In Polymeren kann Pflanzenkohle als Füll- oder Trägerstoff die Eigenschaften günstig beeinflussen. Die Anwendung von Pflanzenkohle in Pflanzenkohle-Polymer-Verbundwerkstoffen, Kunstharzen oder als Ersatz von Ruß in Gummi weist allerdings noch einen relativ geringen Entwicklungsstand auf und wird erst in wenigen Pilotprojekten kommerziell umgesetzt.
Vorteile von Pflanzenkohle in Polymeren
- Verbesserung mechanischer Eigenschaften1Zhang, Y., He, M., Wang, L. et al. Biochar as construction materials for achieving carbon neutrality. Biochar 4, 59 (2022). https://doi.org/10.1007/s42773-022-00182-x,
- Verbesserung von elektrischen Eigenschaften und Rollwiderstand2Zhang, Y., He, M., Wang, L. et al. Biochar as construction materials for achieving carbon neutrality. Biochar 4, 59 (2022). https://doi.org/10.1007/s42773-022-00182-x,
- Erhöhung der thermischen Stabilität
- Teils Kostensenkung durch Gewichtsreduktion
- Emissionsreduktion
Grad der Entwicklung
Es gibt erste Polymer-Produkte mit Pflanzenkohle auf dem Markt. Der vorwiegende Teil der Produkte befindet sich jedoch noch in Entwicklung, meist getrieben durch Kooperationen von Universitäten, freien Instituten und privaten Unternehmen.
Welche Potenziale kann Pflanzenkohle bei verschiedenen Polymerarten entfalten?
Pflanzenkohle-Polymer-Verbundwerkstoffe
In der Forschung wurden Pflanzenkohlen als Füllmaterial unter anderem in Polyolefinen (PP, LDPE, HDPE), Polyamiden (PA etc.) und PLA untersucht. Im Allgemeinen kann ein bestimmter Anteil spezifischer Pflanzenkohle die mechanischen Eigenschaften verbessern. Es wurde ermittelt, dass in einem Kohlenstoff-Holz-Polymer-Verbundwerkstoff ein Anteil von 24 Gewichtsprozent Pflanzenkohle (aus Monterey-Kiefer, Pinus radiata) als Bindemittel für verbesserte Biege- und Zugfestigkeit sowie Zugelastizität sorgen kann3Oisik Das, Ajit K. Sarmah, Debes Bhattacharyya, A novel approach in organic waste utilization through biochar addition in wood/polypropylene composites, Waste Management, Volume 38, 2015, Pages 132-140, ISSN 0956-053X, https://doi.org/10.1016/j.wasman.2015.01.015.. In derselben Studie wurde die beste thermische Stabilität und Formbarkeit bei einem Anteil von 12 und 18 Gewichtsprozent Pflanzenkohle ermittelt.
In einer weiteren Studie mit Pappe-Pflanzenkohle-Plastik Verbundwerkstoffen konnte bestätigt werden, dass mechanische Eigenschaften, sowie Formbeständigkeit, UV-Beständigkeit, Schimmelanfälligkeit und Langlebigkeit verbessert werden4 Xiaoqian Wang, Farid Sotoudehniakarani, Zhiming Yu, Jeffrey J. Morrell, Jed Cappellazzi, Armando G. McDonald, Evaluation of corrugated cardboard biochar as reinforcing fiber on properties, biodegradability and weatherability of wood-plastic composites, Polymer Degradation and Stability, Volume 168, 2019, 108955, ISSN 0141-3910, https://doi.org/10.1016/j.polymdegradstab.2019.108955..
Kunstharze
Pflanzenkohle als Füllmaterial in Kunstharzen muss High-Tech – Qualitätsansprüchen gerecht werden, da diese vorwiegend in anspruchsvollen Anwendungen wie dem Flugzeugbau eingesetzt werden. Durch Zugabe von geringen Anteilen spezifischer Pflanzenkohle kann die Stabilität und Elastizität der Kunstharze deutlich verändert werden. Eine hohe Dosierung von Pflanzenkohle aus beispielsweise Miscanthus in Kunstharzen verbessert die Zähigkeit und Elastizität des Materials5Giorcelli M, Savi P, Khan A, Tagliaferro A (2019a) Analysis of biochar with different pyrolysis temperatures used as filler in epoxy resin composites. Biomass Bioenergy 122:466–471. https://doi.org/10.1016/j.biombioe.2019.01.007.
Bartoli et al legen dar, dass eine bedachte Auswahl der Pflanzenkohle (Pyrolyseverfahren, Art des Ausgangsmaterials, Eigenschaften wie kugelige oder zylindrische Form) essentiell sind, um eine nützliche Leistung von Pflanzenkohle- Kunstharz- Verbundwerkstoffen, insbesondere bei elektrischen Eigenschaften, hervorzubringen6Bartoli M, Rosso C, Giorcelli M et al (2020) Effect of incorporation of microstructured carbonized cellulose on surface and mechanical properties of epoxy composites. J Appl Polym Sci 137:48896. https://doi.org/10.1002/app.48896.
Gummi-Verbundwerkstoffe
Pflanzenkohle kann ein optimaler Ersatz von Ruß als Gummi-Füllmaterial mit verbesserter Ökobilanz sein. Insbesondere kleine Partikelgrößen < 1 μm stehen dabei im Fokus. Beispielsweise kann Pflanzenkohle aus Kokosnussschalen das Zugmodul von Gummiverbundstoffen im Vergleich zu Naturkautschuk um das Fünffache erhöhen7Jong L, Peterson SC, Jackson MA (2014) Utilization of porous carbons derived from coconut shell and wood in natural rubber. J Polym Environ 22:289–297. https://doi.org/10.1007/s10924-013-0637-4. In einer Studie wurde ein Anstieg der Bruchdehnung und der Belastbarkeit um 31 bzw. 24 % festgestellt, ohne dass es zu einem Verlust der Zugfestigkeit im Vergleich zu Verbundwerkstoffen auf Rußbasis kam. Dies war höchstwahrscheinlich auf eine gute Dispersion und die sehr geringe Größe der verwendeten Pflanzenkohle zurückzuführen8Peterson, S.C., Kim, S. Reducing Biochar Particle Size with Nanosilica and Its Effect on Rubber Composite Reinforcement. J Polym Environ 28, 317–322 (2020). https://doi.org/10.1007/s10924-019-01604-x.
Darüber hinaus wurde festgestellt, dass Pflanzenkohle die Haltbarkeit und Lebensdauer von Gummiprodukten wie Reifenlaufflächen und Schläuchen verbessert. Insgesamt hat sich die Beimischung von Pflanzenkohle zu Gummi als vielversprechender Ansatz zur Verbesserung der Leistung und Nachhaltigkeit von Gummiprodukten erwiesen.
Elektrische Leitfähigkeit und Flammschutz
Laut Bartoli et al wurde ermittelt, dass Pflanzenkohle in der Lage ist, thermoplastischen oder duroplastischen Systemen elektrische Leitfähigkeit und Flammschutz zu verleihen. Diese Eigenschaft erhöht das Potenzial von Pflanzenkohle, als Ersatz für herkömmliche, aus fossilen Brennstoffen gewonnene und teure kohlenstoffhaltige Füllstoffe eingesetzt zu werden.9Bartoli M, Rosso C, Giorcelli M et al (2020) Effect of incorporation of microstructured carbonized cellulose on surface and mechanical properties of epoxy composites. J Appl Polym Sci 137:48896. https://doi.org/10.1002/app.48896
Beispielsweise untersucht das Institut für Biokunststoffe und Bioverbundwerkstoffe (IfBB) Pflanzenkohle-Polymer-Verbundwerkstoffe die Einarbeitung von elektrisch leitfähiger und staubreduzierter Pflanzenkohle in Kunststoffe. Es ist bereits ein Prototyp für elektrisch leitfähiges Thermoplast-Pflanzenkohle-Granulat entstanden.
Anwendung
Die konkrete Anwendung hängt stark vom gewünschten Einsatz der Pflanzenkohle innerhalb der verschiedenen Möglichkeiten im Bereich der Polymere ab, sodass keine allgemeingültige Aussage getroffen werden kann.
Für den gezielten Einsatz muss die Pflanzenkohle sorgfältig ausgewählt werden, da jede Pflanzenkohle unterschiedlich ist aufgrund der Ausgangsmaterialien und der Art und Weise der Herstellung, wobei unter anderem auf Porenstruktur, chemische Zusammensetzung, Oberflächenfunktionalisierung, Mineralspezies/ Kristallinität, Kohlenstoffstruktur/Reaktivität zu achten ist.10Zhang, Y., He, M., Wang, L. et al. Biochar as construction materials for achieving carbon neutrality. Biochar 4, 59 (2022). https://doi.org/10.1007/s42773-022-00182-x
Daher ist es wichtig zu beachten, dass die Vorteile von Pflanzenkohle in Polymeren von der Art des Polymers und der spezifischen Anwendung abhängen. Die beschriebenen Vorteile können in einigen Polymeren stärker ausgeprägt sein als in anderen.
Zulassung & Zertifizierung
In Europa stecken die erforderlichen Rahmenbedingungen, also Rechtsvorschriften und Normen noch in den Kinderschuhen.
Die eindeutigsten Aussagen über die Qualität der Pflanzenkohle kann anhand von Werkstoff-Analysen getroffen werden. Hier sind in Europa erst einige wenige Labore spezialisiert. Die Analyseparameter orientieren sich meist an den Anforderungen des Europäischen Pflanzenkohle-Zertifikats (EBC).
Ein verpflichtendes Siegel für den Einsatz von Pflanzenkohle in Polymeren gibt es bisher nicht. Jedoch kann als Qualitätssiegel eine Zertifizierung nach EBC-BasicMaterial oder EBC-ConsumerMaterial vorgenommen werden.
Quellen
