Vom kostengünstigen Massenprodukt bis zum massgeschneiderten Hightech-Material: Kunststoffe sind aus unserer heutigen Welt nicht mehr wegzudenken. Kehrseite der Medaille sind vor allem der Verbrauch fossiler Ressourcen und die wachsenden Abfallmengen. Ein neuer Ansatz könnten hochwertige Kunststoffe auf Basis von Biomasse sein, die „auf Befehl“ in wiederverwertbare Bausteine zerfallen. Der „Zerfallsbefehl“ liesse sich durch Bestrahlung mit Licht einer spezifischen Wällenlänge erteilen, wie ein Forschungsteam in der Zeitschrift Angewandte Chemie demonstriert.
Biomasse ist ein erneuerbarer, meist sogar recht kostengünstiger Rohstoff, der zunehmend auch für die Herstellung von leistungsfähigen Kunststoffen ins Zentrum des Interesses rückt. Aber auch biobasierte Kunststoffe stehen vor dem Problem eines bisher noch unbefriedigenden Recyclings. Denn die Kunststoffe müssen schliesslich während des Gebrauchs verlässlich stabil bleiben, ohne die Gefahr eines vorzeitigen Zerfalls. Das Recycling sollte zudem kein Down- sondern möglichst ein Upcycling sein, bei dem Bruchstücke entstehen, die anschliessend erneut zu einem hochwertigen Material umgesetzt werden können. Idealerweise sind dies Monomere, die sich anschliessend wieder zu einem genauso leistungsfähigen Kunststoff wie zuvor polymerisieren lassen.
Um diese Herausforderungen zu meistern, setzt ein interdisziplinäres US-amerikanisches Forschungsteam um Jayaraman Sivaguru am Center for Photochemical Sciences der Bowling Green State University, Bowling Green, Ohio, sowie Mukund. P. Sibi und Dean C. Webster von der North Dakota State University, Fargo – auf biobasierte Kunststoffe, deren Zerfall gezielt durch Bestrahlung mit Licht ausgelöst wird. So gelang es ihnen, quervernetzte Polymere zu entwickeln, die Bausteine auf der Basis von Vanillin in ihrem Rückgrat enthalten. Vanillin lässt sich beispielweise aus Lignin herstellen, das u.a. als Abfallprodukt bei der Zellstoff-Herstellung anfällt.
Das entwickelte Vanillin-Derivat absorbiert bei 300 nm und gelangt dadurch in einen angeregten Zustand. Dies führt zu einer chemischen Reaktion, die einen Zerfall des Polymers auslöst. Da diese Wellenlänge nicht im Spektrum des Sonnenlichts enthalten ist, das die Erde erreicht, wird ein ausserplanmässiger Abbau vermieden. 60% der Monomere liessen sich rückgewinnen und ohne Qualitätsverlust erneut polymerisieren.
Photoabbaubare, rezyklierbare und erneuerbare quervernetzte Polymere aus Bio-Ressourcen sind ein vielversprechender Ansatz für nachhaltigere Kunststoffe. Der lichtgetriebene Abbau ist umweltverträglich und bietet den Vorteil einer räumlichen und zeitlichen Kontrolle.
Literatur
Dr. Ravichandranath Singathi et al.; Towards Upcycling Biomass-Derived Crosslinked Polymers with Light; Angewandte Chemie International Edition; 2022