Vom Molekül zum Material - Biobasierte Klebstoffe | Pflanzenöl-basierte Polyurethane/Polyamid-Klebstoffe - Verbraucheraspekte - Nachhaltigkeitsbewertung der Produkte (BioKleb)

Klebstoffe sind aufgrund ihrer großen Flexibilität und Produktvielfalt im Vergleich zu anderen bekannten Fügetechniken ein unverzichtbarer Bestandteil des täglichen Lebens. Durch eine Klebung lassen sich fast alle technischen Werkstoffe miteinander verbinden. Allerdings muss ein Klebstoff, je nach Einsatzgebiet, speziellen Anforderungen genügen. Klebstoffe aus nachwachsenden Rohstoffen stellen eine wichtige Ergänzung zu synthetischen Dispersions- und lösemittelhaltigen Klebstoffen dar. Für sie sprechen die gute Umweltverträglichkeit, gesundheitsrelevante Aspekte und damit verbunden leichter zu erfüllende Zulassungsvoraussetzungen.
Drei Fachgebiete der HSWT am Wissenschaftszentrum Straubing arbeiten in einem vom Bayerischen Staatsministerium für Ernährung, Landwirtschaft und Forsten geförderten Projekt an diesem Themengebiet. Das Fachgebiet für Organische und Analytische Chemie forscht an Verfahren, welche es ermöglichen, erdölbasierte Klebstoffe durch pflanzenölbasierte (Raps-, Sonnenblumen-, Tallöl) zu ersetzen. Das Fachgebiet für Betriebswirtschaftslehre Nachwachsender Rohstoffe entwickelt dazu parallel Methoden der Nachhaltigkeitsbewertung, welche eine frühzeitige Bewertung nachhaltiger Produkte in den Bereichen Umwelt, Wirtschaft und Gesellschaft ermöglichen. Das Fachgebiet für Marketing und Management Nachwachsender Rohstoffe nimmt zusätzlich die Verbraucherseite unter die Lupe und analysiert, wie verschiedenen Produkteigenschaften sich auf die Verbrauchereinschätzung und deren Zahlungsbereitschaft auswirken.

Teilprojekt: Pflanzenöl-basierte Polyurethan/Polyamid-Klebstoffe (Prof. Dr. Herbert Riepl)

Kurzkettige Polymere von Polyamiden oder Polyurethanen spielen eine herausragende Rolle in der Fügetechnik. Dabei werden sogenannte Isocyanat-haltige Mischungen, welche hochreaktiv sind, auf die zu klebenden Flächen gestrichen und diese polymerisieren nach dem Zusammenfügen. Isocyanate sind wegen ihrer leichten Flüchtigkeit etwas in Verruf gekommen. Die Haftung dieser Polymere ist jedoch unübertroffen auf Metall und Holz. Manche Silikonartige Produkte dieser Art werden für Verbundfasermaterialien mit Glas- und Naturfasern eingesetzt, wo sie die Haftung zwischen Faser und Kunststoff vermitteln.

Alle diese Kunststoffprodukte könnten aus Pflanzenöl hergestellt werden. Aus der Tensid-/Waschmittel- und Biodieselproduktion ist bereits eine große Industrie zur Umesterung natürlicher heimischer Pflanzenöle zu Fettsäurealkylestern als Vorprodukt vorhanden. Bei dem Vorhaben neuartiger Klebstoffe aus Pflanzenölen muss das Design von entsprechenden bifunktionellen Monomeren angestrebt werden, welche entsprechend reaktiv sind, um bei Kontakt mit der Klebstelle zu dem klebenden Makromolekül abzureagieren. Es braucht dazu stringente, chemikaliensparende Verfahren zum Einbau von stickstoffhaltigen Isocyanat-Gruppen oder anderen reaktiven Stellen in Fettsäuren. Diese Methoden sind noch unterentwickelt. Die dazu notwendigen Zwischenprodukte können derzeit nicht ohne weiteres aus Pflanzenölen hergestellt werden. Sie erfordern die Entwicklung neuer Reaktionswege zur Manipulation der Heteroatome. Derzeit existiert nur ein großtechnisch hergestelltes Produkt (Rilsan) das auf Rizinusöl-Basis hergestellt wird.

Ziele der Forschungsarbeit sind, aus ungesättigten Fettsäuren, wie sie aus Pflanzenölen von Raps, Sonnenblume - aber auch aus Tallöl der Holzindustrie - erhältlich sind, Isocyanat-Bausteine zu gewinnen, die für eine Polymerisation zu eher kürzeren Makromolekülen taugen. Diese Polymere, Polyurethane beispielsweise haben dann als Charakteristikum die Klebfähigkeit, sie sind nicht für Anwendungen zur Herstellung von Gegenständen geeignet, da ihnen an Festigkeit mangelt. Sie werden beispielsweise durch Zusammenmischen mit einem Diolbaustein erst auf der zu klebenden Oberfläche erzeugt, oft ist die Material-oberfläche selbst ein Baustein des Polymers und polymerisiert „mit ein“. Sie besitzen bereits bei Temperaturen geringfügig über Raumtemperatur glasigen Zustand oder sind sogar viskose Flüssigkeiten. Ihnen eigen ist die Schmierfähigkeit und eben die Haftfähigkeit, die sich bei Stehen noch um mehrere Zehnerpotenzen erhöht, wenn die Polymerschicht erstarrt. Zur Herstellung der Isocyanate gibt es mehrere Möglichkeiten, definiert nach der Art des Ausgangsmaterials, die experimentell untersucht werden sollen. Daraus entwickelt sich ein Arbeitsplan, der sich auf unterschiedliche Quellen von Fettsäurederivaten bezieht.

Teilprojekt: Verbraucheraspekte (Prof. Dr. Klaus Menrad)

Reaktionen von Verbrauchern sind mit ausschlaggebend für den Erfolg eines neu entwickelten Produkts. Besonders bei Klebstoffen sind neben den Klebeigenschaften auch die Inhaltsstoffe und die damit verbundenen gesundheitsrelevanten Aspekte von großer Wichtigkeit für den Kauf. Im Bereich der Inhaltsstoffe ist es möglich, Kleber auf Basis von Kohlenhydrat-Polymeren oder pflanzenöl-basierten Polyurethanen bzw. Polyamiden herzustellen. Das besondere an solchen Klebstoffen ist der pflanzenbasierte (und damit nachwachsende) Ursprung der Rohstoffe.

Die Gesundheitsbedeutung beruht unter anderem darauf, dass der Kleber ggf. die Hand des Anwenders berührt. Somit können potentiell gefährdende Stoffe direkt über die Haut eindringen. Zum anderen atmet der Anwender auch die Ausdünstungen des Klebers ein. Die auf vielen Produkten mit Klebstoffen enthaltenen Hinweise, dass diese lösungsmittelfrei sind, zeigen, dass zumindest ein Teil der Verbraucher sich für diesen Gesundheitsaspekt
interessiert. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn die relevanten Produkte in hohem Maße von Kindern genutzt werden. Mit Hilfe der anvisierten Entwicklung von Klebern auf Basis von Polysacchariden oder Pflanzenölen kann der gesundheitliche Verbraucheranspruch zumindest teilweise erfüllt werden. Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, dass der Verbraucher sich bewusst für einen Kleber entscheidet, dessen Bestandteile vornehmlich auf Basis von Nachwachsenden Rohstoffen sind. Allerdings bestehen bislang Wissenslücken, inwiefern Verbraucher auf diesen Nutzenvorteil biobasierter Klebstoffe reagieren und von welchen Faktoren dies beeinflusst wird.

Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens soll zum einen untersucht werden, auf welche generellen Aspekte Verbraucher beim Kauf von Klebern achten (Forschungsfrage 1). Hierbei werden Aspekte wie z. B. „Qualität“, Hafteigenschaften“, „Verarbeitungsweise“ oder auch „Inhaltsstoffe“ und „Nachhaltigkeit“ untersucht. Zum anderen rücken der „Gesundheitsaspekt“ und die „Rohstoffbasis“ in den Fokus der zweiten Forschungsfrage: Wie wichtig sind die verschiedenen Produkteigenschaften (und die damit verbundenen Zusatznutzen wie Lösungsmittelfreiheit und Gesundheitsaspekte) sowie die Rohstoffbasis (wie beispielsweise Kleber auf Basis von pflanzenbasierten
Polysacchariden) für die Verbrauchereinschätzung und den Kauf eines biobasierten Klebers. Außerdem wird der Frage nachgegangen, ob die Käufer auch bereit sind, höhere Preise für solche Kleber zu bezahlen (Forschungsfrage 3), da davon ausgegangen wird, dass Kleber auf Basis pflanzlicher Rohstoffe teurer sind als die „konventionellen“ Vergleichsprodukte.

Teilprojekt: Nachhaltigkeitsbewertung der Produkte (Prof. Dr. Hubert Röder)

Die UN-Kimakonferenz 2015 (United Nations Framework Convention on Climate Change, 21st Conference of the Parties, kurz COP 21) in Paris bekennt sich in ihrem von 195 Staaten getragenen Abkommen1 dazu, die durchschnittliche globale Erwärmung deutlich unter 2 °C im Vergleich zum vorindustriellen Zeitalter (Ende 19. Jahrhundert) zu halten. Die Erwärmung soll auf unter 1,5 °C begrenzt werden, da dies die Risiken und Folgen des Klimawandels signifikant reduziert. Die Klimakonferenz spricht sich dafür aus, in der zweiten Hälfte des 21. Jahrhunderts ein Gleichgewicht aus anthropogenen Treibhausgasemissionen und Treibhausgassenken zu erreichen. Zusätzlich zu den Klimaschutzzielen wurden im September 2015 von über 190 Staats- und Regierungschefs aller UN-Mitgliedstaaten in New York die Sustainable Development Goals (SDGs) verabschiedet. Die 17 Ziele und 169 Unterziele der SDGs sollen zu nachhaltigem Fortschritt in wirtschaftlichen, sozialen und in ökologischen Fragen führen. Diese Entwicklungen betreffen insbesondere die Unternehmen einer global wachsenden Bioökonomie, die einen wesentlichen Teil dazu beitragen sollen, um die genannten Klimaschutz- und Nachhaltigkeitsziele zu erreichen. Auch in Bayern wurde zu diesem Zweck ein Sachverständigenrat für Bioökonomie gegründet, um diesen globalen Herausforderungen in Bayern besser begegnen zu können.

Die Unternehmen der global wachsenden Bioökonomie stehen bei der Dokumentation ihrer Klimaschutz- und Nachhaltigkeitskriterien jedoch vor Problemen. Für den Nachweis von Klimaschutzaspekten existieren zwar Standards zur Ökobilanzierung, jedoch befinden sich entsprechende Standards zur Beurteilung von Nachhaltigkeitsaspekten noch in der Entwicklung (CEN/TC 411). Dies betrifft insbesondere sehr innovative kleine und mittlere
Unternehmen (KMU), wenn sich neue Produkte noch sehr früh in der Entwicklung befinden. In der Regel sind in diesen Unternehmen nur eingeschränkt Arbeitskapazitäten vorhanden, um diese Kriterien belastbar zu analysieren und darzustellen. Am Fachgebiet für Betriebswirtschaftslehre des Wissenschaftszentrums Straubing werden daher bereits verschiedene Ansätze zu diesem Thema in Forschungsprojekten bearbeitet und die Erkenntnisse sollen in dem vorliegenden Vorhaben weiter ausgebaut und zusammengeführt werden. Neue Methoden zur Beurteilung der Nachhaltigkeit innovativer Biomaterialien sollen dabei beispielhaft anhand der Entwicklung biobasierter Klebstoffe dargestellt werden. Diese Methodik soll so ausgelegt werden, dass sie sich auch zur Bewertung weiterer innovativer Biomaterialien in einem frühen Entwicklungsstadium eignet.

Ziel des Projektes ist es, eine Methode zur Bewertung der Nachhaltigkeit neuer biobasierter Produkte in Hinblick auf die drei Dimensionen Umwelt, Wirtschaft und Gesellschaft zu entwickeln. In den letzten 10 bis 20 Jahren wurden bereits Nachhaltigkeitskriterien vor allem für die Dimension „Umwelt“ mit klaren Messgrößen und Verfahren definiert. Für die Dimensionen „Wirtschaft“ und vor allem für „Gesellschaft“ besteht jedoch noch weiterer Forschungsbedarf, dem in diversen Projekten auf nationaler und internationaler Ebene Rechnung getragen wird. Das vorliegende Projekt wird sich an aktuellen methodologischen Entwicklungen und ihrer empirischen Anwendung orientieren und diese auf die Fragestellung der Herstellung von innovativen biobasierten Klebstoffen übertragen. Dabei kommen in einer ersten Phase etablierte Verfahren der Ökobilanzierung (LCA), der Wirtschaftlichkeitsanalyse und die Herleitung sozioökonomischer Kennzahlen zum Einsatz, die alle drei Säulen der Nachhaltigkeit belastbar darstellen. Die Bewertung stellt dabei keine Zertifizierung nach etablierten Systemen dar, liefert aber fundierte Aussagen zur Bewertung der Nachhaltigkeit gegenüber konventionellen Substitutionsprodukten und Verfahren. Das Projekt ist in drei Arbeitspakete gegliedert.

Projektleitung

Prof. Dr. Klaus Menrad (Koordination)
T +49 9421 187-200
klaus.menrad [at]hswt.de Mail

Teilprojektleitung


Projektbearbeitung

M.Sc. Katharina Edelmann




Projektdauer

01.07.2016 - 30.06.2019

Projektförderung