von PBAT Bearbeiten
PBAT kann als Ersatz für Polyethylen (PE) verwendet werden und ähnelt in seinen Eigenschaften wie Flexibilität und Elastizität besonders „Polyethylen niedriger Dichte“ (LDPE). Hauptsächlich werden aus PBAT Folien für Verpackungen; Cateringartikel; Artikel für die Landwirtschaft und Blends mit speziellen Eigenschaften hergestellt.
Anwendungen als Verpackungen Bearbeiten
PBAT ist ungiftig und sicher für den Einsatz in Lebensmittelverpackungsanwendungen. Es setzt keine schädlichen Chemikalien frei und gibt keine Giftstoffe an die Umwelt ab, was es zu einer sichereren Option für die menschliche Gesundheit und die Umwelt macht.
Zu den besonderen Anwendungen, die von den Herstellern hervorgehoben werden, gehören Frischhaltefolien für Lebensmittelverpackungen, kompostierbare Plastiktüten und Beutel, Einkaufstüten, Müllsäcke, Kompostbeutel, Polybeutel für Kleiderstücke, Einwickelfolien, Luftpolsterfolien und Versandtaschen incl. Etiketten.
Um herkömmliche Kunststoffverpackungen zu reduzieren, wird eine Verwertungstechnik durch Kompostierung mittels biologischem Abbau angestrebt.
Anwendung als antimikrobielle Folien Bearbeiten
Bei der Anwendung als antimikrobielle Folien, bei denen PBAT den Hauptteil der Folie darstellt, werden die antimikrobiellen Wirkstoffe während der Verarbeitung eingearbeitet. Die antimikrobiellen Folien werden als Lebensmittelverpackungen eingesetzt, um das Bakterienwachstum zu hemmen und so zur sicheren Konservierung von Lebensmitteln beizutragen.
Anwendung als Cateringartikel Bearbeiten
PBAT-PLA-Blends können als kompostierbares Einmal-Besteck, oder wasserabweisende Beschichtungen für Pappbecher Verwendung finden.
Anwendung für Garten- und Landwirtschaftszwecke Bearbeiten
Die moderne Landwirtschaft ist stark auf die Verwendung herkömmlicher Mulchfolien aus Kunststoff angewiesen, da diese Folien die Ernteerträge steigern können, indem sie die Bodentemperatur erhöhen, die Bodenfeuchte bewahren, das Unkrautwachstum kontrollieren und Schutz vor Unwettern und Schädlingen bieten.
Sind die bislang auf den landwirtschaftlichen Feldern eingesetzten Polyethylen (PE) Mulchfolien nicht mehr nötig, ist eine vollständige Rückgewinnung aufgrund der Versprödung und Fragmentierung durch Witterungseinflüsse schwierig. Dies gilt insbesondere bei der Verwendung von dünnen Folien. Restliche PE-Folien gelangen in landwirtschaftlich genutzte Böden und reichern sich dort an. Dies führt zu einer Verringerung der Bodenproduktivität, indem sie die Wasserinfiltration blockiert, den Gasaustausch im Boden behindert, das Wurzelwachstum einschränkt und die Strukturen der mikrobiellen Gemeinschaft im Boden verändert.
Ein vielversprechender Ansatz, um die Ansammlung von PE-Mulchfolienresten in Böden zu verhindern, besteht darin, herkömmliche Mulchfolien durch biologisch abbaubare Mulchfolien zu ersetzen, die aus Polymeren bestehen, die von Bodenmikroorganismen abbaubar sind. Biologisch abbaubare Mulchfolien, wie solche auf PBAT-Basis werden während ihrer normalen Nutzungsdauer bei der Anwendung am Boden kaum durch Wasser, erhöhte Temperatur, UV-Strahlen verändert. Nach ihrer Nutzungsdauer werden sie in den Boden eingebracht und können vollständig biologisch abbaubar sein. Oftmals werden in China auch Folien auf Basis von PBAT-Blends z. B. Agrarfolien auf Basis von PBAT/ PLA/Nanopartikel-Verbundwerkstoffen eingesetzt.
Anwendung als Textil-Grundmaterial Bearbeiten
PBAT kann zur Herstellung von synthetischen Fasern, Vliesstoffen und anderen Textilprodukten verwendet werden.
PBAT-Blends Bearbeiten
Der Zusatz von PBAT zu den biologisch abbaubaren Polyester Polymilchsäure (PLA), Polyhydroxyalkanoaten (PHA), Polyglycolsäure (PGA), Stärke, Polybutylensuccinat (PBS), Lignin und Cellulose verbessert durch Veränderung der Kristallmorphologie deren Eigenschaften.
Aufgrund seiner hohen Flexibilität und biologischen Abbaubarkeit wird PBAT auch als Zusatzstoff für steifere, sprödere biologisch abbaubare Kunststoffe vermarktet, um ihnen Flexibilität zu verleihen und gleichzeitig die vollständige biologische Abbaubarkeit der Endmischung aufrechtzuerhalten.
PLA-PBAT Mischungen Bearbeiten
Bei Mischungen aus Polymilchsäure (PLA) mit kleinen Anteilen an Polybutylenadipat-terephthalat (PBAT) nimmt mit steigender PBAT-Konzentration die Schmelzelastizität und Viskosität zu. Die PBAT-Komponente beschleunigt die Kristallisationsrate von PLA. Im Vergleich zu reinem PLA bewirkt eine Erhöhung des PBAT-Gehalts (5–20 Gew.-%) in der Mischung eine verringerte Zugfestigkeit und einen niedrigeren Elastizitätsmodul; dagegen wird die Bruchdehnung und Schlagzähigkeit erhöht. Mit der Zugabe von PBAT ändert sich das Bruchverhalten von Sprödbruch des reinen PLA zu duktilem Verformungsbruch der Mischung. Die BASF Marke Ecovio® enthält 85 % PBAT und 15 % PLA. Es ist für eine einfach kompostierbare Einkauftüte geeignet. Die Swiss Coffee Companie bot Kaffee-Kapseln aus BASF’s Ecovio Bioplastik an.
PBAT-Stärke Mischungen Bearbeiten
Die Zugabe von thermoplastischer Stärke (TPS) zu Polybutylenadipat-terephthalat (PBAT) führt zu einer erheblichen Verringerung der Zugfestigkeit sowie der Bruchdehnung. Gleichzeitig steigt der Elastizitätsmodul deutlich an.
Novamont vertreibt ihre PBAT/Stärke Mischung unter dem Namen Mater-Bi. JinHui Zhaolong vertreibt ihre PBAT/Stärke Mischung unter dem Namen Ecowill.
Polyglycol-PBAT Mischungen Bearbeiten
Für den 3D-Druck wird eine Mischung aus , Polyglycolic acid (PGA) and Polybutylenadipat-terephthalat (PBAT) (85/15 Gew %) als biologisch abbaubares Filament entwickelt.
PBAT-CaCO3 Mischungen Bearbeiten
Steinpapier wird aus Harz wie hochdichtem Polyethylen (HDPE) und dem Mineral Calciumcarbonat (CaCO3) hergestellt. Der Steinpapierformulierung werden anorganische Füllstoffe, Weichmacher, Kopplungsreagenzien, und Dispergiermittel zugesetzt. Ersetzt man das Polyethylen durch PBAT, so wird das Steinpapier biologisch abbaubar.
Biologischer Abbau Bearbeiten
Bedingt durch die Anwesenheit von Butyl-Adipate Gruppen ist PBAT mit natürlichen Mikroorganismen und Enzymen biologisch vollständig abbaubar.
Für Abbauexperimente wurde in einem definierten synthetischen Medium bei 55 °C Ecoflex® , der PBAT von BASF, zusammen mit dem aus Kompostmaterial isolierten einzelnen thermophile Stamm „Thermomonospora fusca“ verwendet. Nach 22 Tagen Abbau waren mehr als 99,9 % des Polymers depolymerisiert. Am Ende der Experimente wurden nur die Monomere PTA, AA und BDO beobachtet. Mit den verwendeten Analysemethoden konnten keine weiteren Esterverbindungen nachgewiesen werden, die nicht mit den Medienbestandteilen in Zusammenhang gebracht werden konnten.
Nach dem vollständigen biologischen Abbau sind Kohlendioxid (CO2), Wasser und Biomasse (Masse aus natürlichen lebenden Organismen, wie z. B. Zellen) die verbleibenden Endprodukte.
Hersteller Bearbeiten
| Hersteller | Land | Ort | Kapazität/ (Jahr) | Handelsname |
|---|---|---|---|---|
| Firmen | weltweit | 420.000 t/a (2021), Ziel 15 Millionen t/a | ||
| 36 Firmen im Bau in China | China | China | 4,405 Millionen t/a neuer Kapazität | PBAT |
| BASF | Deutschland | Ludwigshafen | 74.000 t/a (2011) | Ecoflex ® seit 1998 |
| Fujian Zhongjing Petrochemical Group | China | Fujian Province | 600.000 t/a (in Planung) | PBAT |
| Guangan Hongyuan Technology Co., Ltd. | China | Sichuan | 300.000 t/a (2024) | PBAT |
| Hengli Petrochemical; Kanghui New Material | China | Qingshui Industrial Park, Yushen Industrial Zone, Yulin City, Shaanxi Province | 33.000 t/a (2021), geplant 300.000 t/a | PBAT |
| Huawei New Materials | China | Shandong | 50.000 t/a (2023) an PBAT + PLA+ PBS | PBAT HW-T |
| Jinhui Zhaolong High-Tech Company Limited | China | Shanxi Xiaoyi Economic Development Zone | 20.000 t/a (2022), Erweiterung | Ecoworld, Ecowill (ist ein PBAT-Stärke Blend) |
| Kingfa Technology | China | Zhuhai, Guangdong Province (I) | 70.000 t/a (2020) | Ecopond ® |
| Kingfa Technology | China | Zhuhai, Guangdong Province (II) | 60.000 t/a (2021) | Ecopond ® |
| Kingfa Technology co. ltd. | China | Zhuhai, Guangdong Province (III) | 110.000 t/a (geplant) | Ecopond ® |
| Ningbo Changhong Polymer Technology Company Limited | China | Shaoxing, Zhejiang | geplant | PBAT |
| Novament | Italien | Terni | 110.000 t/a (2019) | Origo-Bi, Mater-BI (ist ein PBAT-Stärke Blend) |
| Novament | Italien | Patricia in der Provinz Frosinone | 40.000 t/a (2019) | Origo-Bi, Mater-BI |
| Ruifeng High Materials | China | Shandong | 60.000 t/a (2022) | PBAT |
| Shandong Rui'an Biotechnology Co | China | Jinxiang, Jining | geplant | PBAT |
| Sinochem Donghua Tianye New Materials Company Limited | China | Shihezi City of Xinjiang's 8th Division | 100.000 t/a (2021), Erweiterung auf 400.000 t/a im Bau | PBAT |
| SK Geo Centric, Kooperation aus SK Global Chemical, und Kolon Industries | Südkorea | Seoul | 50.000 t/a | PBAT |
| Tianchen Engineering Co., Ltd., Xinjiang Wangjinglong New Materials Co., Ltd., Harbin Electric International Engineering Co., Ltd., and China Chemical Engineering No. 13 Construction Co., Ltd. | China | Tianjin | 1.2 Millionen t/a (geplant) | PBAT |
| Tongcheng New Materials; BASF | China | Shanghai Chemical Industry Park | 60.000 t/a, erweiterbar. | PBAT, ecoflex ® |
| Wanhua Chemical (Sichuan) Company Limited | China | Meishan, Sichuan | geplant | PBAT |
| Xinjiang Blue Ridge Tunhe | China | No. 316 Beijing Nan Lu, Changji city, Xinjiang, | 130.000 t/a | Tunhe Pbat Resin Th801t |
| Xinjiang Wangjinglong New Materials Co., | China | Korla Petroleum and Petrochemical Industrial Park in Bazhou, Xinjiang | 100.000 t/a (im Bau) erweiterbar auf 2 mal 600.000 t/a | PBAT |
| Zhejiang Changhong Biomaterials Co., Ltd | China | 120.000 t/a (2021) | Changhong Hi-Tech PBAT | |
| Zhuhai Wantong Chemical Co., Ltd, umbenannt in Zhuhai Kingfa Biomaterials Co., Ltd. | China | Zhuhai | 60.000 t/a (2021), geplant 240.000 t/a | Ecopond ®, Wango |
| Zhuhai Jinfa Biomaterials Company Limited | China | Zhuhai, Guangdong | geplant | PBAT |
Einzelnachweise Bearbeiten
- ↑ Jiao Jian, Zeng Xiangbin, Huang Xianbo: An overview on synthesis, properties and applications of poly(butylene-adipate-co-terephthalate)-PBAT. In: Science Direct (Hrsg.): Advanced Industrial and Engineering Polymer Research. Band 3, 2020, S. 19–26, doi:10.1016/j.aiepr.2020.01.001.
- Dieser Stoff wurde in Bezug auf seine Gefährlichkeit entweder noch nicht eingestuft oder eine verlässliche und zitierfähige Quelle hierzu wurde noch nicht gefunden.
- Novamont opens plant for production of biobased 1,4-butanediol. In: Biomassmagazine. 29. September 2016, abgerufen am 21. Juni 2023.
- Comparison of biodegradable materials PLA, PBAT, PHA and PBS. OK Chem, 29. Dezember 2020, abgerufen am 21. Juni 2023.
- ↑ Tunhe PBT Products. In: Tunhe Firmeninformation. Abgerufen am 21. Juni 2023.
- ↑ Huawein PBAT. Abgerufen am 21. Juni 2023.
- What is PBAT? - HeapsGood Packaging. Abgerufen am 21. Juni 2023.
- ↑ ecovio® (PBAT, PLA) – Certified Compostable Polymer With Bio-based Content. Abgerufen am 21. Juni 2023.
- S. Farsetti, B. Cioni, A. Lazzeri: Physico-Mechanical Properties of Biodegradable Rubber Toughened Polymers. In: Macromol. Symp. Band 301, 2011, S. 82–89, doi:10.1002/masy.201150311.
- L. Jiang, M. P. Wolcott, J. Zhang:: 'Study of biodegradable polylactide/poly(butylene adipate-co-terephthalate) blends. In: Biomacromolecules. Band 7, 2006, S. 199–207, doi:10.1021/bm050581q.
- Peng Zhao, Wanqiang Liu, Qingsheng Wu & Jie Ren: Preparation, Mechanical and Thermal Properties of Biodegradable Polyesters/Poly(LacticAcid)Blends. In: Journal of Nanomaterials. 2010, S. 1–8, doi:10.1155/2010/287082.
- ↑ Alexander H. Tullo: The biodegradable polymer PBAT is hitting the big time. In: acs.org (= 99). Band 34. c&en, 19. September 2021 (acs.org).
- Maximilian Lackner, František Ivanič, Mária Kováčová, Ivan Chodák: Mechanical properties and structure of mixtures of poly(butylene-adipate-co-terephthalate) (PBAT) with thermoplastic starch (TPS). In: International Journal of Biobased Plastics. Band 3, 15. April 2021, S. 126–138, doi:10.1080/24759651.2021.1882774.
- Zihui Zhang, Fengtai He, Bo Wang, Yiping Zhao, Zhiyong Wei, Hao Zhang, Lin Sang: Biodegradable PGA/PBAT Blends for 3D Printing: Material Performance and Periodic Minimal Surface Structures. In: Polymers. Band 13, Nr. 21. MDPI, 30. Oktober 2021, doi:10.3390/polym13213757.
- Nupur Swain, Pragti Saini, Sampat Singh Bhati, Vibhore Kumar Rastogi: Biodegradable Stone Paper as a Sustainable Alternative to Traditional Paper: A Review. In: Journal of Inorganic and Organometallic Polymers and Materials. Springer, 19. Mai 2023, abgerufen am 23. Juni 2023.
- U. Witt, T. Einig, M. Yamamoto, I. Kleeberg, WD Deckwer, RJ Muller: Biodegradation of aliphatic–aromatic copolyesters: evaluation of the final biodegradability and ecotoxicological impact of degradation intermediates. In: Chemosphere. Band 44 (2), 2001, S. 289–299., doi:10.1016/S0045-6535(00)00162-4.
- ↑ The project is going crazy, what is the prospect of PBAT? (echemi.com). In: echemi.com. 30. September 2020, abgerufen am 21. Juni 2023.
- ↑ How will the PBAT market and in-production capacity look in 2022? In: ECHEMI. 31. März 2022, abgerufen am 21. Juni 2023.
- BASF nimmt erweiterte Ecoflex-Anlage in Betrieb. In: Bioökonomie BW. 3. Februar 2011, abgerufen am 21. Juni 2023.
- Johnson Matthey’s state-of-the-art technology helps China tackle plastic pollution. In: renewable carbon news. 20. Juni 2023, abgerufen am 21. Juni 2023.
- Guangan Hongyuan plans to build 300.000 tons of PBAT and 200.000 tons of PBS projects. 9. Juni 2021, abgerufen am 21. Juni 2023.