Entwicklung eines ökologischen und ökonomischen Getränkekastens - öko²Box

Abstract

Im Kontext der globalen Bemühungen um eine nachhaltigere Wirtschaft gewinnen etablierte Mehrwegsysteme zunehmend an strategischer Bedeutung. Das Projekt „öko²Box“ adressiert diesen Trend durch die Neuentwicklung eines alltäglichen Massenprodukts: des Getränkekastens. Als hochsichtbares und langlebiges Logistikgut stellen Getränkekästen ein ideales Anwendungsfeld für die Etablierung innovativer, biobasierter Werkstoffe dar. Das Kernziel des Vorhabens ist es, durch die Substitution erdölbasierter Kunststoffe fossile Ressourcen zu schonen, den CO2-Fußabdruck in Herstellung und Logistik zu reduzieren und einen geschlossenen Stoffkreislauf zu fördern. Der Stand der Technik bei Getränkekästen wird durch den Einsatz von erdölbasierten Kunststoffen wie Polyethylen (PE) dominiert. Konventionelle Materialien stehen im Widerspruch zu den Zielen einer biobasierten Kreislaufwirtschaft. Das Projekt öko²Box wurde initiiert, um diese technologische Lücke zu schließen und eine ökologisch wie ökonomisch überlegene Alternative zu schaffen. Die zentralen Projektziele wurden im Vollantrag wie folgt definiert: • Entwicklung eines wirtschaftlich fertigbaren Bio-Getränkekastens mit einem nachweislich überlegenen ökologischen Fußabdruck. • Erreichen eines biobasierten Anteils von mindestens 85 % durch den gezielten Einsatz von Biopolymeren und cellulosebasierten Verstärkungsfasern. • Realisierung einer Gewichtseinsparung von 15 % durch werkstoffgerechte Konstruktion und intelligenten Leichtbau, um den Material- und Energieeinsatz in der Nutzungsphase zu senken. • Gewährleistung der vollständigen Recyclingfähigkeit im Sinne einer konsequenten Kreislaufwirtschaft („Design-for-Recycling“). Zur Erreichung dieser ambitionierten Ziele wurde ein interdisziplinäres Konsortium aus Industrie und Forschung gebildet: fritz-kulturgüter GmbH, Delbrouck GmbH, Fraunhofer WKI (Anwendungszentrum für Holzfaserforschung HOFZET) und Hochschule Hannover (IfBB - Institut für Biokunststoffe und Bioverbundwerkstoffe) Die durchgeführten Versuchsreihen und praktischen Tests führten zu fundamentalen Erkenntnissen über das Potenzial und die Grenzen der entwickelten biobasierten Werkstoffe. Sowohl die Erfolge als auch die identifizierten Herausforderungen stellen wertvolles Wissen für zukünftige Entwicklungen in diesem Bereich dar. Die zentrale Erkenntnis der Materialentwicklung bestätigt den eingangs formulierten Zielkonflikt: • Die Zugabe von Cellulosefasern führt wie erwartet zu einer deutlichen Erhöhung der Steifigkeit. Der Zielwert für den E-Modul von > 1000 MPa wurde zuverlässig erreicht. • Gleichzeitig führt die Faserverstärkung jedoch zu einer signifikanten Abnahme der Schlagzähigkeit, was das Material spröder macht. Als erfolgreichste Rezeptur kristallisierte sich eine Mischung aus Bio-PE mit 10 % Cellulosefasern heraus. Dieses Material bestand als einziges den wichtigen Charpy-Versuch (ungekerbt) durchgängig ohne Bruch und erfüllte gleichzeitig die Steifigkeitsanforderung. Die technologische Grenze für den Faseranteil wurde ebenfalls ermittelt: Bei einem Faseranteil von über ca. 12 % in einer Mahlgut-Matrix kam es im Test zu einem vollständigen Versagen der Proben, was diesen Wert als Obergrenze für die untersuchten Systeme markiert. Dabei ist zu beachten, dass auch das Referenz-Mahlgut aufgrund von Verunreinigungen, die in industriellen Rezyklaten vorkommen können, vereinzelte Ausreißer mit reduzierter Schlagzähigkeit aufwies. Die an den Prototypen durchgeführten praxisnahen Tests bestätigten die im Labor gewonnenen Erkenntnisse. Im dynamischen Griffleistentest, einer entscheidenden Prüfung für die Gebrauchstauglichkeit, erfüllten die faserverstärkten Kästen die Normanforderung (Fallhöhe von 30 cm) nicht. Sie neigten zu einem Sprödbruch in diesem hochbelasteten Bereich. Im Gegensatz dazu bestanden die Kästen aus unverstärktem Referenzmaterial diesen Test. Dies unterstreicht, dass die verbesserte Steifigkeit allein nicht für die Praxistauglichkeit in der bestehenden Kasten-Geometrie ausreicht. Die Untersuchungen zur künstlichen Bewitterung lieferten wichtige Hinweise für die Langlebigkeit des Materials. Es zeigte sich, dass der Einsatz von Mahlgut die Alterungsbeständigkeit positiv beeinflusst. Der Grund dafür ist, dass das recycelte Material bereits Pigmente und UV-Stabilisatoren aus seinem ersten Produktleben enthält, welche die Polymerketten vor dem Abbau durch UV-Strahlung schützen. Für eine hohe Langlebigkeit wird daher der Einsatz von Mahlgut als Matrixmaterial empfohlen. Das Projekt "öko²Box" hat erfolgreich einen spritzgießfähigen Bio-Compound auf Basis von Bio-PE und Cellulosefasern entwickelt, der die angestrebte hohe Steifigkeit erreicht. Die wesentliche Erkenntnis des Projekts ist jedoch, dass die spezifischen Eigenschaften dieses neuen Werkstoff-Typs – hohe Steifigkeit bei gleichzeitig reduzierter Duktilität – eine direkte "Drop-in"-Substitution in einer bestehenden, auf flexible Polymere ausgelegten Bauteilgeometrie nicht zulassen.