Materialrevolution II: Neue nachhaltige und multifunktionale Materialien für Design und Architektur 9783038210009, 9783038214540

Table of contents :
I. EINLEITUNG
Die Zukunft nachhaltiger Produktentwicklung
Natürlich wachsend und biologisch abbaubar
Auf Basis von Reststoffen
Leicht und ressourcen-schonend
Smart und energetisch
Additive Generation
II. MATERIALIEN
Biokunststoffe und biobasierte Bindemittel
Natürliche Werkstoffe und organische Abfallmaterialien
Recyclingmaterialien
Leichtbaumaterialien
Multifunktionswerkstoffe
Lichtbeeinflussende undemittierende Materialien
Energetische Materialien und innovative Dämmstoffe
Innovative und nachhaltige Produktionsverfahren
III. ANHANG
Der Autor
Index
Ausgewählte Publikationen des Autors
Ausgewählte Vorträge des Autors

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Algenöl, Fasern und Folien aus   51 Altholzfurnierte Platten  99 Aluminiumoxidfasern mit Aluminiumdrahtummantelung 184 ampliTex ® 74 Aprikosen- und Pfirsichkernpartikel   76 Augensteuerung 165

B

Produktindex 3D-Core  110

A Abschirmfarben 137 Abschirmgewebe 138 ABS-Ersatz auf Basis von Kohlendioxid   51 AeroClay® 182 Aerowolle ® 182 Akustische Metamaterialien  151 Alfagras 68 Algenfaserverstärkte Thermoplaste   51

BafaTex-Fadengelege 112 BAGUETTE Tisch  86 BalanceBoard  108, 205 Bambusbeton 115 Bambushartfasern   67 Bananenfasern als Akustikmaterial   142 Bananenstaudenfasern 67 Barktex®   66, 82, 206 Barrisol® Lichtspanndecken  156 BELECTRIC ® 175

Betontapete 115 betoShell Textilbeton  115 Bindemittelfreie Holzwerkstoffe 57 Biobasierte Partikelschäume 118 Biodämm 101 BioFoam ® 118 Biohybridzelle auf Basis von Spinatproteinen 178 Biokunststoffe AUF BASIS VON Kohlendioxid und Orangenschalen   52 Biologischer Entroster  131 BIO-Luminum™ 92 Bionische Kratzfestfolie  139 Biotex   74 Bis es mir vom Leibe fällt  94 BITE ME   86 Blütezeit 85 Borit 111 Bottle Alley Glass  100 bTubes 74

C Carbocrete ® 115 Celitement ® 100 CNT-modifizierte PolymerKomposite 116 CNT-verstärktes Aluminium 116 Concrete Cloth  115, 197 Cristallino 99 Çurface Kaffeesatzholz  79

D Dascanova 108 Dehnbare Schaltungen  133 Dekowood Barkcloth  82 Dendrolight ® 109 Dichroitische Gläser  160 Dilatante Fasern  144 Dinoflagellaten-Algen 167 Dukta 111 DuraPulp 96 DysCrete 176

E e2e Materials  74 Eco-Cem 101 Eco-Gres ® 100 Eco HPL  82 Eco-Shake 101 EcoSystem 108 EcoTech ® 99 Eco-Terr 101 EcoX 100 Eierschalen 76 Elastomerpulvermodifizierte Thermoplaste (EPMT)  94 Elektrisch leitende Bio-film 178 Elektromagnetische Metamaterialien 150 ELITEX ® 133 Elybond ® 110 emission-free OSSB panels  204 Enova ® Aerogel  182 Enzymatische HolzFunktionalisierung   130 Enzymatische Textilbehandlung 130 ETTLIN lux ®   163 Extrusionsgeschäumte Biopolymere   118

F Fabrican 197 Farbumschlag-Abformmasse 127

Faserbasierte DSSC  177 Fexibles Aerogel  182 Fibre 68 Fischleder 84 Fischleim 54 Fleisch aus dem Drucker   194 Flüssige Linsen  160 Flüssigkristallfolie 158 Foldcore 112 Foldtex 111 Fresnel-Linsen 160 Füllett ® 84 Funktionales LEDFLEXSUBSTRAT   133

G GAIL Architekturkeramik  100 Gedrucktes Gewebe für medizinische Zwecke  195 GKD Mediamesh ® 162 Glas mit photochromen Harzen 158 Gradientenbeton 148 Gradientenkunststoffe 149 Gradientenmetalle 149 Gradiententextilien 149

H Hautleim 54 HeiLight 109 Heliatek® 175 HexFlex 110 HI-MACS Eco Pulp ® 96 Hobelspäne 76 Hochtemperaturbeständiges Aluminium   184 Holografisch-optische Bauelemente (HOE)   159 Hühnerbeinleder 84

I Igelförmig angeordnete Zinkoxid-Nanodrähte   161 Imagic Weave ®  162, 206 Intelligente Knete  144 istraw 69

K Kaffeesatzformteile 78 Kami Spin  197 Kartoffelstärke 53 Kieselgur 77 Kirei WheatBoard  69 Kirschkerne 76 Klangholz durch bio-technologische Pilzbehandlung   143

Knochenleim 54 Kohlendioxid   51 Kohlendioxid basiertes PUR   52 Kokosfasern 67 Kühltextilien auf Basis von Zeolithen   135 Kuhmagenleder 83

L Lacke mit bakteriziden Nanopartikeln 129 Lehmabschirmputz   138 Leitfähige Fasern   133 Leuchtbakterien 167 Lichttechnische POLYTETRAFLUORETHYLEN (PTFE)-Gewebe  156 LiCrete ® 159 Lineo Flachsfasern  75 lisicon ® 175 Lisocore 109 livilux ® 172 Loliware 85 Luftreinigende Keramiken  131 Luftreinigender Zement  132 LUXeXcel™ 173 Luxpanel 110

M Maisfasern 68 Maisstärke 53 Manta Rhei OLED  165 Material Animation  165 Melasseasphalt 61 Metaflüssigkeiten 151 MicroGREEN Ad-Air  118 MINERV ® PHA SC  43 Möbel aus Altkleidern  95 Modular thatch panel  69 Muschelschalen 76

N Nanospiegel für smarte Fenster 160 Naporo Bio-Spanplatte  109 NAPORO NATcoustics  142 Neptungras 181 NewspaperWood 97 Nidacell ® 110 NovoFibre  69, 204 Nuss- und Steinfruchtschalen 76

O Ocean Plastic Bottles  93 Octamold 110 Old Oak  98

OLED Datenbrille mit berührungsloser Augensteuerung  165 OLED Garn  133 Olivenleder 83 Opferschutzschichten 127 Orangenschalen   52 Organische Metamaterialien  151 Organoid 3D-Akustikpaneele  142 Organoide Formgebung  197

P Palmleder 84 PaperForms Kacheln  96 PaperLite ® 96 Partikelschäume mit CNT-Beimischung 116 PCM™ Textilien  135 Permanentschutzschichten 128 Photochrome Tinte  127 Photoproteine 167 Piezoelektrische Textilien  177 Plexwood ® 207 Pneumatisches Komfortsystem 120 Pneustrukturen 119 PollI-Brick™ 93 Polymerschaum D30  144 PolyTC ® 172 PowerCoat™   172 Power Rib  113 PreBeam ® 112 Pro Akustik  143 Proganic ® 43 Protectin zur Luftreinigung  132 Pulp-Based Computing  97

R Rapsasphalt 61 Recycling Seltener Erden  92 Reishülsen 75 Reisstärke 53 REVERLINK™ 139 REWITEC VerschleiSSschutzschichten 139 RE-Y Stone  82 Rhabarberleder 83 Rice Concrete  101 Rice Fold  156 Roggenfaserplatte 108 Roggen- und Weizenstroh  67 Rohrkolbenfasern 67

S SageGlass ® 158 S.Café ® Kaffeesatzfasern  79 Schadstoffabbaubare Farben   132, 150

Schafschurwolle 181 Schockabsorbierender   144 SeaCell ® Fasern mit Algenwirkstoffen 129 Seismische Metamaterialien  150 Selbstheilende Lacke unter UV-Licht 138 Selbstheilender Asphalt  139 Selbstheilender Polyurethan (PU)-Lack 138 Selbstheilendes Elastomer   139 Selbstheilendes Hydrogel  139 Selbstheilendes Polymer   139 Selbsttragende Struktur mit luftgefüllten Schläuchen  120 Semipermanentschichten 127 Sinuspapierwaben 109 Solar+ Textilien  135 Sol-Gel Antireflexionsschicht 161 splineTEX ® 113 Stadtfund 94 Stickoxidabbauende Innenfarbe 132 Sto-Aevero 182 Stone Spray  197 Strawtec Wandsystem  69 Strohpapier 69 Stromgenerator aus Viren  178 Structural Skin  111 Strukturierte Solargläser  161 SUGAR chair  86 Superlinsen 150 Supraleiter 184 SweetSkin 130 Syndecrete 101

Temperaturschaltende Farben 126 Tensairity® 119 TEXLON ® flexipix  163 Textile Schalen  95 Textilien mit Kohlenstofffasern 134 Textilien mit Metallfäden  135 Textilintegrierte Batterien  134 Textilintegrierte Schalter 134 Textilintegrierte Sensoren  134 Thermochrome Keramik  126 Thermosensitives Fett  157 ThinFilm™ 172 TioCem ® 132 TOFU chair  86 Touchbeton   164 Touch OLED  165 Tragluft-Architektur 120 Transluzente Wand- und Deckenbespannungen 156 Transparenzveränderndes Holz und Leder   158 Tripan 110 Tururi-Fruchtstandfasern 68

T

Vestakeep ® 203 Vestamelt ® 203 Vestamid ® HTplus  203 Vestamid Terra ® 41 Vivos ® 85 VVIO 73

Technischer Pflanzenhalm   119 Technoflachs 67 Teepulver 75

U Urban Restructuring and Mining Robot   101

V

W Wassersensitive Farben  127 Waterradio 143 WavCOR 111 Weinfassparkett   99 Weizenstärke 53 Whiskeyfassboden 99 WikiCell 85 Wirkstoffabgebendes Textil  129 WonderWall 98

y Ynvisible™ 158

z Zellulosefasern mit ZinkSpurenelementen 129 Zentallium ® 116 Zinkoxid-Nanodrähte   161

MATERIALREVOLUTION II

Sascha Peters

MATERIALREVOLUTION II Neue nachhaltige und multifunktionale Materialien für Design und Architektur

Birkhäuser Basel

INHALT

I Einleitung

Die Zukunft nachhaltiger Produktentwicklung…006 — Natürlich wachsend und biologisch abbaubar…006 — Auf Basis von Reststoffen…009 — Leicht und ressourcen­ schonend…011 — Smart und energetisch…013 — Addi­ tive Generation…015 II MATERIALIEN

Biokunststoffe und biobasierte Bindemittel…034 — Natürliche Werkstoffe und organische Abfallmateri­ alien…062 — Recyclingmaterialien…088 — Leichtbau­ materialien…102 — Multifunktionswerkstoffe…122 — Lichtbeeinflussende und -emittierende Materialien…152 — Energetische Materialien und innovative Dämm­ stoffe…168 — Innovative und nachhaltige Produktions­ verfahren…186 III Anhang

Der Autor…211 — Index…212 — Ausgewählte Publikationen des Autors…222 — Ausgewählte Vorträge des Autors…223

1 Biokunststoffe und biobasierte Bindemittel

5 MultifunktionsWerkstoffe

Potenziale und Produktionsprozesse…038 — Bio­ basiertes Polyethylentherephthalat (Bio-PET)…039 — Bio­basiertes Polyurethan (Bio-PUR)…040 — Bio­basierte Poly­amide…041 — Polyhydroxyfettsäuren (PHF)…042 — Bakterien­zellulose…043 — Gelatine…045 — Kera­ tine…046 — Milchproteinfasern…047 — Glykopro­ teine…048 — Spinnseidenproteine…048 — Sojapro­ teinfasern…049 — Algenbasierte Kunststoffe…050 — Kohlendioxid Polymere…051 — Stärkekleber…052 — Glutinleime…054 — Kaseinkleber…055 — Soja­ klebstoff…055 — Muschelkleber…056 — Lignin…057 — Biobasierte Harze…058 — Schellack…058 — Na­ türliche Wachse…059 — Hefekulturen für formbaren Stein…060 — Biobitumen…061

Farbverändernde Materialien und Oberflächen…126 — Antigraffiti-Beschichtungen…127 — Funktionelle Organosilane…128 — Antibakterielle Fasern und entzündungshemmende Oberflächen…129 — Funktio­ nale Enzyme…130 — Luftreinigende Oberflächen…131 — Textilintegrierte Elektronik…133 — Heiz- und Kühltextilien…134 — CNT-Heizbeschichtung…136 — Graphen…136 — Abschirmmaterialien…137 — Selbst­ heilende und langlebige Materialien…138 — Metallische Gläser…140 — Wassersammelnde Oberflächen…141 — Akustikmaterialien…142 — Dilatante Flüssigkei­ ten…143 — Elektroaktive Elastomere…144 — ExpancelMikrosphären…145 — Auxetische Materialien…146 — Thermoplastisches Polyurethan (TPU) mit Formge­ dächtnis…147 — Nanoporöses Gold…148 — Gradien­ tenwerkstoffe…148 — Metamaterialien…150

2 Natürliche Werkstoffe und organische Abfallmaterialien

Naturfaserkomposite und ungewöhnliche organische Fasern…066 — Strohwerkstoffe…068 — Rohrkolben­ werkstoffe…070 — Hirsematerialien…071 — Was­ serhyazinthefasern…072 — Brennnesselfasern…073 — Flachsfaserkomposite…074 — Ungewöhnliche organische Partikel…075 — Horn…077 — Kaffeesatz­ werkstoffe…078 — Fischschuppenkunststoff…080 — Alginat…081 — Bagasse…081 — Rapskerzen…082 — Naturbelassenes Leder…083 — Essbare Verpackun­ gen…084 — Essbares Design…086 — Biologische Elektronik…087 3 Recyclingmaterialien

Altmetallwerkstoffe…092 — Altkunststoffmateria­lien…093 — Alttextilwerkstoffe…094 — Altpapiermate­ rialien…096 — Altholzmaterialien…098 — Materialien auf Basis von Recyclingkeramiken und -glas…099 — Baustoffe auf Basis von Abfällen…100 4 Leichtbaumaterialien

Leichtbaustahl…106 — Organobleche…107 — Gewichtsoptimierte Holzwerkstoffe und Ersatz­materialien…108 — Gewichtsoptimierte Struktur- und Wabenkonstrukti­ onen…109 — Faltleichtbau…111 — Fadengelege-Struk­ turen…112 — Infraleichtbeton…114 — Faserbeton…115 — CNT-verstärkte Materialien…116 — Nanozellu­ lose…117 — Bio-Schaumstoffe…118 — Biomimetischer Leichtbau…119 — Pneumatische Textilien…120 — Aerographit…121

6 Lichtbeeinflussende und -emittierende Materialien

Optische Textilien…156 — Polymere optische Fasern (POF)…157 — Transparenzverändernde Materi­ alien…157 — Lichtlenkende Materialien…159 — Licht­ reflektierende Metallring- und Schuppen­geflechte…160 — Antireflexionsschichten…161 — LED Medienmateri­ alien…162 — Elektrolumineszierende Materialien…163 — Interaktives Licht…164 — Lichtemittierende elektro­ chemische Zellen (LEC)…166 — Biologisches Licht…166 7 Energetische Materialien und innovative Dämmstoffe

Gedruckte Elektronik…172 — Elektrophoretische Tinte (E-Ink)…173 — Organische Photovoltaik (OPV)…174 — Farbstoffsolarzellen…176 — Energetische Texti­lien…177 — Biologische Energie…178 — Solarpapier…179 — Thermoelektrische Kunststoffe…180 — Natürliche Dämmstoffe mit hoher Wärmespeicherkapazität…181 — Aero-Dämmstoffe…182 — Eisbärfell-Dämm­system…183 — Hochleistungsmaterialien für Energie­leiter…184 — Gebäudeintegrierte Photobio­reaktoren (PBR)…185 8 Innovative und nachhaltige Produktionsverfahren

Solarsintern Rapid Manufacturing mit Sonnenlicht…190 — Generative Fertigung mit Recyclingmaterial…191 — 3D-Drucken im Miniaturformat…192 — Kontinu­ ierliches 3D-Drucken…192 — Neue Materialien für generative Techniken…193 — Bioprinting…194 — Laserschäumen…195 — Holzvergüten durch Wachs­ imprägnierung…196 — Dreidimensionales Faserformen…197 — Biogene Keramiken…198 — Woodcoating…198 — Grafischer Beton…199 — Reibnie­ ten…200 — Tensidbasiertes Stoff-Trennverfahren…201

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Die Zukunft nachhaltiger Produktentwicklung Unsere Ressourcen verschwendende Produktkultur scheint überholt. Mit dem Anwachsen der Weltbevölkerung auf mittlerweile 7,1 Milliarden Men­ schen und den gestiegenen Konsumwünschen in den Schwellenländern, in Indien, in China, wird mehr als deutlich, dass die Ressourcen auf der Erde knapp werden. Im Jahr 2010 gab es nach dem Ende der Wirtschaftskrise und der Konjunkturbelebung bereits erste Engpässe bei der Beschaffung von Werkstoffen. Hochleistungskunststoffe für den Fahrzeugbau waren ebenso schwer zu bekommen wie Seltene Erden für Hochtechnologie­ entwicklungen im Bereich der für die Energiewende so wichtigen erneu­ erbaren Energietechnologien. Wissenschaftler gehen mittlerweile davon aus, dass wir bei unserem heu­ tigen Konsumverhalten und der derzeitigen Produktkultur bereits 2030 zwei Planeten benötigen würden, um den Ressourcenbedarf zu decken. Als Folge wird dem Recycling von Werkstoffen eine immer stärkere Bedeutung beigemessen. Unter dem Begriff „Urban Mining“ werden dicht besiedelte Städte inzwischen als Rohstoffminen verstanden. Die Kreislauffähigkeit von Produkten und Materialien erhält eine immer größere Wichtigkeit. Aufgerüttelt durch Meldungen über Kunststoffabfälle in den Welt­meeren, durch Analysen zu Ausdünstungen von Holzwerkstoffen in unseren Woh­ nungen und Weichmachern in Polymerwerkstoffen orientieren sich die Kundenwünsche immer häufiger an Produktkonzepten auf Basis biolo­ gischer Materialien. Der Faktor „Nachhaltigkeit” ist heutzutage mehr als ein Verkaufsargument. Rapide verändern sich die Vorzeichen für unsere Industriekultur. Der Trend zu nachhaltiger Produktentwicklung und sustainable Design wird vor allem von den Industriedesignern und Architekten aufgenom­ men und weiterentwickelt. Dabei nutzen die Kreativen immer häufiger Ergebnisse aus der Wissenschaft, um dem Wunsch nach einer nachhal­ tigen Produktkultur zu entsprechen. Diese wird in der interdisziplinären Auseinandersetzung zwischen Forschung, Technologisierung und Design stattfinden und zusehends materialgetrieben sein.

NATÜRLICH WACHSEND UND BIOLOGISCH ABBAUBAR Designer kreieren derzeit eine neue Logik für Produktion und Herstellung. Sie orientieren sich an den Prinzipien pflanzlichen Wachstums und er­ heben die biologische Abbaubarkeit und natürliche Kreislauffähigkeit zu den wichtigsten Qualitäten für neue Materialien.

Gewachsene Faserstrukturen mit schwarzer Erdbeere (Quelle: Carole Collet)

Die britische Designerin Carole Collet sieht die Zukunft textiler Schmuck­ stücke in der Verwendung von Wurzeln und Trieben für die Gestaltung von Schmuckstücken aus Textilien und testet zurzeit die Potenziale pflanzlichen Wachstums für das Design aus. Beispiele ihrer Kreationen sind Arbeiten auf Basis von schwarzen Erdbeerwurzeln oder den roten Trieben der Tomatenpflanze. Bio-Light (Quelle: Philips Design) → S. 166

Die Philips Designer Clive van Heerden und Jack Mama haben Ende 2011 die Möglichkeiten zur Ausnutzung des Phänomens natürlicher Bio­ lumineszenz für Leuchtkörper im Haushalt getestet und als Bio-Light auf der Dutch Design Week präsentiert. Mundgeblasene Glaskörper dien­ ten zur Aufnahme einer Leuchtbakterien enthaltenen Flüssigkeit. Über Silikon­schläuche wurde die Nährstoffversorgung gewährleistet, die für die bio­logische Lumineszenz in leichtem Grün unablässig ist. Als Nährstoffe kamen kompostierbare Reststoffe direkt aus der Küche zum Einsatz. Chair Farm (Design: Werner Aisslinger)

Nachdem die Idee des Urban Farmings in den Metropolen der Welt immer mehr Anhänger findet, beschreibt der Berliner Designer Werner Aisslinger mit einem revolutionären Produktionsprinzip die Zukunft des Möbel­ designs. In seiner Chair Farm benutzt er Verschalungen aus Lochblechen, um Stühle durch das Hineinwachsen von Bambustrieben herzustellen. Das Pflanzenwachstum kann dabei in seiner Richtung beeinflusst werden. Denn dieses orientiert sich bei Bambuspflanzen unter anderem an der Erdanziehungskraft.

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Hocker „Xylinum“ mit Beschichtung aus Bakterienzellulose (Design: Jannis Huelsen) → S. 044

Der Hocker „Xylinum“ ist ein Möbelentwurf des Industriedesigners Jannis Huelsen, in dem er in Zusammenarbeit mit der Jenpolymers Ltd. ein zu 100 Prozent biologisch abbaubares Beschichtungssystem für Holz­bauteile entwickelte. Verwendung fand die Bakterienkultur Xylinum, in der in einem flüssigen Nährstoffbad auf rein biologische Weise Zellulosefäden wachsen. Sie verbinden sich zu einer hochvernetzten Fadenstruktur und bilden nach Trocknung eine lederartige Beschichtung mit organischer Ästhetik. Hocker mit Biomasse aus Mycelpilzen (Quelle: Phil Ross)

Der kalifornische Künstler Phil Ross aus San Francisco hat im Jahr 2012 die Qualität pilzbasierter Werkstoffe soweit optimiert, dass er Sitzflächen und Blöcke für architektonische Strukturen erzeugen konnte. Als Vorbild diente das New Yorker Unternehmen Ecovative Design, das in den letzten Jahren einen Schaumstoff auf Basis organischer Reststoffe und Mycelpilze entwickelt hat. Cookie Cup (Design: Enrique Luis Sarde) → S. 084

Cookie Cup ist eine essbare Espressotasse des Designers Enrique Luis Sarde, die er in Zusammenarbeit mit dem Patissier Cataldo Parisi entwickelt hat. Der Entwurf zeigt den Trend hin zu weniger Verpackung, weniger Behälter, weniger Ressourcen beim Konsum von Nahrungsmitteln unter Verwendung biologisch abbaubarer Stoffe. Der Kaffeegenuss wird durch Verzehr der Mürbeteigtasse um ein weiteres Geschmackserlebnis erweitert. Der Teig ist innen mit einer isolierenden Zuckerglasur versehen, um die Tasse temporär flüssigkeitsunempfindlich zu machen.

Struktur aus FluidSolids ® (Quelle: Beat Karrer)

Der Architekt Beat Karrer aus Zürich setzt in seinem Material FluidSolids auf die Haftkraft eines proteinbasierten Bindemittels, um die natürlichen Fasermaterialien aus industriellen Abfällen zu einem Werkstoff für den Messebau und die Möbelindustrie zu verarbeiten. Dieses lässt sich mit den klassischen formgebenden Produktionstechniken wie Spritzgießen und Extrudieren bei hoher Abformgenauigkeit verwenden. Sowohl bei der Herstellung als auch der Bearbeitung des emissionsfreien Materials haben die Entwickler einen im Vergleich zu konventionellen Werkstoffen geringeren Energieverbrauch quantifiziert.

AUF BASIS VON RESTSTOFFEN Lampen aus Kaffeesatz, Möbel aus Papierpulpe oder Wegwerfsandalen aus Palmrinde: Natürliche Reststoffe stehen derzeit hoch im Kurs bei den Produkt- und Möbeldesignern. Beflügelt von der Sehnsucht nach einer sauberen und ökologischen Welt, scheint der Bio-Trend gegenwärtig vom Supermarkt auf die Kreativbranche überzuspringen. Neben der Verwen­ dung biologischer Abfallmaterialien sind Designer und Architekten zurzeit mit der Entwicklung von Plattenwerkstoffen beschäftigt, die als Holzersatz­ werkstoffe Verwendung finden können und nach Möglichkeit vollständig biologisch abbaubar sind. EcoSystem Naturfaserplatte aus 100 Prozent nachwachsenden Rohstoffen (Design: UDK Berlin) → S. 108

Ein Beispiel ist die von Designern der UdK Berlin entwickelte Naturfaser­ platte EcoSystem. Sie basiert zu 100 Prozent auf nachwachsenden Roh­ stoffen aus Agrarabfällen und wird, anderes als bei konventionellen Holz­ werkstoffen üblich, mit einem Bindemittel auf Basis eines Biokunststoffs zusammengehalten. Die Faserplatte kann recycelt werden, ist biologisch abbaubar und kommt ohne Beschichtung oder bedenkliche Klebstoffe, Lacke und Deckmaterialien aus.

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Biologisch abbaubarer Tiersarg „Animal Coffin" (Design: Louise Knoppert, Flore de Maillard, Amanda Österlin La Mont, Christian Frank Müller)

Hinter dem Projekt „Animal Coffin“ verbirgt sich ein biologisch abbau­ barer Tiersarg, der aus einem Mix natürlicher Reststoffe und Substanzen hergestellt wird. Die Mischung aus Stärke, Mehl, Pappe, Kaffeesatz, Essig und Haaren garantiert die Kompostierbarkeit des Formteils und eine hin­ reichende Stabilität. In den Deckel haben die Designer außerdem Samen zugegeben, die nach dem Verfall des Sarges eine Pflanze oder einen Baum gedeihen lassen. „Animal Coffin“ wurde beim Adream Wettbewerb 2012 mit einem Ehrenpreis ausgezeichnet. Biologisch abbaubarer Compos Chair (Design: Samuli Naamanka)

Auch beim Compos Chair des finnischen Designers Samuli Naamanka wurde auf eine petrochemische Bindemittel-Matrix verzichtet. Ergebnis ist eine Sitzschale aus einem Naturfaser-Verbundwerkstoff, der 100 Pro­ zent biologisch abbaubar ist und keine Ausdünstungen verursacht. Als Haftmittel findet hier Maisstärke Verwendung, die im Produktionsprozess polymerisiert wird. Decafé-Leuchten aus Kaffeesatz (Design: Raul Laurí) → S. 078

Im Frühjahr 2012 hat der Designer Raúl Laurí die Fachwelt mit dem Ent­ wurf von Lampenschirmen aus Kaffeesatz beeindruckt und bei der Möbel­ messe in Mailand den ersten Preis für Nachwuchsdesigner gewonnen. Ein natürliches Bindemittel hält die organischen Partikel in Form und macht das Design biologisch abbaubar. Neben Lampen hat der Designer auch einen Tisch und Geschirr aus dem Reststoff umgesetzt.

Palm Leather aus Blättern der ArecaPalme (Quelle: Tjeerd Veenhoven) → S. 084

Als Palm Leather bezeichnet der Designer Tjeerd Veenhoven ein Material, das er aus Blättern der Areca Palme gewinnt und für Taschen, Sandalen oder als Bucheinband verwendet. Die Blätter werden in einer biologischen Lösung eingeweicht und von pflanzlichen Ölen befreit. Durch dieses Verfahren sind sie über längere Zeit weich und flexibel. Seine Entwürfe lässt der Designer im Süden Indiens fertigen. LEICHT UND RESSOURCENSCHONEND Zur Senkung des Ressourcenverbrauchs ist der Leichtbau zu einem Schlagwort der aktuellen Nachhaltigkeitsdiskussion geworden. Durch konsequenten Einsatz innovativer Multimaterialkonzepte lassen sich er­ hebliche Gewichts- und Funktionsverbesserungen erzielen und Energie bei Produktion und Transport einsparen. Designer und Architekten entwickeln derzeit vor allem Lösungen und Konstruktionen, mit denen Werkstoffe im Leichtbaukontext genannt werden, die man bislang dort gar nicht vermutet hätte. Zudem zeigen sie, wie Leichtbaukonstruktionen die Umsetzung der Elektromobilität befördern können. Gedruckter Leichtbau mit Akkuschrauber­ antrieb (Design: HAWK Hildesheim)

Die Fakultät Gestaltung der HAWK Hildesheim hat für den Akkuschrauber­ wettbewerb 2011 ein Fahrzeug mit einem 3D-Drucker aufgebaut. Das Gefährt wurde in einem Stück aus Acrylnitril-Butadiene-Styrene (ABS) in Schichten von 0,25 Millimeter in zehn Tagen gefertigt und in Analogie zu bionischen Innenstrukturen nur da Material verwendet, wo es aus Gründen der Stabilität auch notwendig war. Damit kam der Fahrzeugrahmen auf ein Gesamtgewicht von 6 Kilogramm. Karbonfaserverstärkte Betonmöbel (Quelle: Paulsberg Design) → S. 115

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Einer der ersten Gestalter, der die Potenziale hochfester Karbonfasern in Beton für das Möbeldesign getestet hat, ist Lars Schmieder. Er stellte ultradünne Betonsessel und Tische unter Zuhilfenahme karbonfaserver­ stärkter Strukturen mit einer Wandstärke von nur wenigen Millimetern in seiner Manufaktur in Dresden her. Dabei ermöglicht der Produktions­ prozess Radien ebenso, wie Vertiefungen, elegante Schrägen und Knicke. Carbocrete Balconies (Design: Stefan Paulisch, Uta Kleffling, Dr. Pamela Voigt) → S. 115

Um die Anwendungspotenziale für Faserbeton weiter auszubauen, hat SGL Carbon im Frühjahr 2012 einen offenen Innovationsprozess durch­ geführt. Dabei entwickelten Designer und Architekten rund 300 Ideen für das Verbundmaterial Carbocrete. Sieger des Wettbewerbs wurde das Leipziger Designerteam Stefan Paulisch, Uta Kleffling und Pamela Voigt mit ihren „Carbocrete Balconies“. Mit den bepflanzbaren und organisch geschwungenen Balkonen wollte das Designerteam eine Alternative zu dem Gesteinswüstencharakter unserer Innenstädte aufzeigen. Leichtbauelement (Quelle: Jens-Hagen Wüstefeld)

Die aus Dreiecken zusammengesetzte Raumgitterstruktur des Architekten Jens-Hagen Wüstefeld nimmt Kräfte in allen Richtungen auf, verteilt diese an die angrenzenden Flächen und Kanten und sorgt somit für eine opti­ male Kraftableitung. Mit der Struktur kann eine Gewichtsreduzierung von 85 Prozent gegenüber Vollmaterial realisiert werden. Runde, sphärische und profilierte Elemente lassen sich in den unterschiedlichsten Materia­ lien umsetzen. Für die Fertigung werden lediglich schräge Schnitte in die Streifen eines beliebigen Materials eingebracht und ineinander gesteckt. Sandwichkonstruktion aus schräg angeschnittenen Bambusrohrstücken (Design: Wassilij Grod)

Das Plattenmaterial des Designers Wassilij Grod ist eine Sandwichkon­ struktion mit einer Mittellage aus schräg geschnittenen Bambusrohr­ stücken, die mit den Decklagen verklebt sind. Der Aufbau bietet eine hohe Druckfestigkeit bei reduziertem Materialeinsatz. Der Verschnitt wird bei der schrägen Schnittweise auf ein Minimum verringert. Durch Variation der Anordnung der Ringprofile lässt sich die Festigkeit der Platte beeinflussen. SMART UND ENERGETISCH Die Möglichkeit Funktionen in einen Werkstoff oder einen Material­ verbund zu integrieren, werden für Designer immer interessanter. Obwohl eine breite Anwendung der sogenannten smart materials bislang verwehrt geblieben ist, lassen Weiterentwicklungen der jüngsten Vergangenheit der Gestaltungsfreiheit der Designer und Architekten freien Lauf. So sind Entwürfe mit beeinflussbaren wechselnden Qualitäten ebenso relevant wie Produkte, die eigenständig Energie erzeugen sowie die Umgebungs­ bedingungen positiv beeinflussen können. Außerdem entdecken Designer neue Wege der Fertigung von Produkten mit intelligenten Materialien. Wassersensitiver Regenschirm (Design: Squid London) → S. 127

Unter Einsatz wassersensitiver Pigmente haben die Designer von Squid London einen Regenmantel entwickelt, der bei Nässe seine Farbigkeit verändert. Damit zeigen die Kreativen wie intelligente Oberflächen bei­ spielsweise auf Witterungseinflüsse reagieren können. Sugru Form- und Modelliermasse (Quelle: Jane Ní Dhulchaointigh)

Sugru ist eine selbsthärtende Silikonformmasse der irischen Produkt­ designerin Jane Ní Dhulchaointigh. Das Material wurde 2010 vom TIMEMagazin als eine der 50 besten Innovationen ausgezeichnet und bietet insbesondere für Designer zahlreiche Potenziale als universelle Modellierund Formmasse. Sugru lässt sich in 30 Minuten verarbeiten. Danach härtet es an der Luft aus und erhält die Konsistenz von hartem, leicht elastischem Vollgummi. Der Silikonwerkstoff ist selbsthaftend auf fast allen Material­ oberflächen, geht feste Fügeverbindungen ein und lässt sich als Klebstoff und Isolationsmaterial verwenden. Die Masse ist ungiftig, nach dem Aus­ härten feuchteunempfindlich und wärmebeständig bis 180 °C.

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Functional Food Fictions (Quelle: Helge Fischer, Ann-Kristina Simon)

Die Designer von Bold Futures haben sich auf die Entwicklung von Zu­ kunftsszenarien für neue Technologien spezialisiert. So entwickelten Helge Fischer und Ann-Kristina Simon beispielsweise ein Fruchtgummi, das unter Einsatz nanoverkapselter Substanzen innerhalb von 20 Minuten nüchtern machen kann. Des Weiteren Gebäck, das die Anzeichen von Krankheit simuliert oder Joghurtprodukte für Schwangere, die bestimmte Eigenschaften des ungeborenen Kindes fördern sollen. Interaktive Radfahrjacke „Sporty Supaheroe“ (Design: Wolfgang Langeder) → S. 133

Sporty Supaheroe ist eine interaktive Radfahrjacke mit integrierter LEDBeleuchtung, die die Sichtbarkeit, somit Sicherheit im Straßenverkehr, er­ höht. Der Designer Wolfgang Langeder hat in Kooperation mit Stretchable Circuits und dem Fraunhofer IZM ein flexibles Display in die Kleidung eingefügt, über das sich bis zu 64 RGB-LEDs betreiben lassen. Körper­ bewegungen werden mit einem Sensor erfasst und in Steuersignale für das Licht übertragen. VIVID Light Installation aus weißen Nylon­ airbags (Quelle: Julia Berner, Alexander Dronka, Johannes Roloff)

Auf der „Light + Building 2012” in Frankfurt haben Studierende der HAWK Hildesheim eine bemerkenswerte Konzeptstudie für die Zukunft des Lichts vorgestellt: Eine interaktive Wolke aus weißen Nylonairbags, die über dem Betrachter schwebt. Im Ausgangszustand gleichen sich alle Airbags mehr oder weniger. Bestückt mit Lüftern, Lampen und Sensoren reagiert die Wolke auf den Menschen und löst Reaktionen unter den einzelnen Textilkörpern aus. Wird einer berührt, bläst sich dieser auf und beginnt zu leuchten.

ADDITIVE GENERATION

15

Die Potenziale generativer Fertigungsverfahren wurden bereits Ende der 80er Jahre beschrieben. Mit Blick auf die ressourcenschonende Herstel­ lung von Bauteilgeometrien und architektonischen Strukturen gewin­ nen additive Technologien immer mehr an Bedeutung. Wissenschaftler kalkulieren, dass im Vergleich zu den klassischen, Material abtragenden Produktionsverfahren, Gewichtseinsparungen von 50–90 Prozent realisiert werden könnten. Da sich vor allem hochkomplexe Geometrien auf einfache Weise umsetzen lassen, gewinnen generative Techniken insbesondere in der Kreativszene mehr an Bedeutung. Hier belassen es die Designer und Architekten aber nicht nur bei der bloßen Anwendung der sogenannten Rapid Technologies. Sie entwickeln neue Prinzipien zur Material generie­ renden Umsetzung ihrer Entwürfe. Gravity Stool (Design: Jólan van der Wiel)

Die außergewöhnliche Geometrie des Gravity Stools entsteht unter Aus­ nutzung der Schwerkraft im magnetischen Feld. Der Designer Jólan van der Wiel hat für die Herstellung eine Produktionsanlage mit einem großen Magneten aufgebaut und auf der IMM 2012 in Köln präsentiert. Der Kunststoffmasse wird zu Beginn des Prozesses ein magnetisches Pulver beigemischt. Durch Kombination der Kräfte im magnetischen Feld und der Einflüsse der Gravitation entstehen Formen, die man bislang lediglich aus der Natur kannte. Organoides Sitzmöbel IOYO (Design: Nofrontiere)

Gemeinsam mit den Entwicklern von Organoid Technologies haben die Designer von Nofrontiere aus Wien das Sitzmöbel auf Basis von feinge­ mahlenen, biogenen Resten wie Hackschnitzel, Gräser oder Nussschalen entwickelt. Zusammen mit einem biologischen Bindemittel werden die natürlichen Reststoffe in eine Negativform gespritzt und unter Vakuum ausgehärtet. Auf diese Weise entstehen dreidimensionale Formteile, die vollständig kompostiert werden können.

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The metabolic factory (Design: Thomas Vailly)

Anlässlich der Mailänder Design Week 2012 hat Thomas Vailly unter dem Titel „The metabolic factory” ein Verfahren vorgestellt, mit dem er Trink­ gefäße aus menschlichem Haar erzeugt. Das Haar wird mit Glycerin und Natriumsulfat vermischt, wobei ein lederähnlicher Biokunststoff entsteht. Dieser kann dann in die unterschiedlichsten Formen gebracht werden, die sich auf natürliche Weise kompostieren lassen. Stone Spray Strukturen aus Sand (Quelle: Anna Kulik, Petr Novikov, Inder Shergill) → S. 197

Am Institute for advanced architecture of Catalonia in Barcelona ent­ wickeln die Studenten Anna Kulik, Petr Novikov und Inder Shergill seit 2012 im Projekt „Stone Spray“ einen Roboter, der in Zukunft hochbelastbare Strukturen auf Basis von Sand und einem Bindemittel aus dem Straßenbau additiv aufbauen soll. Versuche unter Verwendung eines Trägergewebes zum Auftrag des Sandgemischs waren sehr vielversprechend. So konnte die Geometrie eines Hockers bereits in rund drei Stunden umgesetzt wer­ den. Da sich der Sand-Sprayer direkt vor Ort einsetzen lässt, könnten die konventionellen Bauabläufe revolutioniert werden. Gedruckte Raumstation auf dem Mond (Quelle: Foster + Partners) → S. 197

Die Entwickler um den renommierten Architekten Norman Foster aus London und die ESA testen derzeit mit 3D-Druckern die Verwendung lunarer Werkstoffe wie das Mondmineral Regolith für den Bau architekto­ nischer Strukturen auf dem Erdtrabanten. Für die Simulation wurde eine Kuppelkonstruktion aus zellenförmig strukturierten Wänden entworfen, die über Druckdüsen auf einem 6 Meter großen Rahmen mit sandartigen Partikeln und einem hochfesten Bindemittel schichtweise besprüht werden.

1 Biokunststoffe und biobasierte Bindemittel 034 – 061

2 Natürliche Werkstoffe und organische Abfallmaterialien 062– 087

3 Recyclingmaterialien 088 –101

4 Leichtbaumaterialien 102–121

5 MultifunktionsWerkstoffe 122–151

6 Lichtbeeinflussende und -emittierende Materialien 152–167

7 Energetische Materialien und innovative Dämmstoffe 168 –185

8 Innovative und nachhaltige Produktionsverfahren 186 –201

Karbonfaserverstärktes Betonmöbel (Quelle: Paulsberg Design) Einleitung // Karbonfaserverstärkte Strukturen → S. 011

Lampenschirm aus Kaffeesatz (Design: Raúl Laurí) Kaffeesatzwerkstoffe // Natürliche Werkstoffe und organische Abfallmaterialien → S. 079

Chair Farm (Design: Werner Aisslinger) Einleitung // Natürlich wachsend und biologisch abbaubar → S. 007

REMÖTIL - Stoffwand aus Alttextilien (Design: Moa Hallgren und Lisa Spengler) Alttextilwerkstoffe // Recyclingmaterialien → S. 095

PaperLite Verpackung aus Altpapierfasern (Quelle: Flextrus) Alttextilwerkstoffe // Recyclingmaterialien → S. 096

VEIO Textile Schalen (Design: Kathrin Morawietz) Alttextilwerkstoffe // Recyclingmaterialien → S. 095

Durch Einschnitte kann das Gewicht von Holzwerkstoffen reduziert werden (Quelle: Dukta) Gewichtsoptimierte Holzwerkstoffe und Ersatzmaterialien // Leichtbaumaterialien → S. 108

Flexibel eingeschnittenes Holz (Quelle: Dukta) Gewichtsoptimierte Struktur- und Wabenkonstruktionen // Leichtbaumaterialien → S. 111

BafaTex Filtervlies (Quelle: BafaTex) Fadengelege-Strukturen // Leichtbaumaterialien → S. 113

Parkhaus in Montreux mit Tensairity-Pneustruktur (Quelle: Empa, Architektur: Luscher Architectes SA & Airlight Ltd.) Biomimetischer Leichtbau // Leichtbaumaterialien → S. 119

Traglufthalle (Quelle: Paranet Deutschland) Pneumatische Textilien // Leichtbaumaterialien → S. 120

Airdrop - Bewässerungssystem nach dem Prinzip des Nebeltrinker-Käfers (Design: Edward Linacre) Wassersam melnde Oberflächen // Multifunktionswerkstoffe → S. 141

Paravent „And A And Be And Not“ aus dichroitischen Gläsern (Quelle: Camilla Richter) Lichtlenkende Materialien // Lichtbeeinflussende und -emitterende Materialien → S. 159

Bewegliche Lichtinstallation unter Verwendung von lasergeschnittenen EL-Folien aus Interaktion zwischen Mensch und Technik (Quelle: CAAD, Manuel Kretzer) Elektrolumineszierende Materialien // Lichtbeeinflussende und -emitterende Materialien → S. 164

Bio-Light mit Leuchtbakterien, die mit Methan und organischem Kompost gefüttert werden (Quelle: Philips Design) Biologisches Licht // Lichtbeeinflussende und -emitterende Materialien → S. 167

VIVID Light Installation aus weißen Nylon-Airbags (Quelle: Julia Berner, Alexander Dronka, Johannes Roloff) Einleitung → S. 014

Endless Flow - Generative Möbelproduktion mit alten Kunststoffen (Design: Dirk Vander Kooij) Innovative und nachhaltige Fertigung // Generative Fertigung mit Recyclingmaterial → S. 191

Solarsintern in der Wüste Ägyptens (Quelle: Markus Kayser, Foto (oben rechts): Wendelin Schulz-Pruss) Solarsintern Rapid Manufacturing mit Sonnenlicht // Produktionsverfahren → S. 190

Gravity Stool (Design: Jólan van der Wiel) Einleitung → S. 015

34 Biokunststoffe und biobasierte Bindemittel

— 01 —

36 Biokunststoffe und biobasierte Bindemittel

Die Meldungen zu den knapper werdenden Ölressourcen häufen sich. Obwohl ständig neue Vorkommen gefunden werden, deren Erschließung sich mit den steigenden Preisen mittlerweile rechnet (zum Beispiel Ölbohrungen in Mecklenburg-Vorpommern), ist das Ende der Petrochemie vorprogrammiert. Die Chemiekonzerne bereiten mit Nachdruck einen Paradigmenwechsel vor, der eine Abwendung von fossilen Rohstoffquellen für unsere Produktkultur hin zu biobasierten Herstellungsmethoden zur Folge haben wird. Während die Frage, wie die zukünftige Bioökonomie aussehen wird, derzeit noch Gegenstand der politischen Debatten ist, bauen die Produzenten Kapazitäten für die Erzeugung biobasierter Angebote auf. Eine aktuelle Studie des Instituts für Energie- und Umwelt­ forschung Heidelberg im Auftrag des Umweltbundesamtes kommt zu einem positiven Ausblick für die Biokunststoffbranche: Die Umweltwirkungsprofile vieler Biokunststoffe haben sich nach Aussage der Wissenschaftler seit ihrer Erstentwicklung stark verbessert, und es werden derzeit weitere Optimierungspotentiale erschlossen. So weisen Biokunststoffe in der Ökobilanz häufig einen geringeren fossilen Ressourcenverbrauch und reduzierte CO₂-Emissionen auf als die konventionellen Vertreter. Das Vertrauen der Märkte in die Biokunststoffbranche lässt sich deutlich anhand der jüngst veröffentlichten Marktdaten (Quelle: European Bioplastics Oktober 2012) ablesen. Demnach werden sich die weltweiten Produktionskapazitäten für Biokunststoffe zwischen 2011 und 2016 voraussichtlich verfünffachen, von rund 1,2 Million Tonnen im Jahr 2011 bis auf knapp 6 Millionen Tonnen im Jahr 2016. Im Verpackungsbereich sollen auf lange Frist bis zu 70 Prozent der konventionellen Kunststoffe durch biobasierte ersetzt werden.

37 Biokunststoffe und biobasierte Bindemittel

Potenziale und Produktionsprozesse

038

Keratine

Kaseinkleber

046

055

Milchproteinfasern

Sojaklebstoff

047

055

Biobasiertes Polyethylen­t herephthalat (Bio-PET)

Muschelkleber

056

039

Glykoproteine

Lignin

048

057

Biobasierte Polyamide

Spinnseidenproteine

Biobasierte Harze

041

048

058

Polyhydroxyfettsäuren (PHF)

Sojaproteinfasern

Biobasiertes Polyurethan (Bio-PUR)

040

042

049

Algenbasierte Kunststoffe

Schellack

050

058

Bakterienzellulose

Kohlendioxid Polymere

Natürliche Wachse

043

051

059

Stärkekleber

Hefekulturen für formbaren Stein

052

060

Gelatine

Glutinleime

Biobitumen

045

054

061

6.

die größten Potenziale unter den bioabbaubaren Kunststoffen versprechen sich die hersteller vor allem von solchen auf Basis von Polymilchsäure (englisch polyactic acid, PlA) oder Polyhydroxyfettsäuren (Phf). denn mit ihnen könnten klassische Massenkunststoffe wie Polyvinylchlorid (PVc), Polyethylen (PE) oder Polypropylen (PP) mittelfristig ersetzt werden. Mittlerweile ist eine ganze Bandbreite von biobasierten Kunststoffen am Markt erhältlich, die auf unterschiedlichen Produktionsprozessen und Ausgangsstoffen basieren. im Brockhaus werden Biokunststoffe als „kunststoffanaloge werkstoffe“ verstanden, die „vollständig oder zu überwiegenden Anteilen aus Biopolymeren erzeugt und unter Anwendung der für Kunststoffe üblichen Verfahren“ verarbeitet werden können. nach dem weitläufigen Verständnis werden aber auch solche zu den Biokunststoffen gezählt, die nicht auf nachwachsenden Quellen basieren, sich aber biologisch zu natürlichen substanzen wie stickstoff, wasser oder Kompost abbauen lassen. durch den Einsatz von Biokunststoffen verspricht sich die industrie fossile Ressourcen einzusparen, sie effizienter zu nutzen und den co 2 -Abdruck von Kunststoffartikeln zu senken. für die Produktion von Biokunststoffen werden von den herstellern unterschiedliche strategien verfolgt. Um den bisherigen Produktionsprozess in weiten Teilen nutzen zu können (drop-in lösungen), setzen eine Reihe von chemiekonzernen Ausgangschemikalien (Plattformchemikalien) ein, die mit nachwachsenden Rohstoffen gewonnen werden. dies trifft insbesondere auf Ethanol zu, auf Basis dessen thermoplastische Kunststoffe wie PE, PP und PVc hergestellt werden. Bioethanol lässt sich inzwischen mit Zuckerrohr oder Zuckerrüben erzeugen. die großtechnische herstellung von Bio-PE ist angelaufen und geht vor allem auf Braskem, einem brasilianischen Unternehmen der

38

5.

4.

2.

Biokunststoffe und 3. BioBasierte Bindemittel

Potenziale und ProduktionsProzesse Materialkoordinatensystem für Biokunststoffe (Quelle: Hochschule Hannover, Hans-Josef endres)

Biobasiert Sind biobasiert

Sind biobasiert und biologisch abbaubar

Biokunststoffe

Biokunststoffe

z.B. Bio-PE (PP/PVC, biobasiertes PET, PTT

z.B. PLA, PHA, Stärke-Blends

Nicht biologisch abbaubar

Biologisch abbaubar

Herkömmliche Kunststoffe nahezu alle konventionellen Kunststoffe

Biokunststoffe z.B. PBAT, PBS PCL

z.B. PE, PP, PET

Sind biologisch abbaubar

Weltweite Produktionskapazitäten für Biokunststoffe 2012 (Quelle: european Bioplastics)

9.

10.

11.

12.

Weltweite Produktionskapazitäten für Biokunststoffe 2012 (nach Materialtyp) 1.Bio-PE

8. 7.

1.

6. 5.

4.

2. 3.

200.000

28 %

2.Bio-abbaubare Stärke-Blends 117.800

16 %

3.PLA

112.500

15 %

4.PHA

88.100

12 %

5.Bio-abbaubare Palyester

56.500

8%

6.Bio-Pet

50.000

7%

7.Zellulose-Regenerate

36.000

5%

8.Bio-PA

35.000

5%

8.000

1%

10.PLA-Blends

8.000

1%

11.Haltbare Stärke-Blends

5.100

1%

12.Andere

7.500

1%

724.000

100 %

9.Zellulose-Derivate

Gesamt

Petrochemie und weltweit größten Polymerherstellers, zurück. die Produktion von BioPA, Bio-PP und Bio-PUR wird derzeit aufgebaut und in den nächsten Jahren erweitert. den größten Anteil am Biokunststoffmarkt hat heute teil-biobasiertes Polyethylenterephtalat (PET) mit einer größenordnung von 40 Prozent. durch eine Verzehnfachung der Produktionskapazität und die enorme Bedeutung wird dieser Anteil bis 2016 auf prognostizierte 80 Prozent steigen (Quelle: European Bioplastics oktober 2012). neben der chemischen synthese natürlicher Ausgangsstoffe können die hersteller auch durch die direkte synthese der Biopolymere oder durch Modifizierung nachwachsender Rohstoffe Biokunststoffe erzeugen. Unter den durch direkte fermentation synthetisierten Biokunststoffen bieten Phf beziehungsweise Polyhydroxyalkanoate (PhA) besonders große Anwendungspotenziale. Zu

39 Biokunststoffe und BioBasierte Bindemittel

den durch direktes Modifzieren nachwachsender Rohstoffe zählenden Biokunststoffe gehören insbesondere solche auf Basis von Zellulose, stärke, lignin, Pflanzenölen, chitin und tierischen Proteinen. in letzter Zeit konnten einige Entwicklungserfolge bei proteinbasierten Produktionsprozessen präsentiert werden. in diesem Zusammenhang sind vor allem antibakteriell wirkende Milchproteinfasern zu nennen oder die Produktion extrem reißfester und gleichzeitig hochdehnbarer fasern auf Basis von spinnseidenproteinen.

Eigenschaften Bio-Pet auf Basis von Zuckerrohr-melasse // leichtgewichtig // keine Weichmacher // Verhindern von ausdünstungen durch siliziumdioxid-Beschichtung Nachhaltigkeitsaspekte bessere Ökobilanz von Pet-kunststoffflaschen // auf Basis nachwachsender rohstoffe // möglichkeit zur Wasserentkeimung

kleider-Haken „Grapple“ mit einem hohen Grasfaseranteil (design: ryan frank, Quelle: agriplast)

Biokunststoff auf Basis von Gelatine (Quelle: Caad, manuel kretzer)

PET zählt zu den Massenkunststoffen für den Verpackungsbereich. Vor allem kennt man das Material von der Kunststoffflaschenproduktion. im Vergleich zur glasflasche weisen PET-flaschen ein geringeres gewicht auf, sie gehen nach Transportfehlern nicht so schnell kaputt und können bei sortenreiner Trennung recycelt werden. seit 2010 werden flaschen auch aus teil-biobasiertem PET hergestellt. MATERiAlKonZEPT Und EigEnschAfTEn

BioBasiertes PolyethylentherePhthalat (Bio-Pet)

Als thermoplastischer Polyesther entsteht PET durch Polykondensation der Monomere Terephthalsäure und Ethylenglycol. Bei der teil-biobasierten Variante wird Ethylenglycol auf Basis von Zuckerrohr-Melasse erzeugt, während die Terephthalsäure aus Kostengründen weiterhin petrochemisch hergestellt wird. Seit kurzem werden von einigen Herstellern hundertprozentige Alternativen zu PET angekündigt. Zu diesen zählt beispielsweise Polyethylen Furanoat (PEF), in dessen Produktion seit 2011 in den Niederlanden investiert wird. PEF ist PET in einigen Belangen überlegen, weist eine geringere Gasdurchlässigkeit aus und ist wärmebeständiger. PET-Flaschen enthalten keine gesundheitsgefährdenden Weichmacher wie Phthalate oder schädliches Bisphenol A. Jedoch entweicht dem Kunststoff das riechende Acetaldehyd (Ethanal), was es an die Flüssigkeit abgibt. Das Bundesinstitut für Risikobewertung stuft die Belastung aber als unbedenklich ein. Um die PET-Flaschen abzudichten für den Durchlass von Gasen und den

Austritt von Acetaldehyd zu verhindern, wurde eine wenige Nanometer dicke SiliziumdioxidBeschichtung für die Innenseite der Flaschen entwickelt. Der Getränkehersteller Pepsi hat im Frühjahr 2012 die Entwicklung einer Kunststoffflasche auf Basis von Rutenhirse, Pinienrinde und Mais in einer Kombination aus biologischen und chemischen Prozessen vermeldet, die ähnliche Eigenschaften aufweisen soll wie petrochemisch erzeugtes PET. Das neue Material soll deutlich geringere CO₂Emissionen verursachen und vollständig recycelt werden können. Weitere natürliche Rohstoffe wie beispielsweise Haferspelze, Kartoffel- und Orangenschalen werden von Pepsi derzeit als Grundlage für die Flaschenproduktion getestet.

orangenschale als Grundlage für Biokunststoffe

40 Biokunststoffe und BioBasierte Bindemittel

solar Water disinfection in indonesien (Quelle: michigan technological university)

Eigenschaften identische eigenschaften im Vergleich zu konventionellen // gering vernetztes Bio-Pur mit fermentativ erzeugtem Bio-alkohol // stark vernetztes Bio-Pur mit Pflanzenölen // biologische abbaubarkeit nimmt mit stärke der Vernetzung ab Nachhaltigkeitsaspekte auf Basis nachwachsender rohstoffe // partiell biologisch abbaubar

VERwEndUng

PET-Mehrwegflaschen weisen über den gesamten Lebenszyklus hinweg eine bessere Ökobilanz auf als vergleichbare Behältnisse aus Glas. Dies liegt vor allem an dem niedrigen Gewicht beim Transport, der energieeffizienten Herstellung und Recyclingfähigkeit. Klare PET-Flaschen werden in Entwicklungsländern verstärkt zur Wasserentkeimung eingesetzt. Die SODIS-Methode (Solar Water Disinfection) geht auf die keimtötende Wirkung von ultravioletter Strahlung zurück. Weitere Anwendungsgebiete von PET sind Folien und Fasern.

kunststoffflaschen aus teil-biobasiertem Pet (foto: diana drewes)

Polyurethane (PUR) sind eine sehr wichtige Kunststoffgruppe für unterschiedliche Anwendungen, da sie sowohl thermoplastische (Thermoplastisches Polyurethan, TPU), duroplastische (Polyurethanharze) sowie elastomere Eigenschaften haben können. Einige Produzenten verfolgen das Ziel, PUR auf Basis nachwachsender Rohstoffe herzustellen. MATERiAlKonZEPT Und EigEnschAfTEn

BioBasiertes Polyurethan (Bio-Pur)

Der konventionelle Herstellungsprozess geht auf eine Polyaddition von Alkoholen mit Isocyanaten zurück. Je nach Wahl des Alkohols können unterschiedliche Vernetzungsgrade und damit die Eigenschaften unter Wärmeeinfluss und/ oder Elastizität des Materials eingestellt werden. Bei der Herstellung von Bio-PUR werden für die Erzeugung des Alkohols nachwachsende Rohstoffe verwendet. Für gering vernetztes PUR ist ein fermentativ erzeugter Bio-Alkohol ausreichend. Die Grundlage stärker vernetzte Bio-PUR bilden Pflanzenöle wie Raps-, Soja-, Rizinusöl- oder Sonnenblumenöl. Es wird auch an der Entwicklung der Alkoholkomponente durch Lignin gearbeitet. Bio-PUR weisen identische Qualitäten

auf wie die konventionellen Varianten. Mit steigendem Vernetzungsgrad nimmt die Möglichkeit zur partiellen Abbaubarkeit des Kunststoffs ab. VERwEndUng

41 Biokunststoffe und BioBasierte Bindemittel

Einsatzmöglichkeiten für Bio-PUR finden sich überall dort, wo PUR mit seinen vielfältigen Eigenschaften ohnehin in großen Mengen eingesetzt wird. Dies trifft auf den Schaumstoffsektor bei der Herstellung von Matratzen oder Dämmstoffen ebenso zu wie für die Schuhindustrie und den Sportartikelbereich. Komplexe Geometrien von Sohlen, Fensterprofilen oder Verkleidungselementen für Kraftfahrzeuge werden üblicherweise mittels Reaktionsspritzgießen (RIM) hergestellt. Dabei erfolgt die Vernetzung des PUR-Schaumstoffs erst innerhalb der Werkzeugform.

schuhentwicklung auf Basis eines biobasierten Pur (Quelle: Bayer materialscience)

rapsöl bildet die Grundlage von stärker vernetzten Bio-Pur. (foto: diana drewes)

Polyamide gehören zu den wichtigsten Kunststoffen für technische Anwendungen. Mit den knapper werdenden Erdölressourcen wird der Entwicklung biobasierter Ausgangsquellen für ihre herstellung ein immer größerer stellenwert beigemessen, die über den gesamten lebenszyklus gesehen eine günstigere co 2 -Bilanz aufweisen kann.

Eigenschaften ähnliche Qualitäten wie petrochemisch erzeugte Polyamide // vollständig biobasiert oder zu einem Großteil // biologisch nicht abbaubar Nachhaltigkeitsaspekte günstigere Co2-Bilanz // auf Basis nachwachsender rohstoffe

MATERiAlKonZEPT Und EigEnschAfTEn

Bislang erhältlich sind das zu 100 Prozent biobasierte Polyamid 10.10 (Vestamid Terra ), das vollständig biobasierte PA 4.10 (EcoPaxx ) sowie ein Polyamid 6.10 (Ultramid Balance oder Zytel ), das zu etwa 60 Prozent aus nachwachsenden Rohstoffen wie Rizinusöl hergestellt wird. Sie weisen sehr gute mechanische und physikalische Eigenschaften auf, die sich durch Faserbeimischung noch wesentlich verbessern lassen. 2011 konnte an der Technischen Universität Braunschweig durch Optimierung des Bodenbakteriums C. glutamicum ein effizienter Weg für die fermentative Produktion von Diaminopentan, einem Schlüsselbaustein für das 100 Prozent biobasierte Polyamid PA 5.10, gefunden werden.

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BioBasierte Polyamide

Verpackung aus dem biobasiertem Pa 4.10 (Quelle: dsm engineering Plastics)

rizinus-samen (Quelle: dsm engineering Plastics)

VERwEndUng

Biobasierte Polyamide können meist in ähnlichen Gebieten eingesetzt werden, wie die petrochemischen Varianten. Sie sind nicht biologisch abbaubar, so dass sie sich für Anwendungen in Kraftstoff- und Bremsleitungen für die Fahrzeugindustrie ebenso eignen wie für Sportschuhe, Kabelummantelungen oder Gehäuse antielektrostatischer Geräte. Weitere typische Anwendungen für Polyamide sind Zahnbürsten, Strumpfhosen oder die Medizintechnik. Bislang befindet sich das Marktvolumen biobasierter Polyamide noch in einer Nische.

42 Biokunststoffe und BioBasierte Bindemittel

schnellkupplung aus glasfaserverstärktem Polyamid 6.10 (ultramid Balance ®), das nicht nur hydrolysestabil, sondern auch widerstandsfähig gegen kraftstoffe und Zinkchlorid ist. (Quelle: Basf)

neben PlA zählen vor allem Phf (auch PhA genannt) zu den Biokunststoffen mit den größten Potenzialen unter den bioabbaubaren Varianten. An der Technischen Universität graz wurde bis Ende 2012 im Projekt AniMPol ein industrieller Produktionsprozess für ihre herstellung auf Basis von fettreichen tierischen Abfällen der fleischverarbeitenden industrie entwickelt. diese erreichen in Europa jährlich rund 500 Megatonnen und werden bislang in den meisten fällen thermisch verwertet.

Eigenschaften ähnliche eigenschaften wie PVC, Pe oder PP // thermoplastische Verarbeitung // lebensmittelecht Nachhaltigkeitsaspekte biologische abbaubarkeit // auf Basis tierischer abfälle

MATERiAlKonZEPT Und EigEnschAfTEn

Im Verfahren werden jene Fraktionen, die die Qualität von Biodiesel als Treibstoff negativ beeinflussen würden, also die Anteile mit gesättigten Fettsäuren, abgetrennt und als Rohstoff zur biotechnologischen Fermentation von PHA eingesetzt. PHF sind natürliche Polyester, die traditionelle Massenkunststoffe wie PVC, PE oder PP ersetzen könnten. Sie sind thermoplastisch und können auf den konventionellen Anlagen der Polymerindustrie verarbeitet werden (Spritzgießen, Extrudieren, Blasformen). Im Vergleich zu PLA sind PHF beständiger unter Wärmeeinfluss.

Polyhydroxyfettsäuren (Phf)

VERwEndUng

Der Anteil von PHA am Biokunststoffmarkt beträgt rund fünf Prozent bei steigender Tendenz. PHF werden zum Beispiel für bioabbaubare Verpackungen eingesetzt, deren Bedeutung mit den Berichten über Kunststoffabfälle in den Meeren größer wird. Auch in der Medizin als sich im Körper abbauendes Nahtmaterial findet PHA bereits Verwendung.

43 Biokunststoffe und BioBasierte Bindemittel

Versuchsaufbau zur fermentation von PHa auf Basis tierischer fette (Quelle: martin koller, tu Graz)

PRodUKTE

®

Proganic Der preisgekrönte thermoplastische Biowerkstoff besteht zu einem Großteil aus PHA, Carnaubawachs und mineralischen Füllstoffen. Er lässt sich mit den konventionellen Techniken verarbeiten und ist wegen der lebensmittelechten und wasserabweisenden Eigenschaften insbesondere für Konsumgüter wie Gießkannen, Einmalbesteck, Blumentöpfe oder Eierbecher geeignet. Das Material ist formstabil bis zu einer Temperatur von 100 °C.

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MINERV PHA SC Diese PHA werden aus Abfallprodukten der Zuckerindustrie (Melasse oder Zuckersaft) hergestellt. Sie sind vollständig biologisch abbaubar und können mit ausgezeichneten thermischen Eigenschaften als Alternative für die Massenkunststoffe PET, PP, PS oder PE bei der Herstellung von Flaschen, Verpackungen, Folien, Fahrzeugkomponenten oder Elektronik eingesetzt werden. Typische Verarbeitungstechniken sind die Extrusion oder der Spritzguss.

PHa auf Basis tierischer fette (Quelle: martin koller, tu Graz)

Eigenschaften feiner als pflanzliche stoffe // keine störenden Begleitstoffe // biokompatibel // keine allergischen reaktionen // hohe reißfestigkeit auch unter feuchteeinfluss // erhebliches schrumpfen beim trocknen // langsames Wachstum Nachhaltigkeitsaspekte Herstellung auf Basis nachwachsender rohstoffe // Bakterienzellulose enthält keine schadstoffe // biologische abbaubarkeit

Bakterienzellulose

Zellulosefasern zählen zu den wichtigsten Ausgangsmaterialien der Textilindustrie. sie sind nahezu ausschließlich pflanzlichen Ursprungs. Bei einem alternativen biobasierten herstellungsprinzip werden Mikroben dazu genutzt, innerhalb eines fermentationsprozesses glucose in Zellulose umzuwandeln und eine gelartige textile fläche mit dicken von bis zu 4 Zentimetern zu erzeugen. Eine ganze Reihe von Bakterienstämmen ist mittlerweile erforscht, die mikroskopisch kleine Zellulosefäden produzieren und zu Bändern beziehungsweise flächen verdichten können. Beispielsweise bietet die spezies Acetobacter Xylinum großes Potenzial. MATERiAlKonZEPT Und EigEnschAfTEn

Bakterienzellulose ist im Vergleich zu pflanzlicher wesentlich feiner und enthält keine störenden Begleitstoffe. Grundlage ist eine hochkomplexe dreidimensionale Nanostruktur, die dem

Material hervorragende mechanische Eigenschaften verleiht. Bemerkenswert ist die unter Feuchte hohe mechanische Festigkeit, die vergleichbar ist mit Kevlar oder Stahl. Der verwendete Bakterienstamm sowie die Art des Substrats bestimmen die Qualität und Dichte des entstehenden Flächentextils. Es kann im menschlichen Körper eingesetzt werden und wird von körpereigenen Zellen besiedelt. Allergische Reaktionen werden ausgeschlossen. Die Eigenschaften bakteriell erzeugter Zellulose lassen sich durch Veränderung des genetischen Codes der Organismen anpassen.

44

Lebensmitteln kennt man Bakterienzellulose vom Dessert Nata de Coco. Der Medienkonzern Sony hatte vor einigen Jahren bereits Membrane für Kopfhörer aus Bakterienzellulose auf dem Markt.

Biokunststoffe und BioBasierte Bindemittel

VERwEndUng Und VERARBEiTUng

Bakterienzellulose kann in nahezu jede Form hineinwachsen und auf einer Vielzahl von zuckerhaltigen Substraten erzeugt werden. Es nimmt im Herstellungsprozess sehr viel Wasser auf, was eine Trocknung notwendig macht. Dabei kommt es zu nicht unerheblichem Schrumpfen. Mit ihrer sehr guten Biokompatibilität und hohen Reinheit ist die Faser besonders für medizinische und kosmetische Zwecke interessant. So wird das Material zum Beispiel als Wundauflage, Hohlimplantat für Bypassoperationen oder Weichteilersatz verwendet. Das langsame Wachstum sowie der im Vergleich mit pflanzlicher Zellulose etwa hundertmal höhere Preis verhindern bislang eine weitverbreitete industrielle Nutzung. Die besonders langen Fasern sind zudem bestens zur Herstellung hochwertigen Papiers geeignet. So werden Anwendungen als Substratmaterial für OLEDs oder als Matrix für elektronisches Papier diskutiert. Unter

Auch unter Designern erfreut sich das außergewöhnliche Fasermaterial großer Beliebtheit. An der Central Saint Martins University of Arts in London untersucht Suzanne Lee beispielsweise, wie Mikroben ganze Kleidungsstücke organisch wachsen lassen können. Dabei werden die Bakterien in einem Bad aus Kombucha Tee- und Zuckerwasser kultiviert und erzeugen innerhalb von zwei bis drei Wochen ein gelartiges Flächentextil. Nach dem Trocknen fühlt sich dieses an wie pflanzliche Haut und kann vollständig kompostiert werden. In einem anderen Projekt hat der Designer Jannis Hülsen die Potenziale bakterieller Zellulose für Möbeldesign getestet. Er entwarf einen Hocker mit einer Oberfläche aus Bakterienzellulose. Nach dem finalen Trocknungsprozess wies sie eine mit Pergament vergleichbare Haptik und Optik auf. Erlenholz hat sich dabei wegen seiner sehr freien Struktur als ideale Grundlage erwiesen.

kleidungsstück aus bakteriell erzeugter Zellulose (design: suzanne lee)

Bakterienzellulose in nanodimension (Quelle: fzmb)

Hocker „Xylinum“ mit oberfläche aus Bakterienzellulose (design: Jannis Hülsen)

Zu den bekanntesten proteinbasierten Biopolymeren zählt gelatine, die in einigen Produkten wie gummibärchen oder fotopapieren nach wie vor verwendet wird. MATERiAlKonZEPT Und EigEnschAfTEn

Gelatine wird aus tierischen Eiweißen (Collagen) gewonnen, die meist von dem Bindegewebe sowie der Haut und den Knochen von Rindern und Schweinen stammt. Das Biopolymer eignet sich wegen seiner speziellen Eigenschaften besonders für den Lebensmittelbereich und die Medizin. So quillt Gelatine zum Beispiel unter Einfluss von Wasser auf und löst sich ab einer Temperatur von 50 °C auf. Auffallend ist die gelartige Konsistenz, die zum Beispiel für Sülze, Wackelpudding, oder Lakritz nützlich ist.

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Eigenschaften proteinbasiertes Biopolymer // gelartige konsistenz // quillt unter Wassereinfluss auf // wärmeunbeständig // keine allergischen reaktionen // hohe reißfestigkeit

Biokunststoffe und BioBasierte Bindemittel

Nachhaltigkeitsaspekte auf Basis nachwachsender rohstoffe // biologisch abbaubar

Gelatine

VERwEndUng

Aufgrund der niedrigen Wärmebeständigkeit hat Gelatine im industriellen Kontext nur eine geringe Bedeutung. Weitere Anwendungen im Lebensmittelbereich sind Speiseeis, Schokoküsse, Bonbons oder Joghurt. Aufgrund der guten Biokompatibilität wird Gelatine für die Herstellung von Kapseln und als Bindemittel für Tabletten eingesetzt. Zudem wird sie zur Beschichtung von Implantaten und Fotopapier verwendet. Im Kosmetikbereich ist der Biokunststoff in Cremes und Salben vorzufinden. Bekannt sind vor allem Gelatinegewebe als Plattenmaterial zum Backen und Kochen. Als Trägermaterial für die Fotoindustrie hat das Material mit dem Aufkommen der Digitalkameras seine Bedeutung verloren.

Biokunststoff auf Basis von Gelatine (Quelle: Caad, manuel kretzer)

Quellen von Gelatine (Quelle: Caad, manuel kretzer)

Gum mibärchen bestehen aus Zucker, sirup und erstarrter Gelatine

Handelsübliche Gelatinegewebe zum kochen oder Backen

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Keratin bildet die grundlage zur Ausbildung von fingernägeln, tierischen hörnern, stacheln, federn oder Pferdehufen. Es ist ein faserprotein tierischen Ursprungs, das auch als natürliches Bindemittel eingesetzt werden kann.

Eigenschaften proteinbasiertes Biopolymer // unlöslich in Wasser // resistent gegenüber Bakterien // beständig bei starken temperaturschwankungen // reduziert formaldehydbelastung in innenräumen

Biokunststoffe und BioBasierte Bindemittel

Nachhaltigkeitsaspekte auf Basis organischer abfälle // biologisch abbaubar

MATERiAlKonZEPT Und EigEnschAfTEn

Alle auf Keratin basierenden Stoffe lösen sich nicht in Wasser auf. Sie sind zudem resistent gegenüber Bakterien und halten starke Temperaturschwankungen aus. Die mechanischen Qualitäten hängen von der jeweiligen Faserstruktur des Keratins ab. Die Anzahl sogenannter Disulfidbrücken hat entscheidenden Einfluss auf die endgültige Faserbeständigkeit. Bei der Verbrennung von Keratin entsteht ein unangenehmer Geruch. Wissenschaftler konnten nachweisen, dass Keratinfasern die Formaldehydbelastung im Innenraum reduzieren.

keratine

VERwEndUng

Die Verwendung von Tierhaaren im Textilbereich ist selbstredend. Dass Haare insbesondere die thermisch stark isolierenden Haare von Kamelen als Füllstoff für Schlafsäcke verwendet werden, ist eher ungewöhnlich. Ein Beispiel kommt aus Süddeutschland, wo ein Produzent von Outdoorartikeln Schlafsäcke mit einer Füllung aus gekräuselten Kamelhaaren, feuchtigkeitsabsorbierenden Zellulosefasern und recycelten Polyesterfasern auf den Markt gebracht hat. Während die Tierhaare der Füllung hervorragende thermische Isolationseigenschaften geben, fördert das Polyester den Feuchtigkeitstransport und -austausch an die Umgebung. Keratinklebstoffe werden aus den Faserproteinen des Horns gewonnen und finden überall dort Verwendung, wo andere keratinbasierenden Materialien miteinander verklebt werden sollen. Sie sind hart und beständig, langlebig und weisen eine farblose Transparenz auf. Keratinkleber werden gerne zum Ankleben von Echthaar verwendet und sind am Markt als Granulat oder in Stabform erhältlich. Üblicherweise werden letztere mit Heißluftpistolen verarbeitet.

Die Berliner Bildhauerin Iris Schieferstein nutzt vornehmlich tierische Reststoffe für ihre Kunst. Sie wurde mit Schuhentwürfen bekannt, in denen sie Kuh- und Pferdehufe verwendete. Zu ihren Kunden zählt unter anderen die international bekannte Sängerin Lady Gaga, die die Schuhe mit einem Kleid aus Tierfleisch kombinierte und zu einer Preisverleihung trug.

kamelhaare werden heute u. a. zur schlafsackbefüllung verwendet. (foto: diana drewes)

Hornkam m besteht aus keratinen.

schuhdesign mit Pferdehufen (design: iris schieferstein)

Tierische Haare und Eigenschaften Wolle vom merinoschaf

fein, weich, stark gekräuselt

schafkamelhaar von alpaka, lama, Vikunje und Guanako

weich, glänzend, fein, wenig gekräuselt

Haare vom angorakaninchen

sehr fein, äußerst leicht, glatt

kamelhaar

sehr fein, weich, leicht gekräuselt, beigebraun

mohairhaare der angore- oder mohairziege

lang, leicht gelockt, glänzend, filzt kaum

kaschmirhaare der kaschmirziege

fein, weich, leicht, glänzend

Haare des Yaks

grob

rosshaar

sehr grob

für Allergiker ist eine neue faser am Markt erschienen, die keinen negativen Effekt mehr auf der haut auslösen soll. denn im Vergleich zu konventionellen garnen, wird bei der herstellung von Milchproteinfasern auf chemische Zusätze verzichtet.

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Eigenschaften proteinbasierter Biokunststoff // antibakteriell // temperaturregulierend und hautglättend // gutes feuchigkeitsmanagement

Biokunststoffe und BioBasierte Bindemittel

Nachhaltigkeitsaspekte keine chemischen Zusätze // Verwendung nicht verkehrsfähiger milch

MATERiAlKonZEPT Und EigEnschAfTEn

Ursprünglich kommt die auch als Milchseide bezeichnete Kaseinproteinfaser aus dem asiatischen Raum. Nun ist auch ein deutsches Unternehmen in den vielversprechenden Markt eingestiegen. Milchproteinfasern enthalten bis zu 18 Aminosäuren, die das Zellwachstum unterstützen und der Alterung der Haut vorbeugen. Sie regen die Blutzirkulation an, wirken gegen den Juckreiz der Haut und glätten sie. Das Feuchtigkeitsmanagement der Funktionsfasern verhindert zudem das Wachstum von Bakterien um 99 Prozent und fördert die für Allergiker wichtige Temperaturregulierung.

milchProteinfasern

Für die Faserherstellung wird keine Milch verwendet, die auch als Lebensmittel geeignet wäre. Hierzu zählen beispielsweise die Kolostralmilch von gerade kalbenden Kühen oder das Zentrifugat aus der Käseherstellung. Jährlich werden 1,9 Millionen Liter nicht verkehrsfähige Milch von den Betrieben entsorgt. VERwEndUng

Mit dem komplexen Eigenschaftsprofil sind Milchproteinfasern sowohl für die Bekleidungsals auch die Automobilindustrie und die Medizintechnik interessant. Beispiele sind antibakterielle Heimtextilien, Bettwäsche mit Kühleffekt, wärmeisolierende Autositzbezüge oder hygienische Membrane für medizintechnische Anwendungen. Bereits geringe Zusätze von Milchproteinfasern in Textilien können die positiven Eigenschaften bewirken. Die Serienproduktion des deutschen Herstellers Qmilk wurde Mitte 2013 aufgenommen.

kolostralmilch als Basis für die faserproduktion (Quelle: Qmilk)

milchproteinfasern (Quelle: Qmilk)

milchproteinfasern in der Produktion (Quelle: Qmilk)

milchproteinfasern unter dem mikroskop (Quelle: Qmilk)

Einige natürliche stoffe und bestimmte grünalgen haben positiven Einfluss auf die menschliche haut. wissenschaftler in Taiwan haben festgestellt, dass sich sogar Eierschalenhäutchen positiv auf den heilungsprozess von wunden auswirken können.

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Eigenschaften positiver einfluss auf die Haut // hohe Viskosität Nachhaltigkeitsaspekte auf Basis nachwachsender rohstoffe // biologisch abbaubar

Biokunststoffe und BioBasierte Bindemittel

MATERiAlKonZEPT Und EigEnschAfTEn

Das Eierschalenhäutchen besteht in der Hauptsache aus Glykoproteinen, also Makromolekülen aus einem Protein und mehreren Zuckergruppen. Glykoproteine übernehmen zahlreiche Funktionen im Organismus, kommen beispielsweise im Schleim als Gleitmittel vor oder sind in den Zellwänden als Strukturelement enthalten. Lösungen mit Glykoproteinen weisen eine hohe Viskosität auf.

GlykoProteine

VERwEndUng

Mit Blick auf die Möglichkeit zur Verwendung von Milchproteinen als Fasermaterial oder bakteriell erzeugter Zellulose als lederartiges Textil in der Mode zeigt der Aufbau von Glykoproteinen ähnliche Potenziale auf. Die Designerin Ulrike Böttcher hat zu diesem Zweck einige Ansätze zur Verwendung von Eierschalenhäutchen untersucht. Diese Möglichkeit steckt derzeit jedoch noch in der Entwicklungsphase.

eierschalen mit eierschalenhäutchen (Quelle: ulrike Böttcher)

Eigenschaften proteinbasierter Biokunststoff // hohe elastizität // extreme reißfestigkeit // gutes feuchtigkeitsmanagement Nachhaltigkeitsaspekte nachhaltige Herstellbarkeit // recyclingfähig

sPinnseidenProteine

spinnen bevölkern schon seit etwa 400 Millionen Jahren die Erde und entwickelten unterschiedlichste Beutefang-Methoden. Eine der bekanntesten ist sicherlich das spinnennetz. die von spinnen in der freien natur produzierten fasern und netze haben eine einzigartige stabilität und dehnbarkeit. wissenschaftlern ist es nun gelungen, die Proteine der spinnseide in einem fermentationsprozess mit gentechnisch veränderten Bakterien nachzubauen und industriell zu reproduzieren. MATERiAlKonZEPT Und EigEnschAfTEn

Spinnenseide weist in Bezug auf seine hauchfeine Struktur eine extreme Reißfestigkeit auf, die die von Stahl übertrifft. Das Material nimmt dreimal soviel Energie auf wie Nylon oder Kevlar und ist darüber hinaus elastisch wie Gummi. Diese Kombination von Materialqualitäten wird von keinem anderen Fasermaterial erreicht. Neben

den mechanischen Eigenschaften hat Spinnseide einige für medizinische Anwendungen nutzbare Qualitäten, denn sie löst im Körper keine allergischen Reaktionen aus und ist unbedenklich einsetzbar. Spinnseidenproteine können auf nahezu alle synthetischen oder natürlichen Materialien aufgebracht werden und als Beschichtung die mechanischen Qualitäten verbessern.

49 Biokunststoffe und BioBasierte Bindemittel

VERwEndUng

Industriell erzeugte Fäden aus rekombinanten Spinnseidenproteinen wurden im Frühjahr 2013 das erste Mal vorgestellt und zeigen ähnliche Eigenschaften wie natürliche SpinnenseidenFasern. Neben der Fadenform sind bereits Technologien verfügbar, um Proteine als Rohmaterial in Kugeln, Membranen, Filmen und Folien zu verarbeiten. AMSilk bietet Zellkulturplatten an, die mit einer dünnen Seidenbeschichtung versehen wurden oder eine offenporige Schaummatrix aus Spinnenseide enthalten. Mittlerweile sind auch Inserts aus Spinnseiden-Vliesstoffen verfügbar. Aufgrund der sehr guten Verträglichkeit von Spinnseidenproteinen für den Menschen, ist der Einsatz für Kosmetika, medizinische Implantate und als Nahtmaterial denkbar. Derzeit werden

Biosteel® fasern hergestellt aus rekombinantem Protein zeigen ähnliche eigenschaften wie natürliche spinnenseiden-fasern. (Quelle: amsilk)

spinnennetz (Quelle: universität Bayreuth)

auch Untersuchungen an der Medizinischen Hochschule Hannover (MHH) durchgeführt, um Seide der goldenen Radnetzspinnen aus Tansania zur Züchtung künstlicher Haut einzusetzen.

Eigenschaften Proteinfaser pflanzlichen ursprungs // glänzendglatt und weich // schnelltrocknend // temperaturregulierender effekt // antibakteriell // wärmespeichernd Nachhaltigkeitsaspekte biologisch abbaubar // restprodukt der nahrungsmittelindustrie // auf Basis nachwachsender rohstoffe

künstlich erzeugte spinnseide (Quelle: universität Bayreuth)

obwohl sojaproteinfasern bereits in den 40er Jahren entwickelt wurden, steigt ihre Bedeutung erst mit knapper werdenden Baumwollfasern und der orientierung an nachhaltiger Bekleidung in der letzten Zeit an. Umgangssprachlich spricht man von sojaseide und meint damit die einzige derzeit bekannte Proteinfaser pflanzlichen Ursprungs. Mit ihr wird vegane Mode möglich. MATERiAlKonZEPT Und EigEnschAfTEn

sojaProteinfasern

Der Vergleich zu Seide liegt bei dem Fasermaterial mit einer glänzend glatten Erscheinung und weichen Haptik nahe. Die natürliche Farbigkeit variiert zwischen elfenbeinweiß, karamellbeige und goldgelb. Sojaproteine fallen bei der SojaölGewinnung oder der Tofuproduktion an. Sie sind ein Abfallprodukt der Nahrungsmittelproduktion und vollständig biologisch abbaubar. Für ihre Erzeugung werden keine zusätzlichen Anbauflächen benötigt. Es gibt damit keine negativen Auswirkungen auf Lebensmittelpreise. Sojaproteinfasern sind schnelltrocknend, haben einen temperaturregulierenden Effekt und wirken antibakteriell und antifungal. Sie erschweren die Ansiedlung von Pilzen und Bakterien. Ihre Qualität zur Wärmespeicherung ist ähnlich hoch wie bei Baumwolle.

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VERwEndUng Und VERARBEiTUng

Üblicherweise wird Sojaseide in der Textilproduktion eingesetzt. Weiches Garn aus Sojoproteinfasern wird besonders bei Strickwaren verwendet und ist vor allem für Personen mit einer Wollallergie geeignet. Meist wird Sojaseide in Gemischen mit anderen Fasern verarbeitet. Das 2009 in Berlin gegründete Label Umasan hat sich auf die Fertigung veganer Mode spezialisiert. Es verzichtet auf tierische Fasern und setzt auf Materialien wie Zellulosefasern mit angereicherten Algenmineralien, Sojaseide oder Strickwolle aus Meeresalgen.

Biokunststoffe und BioBasierte Bindemittel

Vegane mode mit sojaseide (Quelle: umasan)

Eigenschaften schnell wachsende Biomasse // dreidimensionales Wachstum im Wasser // diversie Potenziale zur nutzung in materialhybriden Nachhaltigkeitsaspekte auf Basis nachwachsender rohstoffe // keine landwirtschaftlichen flächen notwendig

alGenBasierte kunststoffe

Aus dem lebensmittelbereich sind uns Algen unter namen wie Kombu, hijiki, nori oder wakame bekannt. Es gibt sie in den unterschiedlichsten gewässern, farben und größen. da sie anders als landpflanzen zur Kultivierung keine Ansatzfläche für das wachstum benötigen, verspricht man sich von der sich schnell wachsenden Biomasse neue Quellen für die Energieversorgung oder die Produktion von Kunststoffen. Algen bilden auch die grundlage für die herstellung von geliermittel und Abformassen. Einige designer haben sich bereits an der gestaltung von Produkten auf Basis von Algen gemacht.

algen am strand von namibia (Quelle: VPZ Graz)

51

MATERiAliEn

Algenfaserverstärkte Thermoplaste Als Verstärkungsmaterial für Kunststoffe finden Algen bereits industriellen Einsatz. Im Jahr 2012 wurde das erste thermoformbare Hybridmaterial aus 80 Prozent Polypropylen und 20 Prozent Algen in den USA vorgestellt. Das Unternehmen Algix hat

Granulat zu algenfaserverstärktem kunststoff (Quelle: algix)

Biokunststoffe und BioBasierte Bindemittel

folie aus algenfaserverstärktem thermoplastischen kunststoff mit algeneinsatz (Quelle: algix)

Eigenschaften kohlendioxid als rohstoff // ersatz konventioneller kunststoffe möglich // Verarbeitung mit gängigen techniken Nachhaltigkeitsaspekte Binden des klimagases kohlendioxid // Biokunststoff in kombination mit organischen abfällen

zudem Formulierungen mit PE oder Ethyl-VinylAcetat (EVA) und den Biokunststoffen PLA, PHA oder Thermoplastischer Stärke (TPS) entwickelt. Diese können zu Bauteilen spritzgegossen, zu Folien extrudiert oder zu Fasern gesponnen werden. Fasern und Folien aus Algenöl In dem europäischen Forschungsvorhaben SPLASH (Sustainable Polymers from Algae Sugars and Hydrocarbons) entwickeln Wissenschaftler und Unternehmen bis 2016 Verfahren zur Herstellung algenbasierter Monomere als Grundlage für die Kunststoffindustrie. Ziel ist es, Prozessketten zur Herstellung von Polyester für Verpackungen beziehungsweise Gebrauchsgegenstände oder Fasern für Garne und Netze zu entwickeln. In diesem Zusammenhang wird am Fraunhofer UMSICHT an der biotechnologischen Gewinnung von Algenöl der Grünalge „Botryococcus braunii“ durch Mikroorganismen geforscht.

Kohlendioxid gilt als einer der Bestandteile unserer Atmosphäre, dessen steigender Anteil für die Klimaerwärmung der letzten Jahre verantwortlich gemacht wird. wissenschaftler gehen davon aus, dass etwa 60 Prozent des vom Menschen verursachten Treibhauseffektes auf co 2 -Emissionen zurückgehen. die Reduzierung des Ausstoßes beziehungsweise die speicherung von freiem Kohlendioxid ist daher gegenstand einer ganzen Reihe von forschungsprojekten. Einige wissenschaftler versuchen, es für die herstellung von Kunststoffen einzusetzen. MATERiAliEn

kohlendioxid Polymere

ABS-Ersatz auf Basis von Kohlendioxid Siemens und BASF entwickeln derzeit an einem Kunststoffverbund als Alternative zum Massenkunststoff Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS), der überwiegend aus nachwachsenden Rohstoffen und Kohlendioxid hervorgeht. Er hat ähnliche Eigenschaften wie die Polystyrol-Variante ABS, weist jedoch eine deutlich bessere Ökobilanz auf. Er geht auf eine Mischung aus sprödem Polyhydroxybutyrat (PHB) und Polypropylencarbonat (PPC) als weichmachender Komponente zurück. PHB wird dabei aus nachwachsenden Rohstoffen wie Palmöl oder Stärke erzeugt. Das PPC besteht zu 43 Gewichtsprozent aus Kohlendioxid, das von Kraftwerksabgasen stammt. Das neue Material ist biologisch abbaubar, lichtdurchlässig und kann mit den üblichen Fertigungstechniken verarbeitet werden. Bei Bosch-Siemens-Hausgeräte (BSH) wurde bereits eine Staubsaugerabdeckung unter Serienbedingungen hergestellt.

Kohlendioxid basiertes PUR Ein Entwicklungsteam bei Bayer MaterialScience arbeitet derzeit an der Umsetzung einer Pilotanlage, um Kohlendioxid in PUR umzuwandeln. Dieses wird in großen Mengen zu Schaumstoffen für Matratzen, Kühlschränke oder Gebäudeisolierungen verarbeitet. In einem neuen Katalyseverfahren wird CO₂ aus der Energiewirtschaft chemisch gebunden und ersetzt einen Teil des bisher für die PUR-Produktion notwendigen Erdöls. An dem Projekt ist neben Bayer auch der Energiekonzern RWE, die RWTH Aachen University und das CAT Catalytic Center beteiligt. Die industrielle Fertigung ist für 2015 geplant.

52 Biokunststoffe und BioBasierte Bindemittel

Pilotanlage zur Herstellung von Pur mit kohlendioxid (Quelle: Bayer materialscience)

staubsaugerabdeckung aus kohlendioxidPoly meren (Quelle: BsH)

Biokunststoffe mit Kohlendioxid und Orangenschalen Ein weiterer Schwerpunkt aktueller Forschung liegt in der Entwicklung eines Biokunststoffes auf Basis von Kohlendioxid und Orangenschalen. Bereits vor einigen Jahren war es amerikanischen Wissenschaftern der Cornell-University gelungen, die in Orangenschalen enthaltene Substanz Limonen mit Kohlendioxid reagieren zu lassen und einen Kunststoff namens Polylimonen Karbonat mit Polystyrol (PS) ähnlichen Eigenschaften zu erzeugen. Das in der Hauptsache aus Kohlenstoff bestehende Limonen-Molekül kommt in rund 300 Pflanzenarten vor und findet bislang vor allem als Duftstoff in Putz- und Waschmitteln Verwendung. Bei der Reaktion von Limonen mit Sauerstoff entsteht Limonenoxid, das normalerweise nicht mit Kohlendioxid reagiert. Damit dies doch gelang, nutzten die Wissenschaftler einen besonderen Katalysator als Reaktionsstarter. So konnten die für die Kunststoffindustrie wichtigen langen Molekülketten aus Kohlenstoffdioxid- und Limonenoxideinheiten gebildet werden. Auch Wissenschaftler des Freiburger Materialforschungszentrums beherrschen mittlerweile das Verfahren, ohne dabei Lösungsmittel einsetzen zu müssen. Bei dem in Freiburg entwickelten Prozess wird Kohlendioxid chemisch in Limonenoxid gebunden. Das so entstehende Limonendicarbonat ist gießfähig und lässt sich mit sogenannten Aminenhärtern zu PUR überführen.

das in orangenschalen enthaltene limonen kann als Grundlage für Biokunststoffe verwendet werden.

Eigenschaften schnell wachsende Biomasse // dreidimensionales Wachstum im Wasser // diverse Potenziale zur nutzung in materialhybriden Nachhaltigkeitsaspekte auf Basis nachwachsender rohstoffe // keine landwirtschaftlichen flächen notwendig

Mit dem wunsch vieler Produktdesigner nach Entwicklung biologisch abbaubarer Produkte gewinnen natürliche Bindemittel auf Basis von stärke immer mehr an Bedeutung. in der EU wird sie vor allem aus Mais, Kartoffeln oder weizen gewonnen.

stärkekleBer kartoffelstärke als weißes Pulver (foto: diana drewes)

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MATERiAlKonZEPT Und EigEnschAfTEn

Stärke besteht aus Vielfachzuckern (Polysacchariden) und weist in Teilen eine kettenförmige Molekülstruktur auf. Sie kommt in jeder chlorophyllhaltigen Pflanze vor (zum Beispiel Reis, Weizen, Mais), wird während der Photosynthese gebildet und dient als Energiespeicher. Damit sie der menschliche Körper verwerten kann, werden Enzyme benötigt, die das Stärkemolekül in kleinere Bestandteile zerlegen. Stärke ist als weißes Pulver erhältlich, kann in Wasser gelöst werden. Sie weist adhäsive Eigenschaften auf, hat verdickende und wasserbindende Qualitäten und kann somit die Fließeigenschaften von Flüssigkeiten (Rheologie) beeinflussen.

abschließenden Trockenprozess bei Temperaturen unter 60 °C und Siebvorgang bleibt ein weißes Pulver mit hoher Quellfähigkeit übrig. Dieses lässt sich in warmem Wasser lösen, verdickt zunächst und quillt auf. Bei einer Temperatur von 62,5 °C entsteht ein Stärkeklebstoff, der für unterschiedliche Anwendungen geeignet ist. Kartoffelstärke wird auch als Gleitmittel für das Brettspiel Carrom benutzt.

Biokunststoffe und BioBasierte Bindemittel

Maisstärke Das Steifungsvermögen von Maisstärke ist größer als das von Kartoffel- oder Weizenstärke. Der Stärkeanteil der Maispflanzenteile liegt bei 71 Prozent. Zur Gewinnung wird Mais in 35 °C warmes Wasser eingeweicht, gewaschen, getrocknet und zermahlen. Das entstehende Mehl wird solange gesiebt, bis ein feines Pulver vorliegt. Maisstärke kann als Bindemittel zum Basteln ebenso eingesetzt werden wie als ökologischer Kleister. Zur Verbesserung der Streichfähigkeit kann Glycerin beigemischt werden.

Stärkegehalt einiger Pflanzen reis kartoffel Gerste sorghum Weizen süßkartoffel roggen mais erbse

VERwEndUng

89 % 82 % 75 % 74 % 74 % 72 % 72 % 71 % 40 %

Neben der Verwendung in der Nahrungsmittelindustrie zur Herstellung von zum Beispiel Süßigkeiten oder Backwaren wird Stärke als Bindemittel in Fliesenklebern, Betonmischungen, Wellpappe, Gipsbeton- oder Spanplatten eingesetzt. Zur Erzeugung von Kleister hat man früher Mehl oder Stärke mit Wasser aufgekocht. Weitere Anwendungen sind Schmierstoffe, Kunststoffe, Filme oder Tabletten. Dort werden die unterschiedlichen Stärken auch als Verdickungsmittel, Träger- und Füllstoffe verwendet. Ein nicht unerheblicher Anteil der nationalen Stärkeproduktion wird von der Papier- und Chemieindustrie genutzt. Auch Kunstschnee kann aus Stärke hergestellt werden. Biokraftstoffe wie Bioethanol gehen meist auf Stärke zurück. Während diese in Deutschland vor allem von Weizen stammt, kommt in Brasilien meist Zuckerrohr als Stärkequelle zum Einsatz. Kartoffelstärke Eine Kartoffel besteht neben Wasser zu 21 Prozent der Gesamtmasse aus Stärke. Für die Stärkegewinnung werden die Kartoffeln unter Wasser zunächst zerstückelt, zerrieben und gewaschen. Dabei reißen die Stärkekörner auf. Nach dem

Weizenstärke Zur Gewinnung von Weizenkleber werden dünnhülsige, mehlige Körner in Wasser eingeweicht, in Walzen zerquetscht und in mehreren Phasen gewaschen. Dabei werden die Fasern und Hülsen abgetrennt. Unter Einfluss von Wasser und bei Temperaturen von 67,5 °C erhält Weizenstärke adhäsive Eigenschaften. Weizenkleber kommt als Bindemittel zum Beispiel in Holzpellets zum Einsatz. Vor allem Papier- und Holzoberflächen lassen sich mit ihm sehr gut miteinander verbinden.

Biokunststoff aus gefärbter kartoffelstärke (Quelle: eva marguerre, marcel Besau)

kartoffelstärkekleister mit mandelduft (Quelle: modulor)

Reisstärke Reis verfügt mit 89 Prozent über einen besonders hohen Stärkeanteil. Im Textilbereich findet Reisstärke Verwendung, um Stoffe in ihrer Form zu halten und sie mit schmutzabweisenden Eigenschaften auszustatten. Aufgekocht in einem Mischungsverhältnis von 40 Gramm zu einem Liter Wasser kann Reisstärke als biologisches Bindemittel zum Kleben von Papier, Pappe und Textilien eingesetzt werden.

Japanischer stärkekleister auf tapioka-Basis (stärke aus der maniokw urzel)

neben pflanzenbasierten naturklebern existieren auch biologische Bindemittel, die von tierischen Quellen stammen. Zu diesen zählen Knochen-, fisch- und hautleime. sie werden nach ihrem hauptbestandteil glutin, dem Eiweiß der gelatine, als glutinleime bezeichnet.

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Eigenschaften tierischer ursprung // thermoplastische eigenschaften // Qualitätsveränderung durch Zusätze möglich // hohe elastizität // Gleiteigenschaften

Biokunststoffe und BioBasierte Bindemittel

Nachhaltigkeitsaspekte auf Basis nachwachsender rohstoffe // biologische abbaubarkeit

MATERiAlKonZEPT Und EigEnschAfTEn

Glutinleime gewinnt man durch Auskochen tierischer Abfälle wie Fischgräten oder -schuppen, Schwimmblasen, Knorpel, Knochen, Tierhäute oder Kaninchenfell. Dabei entsteht eine zähflüssige Masse, die nach Abkühlen aushärtet. Glutinleime reagieren thermoplastisch, werden unter Wärmeeinfluss weich und können verformt werden. Die Stärke der Abbindung lässt sich unter Druck verbessern. Die Verarbeitungsdauer ist in der Regel relativ kurz. Zusätze können die Verarbeitungseigenschaften und die Klebkraft verändern. Gerbsäure oder Alaun machen Glutinleime wasserunlöslich, Alkohol lässt sie besser in Poren eindringen. Während Essigsäure die Schmelztemperatur verringert und die Bindekräfte um bis zu 20 Prozent erhöht, können dem Leim durch Beimischung von Glycerin elastische Eigenschaften gegeben werden. Zinksulfat findet als Konservierungsmittel Verwendung.

Glutinleime

VERwEndUng

Glutinleime gewinnen im Kontext der Entwicklung biologisch abbaubarer Bauteile unter Designern wieder an Bedeutung. Sie werden industriell als Bindemittel in der Holz- und Papierindustrie eingesetzt. Auch im Baugewerbe gibt es einige wenige Anwendungen. So eignen sich Glutinleime beispielsweise als Verzögerungsmittel in Stuckgipsen und sind vor allem für die Denkmalpflege von großem Nutzen. Zudem finden sie Anwendung in Farben und Fotopapier. Ein weiteres typisches Einsatzgebiet von Glutinleimen ist der Instrumentenbau.

Knochenleim Der überwiegend zur Restaurierung alter Möbel eingesetzte Knochenleim wird entweder durch auskochen oder dämpfen tierischer Knochen und Knorpel gewonnen. Beim Verkleben von Holz entsteht eine glasklare Klebeschicht. Er war früher als Tischlerleim bekannt und wurde in drei Helligkeitsstufen angeboten. Knochenleime riechen nur leicht und kommen heute noch im Kunstbereich, für die Herstellung antiker Bilderrahmen oder zum Furnieren zur Anwendung.

möbel inlays mit fischschuppen (Quelle: erik de laurens)

Hautleim Hautleime kommen heute überall da zum Einsatz, wo in einem handwerklichen Prozess eine leicht elastische Fügeverbindung erzielt werden soll. Beispiele sind das Buchbinden oder die Leinwandgrundierung. Die Elastizität des Klebers lässt Holzinstrumente freier vibrieren und wirkt sich positiv auf die Klangausbildung aus. Hautleim wurde früher auch auf den Rückseiten von Briefmarken verwendet. Er wird heute meist auf Basis von Rinderhäuten hergestellt und in Form von Grieß oder Perlen vertrieben. Fischleim Dieser Naturleim entsteht nach Auskochen von Fischhäuten und festen Fischabfällen. Bei Raumtemperatur liegt er in flüssiger Form vor. Auffällig im Vergleich zu anderen Glutinleimen ist die hohe Haftkraft auf metallischen und keramischen Oberflächen. Meist beklagen Nutzer einen unangenehmen Geruch. Fischleime werden auch für den Instrumentenbau, das Verkleben von Holzteilen eingesetzt oder als Inlays in Möbeloberflächen verwendet. Im Designbereich besonders bekannt geworden, ist der Fischschuppenkunststoff des Designers Erik de Laurens, der auf die Bindekräfte von Fischproteinen zurückgeht. Einen qualitativ hochwertigen Fischleim erhält man bei der Verwendung der Schwimmblase des Hausefisches als Ausgangsstoff.

Kasein ist ein Mischstoff aus den Proteinen der Milch. Es dient Jungtieren zur Versorgung mit wichtigen Stoffen für das Wachstum wie Phosphor und Calcium. In Käse und Quark bildet Kasein den Hauptteil der Proteine und ist Grund für die Gerinnung zu einem Feststoff. Daher findet Kasein auch als Grundlage für Klebstoffe Verwendung. Bis in die 30er Jahre wurde aus Kasein der Kunststoff Galalith gewonnen.

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Eigenschaften  auf Basis von Milchproteinen // hohe Klebkraft // feuchtefest // kalte Verarbeitung Nachhaltigkeitsaspekte  auf Basis nachwachsender Rohstoffe // biologische Abbaubarkeit

Biokunststoffe und biobasierte Bindemittel

Materialkonzept und Eigenschaften

Die Bedeutung von Kaseinleimen zur Anwendung bei Möbeln geht bis in die Antike zurück. Für die Herstellung muss der Leim in Wasser aufgequollen und mit alkalischen Verbindungen wie Kalk oder Borax aufgeschlossen werden. Grund ist das im Kasein enthaltene Phosphor, das ihm wasserunlösliche Eigenschaften verleiht. Für die handwerkliche Verwendung kann Kaseinkleber mit Quark und Kalk im Volumenverhältnis fünf zu eins erzeugt werden. Nach dem Aufschluss weisen Kaseinleime eine hohe Klebkraft auf, können kalt verarbeitet werden und sind feuchtefest.

Kaseinkleber

Verwendung

Wurden früher Kaseinkleber als Bindemittel in Mörtel oder Holzwerkstoffen verwendet, haben sie ihre frühere Bedeutung mit dem Aufkommen synthetischer Kleber in vielen Bereichen verloren. Heute finden sie nach wie vor als Binder in Farbstoffen oder als Etikettenkleber Verwendung oder werden zum Verkleben von Linoleum, einem

hoch widerstandsfähigen Belag für Fußböden und Tischplatten, genutzt. Dieser geht vollständig auf natürliche Ausgangsstoffe wie Leinöl, Naturharze, Holz- und Kalkmehl zurück, was in Kombination mit dem Bio-Klebstoff die mögliche biologische Abbaubarkeit gewährleistet.

Eigenschaften  proteinbasiert // normalerweise wasserlöslich // wasserunempfindliche Modifikation durch Auffalten der Protein­ moleküle Nachhaltigkeitsaspekte  auf Basis von nachwachsenden Rohstoffen // formaldehydfrei // biologisch abbaubar // günstige CO2-Bilanz

Sojaklebstoff

Die in der Sojapflanze enthaltenen Proteine lassen sich nutzen, um einen biologischen Klebstoff mit hoher Haftkraft zu erzeugen. Materialkonzept und Eigenschaften

Sojaklebstoffe sind formaldehydfrei sowie biologisch abbaubar und stellen damit eine natürliche Alternative zu synthetischen Klebstoffen dar. Hinzu kommt die im Vergleich zu petrochemischen Bindemitteln günstigere CO₂-Bilanz, die auch besser ausfällt als bei Kaseinklebern. Problematisch für das Anwendungspotenzial wirkt sich allerdings, wie auch bei anderen biobasierten Klebstoffen, die Wasserlöslichkeit aus. Aus diesem Grund haben Wissenschaftler eine wasserabweisende Modifikation entwickelt. Dabei werden die Proteinmoleküle in einer Art aufgefalten, dass sich die hydrophoben Aminosäuren nach außen orientieren.

VERwEndUng

Sojaklebstoffe werden bislang noch selten verwendet. Sie haben vor allem Potenziale für Innenraumanwendungen, zum Beispiel in Möbeln oder als Parkettklebstoff. So bieten bereits einige Hersteller Biokomposite und Faserverbundplatten mit Sojaproteinen als Bindemittel am Markt an. Insbesondere die wasserunempfindliche Modifikation ließe sich für Holzwerkstoff und Sperrholz einsetzen. In Tests zeigten die mit Sojaklebstoff erzeugten Sperrhölzer aus Kirschbaum-, Kieferund Walnussholz nach dreimaliger Lagerung im Wasserbad (jeweils 48 Stunden) und anschließendem Trocknen nahezu keine Ablösung und eine Abnahme der Gesamtklebkraft von lediglich zehn Prozent.

56 Biokunststoffe und BioBasierte Bindemittel

Biokomposit unter Verwendung eines sojaklebers (Quelle: e2e materials)

Muscheln verfügen über einen Klebstoff, der sie mit hoher haftkraft auch unter wasser auf nahezu jeder oberfläche festsitzen lässt. Aufgrund dieser Qualitäten, seiner Biokompatibilität und einiger zusätzlicher funktionalitäten sind forscher weltweit damit beschäftigt Muschelkleber zu reproduzieren und für den Menschen und in industriellen Kontexten verwendbar zu machen. MATERiAlKonZEPT Und EigEnschAfTEn

Die hohe Haftkraft des Muschelklebers auf nahezu allen Materialien wie Stein-, Holz- und Metalloberflächen wird mit besonderen Proteinen erreicht, die die Schalentiere der AminosäureDihydroxyphenylalanin (Dopa) verdanken. Im Meer bilden sich sehr stabile, hochvernetzte Polymerverbindungen aus und bewirken eine große Adhäsionsneigung zu anorganischen Oxiden im Gestein. Muschelklebstoffe können zudem Metallionen aus dem Meerwasser aufnehmen und das Polymergerüst selbsttätig reproduzieren. Diese selbstheilenden Eigenschaften wären für Hochsicherheitsanwendungen von großem Interesse. Derzeit sind Muschelklebstoffe in der Entwicklung, die unter Veränderung des pH-Werts aushärten und bei Einfluss von UV-Strahlung ihre Haftkraft verlieren und sich wieder lösen lassen.

Eigenschaften adhäsionseigenschaften auch unter Wasser // aushärtung unter Veränderung des pH-Werts // Verlieren der Haftkraft unter uV-licht // biokompatibel Nachhaltigkeitsaspekte hohe Haftkraft bei langer Haltbarkeit // selbstheilende eigenschaften // recyclingfähig

muschelkleBer VERwEndUng

Muschelkleber bieten Potenziale für zahlreiche technische und medizinische Einsatzfälle. So könnten sie für Unterwasserrohre ebenso eingesetzt werden wie für selbstheilende Tragflächen von Flugzeugen. Aufgrund der hohen Biokompatibilität ließen sich Muschelkleber auch im Körper verwenden, um Implantate zu befestigen, blutende Wunden während einer Operation abzudichten oder die Fruchtblase von Schwangeren zu verschließen.

miesmuscheln

lignin ist ein Biopolymer, das in den Zellwänden jeder pflanzlichen faser enthalten ist und als verhärtende Komponente im Zellgewebe dient. Mit seinen thermoplastischen Eigenschaften hat sich lignin als Bindemittel in unterschiedlichen industrien bewährt.

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Eigenschaften thermoplastische eigenschaften // physiologisch unbedenklich // wasserunlöslich // spröde // aktivierung mit enzymen möglich Nachhaltigkeitsaspekte auf Basis von nachwachsenden rohstoffen und abfällen // biologisch abbaubar

Biokunststoffe und BioBasierte Bindemittel

MATERiAlKonZEPT Und EigEnschAfTEn

Lignin weist gute mechanische Festigkeiten auf, ist physiologisch unbedenklich, aber wasserunlöslich und daher schwerer biologisch abzubauen als andere natürliche Substanzen. Das Biopolymer ist spröde, absorbiert ultraviolettes Licht vollständig und hat eine bräunliche Färbung. Lignin kann auf biologischem Wege durch Bakterien und Pilze gewonnen oder in chemisch technischen Prozessen aufgeschlossen werden. In der Papierindustrie fallen Lignine als Abfallprodukt in den Ablaugen mit unterschiedlichen Molekülgrößen als Kraft-Lignin, Lignosulfonate beziehungsweise Organosolv-Lignin an. Die Unterschiedlichkeit der Lignintypen und die Verunreinigungen in den Abwässern ist Grund dafür, dass das Abfallprodukt meist nur energetisch genutzt wird.

liGnin VERwEndUng

Doch in einigen Bereichen hat sich Lignin als Bindemittel und Zusatzstoff bewährt. So ist es beispielsweise der Kitt, der die Partikel in Holzpellets nach dem Pressvorgang unter Wärmeeinfluss in Form hält. Auch wird es inzwischen bei der Herstellung von Holzwerkstoffen als Alternative für gesundheitlich bedenkliche synthetische Harze eingesetzt. Zudem ist es der Hauptbestandteil des für den Spritzguss und die Extrusion geeigneten Biokunststoffs Arboform©. Lignosulfonate finden als Formsandbinder in der Gießerei Verwendung und werden in der Baustoffindustrie als Fließverbesserer eingesetzt. Beim Bau unbefestigter Straßen vermindert Lignin die Staubbildung. Obwohl die Verwendungspotenziale groß sind, werden die unterschiedlichen Lignintypen noch immer verhältnismäßig selten angewandt. Wissenschaftler gehen aber von einer stärker werdenden Bedeutung von Ligninbindemitteln insbesondere für die Holzindustrie aus und entwickeln Verfahren für die Substitution synthetischer Klebstoffe.

Green lamp aus arboform mit einer lignin-matrix. aufgrund der geringen schrumpfung können große schwankungen in der Wandstärke realisiert werden. (design: romolo stanko, Quelle: tecnaro)

Bindemittelfreie Holzwerkstoffe An der Georg-August-Universität Göttingen haben Wissenschaftler ein Verfahren zur Herstellung bindemittelfreier Holzwerkstoffe entwickelt. Dabei werden die Selbstklebekräfte des im Holz enthaltenen Lignins genutzt. Die Aktivierung der Ligninmoleküle findet unter Einsatz pilzlicher Enzyme statt, die bereits für andere Anwendungen im großen Stil kultiviert werden. Aufgebracht auf zerkleinerten Zellulosefasern verkleben diese eigenständig miteinander, ohne dass ein zusätzliches Bindemittel benötigt wird.

Harze sind zähflüssige Substanzen, die unter bestimmten Bedingungen zu duroplastischen Massen aushärten. Neben den in der Industrie bekannten synthetischen Harzen auf Polyester-, Epoxid-, Polyurethan-, Phenoloder Silikonbasis existieren auch natürliche Vorbilder.

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Eigenschaften  zähflüssig // keine einheitlichen Stoffe // lufthärtend // spröde Nachhaltigkeitsaspekte  stammen größtenteils von Bäumen // auf natürliche Weise zersetzungsfähig

Biokunststoffe und biobasierte Bindemittel

Materialkonzept und Eigenschaften

Pflanzliche Harze stammen größtenteils von Bäumen. Sie werden abgesondert, um Risse in der Rinde zu verschließen und vor äußeren Einflüssen zu schützen. Naturharze sind chemisch keine einheitlichen Stoffe, sondern ein Gemisch aus Harzsäuren und Terpenen. Sie härten nach dem Ausfließen unter Einwirkung des in der Luft enthaltenen und nach Verdunsten flüchtiger Bestandteile zu einem spröden Material aus und sind unter Wasser nicht löslich. Nadelbäume neigen im Vergleich zu Laubbäumen zu einer stärkeren Harzproduktion. Das mengenmäßig am häufigsten beispielsweise in Klebstoffen oder Kaugummis zur Anwendung kommende pflanzliche Harz ist Kolophonium. Es wird aus den Harzen von Kiefer oder Fichte gewonnen und bleibt als fester Bestandteil nach Destillation des Terpentinöls übrig. Auch Bernstein stammt als versteinertes Harz von einer Fichte aus dem prähistorischen Zeitalter. Das einzige bekannte Beispiel für ein tierisches Harz ist Schellack.

Biobasierte Harze Verwendung

Natürliche Harze spielen im Vergleich zu synthetischen nur eine untergeordnete Rolle. In der Industrie werden sie als Zusätze bei der Herstellung von Klebstoffen, Lacken oder Farben verwendet. Im Kontext der zunehmenden Orientierung unserer Produktkultur an natürlichen Materialien gewinnen aber auch Bio-Harze unter Designern wieder an Bedeutung.

Eigenschaften  tierischer Ursprung // gesundheitlich unbedenklich // farblos // hart und spröde // Quellen unter Wassereinfluss // stabil bis 100 ˚C Nachhaltigkeitsaspekte  auf Basis von Ausscheidungen // biologisch abbaubar

Als Oberflächenbeschichtung für alte Schallplatten ist uns Schellack seit langem bekannt. In einer Vielzahl von Anwendungen wurde das von der Lackschildlaus stammende Material durch petrochemisch erzeugte Kunststoffe ersetzt. Materialkonzept und Eigenschaften

Schellack

Schellack ist eine biologisch abbaubare und unbedenkliche Substanz, die aus Ausscheidungen (Harze) der Pflanzenläuse gewonnen wird. Das natürliche Harz hat bei Zimmertemperatur eine harte und spröde Konsistenz mit einem seidigen Glanz, der es insbesondere als Beschichtungsmaterial geeignet macht. In Kontakt mit Wasser kommt es zum Quellen des Werkstoffs, der sich aber nicht auflösen lässt. Anders verhält es sich bei Alkohol, Ammoniak oder Borax. Ab einer Temperatur von 100 °C fängt Schellack an sich zu zersetzen und verbreitet dabei einen ungewöhnlichen Geruch. In der Regel ist Schellack farblos, kann aber auch gelblich wirken.

VERwEndUng

Schellack bietet sich als biologischer Ersatz für konventionelle Lacke oder als Politur im Holzbereich an. Im Kunst- und Grafikbereich kennt man Schellack vor allem als Bindemittel in Tuschen. Weiterhin kommt es bei der Lackherstellung im Instrumentenbau zur Anwendung und findet Einsatz als Trennmittel in Gipsformen. Zudem wird es in Lebensmitteln als Überzug für Schokolade verwendet. Man findet Schellack außerdem in Haarspray und als Kitt für die Elektroindustrie. Es ist die typische Substanz zur Beschichtung von Tafeln. Außerdem können mit Schellack Designteile aus Papierpulpe fixiert werden.

Auch auf wachse wird im Zusammenhang mit der herstellung von formteilen im gestaltungsbereich häufig zurückgegriffen. dabei sind sie vor allem wegen ihrer niedrigen schmelztemperaturen interessant.

59 Biokunststoffe und BioBasierte Bindemittel

schellackoberfläche zur fixierung von formteilen aus Papierpulpe (Quelle: svenja Bechtel)

Eigenschaften niedrige schmelztemperatur // kein exakter schmelzpunkt // wasserabweisend // klebrige oberfläche // fettsäure hat einfluss auf konsistenz Nachhaltigkeitsaspekte // biologisch abbaubar

natürlicher ursprung

MATERiAlKonZEPT Und EigEnschAfTEn

Unter Wachsen versteht man eine Gruppe von Stoffen unterschiedlicher chemischer Zusammensetzung, die bei Raumtemperatur eine feste Konsistenz aufweisen, wasserabweisend sind und eine klebrige Oberfläche haben. Während sich die meisten Wachse bei Temperaturen kneten lassen, müssen Hartwachse für die Formgebung leicht erwärmt werden. Auffällig ist der Glanz, der sich beim Reiben über die Oberfläche ausbildet. Je nach Qualität des Wachses beginnen diese ab einer Temperatur von 40 °C zu schmelzen. Dabei existiert kein exakter Schmelzpunkt, sondern es wird von einem Temperaturbereich gesprochen, in dem Wachse sich verflüssigen. Die Qualität und Art der im Aufbau enthaltenen Fettsäuren hat entscheidenden Einfluss auf die Konsistenz und die Eigenschaften unter Temperatureinfluss. Zweidrittel aller Naturwachse sind pflanzlichen Ursprungs. Synthetische Wachse mit exakt einstellbaren Eigenschaften werden auf Basis von Erdöl hergestellt.

natürliche Wachse

VERwEndUng

Bis ins 18. Jahrhundert wurden Kerzen fast ausschließlich aus Bienenwachs hergestellt. Heute sind Wachse Bestandteil von Polituren für Möbel, Bohnern für Holzbeschichtungen, Cremes und Salben sowie Autopflege- oder Imprägniermittel. Sie werden zunehmend im Kontext der Entwicklung biologisch abbaubarer Design- und Produktentwürfe eingesetzt. Ein Beispiel ist der Entwurf von kompostierbaren Blumentöpfen aus einem rein pflanzlichen Fasergemisch, Kaffeesatz und natürlichen Wachsen als Bindemittel, der beim Nachhaltigkeitswettbewerb adream 2012 mit dem ersten Preis ausgezeichnet wurde.

mit Wachs getränktes kiefernholz (Quelle: dauerholz)

60 Biokunststoffe und BioBasierte Bindemittel

kompostierbare Blumentöpfe aus kaffeesatz sowie natürlichen fasern und Wachsen (design: sanam Viseux)

Natürliche Wachse Tierwache

Bienenwachs, chinesisches Insektenwachs, Schellackwachs, Walrat, Wollfett

Pfanzenwachse

Carnaubawachs, Kandillawachs, Flachswachs, Zuckerrohrwachs, Kaffeewachs, Kautschukwachs

Fossilienwachse

Paraffin, Montanwachs, Torfwachs, Sapropelwachs

Synthetische Wachse Myricylpalmitat, Myricpalmitat, Butyloxystearat, Cetylstearat, Hydrokarbonwachse, Cholesterinpalmitat, Diglykolstearat

Aufgrund seiner hohen festigkeit und härte erfreut sich granit als Bodenwerkstoff oder wandbelag großer Beliebtheit. nun wurde ein herstellungsprozess unter Verwendung von hefekulturen entwickelt, mit dem granit wie Keramiken dreidimensional geformt werden kann.

Eigenschaften Hefekulturen in Bindefunktion // feuchteempfindlich // eigenschaften wie naturstein nach sinterprozess // lebensmittelecht Nachhaltigkeitsaspekte formteile auf Basis von Gesteinsabfällen // Binder auf Basis nachwachsender rohstoffe

MATERiAlKonZEPT Und EigEnschAfTEn

hefekulturen für formBaren stein

Granitabfälle aus dem Steinbruch werden zunächst in Mineralmühlen zerkleinert, gemahlen und anschließend mit aktivem Wasser vermischt. In diesem befinden sich Hefekulturen, die in einem mehrtägigen sogenannten Maukprozess mit dem Granitmehl verwachsen und dieses binden. Auf diese Weise entsteht eine formbare Masse, die sich ähnlich zu keramischem Ton verarbeiten lässt. Allerdings bedarf es handwerklicher Erfahrung, da das mit effektiven Mikroorganismen versetzte Granicium in feuchtem Zustand sehr empfindlich reagiert. Die geformten Bauteile werden unter großem Druck in hydraulischen Pressen verfestigt und zwei Wochen getrocknet. Anschließend erfolgen der finale Herstellungsprozess und das Versintern der Quarzpartikel bei einer Temperatur von 1.300 °C im Ofen. Dabei verbrennen die Hefekulturen, übrig bleibt ein Formteil, das ähnliche Materialqualitäten aufweist wie Naturgestein. Es ist extrem dauerhaft, hochfest, lebensmittelecht und zeigt ein Grau in den gewohnten Schattierungen. VERwEndUng

formteil aus Granicium unter Verwendung von Hefekulturen im Herstellungsprozess (Quelle: denk keramische Werkstätten)

mörser aus Granicium (Quelle: denk keramische Werkstätten)

Mit dem Verfahren lassen sich Formteile für Accessoires und Küchenutensilien erzeugen. Der Hersteller hat auch schon an Elementen für Outdoor-Mobiliar gedacht.

Bitumen ist ein Abfallprodukt der Erdölverarbeitung und heute das wichtigste Binde­ mittel im Straßenbau. Bereits in der Antike war das Material bekannt, um Schiffswände vor dem Eindringen von Wasser zu schützen. Mit den enger werdenden Erdölvorkommen hat sich der Bitumenpreis in den letzten Jahren vervielfacht, so dass Hersteller derzeit nach Alternativen suchen.

61

Eigenschaften  schnelles Abbinden // gute Verkehrstauglichkeit // Auswaschungen biologisch abbaubar

Biokunststoffe und biobasierte Bindemittel

Nachhaltigkeitsaspekte  teilweiser Verzicht auf petrochemische Erzeugnisse // keine Weichmacher // Einsatz nachwachsender Rohstoffe // Materialien auf Basis organischer Reststoffe und Abfälle

MATERIALIEN

Rapsasphalt Reine Betonstraßen können Asphalt nicht langfristig ersetzen, denn für die Herstellung von Zement ist ein hoher Energiebedarf erforderlich. So hat man in Österreich einen Asphalt unter Beimischung von bis zu 20 Prozent Rapsöl auf den Markt gebracht, und somit den Bitumenanteil reduziert. In der Asphaltmischung wird auf weiche Bitumenlösungen verzichtet und hartes Bitumen durch Zugabe von Rapsöl auf den jeweiligen Einsatzfall eingestellt. Rapsasphalt gewährleistet durch das schnelle Abbinden eine gute Verkehrstauglichkeit und damit eine Verkürzung des Straßenbaus. Die Bindung mit dem Abstreusplitt ist optimiert. Zudem ist das Rapsöl bei Auswaschungen durch Regen biologisch abbaubar. Die guten umweltschonenden Eigenschaften werden durch den Verzicht auf Weichmacher noch verstärkt.

Biobitumen Melasseasphalt In Australien wurde ein Biobitumen auf Basis von Zuckerrohr-Melasse entwickelt und die Funktionsfähigkeit nachgewiesen. Das Bindemittel entsteht aus niedermolekularen und wasserlöslichen organischen Abfallmaterialien wie Zucker, Natur-

kautschuk (Latex), Baumharzen, Gummi Kolophoniumharzen, Lignin, Zellulose und pflanzlichen Speiseölen. Der auf dem Biobitumen von Ecopave Australia entwickelte Asphalt kann in Dicken zwischen 1 und 200 Millimeter hergestellt werden.

62 Natürliche Werkstoffe UND ORGANISCHE ABFALLMATERIALIEN

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64 Natürliche Werkstoffe und organische Abfallmaterialien

Brillengestelle aus Fischschuppen, Materialien mit Eierschalen, Lampenschirme aus Kaffeesatz oder Werkstoffe mit Brennnesseln: Beflügelt von einem neu aufflammenden Umweltbewusstsein in der Gesellschaft, suchen Designer und Materialhersteller gleichermaßen nach alternativen Werkstoffen natürlichen Ursprungs. Mit rasender Geschwindigkeit wird das vorbereitet, was die Umweltorganisationen schon seit Jahren anmahnen: Die Abkehr von petrochemischen Erzeugnissen sowie das Denken in geschlossenen Kreisläufen. In diesem Zusammenhang gewinnt vor allem die Verwendung organischer Abfallmaterialien an Bedeutung. Beispiele sind Terrassendielen aus Reishülsen, Furniere aus Bananenstaudenfasern, Werkstoff aus Resten der Zuckerproduktion oder Spanplatten aus Weizenstroh. Dass die Bestrebungen vieler Designer nach biologisch abbaubaren und ökologisch korrekt hergestellten Produkten, Verpackungen und Möbeln an Intensität gewinnen, zeigen Entwicklungen der letzten Jahre, in denen sie essbare Verpackungen, Möbel aus Zucker oder Leuchten mit Algen entwickelten. Es bestehen sogar Potenziale, elektronische Bauteile aus natürlichen Rohstoffen herzustellen und elektrisch leitende Schaltkreise aus organischen Materialien zu erzeugen. Immer häufiger werden umweltbelastende Bearbeitungstechnologien durch solche auf Basis natürlicher Sub­ stanzen ersetzt. Schnell wachsende Pflanzen wie die Wasserhyazinthe, deren Kultivierung in manchen Regionen zu Problemen geführt hat, erhält als Faserquelle Anwendung in Produktentwicklung und Design.

65 natürliCHe Werkstoffe und orGanisCHe aBfallmaterialien

Bagasse

081

naturfaserkomposite und ungewöhnliche organische fasern

066

flachsfaserkomposite

074

rapskerzen

082

strohwerkstoffe

068

ungewöhnliche organische Partikel

075

naturbelassenes leder

083

rohrkolbenwerkstoffe

070

Horn

essbare Verpackungen

077

084

Hirsematerialien

kaffeesatzwerkstoffe

071

078

fischschuppenkunststoff

essbares design

080

086

Brennnesselfasern

alginat

Biologische elektronik

073

081

087

Wasserhyazinthefasern

072

getrieben durch den wunsch nach leichtgewichtigen Konstruktionen und Bauteilen ersetzt vor allem die fahrzeugindustrie immer häufiger metallische Bauteile durch faserverstärkte Kunststoffe. insbesondere glas- und Karbonfasern haben sich als Verstärkungsmaterialien bewährt. im Zuge einer steigenden Bedeutung von Biomaterialien und organischen Resten als alternative werkstoffe für die industrie stehen Entwicklern immer häufiger auch naturfasern zur Verfügung. obwohl sich eine Vielzahl ökologischer, mechanischer und ökonomischer Vorteile den Produktentwicklern, industriedesignern und Konstrukteuren aufdrängen, blieb naturfaserverstärkten Kunststoffen (nfK) der sprung in die breite Anwendung jedoch bislang verwehrt. MATERiAlKonZEPT Und EigEnschAfTEn

Für die Herstellung von NFK-Bauteilen werden faserige Pflanzenbestandteile (in Deutschland vor allem Hanf- und Flachsfasern) mit Kunststoff als Matrixmaterial vermischt und anschließend in eine Form gepresst. Der Gewichtsanteil des Polymers liegt zwischen 30 – 50 Prozent, so dass die Teile wesentlich leichter sind als konventionell erzeugte. NFK-Bauteile auf Basis von Bast- und Blattfasern weisen eine geringe Splitterneigung auf, was vor allem für den Automobilbau Vorteile bedeuten. Auffallend sind zudem die guten akustischen Eigenschaften von NFK-Bauteilen.

66 natürliCHe Werkstoffe und orGanisCHe aBfallmaterialien

Eigenschaften leichtbaulösungen unter naturfasereinsatz // ersatz metallischer Bauteile durch nfk-formpressteile // geringe splitterneigung // gute akustische eigenschaften // typische Wandstärken 2,5–10 mm Nachhaltigkeitsaspekte auf Basis nachwachsender rohstoffe // positive Ökobilanzen für die Halbzeugfertigung möglich

naturfaserkomPosite und unGeWöhnliche orGanische fasern

VERwEndUng Und VERARBEiTUng

In der letzten Dekade hat sich die Technologie beispielsweise für Türinnenverkleidungen und Armaturen bewährt. Vergleichbar mit anderen Verbundwerkstoffen bietet der Herstellungsprozess vielfältige Gestaltungsmöglichkeiten. Durch Wahl des Fasermaterials, des Matrixkunststoffs, des Mischungsverhältnisses sowie der Bindungsart können die Werkstoffqualitäten in einem weiten Bereich eingestellt werden. Faserformteile lassen sich in unterschiedlichen Größen erzeugen, leicht stanzen und zuschneiden. Verbunde mit anderen Materialien sind zudem durch Einlagen, Versteifungen und Kaschierungen meist unkompliziert in einem Pressvorgang realisierbar. Die erzielbaren Bauteilstärken liegen in flächigen Partien zwischen 2,5 und 10 Millimeter.

nfk-Pressteil in der automobilindustrie (Quelle: Grim m schirp)

Barktex ® fluffy - komposit aus rindentuch mit Wolle und einem flor aus Baumwolle (Quelle: Barkcloth)

„Hemp Chair“ auf Basis von Hanf- und kenaffasern mit einem masseanteil von 75 Prozent. (design: Werner aisslinger)

67

UngEwöhnlichE fAsERMATERiAliEn

Bananenstaudenfasern In Brasilien fallen jährlich Unmengen organischer Reststoffe an, die bislang nur selten genutzt werden. So zielt eine ganze Reihe von Forschungsprojekten darauf ab, pflanzliche Abfälle aus der brasilianischen Landwirtschaft der industriellen Produktion zur Verfügung zu stellen. BananaPlac ist Resultat eines Projekts der Universität Rio de Janeiro. Hier ist es gelungen, aus Fasermaterial von Bananenstauden einen thermisch formbaren Plattenwerkstoff zu erzeugen. Die Fasern werden in einen festen Verbund mit biologisch erzeugtem Polyurethan (PUR) als Matrixmaterial gebracht und in unterschiedlichen Farben pigmentiert.

natürliCHe Werkstoffe und orGanisCHe aBfallmaterialien

BananaPlac (Quelle: Barkcloth)

Bambushartfasern Materialien aus Bambushartfasern kommen als Ersatzmaterial für Vollholz in Frage. Die Bambusstreifen werden im Herstellungsprozess zerquetscht und die Fasern unter sehr hohem Druck mit Phenolharz (Gewichtsanteil: 20 – 30 Prozent) verpresst. Das entstehende Baumaterial hat eine ausreichende Festigkeit zur Verwendung als Verkleidungsmaterial in Boden, Wand und Decke. Bambushartfaser-Materialien sind in den Niederlanden auch bereits als statische Konstruktionswerkstoffe erfolgreich in die Anwendung gebracht worden. Kokosfasern Kokosfasern sind die einzigen fäulnisbeständigen Pflanzenfasern weltweit. Sie werden aus der Schale der Kokosnuss gewonnen und weisen eine hohe Reiß- und Scheuerfestigkeit auf. Bemerkenswert ist die sehr gute wärmeisolierende Eigenschaft, die auf die vielen Lufteinschlüsse zurückzuführen ist. Da sich die Fasern zudem positiv auf das Mikroklima auswirken, werden sie häufig in Matratzen verwendet. Kokosfaserplatten lassen sich auch für die Lärmisolierung und den Mikrowellenschutz einsetzen.

BananaPlac Board (Quelle: Barkcloth)

rohrkolbenfaser-Bauteile mit Proteinkleber (Quelle: naporo)

Bastfasern

Samenfasern

Hanffaser

Pappelflaum

Bambusfaser

Baumwolle aus den samenhaaren der frucht der Baumwollpflanze

Brennnessel Jute kenaf

kapok aus dem inneren der kapselfrucht des echten kapokbaumes akon

leinen Hopfen ramie abacá Hartfasern ananas neptungras sisal aus agaven-Blättern

Fruchtfasern kokosfasern aus der fruchthülle der kokosnuss Bananenstaudenfasern Hasel- und erdnussfasern

Technoflachs Dieses Fasermaterial kommt aus dem Erzgebirge und wird aus geschnittenem Flachsstroh hergestellt. Abhängig vom Einsatzgebiet werden die Fasern gereinigt und auf eine definierte Länge gekürzt. Für die Vliesstoffindustrie und Anwendungen wie Geotextilien, Kfz-Innenverkleidungen oder Trittschalldämmung beträgt die Faserlänge 50 bis 80 Millimeter. Kurzflachsfasern werden zur Verstärkung von PP- und PLA-Spritzgießteilen eingesetzt. Im Baugewerbe werden Flachsfasern auch für die Armierung von Lehmputzen verwendet. Rohrkolbenfasern Der Rohrkolben besteht aus langen, reißfesten Fasern und einem Schwammgewebe, das in anderen Pflanzen so nicht vorkommen. Seine Fasern können als Grundlage zur Herstellung von Bauteilen eingesetzt werden. Dabei wird im Vergleich zur Zerfaserung von Holz 90 Prozent der Energie eingespart. Wachse und Öle, die die Sumpfpflanze vor Feuchtigkeit schützen, konnten von den Entwicklern von Naporo als Bindemittel aktiviert werden. Zudem hat das Unternehmen in Kooperation mit K3P Innovations einen Proteinkleber entwickelt, der sich durch extreme Klebkraft auszeichnet und äußerst hitzebeständig ist. Die Faserformteile haben eine sehr glatte Oberfläche und müssen nicht aufwändig gespachtelt oder zwischenlackiert werden. Roggen- und Weizenstroh Die Verwendung von Roggen- und Weizenstroh als Faserverstärkung ist in den letzten Jahren Gegenstand einer ganzen Reihe von Forschungsprojekten gewesen. Gute Ergebnisse konnten vor allem bei der Herstellung von Holzersatzmaterialien wie Wood-Plastic-Composites (WPC) erzielt werden. Auch die Erzeugung von Kompositen in Verbindung mit Polypropylen (PP) war erfolgreich. Im Baugewerbe wird der Einsatz von Stroh im Verbund mit Zement als leichter Plattenwerkstoff derzeit erforscht. Einige Plattenwerkstoffe sind mittlerweile als Holzersatzstoffe im Markt angekommen.

Maisfasern Die langen und seidenweichen Maisfasern befinden sich an der Spitze des Maiskolbens. Sie speichern sehr gut Wärme, sind feuchtigkeitsabweisend und werden deshalb traditionell als Kissenfüllung oder in Matratzen genutzt. Die Fasern wirken antibakteriell und weisen auf natürliche Weise eine schwere Entflammbarkeit auf. Dies macht sie auch für andere Designanwendungen interessant. Alfagras Dieses Fasermaterial wird vor allem im Süden der iberischen Halbinsel und in einigen Gebieten Nordafrikas kultiviert. Man kennt es zum Beispiel aus der Papierindustrie, wo es mit hoher Festigkeit zur Herstellung hochwertiger Papiersorten genutzt wird, die weich aber dennoch undurchsichtig sind. Alfagras lässt sich auch zu Latschen, Tauen und Taschen flechten. Fibre Als Naturfaser weist Fibre eine ungewöhnlich hohe Widerstandsfähigkeit gegenüber Säuren und basischen Flüssigkeiten auf und bleibt auch unter Wärmeeinfluss stabil und äußerst zäh. Daher wird die gelbe Faser gerne für Bürsten oder Pinsel verwendet, wo sich auch die gute Elastizität und Wasserabsorption positiv auswirken. Gewonnen werden sie aus Blättern einiger Agavenpflanzen im Hochland Mexikos.

68 natürliCHe Werkstoffe und orGanisCHe aBfallmaterialien

Tururi-Fruchtstandfasern Im Frühjahr 2012 wurde ein Verbundmaterial auf Basis der Fruchtstandhülle Tururi und Naturlatex entwickelt, das sich für die umweltverträgliche Herstellung biologisch abbaubarer Schuhe im Amazonasgebiet eignet. Die sich erneuernde Fruchtstandhülle Tururi wird auf der Flussinsel Maraj in kontrollierter Wildsammlung geerntet. Da die Palmen und Kautschukbäume in ihrer Lebenszeit mehr Sauerstoff produzieren, als Herstellung und Transport des Materials Kohlendioxid emittieren, ist die Ökobilanz des Halbzeugs positiv. Das Substitut für erdölbasierte Vliese eignet sich neben der Schuhproduktion auch als Polstermaterial, für Sportgeräte und modische Accessoires sowie zur Armierung von Gehäuseoberflächen und in Detaillösungen für das Autointerieur. Der Prototyp „Sęlva 01“ wurde in Rio de Janeiro im Rahmen der UNO Konferenz zur Nachhaltigen Entwicklung (Rio+20) ausgezeichnet.

BananaPlac als Wandverkleidung verbaut im Bad (Quelle: Barkcloth)

Biologisch abbaubarer schuh „selva“ (Quelle: Barkcloth)

modulares stroh-Paneel „modular thatch panel“ (design: ratia rabemananoro)

Bauwerkstoff aus Bambushartfasern (Quelle: Conbam)

Eigenschaften geringes Gewicht // schalldämmende eigenschaften // gesundheitsförderliche atmosphäre // formaldehydfrei // für Brandschutz geeignet

die Kultivierung von getreide, hülsenfrüchten und ölpflanzen hat große Mengen stroh als Abfallmaterial zur folge. Ein Teil wird als nährstoff der landwirtschaft wieder zugeführt oder findet bei der Tierhaltung Einsatz. in deutschland können bis zu 30 Prozent des anfallenden strohs zur Energiegewinnung oder stofflichen nutzung verwendet werden. in anderen ländern fällt der Anteil wesentlich höher aus. Traditionell wird stroh beim lehmbau verarbeitet, wird zu Körben oder hüten geflochten und in Ballenform als dämmstoff im Baugewerbe eingesetzt (wärmeleitzahl: 0,038 watt pro Meter mal Kelvin). in letzter Zeit sind einige neue werkstoffe entwickelt worden, in denen stroh als Biomasse zur Anwendung kommt.

Nachhaltigkeitsaspekte auf Basis organischer abfälle // biologisch abbaubar // gute Wärmedämmeigenschaften

strohWerkstoffe

MATERiAliEn Und PRodUKTE

Modular thatch panel Ein Beispiel ist ein modulares Stroh-Paneel der französischen Designerin Ratia Rabemananoro, das Ende 2012 beim Nachhaltigkeitswettbewerb adream einen der ersten Preise gewann. In diesem verwendete die Gestalterin die Strohfasern gleichsam als Dämmmaterial sowie als Bauwerkstoff für die Außenwand. Die Stroh-Paneele werden nach dem Trockenbau-Prinzip auf Holzrahmen angebracht. Innen besteht es aus Strohballen und einer Erdisolation, die mit einer Grobspanplatte abgedeckt wird. Der äußere Teil wird von außen mit Metallklammern eingehängt und besteht aus einer weiteren Spanplatte und einer Strohabdeckung. Strawtec Wandsystem Strawtec bezeichnet ein Wandsystem aus hochverdichtetem Getreidestroh, das neben zahlreichen positiven Nachhaltigkeitsaspekten auch hervorragende bauphysikalische Eigenschaften aufweist. Das naturbelassene Getreidestroh wird ohne Zusatz eines Bindemittels gepresst und mit einer Kartonage aus Recyclingpapier kaschiert. Daher sind Strawtec-Paneele zu 100 Prozent biologisch abbaubar und wirken sich positiv auf eine gesundheitsförderliche Atmosphäre aus. Das Wandsystem bietet einen Schallschutz bis 55 Dezibel und einen Brandschutz bis F90. Da für die Montage kein gesondertes Ständerwerk erforderlich ist, können Architekten von vergleichbaren Kosten für konventionelle Trockenbausysteme ausgehen. istraw Die Strohbauplatten bestehen im Innern aus komprimiertem Stroh, das in einem Strangpressverfahren ohne Hinzufügen eines Bindemittels verdichtet wird. Die im Stroh enthaltenen Lignine sorgen für die dauerhafte Verklebung der Halme untereinander. Anschließend wird das verpresste Stroh mit Recyclingkarton ummantelt, und es entsteht eine sehr stabile und einfach zu verarbeitende Bauplatte mit schalldämmenden Eigenschaften.

69 natürliCHe Werkstoffe und orGanisCHe aBfallmaterialien

lem für Interioranwendungen eingesetzt und eignet sich besonders für den Innenausbau und die Möbelindustrie. Auffallend sind vor allem die lärmdämmenden Eigenschaften des Materials. Aufgrund der ähnlichen Erscheinung mit Grobspanplatten (OSB) ist NovoFibre als Oriented Structural Straw Board (OSSB) am Markt erschienen. Strohpapier In einem relativ neuen Anwendungsfall werden Strohfasern zu Papier verarbeitet. Die Entwicklung kommt vornehmlich aus Asien, wo Reisstroh für

istraw strohbauplatte (Quelle: istraw)

besonders leichtgewichtiges Papier verwendet wird. Auffallend ist die grobfaserige Struktur, die vor allem für den Gestaltungsbereich Mehrwerte bietet.

aufbau des modularen stroh-Paneels „modular thatch panel“ (design: ratia rabemananoro)

Kirei WheatBoard Dieses 12,7 oder 19,1 Millimeter dicke Plattenmaterial aus den USA nutzt Stroh als Biomasse und ersetzt damit Holzfasern als typische Grundlage für Holzwerkstoffe. Es ist dabei frei von Formaldehyden. Vom genutzten Bindemittel gehen keine negativen Auswirkungen für die Umwelt aus. Seine Gebrauchsqualitäten sind vergleichbar mit denen von Mitteldichten Holzfaserplatten (MDF). NovoFibre Auch der Plattenwerkstoff NovoFibre besteht zu 100 Prozent aus Weizenstroh. Die biologischen Reststoffe werden mit einem formaldehydfreien Bindemittel unter Einfluss von Wärme und Druck verarbeitet. Der Werkstoff wird vor al-

ossB-Platte (Quelle: novofibre)

Rohrkolben-schilf (lateinisch Typha) kommt als wildpflanze in feuchtgebieten aller Klimazonen vor. ihr Anbau erzielt einen besonders hohen Ertrag, der viermal über dem von holz liegt. die natürlichen Vorkommen würden ausreichen, um etwa das Zehnfache des europäischen Marktes für naturdämmstoffe zu befriedigen. das schwammgewebe der bis zu 4 Meter langen Blätter bietet zahlreiche Potenziale für die wärmeisolierung und den leichtbau.

70 natürliCHe Werkstoffe und orGanisCHe aBfallmaterialien

Eigenschaften geringes Gewicht // 4 m lange Blätter // schwammstruktur für Wärmedämmung // diffusionsoffene struktur sorgt für gutes raumklima // hohe Brandschutzqualität // schädlings- und fäulnisresistent Nachhaltigkeitsaspekte energieeinsparung durch leichtbau // hohe Wärmeisolation // Binden von kohlendioxid // hoher Biomasseertrag

MATERiAlKonZEPT Und EigEnschAfTEn

Die Isolationswirkung (Wärmeleitfähigkeit: 0,04 Watt pro Meter mal Kelvin) geht auf die in die Schwammstruktur eingeschlossenen Luftkammern zurück, die in anderen Pflanzen wie Flachs, Hanf oder Stroh so nicht vorkommt. Da die Sumpfpflanze die Nährstoffe für ihr Wachstum vollständig aus dem Wasser im Boden bezieht, ist eine Düngung nicht notwendig. Trockengelegtes Moorgelände eignet sich besonders gut zur Kultivierung der Pflanzen. Ein weiterer Vorteil für die Verwendung in Dämmstoffplatten und zur Einblasdämmung am Bau ist das besonders geringe Gewicht (spezifische Dichte: 65 Kilogramm pro Kubikmeter). Die druckfeste Hanffaserdämmplatte wurde 2013 mit dem österreichischen Umweltzeichen ausgezeichnet. Neben dem Wärmeschutz wird durch das Dämmmaterial auch die Schallisolierung verbessert. Die diffusionsoffene Struktur wirkt sich zudem positiv auf das Raumklima aus, da Feuchtigkeit gut von Innen nach Außen transportiert werden kann. Ein weiterer Vorteil des Dämmstoffs ist die hohe Brandschutzqualität. Im Falle eines Feuers kohlt das Material zwar an der Oberfläche an, eine weitere Schädigung wird aber auf natürliche Weise vermieden. Als Sumpfpflanze sind Rohrkolbendämmstoffe schädlings- und fäulnisresistent. VERwEndUng

rohrkolBenWerkstoffe

schwam mstruktur der rohrkolbenpflanze (Quelle: naporo)

rohrkolben-schilf (Quelle: naporo)

Das druckfeste Dämmmaterial wird von Naporo vor allem zur Wärmisolierung von Fassaden, Dachböden und Dächern vertrieben. Auch als Einblasdämmstoff für Wandzwischenräume oder die Zwischensparrendämmung ist es inzwischen erhältlich. Neben dem vollständig recycelbaren Dämmmaterial sind mittlerweile auch weitere Produkte auf Basis der Rohrkolbenpflanze auf dem Markt wie die Leichtbauplatte Q-Fight mit hoher Stabilität und besonders geringem Gewicht. Für die Zukunft wird die Verwendung der Biomasse der Rohrkolbenpflanze in Nahrungs- und Arzneimitteln angestrebt.

kompostierbare däm m matte aus rohrkolbenschilf mit Bindefaser auf stärkebasis (Quelle: naporo, foto: diana drewes)

rohrkolbenleichtbauplatte mit hoher druckfestigkeit (Quelle: naporo)

leichtbauplatte aus rohrkolben-schwammstruktur (Quelle: naporo, foto diana drewes)

während in Europa vor allem flachs und hanf als schnell wachsende Pflanzen mit hohem Biomasseertrag kultiviert werden, zählen dazu in Zentralamerika, südostasien und schwarzafrika die sorghumhirsen. in den letzten Jahren hat ihre Bedeutung als Energiepflanze zur gas- und stromerzeugung zugenommen. in den UsA wird vor allem Zuckerhirse zur herstellung von Bioethanol genutzt.

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Eigenschaften weicher und poröser als Holz // geringes Gewicht // hohe steifigkeit // ungewöhnliche maserung

natürliCHe Werkstoffe und orGanisCHe aBfallmaterialien

Nachhaltigkeitsaspekte Binden von kohlendioxid // material auf Basis von reststoffen // hoher Biomasseertrag

MATERiAlKonZEPT Und EigEnschAfTEn

Rund 20 Prozent der Sorghumhirse-Weltproduktion stammt heute aus den Vereinigten Staaten. Daher ist es naheliegend, das Fasermaterial auch für die Werkstoffproduktion einzusetzen. Der Aufbau der Hirsepflanze ähnelt dem des Mais. Ein Beispiel für einen Hirseplattenwerkstoff ist das Kirei Board, das in den USA aus den groben Strukturen der Fasern und Stengeln der Pflanze erzeugt wird. Im Herstellungsprozess wird gewährleistet, dass die Platte trotz des geringen Gewichts eine hohe Steifigkeit aufweist. Das Material ist im Vergleich zu Holz weicher und poröser.

hirsematerialien

VERwEndUng

Mit der ungewöhnlichen Maserung ist das Kirei Board vor allem für Anwendungen im Möbelbau, im Interiordesign, als Wandverkleidung oder für dekorative Produkte geeignet. Aufgrund der weichen Struktur sollte es jedoch nicht in stark frequentierten Böden oder Außenanwendungen eingesetzt werden. Das Kirei Board kann mit allen typischen Verfahren bearbeitet werden. Zudem sind alle für Holz handelsüblichen Lacke und Farben geeignet. Es ist in den Stärken 6, 10, 20 und 30 Millimeter erhältlich.

maserung des kirei Boards (Quelle: kireiBoard usa)

sorghumhirseanbau in deutschland (Quelle: kWs saat aG)

die wasserhyazinthe ist eine tropische Pflanzenart, deren rasante Ausbreitung in einigen gebieten der welt immer wieder zu Problemen führt. dabei bietet die Pflanze mit Blick auf Anwendungen in der Verpackungs-, Papier- und Möbelindustrie einige Potenziale.

72 natürliCHe Werkstoffe und orGanisCHe aBfallmaterialien

Eigenschaften hohe reißfestigkeit in richtung des faserverlaufs // transluzente fasern // Verarbeitung als Pulpe möglich // pflegeleichter anbau Nachhaltigkeitsaspekte schnell wachsende Biomassen // reinigung schwermetallbelasteter Gewässer // absorbieren von Ölfilmen

MATERiAlKonZEPT Und EigEnschAfTEn

Das Fasermaterial der Wasserhyazinthe weist eine hinreichende Reißfestigkeit in Richtung des Faserverlaufs auf, die aber im Vergleich zu Alternativen aus Bambus oder Rattan geringer ausfällt. Der preisliche Vorteil und der pflegeleichte Anbau hat in den letzten Jahren die Aufmerksamkeit für die Faserquelle deutlich erhöht. Außergewöhnlich ist das schnelle Wachstum der Wasserpflanze, was sie besonders für die Energiegewinnung in Biogasanlagen interessant werden lässt. Wasserhyazinthen produzieren jeden Tag drei bis vier neue Ableger und haben nach vier Monaten die höchste Wachstumsgröße erreicht. Die Pflanze ist in der Lage, Schwermetalle in die Struktur einzulagern und Ölfilme von der Wasseroberfläche zu absorbieren.

Wasserhyazinthefasern

VERwEndUng

Die getrockneten Stängel und Stränge können in Flechtwerken, als Füllmaterial in Verbundwerkstoffen oder als organisches Verpackungsmaterial genutzt werden. Fasern der Wasserhyazinthe haben zudem Einzug in die Papierindustrie gehalten. Die Transluzenz der Fasern bietet Potenziale für Leuchtenkörper und Möglichkeiten für die Umsetzung von Rauminstallationen. Die Stängel der Wasserhyazinthe können auch unter Wasser zerfasert und als Pulpe zu Formteilen verpresst und getrocknet werden.

Wasserhyazinthe-fasern in der Verarbeitung (Quelle: Projektwerkstatt Potsdam)

möbel aus fasern der Wasserhyazinthe (Quelle: Projektwerkstatt Potsdam)

Wasserhyazinthe (Quelle: Projektwerkstatt Potsdam)

schon vor Jahrhunderten galt die Brennnessel als faserlieferant für die stoffherstellung. im Zuge zunehmender Bedeutung von naturfasern für die Textilindustrie kehrt sie ins Bewusstsein der hersteller zurück. Beim Anbau kann auf künstliche Bewässerung und düngemittel verzichtet werden.

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Eigenschaften lange und reißfeste fasern // frei von Chemikalien // atmungsaktiv // für allergiker gut verträglich // Brennnesselstoff als alternative für Baumwolle

natürliCHe Werkstoffe und orGanisCHe aBfallmaterialien

Nachhaltigkeitsaspekte geringer Wasserverbrauch beim anbau // keine düngemittel erforderlich // biologisch abbaubar

MATERiAlKonZEPT Und EigEnschAfTEn

Aus den Stengeln der Brennnessel werden lange und reißfeste Fasern gewonnen, die zu besonders strapazierfähigen Stoffen verarbeitet werden können. Die natürliche Farbe der Fasern reicht von Creme bis Braun. Brennnesselstoffe sind frei von Chemikalien, atmungsaktiv und für Allergiker gut verträglich. Vor allem Hemden aus den Naturfasern zeigen einen sehr guten Tragekomfort. Die Stoffe sind weich und glänzend und stellen eine regionale Alternative zu Baumwolle dar. Ab einer Mindestfläche von 10.000 Hektar würde sich ein Kostenvorteil gegenüber Baumwollfasern aus Indien ergeben. Außerdem sind Brennnesselstoffe kompostierbar.

Brennnesselfasern

VERwEndUng

Das Haupteinsatzgebiet von Fasern aus Brennnesseln wird im Textilbereich gesehen. Hier sind sie besonders für Jeanshosen, Bettwäsche und Hemden geeignet. Mit ihren saugfähigen Qualitäten ergeben sich weitere Anwendungsmöglichkeiten für das Fasermaterial. Neben der Verwendung im Bekleidungsbereich lassen sich Brennnesseln auch zu Vliesen für die Innenverkleidung von Fahrzeugen verpressen. Diese werden in jüngster Vergangenheit auch im Verpackungsbereich eingesetzt. Die Brennnesselwurzel kann auch zum Färben textiler Stoffe genutzt werden.

VVIO Dieser Verbundwerkstoff der Designer Eva Marguerre und Marcel Besau besteht aus heimischen Brennnesselfasern und einem Biokunststoff auf Basis von Kartoffelstärke und wurde für den Einsatz in Kleinmöbeln entwickelt. Die aus der Brennnessel gewonnenen Bastfasern werden zunächst zu großen Vliesen verarbeitet und mit dem Biokunststoff beschichtet. Er weist nach der Wärmebehandlung eine hinreichende Stabilität auf und kann mit natürlichen Pigmenten eingefärbt werden. Da lediglich natürliche Ressourcen zum Einsatz kommen ist der Faserverbundwerkstoff biologisch abbaubar. Brennnesseln in der natur

Brennnesselfasern gefärbt mit naturstoffen (Quelle: eva marguerre und marcel Besau)

Brennnesselfaser-Biokunststoff-Verbund (design /Quelle: eva marguerre und marcel Besau)

VVio Brennnesselfaser-Biokunststoff-Verbund mit gelartiger kartoffelstärkeschicht (design /Quelle: eva marguerre und marcel Besau)

flachs- beziehungsweise leinenfasern werden wegen ihrer guten mechanischen Eigenschaften und des geringen Preises zunehmend als Verstärkungsmaterial in Verbundmaterialien eingesetzt.

74 natürliCHe Werkstoffe und orGanisCHe aBfallmaterialien

Eigenschaften sehr gute Zugfestigkeit // medizinisch unbedenklich // geringes Gewicht // gute Co2-Bilanzierung // Problem der Wasseraufnahme // dichten: 400 – 2.000 g/m² Nachhaltigkeitsaspekte auf Basis nachwachsender rohstoffe // biologisch abbaubar // geringer energiebedarf in der Produktion

MATERiAlKonZEPT Und EigEnschAfTEn

Leinenfasern gewinnt man aus den Stengeln der Flachspflanze. Sie verfügen über eine hohe Reißfestigkeit und Steifigkeit und sind medizinisch unbedenklich. Eingebracht in Kompositen weisen sie im Vergleich zu solchen aus Glasfasern eine sehr gute Zugfestigkeit auf. Bemerkenswert sind ihr geringes Gewicht und die gute CO2-Bilanzierung. Bei der Anwendung muss man jedoch die hohe Wasseraufnahme der Naturfaserkomposite beachten, da sich diese negativ auf die Bindekräfte der Fasern in der Matrix auswirkt. Nach dem Austrocknen der Flachsverbunde werden die ursprünglichen mechanischen Qualitäten wieder erreicht. Durch Wahl der Faserlänge, des Matrixkunststoffs, des Mischungsverhältnisses sowie der Bindungsart können die Werkstoffqualitäten in einem weiten Bereich eingestellt werden. Je nach Anwendung liegen die Dichten zwischen 400 – 2.000 Gramm pro Quadratmeter.

flachsfaserkomPosite bTubes Diese Rohrprofile aus Flachsfasern und Harzen weisen eine besonders hohe Steifigkeit auf und haben dreimal bessere Dämpfungseigenschaften als vergleichbare Carbonfaser-Röhren. Damit besitzen bTubes mit Durchmessern von 18 und 22 Millimeter sehr gute Eigenschaften für die Anwendung im Sport- und Trekkingbereich.

VERwEndUng

Flachsfaserkomposite finden in den letzten Jahren zunehmend in der Automobilindustrie und im Elektronikbereich Verwendung. Üblicherweise werden sie in Formpressen zu Bauteilen für Türinnenverkleidungen, Armaturen oder Gehäusekomponenten für elektronische Geräte hergestellt. Kurzfasern können auch im Spritzguss oder durch Extrusion verarbeitet werden. Zwei Drittel der in der Fahrzeugindustrie verwendeten Naturfasern sind Flachsfasern.

faseraufbau zur Herstellung sogenannter Power ribs (Quelle: Bcomp)

PRodUKTE

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ampliTex Unter der Marke ampliTex hat das Schweizer Unternehmen Bcomp neue Flachsfaserkomposite entwickelt, die höhere Steifigkeit, Biegefestigkeit und bessere Dämpfungseigenschaften aufweisen als traditionelle Materialien. Durch die besondere Art der Faserintegration wird die Biegesteifigkeit von Platten und Röhren ohne Faserverstärkung bei einem Gewichtsanstieg von lediglich 5 – 20 Prozent um das 2,5-fache verbessert. Die sogenannten Power Ribs stehen damit im Wettbewerb mit Carbonfaserverstärkungen und finden bereits Anwendungen im Sportbereich. So wiegt ein Ski aus diesem Material rund 30 Prozent weniger.

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flachsfasern als Verstärkungsmaterial (Quelle: Bcomp)

Biotex fasermaterialien (Quelle: composites evolution)

Biotex Der britische Hersteller composites evolution produziert unter der Marke Biotex eine Reihe von Fasermaterialien (Flachs, Flachs / PLA, Flachs / PP) für Leichtbau-Biokomposite. Die Fasern, Bänder und Flächentextilien können mit unterschiedlichen Fertigungstechnologien wie Thermoformen, Nasswickeln, Pultrusion oder den Spritzguss verarbeitet werden. In aller Regel werden Biotex Materialien in Interioranwendungen im Automobilbau, für das Möbeldesign oder im Baubereich genutzt. Sie lassen sich aber auch für den Außenbereich ausgestattet mit antibakteriellen und feuerfesten Qualitäten einsetzen. e2e Materials Als Ausgründung der Cornell University hat sich das Unternehmen e2e Materials auf die Entwicklung und Produktion von 3D-Biokompositen für den Möbelbau und das Interior Design spezialisiert. Für die Herstellung von biologisch abbaubaren Span- und MDF-Platten werden insbesondere Flachsfasern mit einem Sojaproteinkleber unter Druck und Wärme verpresst. Im Vergleich zur konventionellen Produktion werden bei dem Prozess lediglich 19 Prozent der Energie benötigt. Es kommen auch Jute- und Kenaffasern zur Anwendung.

Lineo Flachsfasern Der Hersteller Lineo hat sich auf die Integration von Flachsfasern in Sportartikel wie Tennisschläger, Fahrradrahmen, Golfschläger oder Sturzhelme spezialisiert. Bei diesen Anwendungen können Flachsfasern ihre Qualitäten für den Leichtbau, die Schwingungsdämpfung und Kraftabsorption ideal ausspielen. Die Flachsfasern werden meist mit wärmehärtenden Harzen verarbeitet.

75 natürliCHe Werkstoffe und orGanisCHe aBfallmaterialien

3d-Biokomposit aus flachsfasern (Quelle: e2e materials)

Relative Biegesteifigkeit von Flachsfaserkompositen (Quelle: Bcomp) Bcomp Power Ribs

12 10

8 6 4 2

btubes haben eine besonders gute steifigkeit und dämpfende eigenschaft. (Quelle: Bcomp)

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Eigenschaften Holzersatz // wärmespeichernd // geringes Gewicht // widerstandsfähig // Grundlage für kunstproduktion Nachhaltigkeitsaspekte keine negativen folgen für lebensmittelpreise // organische abfälle sparen endliche ressourcen

Aluminium

Glasfaserkomposit

Kohlefaserkomposit

Flachsfaserkompsoit

Mit der steigenden Bedeutung natürlicher Rohstoffquellen in Architektur und Produktentwicklung werden immer häufiger Reststoffe diskutiert. Vor allem sind Abfälle interessant, die sonst keine Anwendung finden und sich nicht negativ auf lebensmittelpreise auswirken. MATERiAliEn

unGeWöhnliche orGanische Partikel

Teepulver In diesem Zusammenhang ist das Teehaus des chinesischen Künstlers Ai Weiwei aus dem Jahr 2009 besonders bekannt geworden. Es besteht aus 378 Kuben und 54 Prismen, die auf Basis von benutztem Teepulver gefertigt wurden. Die Installation zeigt nicht nur die Möglichkeiten zur Verwendung organischer Partikel in der Architektur auf, sie deutet zudem auf die Potenziale natürlicher Werkstoffe hin, mehrere Sinne des Menschen anzusprechen. Denn das Teehaus verbreitet in der Nähe des Kaiserthrons in der Ostasiatischen Kunstsammlung in Berlin-Dahlem den Duft des Rohstoffs und korrespondiert auf diese Weise mit Kulturschätzen aus der Glanzzeit des chinesischen Kaiserreichs. Reishülsen Unter dem Namen Resysta ist ein neuer witterungsbeständiger und wasserfester Werkstoff

auf den Markt gekommen, der zu 60 Prozent aus Reishülsen, zu 22 Prozent aus Steinsalzen und zu 18 Prozent aus Mineralöl besteht. Dieser Aufbau verleiht dem Material eine besondere Widerstandsfähigkeit gegen Feuchtigkeit. Er ist daher als Ersatz für Tropenholz geeignet und unterscheidet sich optisch kaum. Erste Anwendungen finden sich bei Outdoormöbeln, Bodenbelägen oder auf Schiffsdecks. Mit einer hervorragenden Resistenz gegen Schimmel- oder Pilzbefall bietet sich der Einsatz von Resysta auch für hochbeanspruchte Hausfassaden und in Nassbereichen an. Kirschkerne Kirschkerne speichern Wärme im Vergleich zu anderen Materialien besonders lang und geben diese dann sehr gleichmäßig wieder ab. Deshalb haben sie sich als Füllmedium für Wärmekissen zur Behandlung von Bauchschmerzen bewährt. Da Kirschkerne die Wärme nur sehr langsam wieder abgeben, können Brandverletzungen ausgeschlossen werden. In der Regel werden die Kerne im Ofen bei Temperaturen um 100 °C erhitzt. Der Kontakt mit einer offenen Flamme sollte vermieden werden. Kirschkernkissen lassen sich auch zur Kühlung einsetzen. Aprikosen- und Pfirsichkernpartikel Die Kerne von Früchten wie Aprikose oder Pfirsich sind besonders hart und widerstandsfähig. BioGranulats sind Bruchstücke dieser Fruchtkerne, die sich als natürlicher und farbenfroher Ersatz von Splitt oder Asphalt für Auffahrten von Villen, Pfade und Wege eignen.

kirschkerne als füllmittel für Wärme- und kühlkissen

eierschalenverbundmaterial (Quelle: ulrike Böttcher)

76 natürliCHe Werkstoffe und orGanisCHe aBfallmaterialien

Der Hersteller geht von einer Lebensdauer der Partikel von 15 Jahren aus und kalkuliert einen Bedarf von 30 Kilogramm beziehungsweise 50 Liter für eine Fläche von einem Quadratmeter bei einer Schichtstärke von 5 Zentimeter. Nuss- und Steinfruchtschalen Haselnüsse, Pistazien, Erdnüsse oder Macadamianüsse: All diese Köstlichkeiten liefern nach dem Genuss des Kerns einen hochfesten organischen Abfall, der sich in Verbundmaterialien als Partikelbestandteil nutzen ließe. Macadamia verfügen über die Schale mit der größten Härte.

auffahrt mit aprikosenoder Pfirsichkernpartikeln (Quelle: BioGranulats)

Wetterfester Holzersatz aus reishülsen (Quelle: resysta, foto: diana drewes)

Biomaterial aus Hobelspänen (Quelle: organoid technologies, foto: marion luttenberger)

kristallisierter Werkstoff auf Basis von eierschalen (Quelle: ulrike Böttcher)

Hobelspäne Mit ihren wärmedämmenden Eigenschaften kommen Holz- und Hobelspäne seit den 90er Jahren in einer ganzen Reihe von Lösungen zur Anwendung. Einer der bekannteren Dämmstoffe ist HOIZ, der mit naturbelassener Frischmolke und wenigen Prozent Soda-Laugenzusatz veredelt wird. Durch Imprägnierung mit Molke wird das Brandrisiko reduziert und die Brandschutzklasse E erreicht. Ein Kubikmeter verbauter Hobelspandämmstoff speichert etwa 50 Kilogramm Kohlendioxid. Eingebracht in Plattenwerkstoffe bieten Holz- und Hobelspäne zudem ästhetische Qualitäten. Eierschalen Eierschalen lassen sich leicht zerbrechen und sind zu 100 Prozent biologisch abbaubar. In Kombination mit einem Bindemittel hat die Designerin Ulrike Böttcher einen gießbaren Werkstoff entwickelt, der sich beim Aushärten ähnlich verhält wie Mörtel und als Wandputz im Innenraumbereich eingesetzt werden kann. Das Material ist leicht und lässt den Anteil der Eierschalen durch die variierende Verteilung der Komponenten noch erahnen. Der hohe Kalkanteil sorgt zudem für einen guten Feuchtigkeitsausgleich und begünstigt ein positives Raumklima. Mithilfe eines biologischen Lösungsmittels fand die Designerin zudem heraus, wie sich die Oberfläche auf besondere Weise verändern lässt. Ein Kristallisationsprozess wird in Gang gesetzt, der die Oberfläche des Materials erheblich verändert und eine weiße nadelförmige Struktur erschafft. Dieser Prozess kann auch durch eine Beschichtung auf Papier, Keramik und Textilien übertragen werden. Muschelschalen Die Schalen der Muschel werden aus Kalk gebildet. Ihr Einsatz im Kunsthandwerk und Schmuckbereich ist uns von den sommerlichen Urlaubsorten bestens bekannt. Dass sich aber fein gemahlener Muschelkalk neben der Verwendung im Baugewerbe auch in der Kunst einsetzen lässt, ist ungewöhnlich. Der Künstler Giovanni Manfredini nutzt Muschelmehl und Harz als Unter-

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grund für seine Malerei. Nach dem Auftrag auf die Bildfläche wird die Mischung getrocknet und anschließend mit einem Bunsenbrenner schwarz verfärbt. Der dunkle Untergrund dient dem Künstler dazu, Körperteile zu drucken und Abbildungen mit starken Schwarz-Weiß-Kontrasten und einer röntgenartigen Anmutung zu erzielen.

natürliCHe Werkstoffe und orGanisCHe aBfallmaterialien

Kieselgur Das poröse Kieselgur-Pulver besteht in der Hauptsache aus Siliziumdioxid und wird aus Kieselalgenschalen gewonnen. Kieselgur hat ein sehr geringes Gewicht, ist äußerst widerstandsfähig und verhindert die Dispersion von Farbenstoffen. Daher wird es vor allem als Zusatz für Baustoffe, Papier oder Kunststoffe geschätzt. Am Fraunhofer IWMH in Halle wird derzeit an der Entwicklung von biobasierten Kacheln aus Kieselgur, Naturfasern und Leinölepoxid gearbeitet. Im Vergleich zu konventionellen Lösungen ist eine energieeffizientere Herstellung möglich. Format und Farbigkeit können an individuelle Wünsche angepasst werden. Durch Beimischung entsprechender Pigmente lassen sich Fliesen mit nachleuchtenden, thermo- beziehungsweise wassersensitiven Effekten umsetzen.

Werk des künstlers Giovanni manfredini (Quelle: Giovanno manfredini)

Biofliese auf Basis von kieselgur (Quelle: fraunhofer iWmH)

Eigenschaften hohe Härte // sehr gute Verschleißfestigkeit // feuchteaufnehmend // vibrationsempfindlich // keine allergischen reaktionen Nachhaltigkeitsaspekte auf Basis organischer abfälle // biologisch abbaubar

Von Tieren stammendes horn wird aus Keratin gebildet. insbesondere für hochwertige Brillengestelle setzen es designer als naturwerkstoff und Kunststoffersatz ein. MATERiAlKonZEPT Und EigEnschAfTEn

horn

Das dafür maßgebliche Horn stammt von hörnertragenden Tieren wie Rind, Schaf, Ziege, Büffel oder Jak und fällt als Abfallmaterial im Schlachthof an. In Sachen Härte und Verschleißfestigkeit ist das Material den meisten Hölzern überlegen und weist vor allem eine hohe Druckfestigkeit auf. Je nach tierischem Ursprung variiert die Hornfarbe zwischen schwarz-braun und gelb-beige. Diese kann jedoch durch die Art der Verarbeitung beeinflusst werden. Wie andere Naturprodukte nimmt auch Horn Feuchtigkeit aus der Umgebung auf, womit sich die Eigenschaften verändern. Stammt das Horn aus feuchten Regionen, sollte wegen der Gefahr zur Rissbildung darauf geachtet werden, dass es nicht zu schnell austrocknet. Für den Kontakt mit menschlicher Haut ist bedeutsam, dass von Horn keine allergischen Reaktionen ausgehen. Zudem ist es geschmacksneutral, so dass das Material für hochwertige Bestecke geeignet ist.

VERwEndUng Und VERARBEiTUng

Als Naturprodukt ist Horn seit dem Mittelalter bekannt. Typische Produkte sind Löffel, Messergriffe oder Haarnadeln. Die Verwendung von Kämmen aus Horn reizt die Haut nicht und wirkt der Schuppenbildung entgegen. Vor allem ist Hornbesteck für den Genuss sensibler Lebensmittel wie Kaviar geeignet. Das Material lässt sich mit den typischen Verfahren mit Sägen, Feilen oder Bohrern verarbeiten und mit Bimsmehl oder Rauleder polieren. Bei Erwärmung auf Temperaturen zwischen 160 – 190 °C kann Horn gebogen werden. Für das Verformen dünner Teile ist ein Heißluftfön meist ausreichend. Zur Pflege von Hornoberflächen sollten diese von Zeit zu Zeit mit Pflanzenölen oder Vaseline eingerieben werden. Der Designer Tom Davies aus London hat einen Produktionsprozess entwickelt, mit dem er hochwertige Brillengestelle aus Büffelhorn herstellt. Das Horn wird dazu in Stücke geschnitten, sechs bis sieben Monate in Wasser unter Druck gelagert und anschließend poliert. Damit das Material seine ursprünglich gebogene Form nicht wieder einnehmen kann, wird es im Gegenzug mit einem Keratinklebstoff zu Platten verklebt, der aus den Hufen des Büffels gewonnen wird. Die Weiterarbeitung des empfindlichen Materials erfolgt

78 natürliCHe Werkstoffe und orGanisCHe aBfallmaterialien

bei definierter Raumfeuchte und Temperaturen zwischen 15 und 24 °C. Da Büffelhorn empfindlich auf Vibrationen reagiert, wird kein Fräser für den individuellen Zuschnitt verwendet sondern ein Laser. Mit diesem Verfahren stellt der britische Designer auch Hornknöpfe her und ersetzt damit Kunststoffe.

Brillengestelle aus Büffelhorn in der fertigung (design: tom davies, td tom davies ltd., s. Jakub)

Brillengestelle aus Büffelhorn (design: tom davies, td tom davies ltd., s.Jakub)

Eigenschaften feuchtefest oder unter Wasser abbaubar // düngemittel // schützt vor uV-strahlung // geruchsneutralisierend Nachhaltigkeitsaspekte auf Basis organischer abfälle // biologisch abbaubar

dass Kaffeesatz als organisches Restmaterial auch in der Produktentwicklung eingesetzt werden kann, zeigen die designer Julian lechner und Raúl laurí mit der gestaltung von Bechern und lampenschirmen aus dem Abfallmaterial von Espressomaschinen. in weiteren Entwürfen nutzen gestalter die nährstoffe im Kaffeesatz für die Umsetzung von Blumentöpfen oder in Urnen für Tierkadawer. Kaffeesatz weist sogar für die Einfärbung von holzoberflächen Potenziale auf. MATERiAliEn Und PRodUKTE

kaffeesatzWerkstoffe

Kaffeesatzformteile Zur Herstellung von Formteilen aus Kaffeesatz wird das Abfallmaterial mit einem Bindemittel vermischt und unter Wärmeeinfluss in eine Form gepresst. Der Einsatzzweck beeinflusst dabei die Wahl des Bindemittels. Unter Verwendung von karamellisiertem Zucker beispielsweise lassen sich Tassen herstellen, die sich beim Kaffeegenuss langsam auflösen und dem Kaffee ein zusätzliches Aroma geben. Diese Lösung würde den Genuss von etwa 20 Tassen Kaffee ermöglichen. Nach dem Gebrauch kann die Tasse als Biomüll im

Abfalleimer verschwinden. Eine spülmaschinenfeste Variante, die sich auch für die Serienproduktion eignen würde, stellt Julian Lechner mit einem Bioharz als Bindemittel her. Einen ähnlichen Weg ist auch der Designer Raúl Laurí gegangen. Neben Trinkgefäßen hat er Kaffeesatz auch zur Umsetzung von Lampenschirmen und Kacheln verwendet. Dass Kaffeesatz sich positiv auf das Pflanzenwachstum auswirkt, ist weitläufig bekannt. Die enthaltenen Nährstoffe reichern die Erde an und haben positive Effekte für Zimmerpflanzen oder den Komposthaufen im Garten. Diese Vorteile nutzte der Designer Sanam Viseux im Jahr 2012 zur Entwicklung von kompostierbaren Blumentöpfen, die neben dem Kaffeesatz ein natürliches Fasergemisch und Wachse enthalten und sich im Erdreich biologisch abbauen.

79 natürliCHe Werkstoffe und orGanisCHe aBfallmaterialien

Çurface Kaffeesatzholz Das britische Unternehmen RE-Work hat ein Kompositmaterial aus Kaffeesatz, recyceltem Kunststoff und Holzfasern entwickelt. In Kombination mit Altholz wird das Material verwendet, um daraus Möbel herzustellen. Alternativ kann das Kaffeesatzholz auch zur Verkleidung einer Kaffeemaschine eingesetzt werden.

oberfläche aus gebundenem kaffeesatz (design: raúl laurí)

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S.Café Kaffeesatzfasern In Taiwan hat das Unternehmen SINGTEX eine Technologie zur energiearmen und schadstofffreien Herstellung von Fasermaterial aus recycelten PVC-Flaschen und Kaffeesatz zum Patent angemeldet. Das S.Café Garn kann zu Geweben verarbeitet oder direkt in der Bekleidungsindustrie eingesetzt werden. Kaffeesatzfasern schützen vor der Einwirkung von UV-Strahlung, sind geruchsneutralisierend und trocknen sehr schnell. Dies macht die Fasern besonders für Sportbekleidung interessant. Der FC Liverpool hat sie bereits in Trikots verwendet.

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Blumentöpfe aus kaffeesatz (design: sanam Viseux)

lampenschirme aus kaffeesatz (design: raúl laurí)

kaffeetasse mit Bindemittel aus karamellisiertem Zucker (design: Julian lechner)

kaffeemaschine mit oberfläche aus kaffeesatz (Quelle: adam fairweather, re-worked ltd)

Funktionsmechanismus von S.Café ® Kaffeesatzfasern (Quelle: sinGteX) Kaffeebohnen Kaffeesatz

Bekleidung 100 % wiederverwendbar

Vormischungen

tisch aus kaffeesatz (design: Julian lechner)

schalen aus kaffeesatz (design: raúl laurí)

S.Cafe ® -Garn

S.Cafe ® Gewebe

fischschuppen sind Reststoffe der fischereiindustrie, die dort in großen Mengen anfallen. während eines Projekts mit schülern in einem Township von Kapstadt hat der designer Erik de laurens eine erstaunliche Entdeckung gemacht und dabei einen neuen werkstoff entwickelt.

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Eigenschaften feuchte- und wärmeempfindlich // dickwandige Bauteile Nachhaltigkeitsaspekte auf Basis organischer abfälle // ohne chemische Zusatzstoffe // biologisch abbaubar

natürliCHe Werkstoffe und orGanisCHe aBfallmaterialien

MATERiAlKonZEPT Und EigEnschAfTEn

Erik de Laurens konnte auf Basis von Fischschuppen, ein Material als Kunststoffersatz für die Herstellung von Formteilen wie Brillengestellen und Bechern unter Wärmezufuhr und Druck entwickeln, ohne ein Bindemittel hinzuzufügen. Damit reiht sich ein neues Biomaterial auf Basis organischer Reststoffe in die Gruppe ungewöhnlicher Entdeckungen der letzten Jahre ein. Die Bildung des Kunststoffs geht dabei auf das in Fischschuppen enthaltene Glutin zurück, das unter Wärmeeinfluss wie ein natürlicher Klebstoff wirkt. Das Material ist zu 100 Prozent biologisch abbaubar. VERwEndUng

Bisher hat Erik de Laurens mit dem neuen Material herkömmliche Gegenstände wie Brillengestelle, Trinkgefäße und Inlays für Möbeloberflächen erzeugt. Da die mechanischen Eigenschaften, insbesondere die Festigkeit und Wärmeverträglichkeit, noch nicht umfassend erforscht sind, setzt der Designer vor allem auf dickwandige Bauteile. Er ist derzeit auf der Suche nach einem Finanzgeber, um den Werkstoff für die industrielle Produktion zu qualifizieren.

Becher aus fischschuppenkunststoff (Quelle: erik de laurens)

fischschuPPenkunststoff

Brillengestell aus fischschuppenkunststoff (Quelle: erik de laurens)

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Ein algenbasiertes Material, das man insbesondere aus der Zahntechnik kennt, ist die besonders elastische Abformmasse Alginat. MAtEriAlkonZEpt und EigEnschAftEn

Eigenschaften gummiartige konsistenz // hohe abformgenauigkeit // kurze abbindezeit // reißfest // starke schrumpfung // haut­ freundlich // biokompatibel

Natürliche Werkstoffe uNd orgaNische abfallmaterialieN

Alginat wird aus Extrakten von Braunalgen und Tang gewonnen und zeigt eine hohe Ge­ nauigkeit für die porenexakte Abformung von Körperbereichen bei kurzer Abbindezeit von nur wenigen Minuten. Die erhärtete Masse hat eine weiche gummiartige Konsistenz und ist äußerst reißfest. Bei der Abformung muss mit einer stärkeren Schrumpfung als bei Silikon gerechnet werden. Alginat ist hautfreundlich, physiologisch unbedenklich, biokompatibel und lässt die Ein­ bindung menschlichen Zellgewebes zu.

Nachhaltigkeitsaspekte auf basis nachwach­ sender rohstoffe // keine konkurrenzsitu­ ation zu lebensmitteln // optimierung von energiespeichern möglich

AlginAt

VErwEndung

Alginat wird als Abformmasse mit silikonähnli­ cher Konsistenz vor allem in der Kunst und in semi­ professionellen Bereichen für Körperabformungen (ohne Hinterschneidungen) verwendet. In der Zahnmedizin kommt es bei der Abformung von Gebissen zum Einsatz. Calciumalginat­ Kompressen werden als Wundauflagen genutzt und verhindern das Verkleben des Verbandes mit der Wunde. Wissenschaftler aus Atlanta haben Alginat im Jahr 2011 erfolgreich zur Herstellung von Lithium-Ionen-Akkus aus feinpulvrigem Silizium eingesetzt. Im Vergleich zu konventio­

Eigenschaften lignin enthaltend // form­ aldehydfreie schichtstoffplatten möglich Nachhaltigkeitsaspekte auf basis nach­ wachsender rohstoffe // recyclingfähig // abfallprodukt der Zuckerproduktion

nellen Graphit­Elektroden konnte eine achtmal höhere Speicherkapazität nachgewiesen werden. Bisherige Versuche zur Herstellung von Akkus aus Silizium scheiterten an der starken Volu­ menänderung während des Ladevorgangs. Das Anschwellen wurde durch den Algenkitt ver­ hindert. Die sich bei der Herstellung bildenden Poren erreichten in Anzahl und Größe eine für die Teilchenwanderung und ­speicherung optimale Dimension. alginat abform masse (foto: diana drewes)

Bagasse fällt als faseriges nebenprodukt bei der Zuckergewinnung aus Zuckerrohr nach dem Auspressen des Zuckersaftes an. Bei der gewinnung von 10 tonnen Zucker, kann man mit etwa 3 tonnen des Abfallmaterials rechnen, das in vielen fällen einfach verbrannt wird. Bagasse besteht neben den Zelluloseanteilen zu etwa einem fünftel aus lignin. die hemizellulose enthält zudem den Vielfachzucker dylan, der in Bioraffenerien zur herstellung von Biokunststoffen und -werkstoffen verwendet werden kann.

BAgAsse zhè - möbel aus bagassematerial (design: chen Wei­che, chung Jo­hsun)

MATERiAliEn

Eco HPL Auf Basis von Bagasse hat der Laminatexperte Dekodur unter dem Namen Eco HPL die erste formaldehyd- und phenolfreie Schichtstoffplatte der Welt entwickelt, die zu 100 Prozent aus biologischen Reststoffen besteht. Die FormaldehydEmission des Werkstoffs wird mit unter < 0,01 parts per million (EN DIN 717 / 1) angegeben, was das Material besonders wertvoll macht für den Einsatz in Innenräumen.

rindentuch dekowood-laminat (Quelle: Barkcloth)

82 natürliCHe Werkstoffe und orGanisCHe aBfallmaterialien

RE-Y Stone Dieses Material besteht aus recycelten Kern- und Dekorpapieren und Furanharz, das aus Bagasse als Abfall der Zuckerproduktion gewonnen wird. Seine widerstandsfähige Oberfläche ist langlebig, mechanisch hoch belastbar und dimensionsstabil. Mit diesen Eigenschaften kann das recycelbare Material im Fußbodenbereich ebenso eingesetzt werden wie im Möbel- und Interiordesign. Dekowood Barkcloth Der Rindentuchanbieter Barktex hat unter Verwendung von Eco HPL eine vollständig biologisch abbaubare Schichtstoffplatte auf den Markt gebracht, die die Haptik des aus Uganda stammenden Baumrindentextils mit der Umweltverträglichkeit des Bagasse basierten HPL kombiniert.

Bis ins 18. Jahrhundert wurden Kerzen nahezu ausschließlich aus Bienenwachs hergestellt, mit dem man auch heute noch die höchsten Qualitäten erzielt. im Zuge der industrialisierung stellte man die Produktion fast vollständig auf Paraffin um, das bei der schmieröldestillation aus Erdölen anfällt. Mit Blick auf die steigenden Rohstoffpreise und die zukünftigen Engpässe beim Rohöl, wurde in den letzten Jahren an der Rückkehr zu einer industriellen Produktion von Kerzen auf Basis nachwachsender Rohstoffe gearbeitet.

re-Y stone oberfläche (Quelle: resopal)

Eigenschaften rußarmes abbrennverhalten // geringe abtropfneigung // samtmatte oberfläche // lange Haltbarkeit Nachhaltigkeitsaspekte auf Basis nachwachsender rohstoffe // reduzierung der treibhausgasemission // regionale Produktion möglich

raPskerzen konventionelle kerzen

MATERiAlKonZEPT Und EigEnschAfTEn

Für die Herstellung von Stumpenkerzen konnte vor allem die Eignung von Rapsfetten aus der Landwirtschaft für die vollautomatische Produktion mit den typischen Verfahren wie Granulieren,

VERwEndUng

Pressen, Extrudieren oder Ziehen qualifiziert werden. Eine erste Lösung auf Basis von Rapsöl weist ein gutes und rußarmes Abbrennverhalten auf. Auffällig ist zudem die geringe Abtropfneigung des biobasierten Materials.

Rapskerzen zeichnen sich durch eine samtmatte Oberfläche und eine besonders lange Haltbarkeit aus. Die hochwertige Erscheinung macht sie für die klassischen Aufgaben im Bereich Dekoration besonders geeignet.

leder ist bereits seit Jahrhunderten das klassische Material für schuhe, Taschen, gürtel und hüte. die Basis für den flexiblen aber dennoch widerstandsfähigen werkstoff bilden Tierhäute, die in einem chemischen gerbprozess haltbar gemacht werden. dieser läuft in drei schritten ab: Zunächst werden die häute durch Trocknen oder salzen konserviert und für die lagerung oder den Transport vorbereitet. Beim sich anschließenden weichen werden schmutzpartikel, Blut und Konservierungsstoffe entfernt. wärme und feuchtigkeit lockern die haare, die sich durch Zugabe von Kalk und schwefelverbindungen beim Äschern entfernen lassen. der eigentliche gerbprozess erfolgt unter Verwendung pflanzlicher, mineralischer oder fetthaltiger gerbstoffe. Aufgrund der Mechanismen der industriellen Produktion wurden bis heute meist natürliche gerbstoffe gegen kostengünstige chromsalze ersetzt, die aber sehr negative Auswirkungen auf die Umwelt haben. denn der bei der lederherstellung anfallende Klärschlamm zieht schwermetallhaltige Ablagerungen mit sich. hinzu kommt, dass bei der Entsorgung von Altleder durch Verbrennen hochgiftiges chrom freigesetzt werden kann. daher gibt es immer wieder Bestrebungen, umweltbelastende gerbstoffe durch natürliche zu ersetzen.

AlTERnATiVE gERBVERfAhREn

Olivenleder Ein Beispiel ist die wet-green Technologie, die im Sommer 2012 von der N-Zyme BioTec GmbH im Markt eingeführt wurde. Auf Basis natürlicher Olivenblattextraktgerbstoffe, die aus Abfällen der Olivenölproduktion gewonnen werden, produziert das Unternehmen einen natürlichen Gerbstoff für die Herstellung schadstoffarmer Halbfertigleder. Der Gerbprozess ist dabei den meisten anderen bekannten Techniken mit Blick auf Einfachheit und Umweltbelastung überlegen. Der Olivenblattextraktgerbstoff ist frei von Chrom, Nickel und anderen Metallen. Er führt zur Entlastung von Umweltbelastungen in Oliven anbauenden Regionen. Die anfallenden Gerbabfälle und -abwässer sind nicht toxisch und lassen sich einfacher entsorgen beziehungsweise einer Wertschöpfung (zum Beispiel in Biogasanlagen) zuführen. Olivenleder sind sehr festnarbig und äußerst formstabil. Sein Färbeverhalten ist mit dem mineralsalzgegerbter Leder vergleichbar. Das Bio-Leder wird den Ansprüchen der Automobil-, Möbel- oder Schuhindustrie gerecht.

83 natürliCHe Werkstoffe und orGanisCHe aBfallmaterialien

Eigenschaften flexibilität und färbeverhalten ist mit mineralsalzgegerbtem leder vergleichbar // festnarbig // formstabil // atmungsaktiv // hautverträglich Nachhaltigkeitsaspekte lederbehandlung mit nachwachsenden rohstoffen // Verzicht auf umweltbelastende Chromsalze und metalle // keine allergischen reaktionen // biologisch abbaubar

naturBelassenes leder

Gewinnung der olivenblattextraktgerbstoffe im labor (Quelle: wet-green GmbH)

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taschen aus rhabarberleder (Quelle: deepmello)

„rumen leather“ - leder aus kuhmagen (Quelle: mandy den elzen)

Rhabarberleder Eine andere Möglichkeit, Leder auf umweltschonende Weise zu gerben, entwickelten Wissenschaftler in den letzten Jahren an der Universität Anhalt. Hier wurden Extrakte aus den Wurzeln der Rhabarberpflanze soweit qualifiziert, dass der Gerbprozess ohne Schadstoffe, Schwermetalle und Chromsalze auskommt. Als Ergebnis ist Rhabarberleder besonders atmungsaktiv und hautverträglich. Es eignet sich vor allem für Personen, die an Hautallergien leiden. Rhabarberleder wurde 2011 mit dem ECARF-Qualitätssiegel der Europäischen Stiftung für Allergieforschung zertifiziert. Es eignet sich für die Herstellung von Ledertaschen ebenso wie für Gürtel und Accessoires aus Leder. Rhabarberleder ist sehr gut biologisch abbaubar und kann bedenkenlos dem natürlichen Kreislauf zugeführt werden. AlTERnATiVE lEdERQUEllEn

Kuhmagenleder Ein ungewöhnliches, aber aufgrund seiner Ästhetik besonderes Ausgangsmaterial für die Lederherstellung ist der Kuhmagen (Pansen). Kennzeichnend ist die Wabenstruktur, die es vor allem für Accessoires und Taschen interessant werden lässt. Die Designerin Mandy den Elzen aus den Niederlanden hat sich mit ihren Arbeiten zur Verarbeitung von Kuhmagen unter dem Namen „Rumen Leather“ einen Namen gemacht. Die Stücke haben ein Format von bis zu 400 × 500 Millimeter, bei einer Dicke von 3 Millimetern.

Fischleder Auch Fischhaut gehört zu den außergewöhnlichen Quellen für die Lederproduktion. Es können aber nur kleine Lederstücke erzeugt werden, so dass Fischleder lediglich in Nischen eingesetzt wird. In den letzten Jahren sind Anwendungen im Objekt- und Accessoirebereich zum Beispiel bei Möbelbezügen, Geldbörsen und Lampenschirmen bekannt geworden. Da Reste der Fischindustrie verwendet werden, trägt Fischleder zum Artenschutz seltener Reptilien bei. Für die Ledererzeugung eignen sich in besonderem Maße die Fischhaut von Aal, Karpfen, Lachs, Forellen und Rochen. Die handwerkliche Herstellung ist schon seit einiger Zeit bekannt und wird in entlegenen Gegenden wie Alaska und Sibirien praktiziert. Seit 2007 wird Fischleder auch in Bayern industriell erzeugt. Die Haltbarkeit dieses Fischleders ist vergleichbar mit bekannten Ledersorten wie Rinds- und Kalbsleder.

84 natürliCHe Werkstoffe und orGanisCHe aBfallmaterialien

Palmleder Unter dem Namen „PalmLeather“ hat der Designer Tjeerd Veenhoven ein Material aus Palmrinde entwickelt, das bei Latschen oder Taschen normales Leder substituieren kann. Streng genommen ist das Material wegen seines pflanzlichen Ursprungs kein Leder sondern ein Lederersatz. Um die widerstandsfähigen und reißfesten Fasern weich zu bekommen, taucht der niederländische Gestalter die Rinde der Areca Palme in eine spezielle biologische Lösung. Die Fasern werden weich und eignen sich dann zum Beispiel für die Herstellung kompostierbarer WegWerf-Sandalen.

objekt aus fischleder (design: erik de laurens)

Hühnerbeinleder Auch Hühnerbeine zählen zu organischen Abfällen, die bislang selten in einer hochwertigen Verwendung münden. Ihr Einsatz in der Lederproduktion ist selten, aber aus Sicht des Artenschutzes bedrohter Tiere sinnvoll. Denn die Ähnlichkeit von Hühnerbein- mit Reptilleder ist so groß, dass freilebende Krokodile geschont würden. Zudem ist Hühnerbeinleder ein reines Nebenprodukt der Nahrungsmittelproduktion. Hühnerbeinleder (Quelle: PiraColor)

Eigenschaften verzehrbar // kombinierbar mit nahrungsmitteln // hinreichend formstabil Nachhaltigkeitsaspekte biologische abbaubarkeit // keine umweltbelastenden reststoffe // auf Basis nachwachsender rohstoffe

essBare VerPackunGen

flipflops aus Palmleather (design: tjeerd Veenhoven)

Verpackungen stellen einen großen Anteil am hausmüll dar. im durchschnitt fallen auf jeden deutschen etwa 72 Kilogramm Verpackungsmüll im Jahr. Trotz der seit langem praktizierten Mülltrennung wird etwa nur gut die hälfte der gesammelten werkstoffe wiederverwendet. der Rest wird zur Energiegewinnung verbrannt oder anderweitig entsorgt. die optimierung der Kreislaufwirtschaft und biologisch abbaubare Verpackungsmaterialien sollen in Zukunft das Müllaufkommen verringern helfen. Eine neue idee für lebensmittel und getränke ist die Verwendung von Umverpackungen aus essbaren Materialien. PRodUKTE

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Füllett Wie der vom Designer Enrique Luis Sarde entwickelte Cookie Cup wird auch das dünnwandige Füllett aus natürlichen Zutaten gebacken. In einem patentierten Verfahren können Getreide-

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mehl, Rapsöl, Wasser und Salz in ein Behältnis zur Lagerung von Fingerfood, Tapas oder Aufläufen überführt werden. Es ist als Lebensmittel zugelassen, für den Verzehr in Suppen und Saucen geeignet, kann im Kühlschrank gelagert werden und hat einen brotähnlichen Geschmack.

85 natürliCHe Werkstoffe und orGanisCHe aBfallmaterialien

Blütezeit Zur Verpackung von Käse hat die Designerin Virginia Binsch eine Umhüllung aus sich auffächernden Elementen gebacken. In der Form von Crackern soll die Verpackung gemeinsam mit dem Käse verkostet werden und geschmacklich in Korrespondenz zu dem Lebensmittel stehen. Dazu wurden verschiedene Geschmacksvarianten umgesetzt. WikiCell An der Eliteuniversität Harvard hat David Edwards ein wasserundurchlässiges Material aus einem Biokunststoff und natürlichen Partikeln entwickelt, dass zu 100 Prozent biologisch abbaubar ist. Als Vorbild diente dem Entwickler eine Frucht, deren Schale das empfindliche Innere vor äußeren Einflüssen schützt. Während die WikiCell-Haut aus Zuckerrohrabfällen (Bagasse) erzeugt ist, wird die eigentliche Verpackungshülle aus dem Biopolymer Chitosan, Alginaten, Algenextrakten und natürlichen Partikeln von Nüssen, Samen und Schokolade hergestellt. In der Haut können flüssige oder gelartige Lebensmittel wie Eis, Saucen, Käse oder Getränke transportiert werden. Für den Verzehr wird die Hülle mit einem Strohhalm angestochen.

Blütezeit Verpackung (design: Virginia Binsch)

Loliware Die essbaren Becher von Loliware aus New York werden aus natürlichem Frucht-Pektin und Zuckerrohr hergestellt. Sie sind in fünf verschiedenen Geschmacksaromen erhältlich und stammen von Absolventen der Parsons Design School. Die Trinkgefäße stellen eine sinnvolle Alternative zu Einweggeschirr dar und bieten insbesondere im Kontext mit Großveranstaltungen eine umweltfreundliche Alternative. Denn nach dem Konsum eines Getränks kann die Verpackung als Süßigkeit verzehrt werden. Vivos Das US-Unternehmen MonoSol hat unter dem Markennamen Vivos einen wasserlöslichen Film zur Verpackung von Tee, Kaffee oder Fruchtgetränken entwickelt, der sich in kaltem oder heißem Wasser auflösen lässt und mit dem Inhalt konsumiert werden kann. Die Folie ist transparent, schützt vor dem Eindringen von Sauerstoff oder Wasserdampf und hat nach dem Auflösen keine Auswirkung auf den Geschmack des Lebensmittels.

WikiCell - essbare Verpackung nach dem Vorbild der frucht (Quelle: david edwards)

Wasserlösliche folien als lebensmittelverpackung (Quelle: monosol)

Getränkebecher aus Pektin und Zuckerrohr (Quelle: loliware)

Getränkebecher aus Pektin und Zuckerrohr in fünf Geschmacksvarianten (Quelle: loliware)

neben der Entwicklung essbarer Verpackungen wagen sich designer zunehmend auch an die herstellung klassischer designobjekte und Möbel mit Zutaten aus der Küche. so verfügt der hard candy coffee table beispielweise über eine Tischplatte, die aus 5,6 Kilogramm Zucker, 2,1 liter Maissirup, 1,4 liter wasser und 100 gramm lebensmittelwachs hergestellt ist.

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Eigenschaften verzehrbar // ausreichende stabilität // nutzen von abfällen möglich Nachhaltigkeitsaspekte auf Basis nachwachsender rohstoffe // aus lebensmittelresten // biologisch abbaubar // ungiftig

natürliCHe Werkstoffe und orGanisCHe aBfallmaterialien

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TOFU chair Vor allem Vegetarier will der Designer Leonardo Talarico mit seinem jüngsten Möbelentwurf ansprechen. Denn er besteht vollständig aus Tofublöcken, denen er das enthaltene Wasser entzogen hat. Mit einer Wärmebehandlung hat der Designer die Tofustücke in ihren Festigkeitseigenschaften soweit optimiert, dass sie in einem Möbelstück genutzt werden können. BAGUETTE Tische Die Menge an Lebensmitteln, die nicht verzehrt, sondern einfach weggeworfen werden, ist immens. Im Durchschnitt kommen bei einer vierköpfigen Familie jährlich etwas sechs volle Einkaufswagen zusammen. Um auf den verschwenderischen Umgang mit Lebensmitteln in der westlichen Welt aufmerksam zu machen, haben die polnischen Designer Gosia and Tomek Rygalik eine Reihe von Tischen entwickelt, die sie aus einer Vielzahl stangenförmiger Baguettes zusammensetzen.

essBares desiGn SUGAR chair Der niederländische Designer Pieter Brenner hat mit dem SUGAR chair einen vollständig aus Zucker bestehenden Stuhl entworfen. Er ist in limitierter Auflage erhältlich und wird auf Anfrage gefertigt. Durch individuelle Wahl von Farbe und Form bei der Verarbeitung der Zuckermasse von rund 30 Kilogramm entstehen Unikate, die sich insbesondere durch ihren Geschmack voneinander unterscheiden.

BITE ME Neben der Umsetzung von Möbeln und Geschirr aus essbaren Substanzen machen die Designer auch nicht vor elektrischen Produkten und Leuchten halt. So hat der amerikanische Gestalter Victor Vetterlein eine Leuchte aus einem biologisch abbaubaren Kunststoff entwickelt, die aus pflanzlichem Glycerin und Agar besteht, einer Gelatine, die aus den Zellwänden einer Rotalgenart gewonnen wird.

BaGuette tische (design: Gosia and tomek rygalik)

tofu chair (design / Quelle: leonardo talarico)

suGar chair (design / Quelle: Pieter Brenner)

Bite me - essbare leuchte (design / Quelle: Victor Vetterlein)

Elektronischer schrott und alte elektrische geräte stellen eine große herausforderung in der Entsorgung dar. Problematisch sind vor allem Verbindungen zwischen Kunststoffen und Metallen, deren sortenreine Trennung bislang nur in Ansätzen gelingt. so finden sich nicht selten Altgeräte aus Europa in Afrika wieder, wo die Menschen versuchen, an kostbare Edelmetalle heranzukommen. dabei gelangen giftige schwermetalle in die Umgebung und belasten Böden und das grundwasser. Vor diesem hintergrund wird in zahlreichen Vorhaben an bioverträglicher Elektronik geforscht.

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Eigenschaften bioverträglich // Zersetzungsgeschwindigkeit beeinflussbar // implantation in den körper möglich Nachhaltigkeitsaspekte auf Basis natürlicher ausgangsstoffe // biologisch abbaubar

natürliCHe Werkstoffe und orGanisCHe aBfallmaterialien

MATERiAlKonZEPT Und EigEnschAfTEn

An der Johannes Kepler Universität (JKU) Linz wurde ein organischer Feldeffekttransistor entwickelt, der vollständig aus natürlichen Rohstoffen basiert und sogar vom menschlichen Körper abgebaut werden könnte. Ausgangsstoffe waren unter anderem Indigo, DNA, Beta-Karotin, Koffein, natürliche Farbstoffe und Glucose. Elektrisch leitende Schaltkreise aus organischem Material wurden auf eine Biokunststofffolie aufgedruckt und ermöglichten die Herstellung eines Sensors.

BioloGische elektronik

Wissenschaftler an der University of Illinois stellten in einem anderen Projekt biologisch zersetzbare Elektronikkomponenten wie Solarzellen, Transistoren, Dioden, Antennen und sogar einfache Digitalkameras aus dünnen Schichten von Silikon, Magnesium, biokompatiblem Silizium und Seide her. Die Zersetzungsgeschwindigkeit konnte über den Schichtaufbau beeinflusst werden. VERwEndUng

Die Wissenschaftler sehen Anwendungsmöglichkeiten biologisch abbaubarer Sensoren in der Lebensmittelindustrie, um zum Beispiel die Frische von Brot, den Reifegrad von Obst oder die Unterbrechung von Kühlketten zu überprüfen. Auch würde sich natürliche Elektronik hervorragend für den Spielzeugbereich eignen. Die biologische Abbaubarkeit ließe zudem die Implantation elektronischer Komponenten in den menschlichen Körper zu, um Funktionen des Organismus und Stoffwechselvorgänge zu überprüfen und Krankheitsverläufe zu dokumentieren.

Biologisch abbaubare elektronik (Quelle: Beckman institute, university of illinois and tufts)

88 Recyclingmaterialien

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90 RECYCLINGMATERIALIEN

Die Rückgewinnung von Rohstoffen aus Abfällen wird in den letzten Jahren intensiviert. So können von den etwa 200 Millionen Tonnen mineralischen Abfällen der deutschen Bauwirtschaft mittlerweile 90 Prozent im Wirtschaftskreislauf gehalten werden. Die Recyclingquoten von Papier und Glas liegen in Mitteleuropa bei über 80 Prozent und selbst bei Kunststoffabfällen erreicht die werkstoffliche Wiederverwendung einen Anteil von über 60 Prozent. Dass insbesondere hier die Tendenz steigend ist, liegt nicht nur an optimierten Technologien in der Abfallwirtschaft, sondern auch an den wachsenden Rohölpreisen. Das Aussortieren hochwertiger Einzelkunststoffe wird zu einem Wirtschaftsfaktor. Mit vielen Massenkunststoffen werden Preise am Weltmarkt von mehr als 1000 Euro pro Tonne erzielt. Allerdings zeigen Berichte über Kunststoffpartikel in den Meeren, dass die Verwertungsketten erhebliche Verbesserungspotenziale aufweisen. Dass sich neben der industriellen Verwertung der Rohstoff­ ressourcen auch Möglichkeiten für den direkten Einsatz von Altmaterialien und Abfällen ergeben zeigen Designer und Architekten in zahlreichen Konzeptansätzen und Produktentwürfen immer wieder. Möbel aus alten Kleidern, Geschirr aus benutzten Textilien, Fahrzeuginterior aus gepresstem Zeitungspapier und Wandspiegel aus alten Gerüstdielen sind einige herausragende Beispiele für eine Entwicklung, an der man den steigenden Wert von Materialien in der Gesellschaft ablesen kann. Die Rückgewinnung spart dabei nicht nur Werkstoffressourcen, sondern reduziert auch signifikant den Energiebedarf für die Materialproduktion. Durch das Recyc­ ling von hochwertigen Metallen und Seltenen Erden verringern die Industrienationen zudem ihre Abhängigkeiten von asiatischen, südamerikanischen und afrikanischen Staaten.

91 RECYCLINGMATERIALIEN

Altmetallwerkstoffe

Altpapiermaterialien

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Altkunststoffmaterialien

Altholzmaterialien

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Alttextilwerkstoffe

Materialien auf Basis von Recyclingkeramiken und -glas

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Baustoffe auf Basis von Abfällen

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Mit den steigenden Preisen für metallische werkstoffe gewinnen Recyclingprozesse zunehmend an Bedeutung. dies gilt vor allem für besonders seltene Metalle oder für legierungen, deren Rückgewinnung bislang schwierig war.

Nachhaltigkeitsaspekte recycling schwer zu gewinnender ressourcen // energieeinsparung im Vergleich zur neuproduktion

reCYClinGmaterialien

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BIO-Luminum™ Über den Erdball verteilt, existieren Tausende „Flugzeug-Friedhöfe“. Aufgrund des hohen Energiebedarfs für die Gewinnung von Primäraluminium, ist vor allem das in den Rümpfen enthaltene Leichtmetall für eine Wiederverwertung interessant. Mit BIO-Luminum™ hat CoveringsETC Paneele für hochbeanspruchte Böden, Wände und Theken auf den Markt gebracht, die zu 100 Prozent aus Recyclingaluminium von Flugzeugen bestehen. Bislang war es äußerst schwierig, die in der Luftfahrt verwendeten Aluminiumlegierungen wiederzuverwerten. Das amerikanische Unternehmen hat für diesen Zweck einen besonderen Recyclingprozess entwickelt, in dem das Altaluminium in Blöcke überführt wird, die anschließend in Scheiben geschnitten werden. Das entstandene Plattenmaterial hat eine für Designer und Innenarchitekten ansprechende Struktur und Ästhetik.

altmetallWerkstoffe

Recycling Seltener Erden In Hochtechnologieentwicklungen wird der Einsatz wertvoller Metalle aus der Reihe der Seltenen Erden immer wichtiger. Zu ihnen zählen 17 sogenannte Nebenmetalle wie Europium, Dysprosium oder Ytterbium, die für die Herstellung von Smart Phones, Windkraftanlagen oder Brennstoffzellen unerlässlich sind. Aufgrund des

hohen Weltmarktanteils Chinas bei den Seltenen Erden und der Preisentwicklung in der jüngeren Vergangenheit werden derzeit Recyclingsysteme installiert, um die Metalle aus Altprodukten zurückzugewinnen. Für die Rückgewinnung von Samarium und Neodym aus Magnetwerkstoffen wurde am Fraunhofer IFAM in Dresden ein Prozess aus der Kombination von pyrometallurgischer und nasschemischer Schritte entwickelt. Mit diesem ist man in der Lage, die Rohstoffe zur Produktion neuer magnetischer Materialien in hoher Reinheit zu gewinnen. Dabei wurde auf einen reduzierten Chemikaliengebrauch Wert gelegt.

Bio-luminum™ in der anwendung (Quelle: CoveringsetC)

Förderanteile Seltener Erdelemente (Quelle: u.s. Geological survey 2010, saperatec) 92 % 0% deutschland

7%

28 %

41 %

russland

18 %

kanada China Japan

2%