PHB (Polyhydroxybutyrat)

Allgemein

Polyhydroxybutyrat (PHB oder P3HB) gehört zur Familie der Polyhydroxyalkanoate und ist das erste aus dieser Gruppe isolierte Material und das mit Abstand am besten bekannte und erforschte. P3HB ist ein aliphatischer Polyster und aufgrund seiner linearen Struktur hochkristallin. Es findet Einsatz als Einzelwerkstoff oder in Kombination mit anderen Kunststoffen als Blend. P3HB ist biobasiert und vollständig biologisch abbaubar wenn es mit Mikroorganismen in biologisch aktiven Umgebungen in Kontakt kommt.

Struktur

Als Mitglied der PHA-Gruppe zeichnet sich PHB durch das Vorhandensein einer Methylgruppe aus. PHB gehört mit drei Kohlenstoffatomen in der Hauptkette zu den kurzkettigen PHA.

Abbildung 1: Strukturformel von P3HB.

Eigenschaften

PHB ist vollständig biologisch abbaubar, hat eine Glasübergangstemperatur von ca. 5 °C und schmilzt bei 180 °C. Der kristalline Anteil in PHB kann bis zu 80 % betragen, was durch seinen konstitutionellen Aufbau bedingt ist. Aus diesem Grund ist pures PHB hart und spröde, der E Modul ist > 1 GPa und die Elastizität ist gering (Dehnung < 10 %).
Durch seinen chiralen Aufbau ist PHB unlöslich in Wasser, hat, verglichen mit herkömmlichen Kunststoffen wie PP und PET, jedoch sehr gute Barriereeigenschaften gegenüber Wasserdampf, Sauerstoff und Kohlendioxid. PHB ist zudem biokompatibel und kann ohne Entzündungen etc. hervorzurufen in den menschlichen Körper implantiert werden.
Durch Blenden mit anderen Kunststoffen oder Additiven (Weichmacher) können die Eigenschaften von PHB, vor allem hinsichtlich der Spröd- und Steifheit verbessert werden.

Herkunft/Quelle

PHA werden in der Regel auf bakterieller Basis hergestellt, können auch von anderen Mikroorganismen produziert werden. Für die bakterielle Produktion werden verschiedene, oftmals nicht konventionelle Kohlenstoffquellen verwendet, hierunter fallen gemischte Kohlenstoffquellen, organische Abfälle, Methan, Erdnussöl, Sojabohnenöl, Frittierölabfälle, Gylcerin, etc. Im Allgemeinen ist die Herstellung von PHA jedoch sehr teuer, daher ist die Auswahl eines geeigneten Kohlenstoffsubstrats ein entscheidender Faktor, da es die Leistung der bakteriellen Fermentation und so letztendlich die Kosten des Endprodukts bestimmt.

Verarbeitung

PHB kann spritzgegossen, formgepresst und zu Folien und Hohlkörpern extrudiert werden. Die Verarbeitungstemperaturen liegen im Bereich zwischen 160 und 170 °C, bereits ab 180 °C kann es zu thermischer Degradation kommen. Alle PHB enthalten gebundenes Wasser, welches nicht nur auf der Oberfläche zu finden ist. Aus diesem Grund muss das Granulat oder Pulver ausreichend getrocknet werden, bevor es verarbeitet wird. Empfehlenswert ist eine Trocknung von mindestens zwei Stunden bei 80 °C. Die Verarbeitung muss zügig erfolgen, das bereits nach 30 Minuten der ursprüngliche Feuchtigkeitsgehalt wieder erreicht wird. Weiterhin sollten die Rohmaterialien an einem kühlen Ort mit geringer Luftfeuchtigkeit gelagert werden.
Durch Blenden mit anderen Biokunststoffen und/oder dem Einsatz von Weichmachern und Fließmitteln kann die Verarbeitung verbessert werden und beispielsweise der hohen Kristallinität und damit einhergehenden Sprödheit entgegengewirkt werden.

In der folgenden Tabelle sind Möglichkeiten aufgezeigt, in welchen Sektoren PHB-Blends eingesetzt werden können.

PHB-Blends	Anwendungsgebiete
PHB-Stärke	Textil
PHB-Chitosan	Medikamentenverabreichung
PBH-PCL	Absorptionseigenschaften
PHB-PEG	Gewebetechnik
PHBV-Särke	Einmalprodukte wie Essgeschirr, Becher, etc.
PHBV-PLA	Biomedizinische Produkte, Verpackungen

Tabelle 1: Mögliche Einsatzgebiete von PHB-Blends.

Nachhaltigkeit

Die Nachhaltig von PHB beruht auf einer Kombination aus mehreren, dem Kunststoff zu Grunde liegenden Eigenschaften. Zunächst ist PHB zu 100 % biobasiert; es ist während der Herstellung kein zusätzlicher synthetischer Schritt notwendig, da es sich um eine natürliche Polymerisation handelt; das Material ist biokompatibel und es existieren nachhaltige Alternativen für das End-of-life-Management. PHB-Kunststoffe lassen einerseits mechanischen rezirkulieren und können sich in verschiedenen natürlichen, aber auch kontrollierten Bedingungen vollständig abbauen.

Zertifikate

PHB gehört zur Familie der Polyhydroxyalkanoate, diese sind im Boden, im Süß- und Meerwasser biologisch abbaubar und des Weiteren industriell und heimkompostierbar (nach DIN 13432 und ASTM D 6400). Der biobasierte Anteil liegt für PHB bei 100 % (ASTM D 6866). und auch eine Zulassung für den Kontakt mit Lebensmitteln (FDA) existiert für PHB.

Recycling

PHB-Kunststoffe sind grundsätzlich für das Recycling (sowohl chemisch als auch mechanisch) geeignet. Aufgrund des hohen Preises für PHB, der zum größten Teil auf den Herstellungskosten beruht, stellt das Recycling eine sinnvolle Alternative dar, um Kosten und Energie zu sparen.

Substituent für

PHB wird vor allem als Ersatz für PP eingesetzt.