Es wird immer deutlicher, dass die Abkehr von fossilen Brennstoffen und die Vermeidung der Anreicherung von Kunststoffen in der Umwelt der Schlüssel zur Bewältigung der Herausforderung des Klimawandels sind. In diesem Sinne gibt es beträchtliche Anstrengungen zur Entwicklung abbaubarer oder wiederverwertbarer Polymere aus nicht essbarem Pflanzenmaterial, der so genannten "lignozellulosehaltigen Biomasse".
Natürlich ist es nicht einfach, wettbewerbsfähige Kunststoffe aus Biomasse herzustellen. Es gibt einen Grund dafür, dass herkömmliche Kunststoffe so weit verbreitet sind, denn sie vereinen niedrige Kosten, Wärmestabilität, mechanische Festigkeit, Verarbeitbarkeit und Kompatibilität - Eigenschaften, die jeder alternative Kunststoffersatz erfüllen oder übertreffen muss. Und bisher war diese Aufgabe eine Herausforderung.
Zumindest bis jetzt. Wissenschaftler um Professor Jeremy Luterbacher von der EPFL School of Basic Sciences haben erfolgreich einen aus Biomasse gewonnenen Kunststoff entwickelt, der ähnlich wie PET die Kriterien für den Ersatz mehrerer aktueller Kunststoffe erfüllt und gleichzeitig umweltfreundlicher ist.
"Wir 'kochen' im Grunde nur Holz oder anderes nicht essbares Pflanzenmaterial, wie zum Beispiel landwirtschaftliche Abfälle, in kostengünstigen Chemikalien, um den Kunststoffvorläufer in einem Schritt herzustellen", sagt Luterbacher. "Da die Zuckerstruktur innerhalb der Molekularstruktur des Kunststoffs intakt bleibt, ist die Chemie viel einfacher als bei den derzeitigen Alternativen".
Die Technik basiert auf einer Entdeckung, die Luterbacher und seine Kollegen 2016 veröffentlicht haben, wonach die Zugabe eines Aldehyds bestimmte Fraktionen des Pflanzenmaterials stabilisieren und ihre Zerstörung während der Extraktion verhindern kann. Durch die Umwidmung dieser Chemie waren die Forscher in der Lage, eine neue nützliche biobasierte Chemikalie als Kunststoffvorprodukt herzustellen.
"Durch die Verwendung eines anderen Aldehyds - Glyoxylsäure anstelle von Formaldehyd - konnten wir einfach 'klebrige' Gruppen an beiden Seiten der Zuckermoleküle anbringen, die dann als Kunststoffbausteine dienen können", sagt Lorenz Manker, Erstautor der Studie. "Mit dieser einfachen Technik sind wir in der Lage, bis zu 25 % des Gewichts von landwirtschaftlichen Abfällen oder 95 % des gereinigten Zuckers in Kunststoff umzuwandeln.
Die vielseitigen Eigenschaften dieser Kunststoffe könnten es ermöglichen, sie in Anwendungen von Verpackungen und Textilien bis hin zu Medizin und Elektronik zu verwenden. Die Forscher haben bereits Verpackungsfolien, Fasern, die zu Kleidung oder anderen Textilien versponnen werden können, und Fäden für den 3D-Druck hergestellt.
"Der Kunststoff hat sehr interessante Eigenschaften, vor allem für Anwendungen wie Lebensmittelverpackungen", sagt Luterbacher. "Und was den Kunststoff einzigartig macht, ist das Vorhandensein einer intakten Zuckerstruktur. Dadurch ist er unglaublich einfach herzustellen, weil man nicht verändern muss, was die Natur vorgibt, und er ist leicht abbaubar, weil er auf ein Molekül zurückgreifen kann, das in der Natur bereits reichlich vorhanden ist."
Literatur
- Manker, L.P., Dick, G.R., Demongeot, A. et al. Sustainable polyesters via direct functionalization of lignocellulosic sugars. Nat. Chem. (2022)
