Untersuchung des Problems der Herstellung eines Kunststoffs, der sowohl stark als auch biologisch abbaubar ist

Wie können Kunststoffe so gestaltet werden, dass sie ihre wünschenswerten Eigenschaften behalten und gleichzeitig effizienter recycelt werden können? Diese und andere Fragen zur Umweltfreundlichkeit von Kunststoffen beschäftigen den Chemiker Stefan Mecking und seine Forschungsgruppe an der Universität Konstanz.

In ihrem neuesten Artikel in der internationalen Ausgabe von angewandte ChemieDas Team stellt ein neues Polyester mit Funktionen vor Materialeigenschaften attraktiv für die Industrie und gleichzeitig umweltfreundlich.

Normalerweise nicht kompatibel

Kunststoffe bestehen aus langen Ketten aus einem oder mehreren chemischen Grundbausteinen, den sogenannten Monomeren. Weit verbreitet sind Kunststoffe, die sich durch hohe Kristallinität und Wasserundurchlässigkeit auszeichnen und daher mechanisch sehr fest und stabil sind. Ein bekanntes Beispiel ist Polyethylen hoher Dichte (HDPE), dessen Bausteine ​​aus unpolaren Kohlenwasserstoffmolekülen bestehen.

Was einerseits vorteilhafte Eigenschaften für Anwendungen sein können, können andererseits auch negative Auswirkungen haben: Es ist sehr energieintensiv und ineffizient, solche Kunststoffe zu recyceln und die Basismodule zurückzugewinnen. Wenn solche Kunststoffe in die Umwelt gelangen, ist der Abbauprozess außerdem extrem lang.

Um diese vermeintliche Inkompatibilität zwischen der Stabilität und der biologischen Abbaubarkeit von Kunststoffen zu überwinden, fügten Mecking und sein Team chemische „Bruchstellen“ in ihre Materialien ein. Sie haben bereits gezeigt, dass dadurch die Recyclingfähigkeit von polyethylenartigen Kunststoffen deutlich verbessert wird. Eine gute biologische Abbaubarkeit ist jedoch nicht automatisch gewährleistet.

„Kunststoffe erlangen oft eine große Widerstandsfähigkeit, da sie in dichten Verpackungen bestellt werden Kristallstrukturensagt Mecking. „Die mit der Wasserundurchlässigkeit verbundene Kristallinität verlangsamt den biologischen Abbauprozess in der Regel erheblich, da sie den Zugang von Mikroorganismen zu den Sollbruchstellen behindert. Das gilt jedoch nicht für den neuen Kunststoff der Forscher.

Kristallin und dennoch kompostierbar

Der neue Kunststoff Polyester-2,18 besteht aus zwei Grundbausteinen: einer kurzen Dioleinheit mit zwei Kohlenstoffatomen und einer Dicarbonsäure mit 18 Kohlenstoffatomen. Beide Module können problemlos aus nachhaltigen Quellen bezogen werden. So stammt beispielsweise der Rohstoff für Dicarbonsäure, den Hauptbestandteil von Kunststoff, aus nachwachsenden Rohstoffen.

Die Eigenschaften von Polyester ähneln denen von HDPE: Aufgrund seiner Kristallstrukturbeispielsweise besitzt es sowohl mechanische Stabilität als auch Temperaturbeständigkeit. Gleichzeitig zeigten erste Recyclingfähigkeitsversuche, dass unter relativ milden Bedingungen die Grundbausteine ​​dieses Materials zurückgewonnen werden können.

Der neue Kunststoff hat noch eine eher unerwartete Eigenschaft: Trotz seiner hohen Kristallinität ist er biologisch abbaubar, wie Laborversuche mit natürlichen Enzymen und Tests in einer industriellen Kompostierungsanlage zeigen. Innerhalb weniger Tage wurde der Polyester in einem Laborexperiment durch Enzyme abgebaut. Die Mikroorganismen der Kompostierungsanlage brauchten etwa zwei Monate, sodass dieser Kunststoff sogar die ISO-Kompostierungsnormen erfüllt.

„Auch wir waren erstaunt über diesen schnellen Abbau“, sagt Mecking. „Natürlich können wir die Ergebnisse der Eins-zu-eins-Kompostierungsanlage nicht auf alle denkbaren Umweltbedingungen übertragen, aber sie bestätigen, dass dieses Material tatsächlich biologisch abbaubar ist und weisen darauf hin, dass es viel weniger persistent ist als Kunststoffe wie HDPE, sollte es unbeabsichtigt in die Umwelt gelangen.”

Sowohl die Recyclingfähigkeit dieses Polyesters als auch seine biologische Abbaubarkeit unter unterschiedlichen Umweltbedingungen müssen nun weiter untersucht werden. Mecking sieht mögliche Anwendungen für dieses neue Material, zum Beispiel im 3D-Druck oder bei der Herstellung von Verpackungsfolien. Darüber hinaus gibt es andere interessante Bereiche, in denen es wünschenswert ist, Kristallinität mit Wiederverwertbarkeit und Abbau von abgeriebenen Partikeln oder ähnlichem Materialverlust zu kombinieren.