In unserer schnell industrialisierten Welt war die Suche nach nachhaltigen Materialien noch nie so dringend wie heute. Kunststoffe, die im täglichen Leben allgegenwärtig sind, stellen eine grosse Herausforderung für die Umwelt dar, vor allem aufgrund ihrer Herkunft aus fossilen Brennstoffen und ihrer problematischen Entsorgung.
Eine Studie unter der Leitung des Teams von Jeremy Luterbacher an der EPFL stellt nun einen bahnbrechenden Ansatz zur Herstellung von Hochleistungskunststoffen aus erneuerbaren Ressourcen vor. Die in der Fachzeitschrift Nature Sustainability veröffentlichte Forschungsarbeit stellt eine neuartige Methode zur Herstellung von Polyamiden vor, einer Kunststoffklasse, die für ihre Festigkeit und Haltbarkeit bekannt ist und deren bekanntestes Beispiel Nylons sind.
Die neue Methode nutzt eine erneuerbare Ressource und erreicht diese Umwandlung effizient und mit minimalen Umweltauswirkungen.
"Typische Kunststoffe auf fossiler Basis benötigen aromatische Gruppen, um ihren Kunststoffen Steifigkeit zu verleihen - dies verleiht ihnen Leistungseigenschaften wie Härte, Festigkeit und Hochtemperaturbeständigkeit", sagt Luterbacher. "Hier erzielen wir ähnliche Ergebnisse, verwenden aber eine Zuckerstruktur, die in der Natur allgegenwärtig und im Allgemeinen völlig ungiftig ist, um Steifigkeit und Leistungseigenschaften zu erzielen."
Lorenz Manker, der Hauptautor der Studie, und seine Kollegen entwickelten ein katalysatorfreies Verfahren zur Umwandlung von Dimethylglyoxylat-Xylose, einem stabilisierten Kohlenhydrat, das direkt aus Biomasse wie Holz oder Maiskolben gewonnen wird, in hochwertige Polyamide. Das Verfahren erreicht eine beeindruckende Atomeffizienz von 97 Prozent, was bedeutet, dass fast das gesamte Ausgangsmaterial im Endprodukt verwendet wird, was den Abfall drastisch reduziert.
Die biobasierten Polyamide weisen Eigenschaften auf, die mit denen ihrer fossilen Pendants konkurrieren können, und stellen eine vielversprechende Alternative für verschiedene Anwendungen dar. Darüber hinaus haben die Materialien in mehreren Zyklen des mechanischen Recyclings eine beträchtliche Widerstandsfähigkeit bewiesen und ihre Integrität und Leistung beibehalten, was ein entscheidender Faktor für das Management des Lebenszyklus nachhaltiger Materialien ist.
Die potenziellen Anwendungen für diese innovativen Polyamide sind vielfältig und reichen von Automobilteilen bis hin zu Konsumgütern, die alle einen deutlich reduzierten Kohlenstoff-Fussabdruck aufweisen. Die technisch-ökonomische Analyse und die Lebenszyklusbewertung des Teams lassen darauf schliessen, dass diese Materialien preislich mit herkömmlichen Polyamiden, einschliesslich Nylons (z. B. Nylon 66), konkurrieren können, wobei das Treibhauspotenzial um bis zu 75 Prozent reduziert wird.
Die Produktion dieser Materialien wird nun vom EPFL-Spin-off Bloom Biorenewables hochgefahren, um sie auf den Markt zu bringen.
Andere Mitwirkende
- Westschweizerische Hochschule für Angewandte Wissenschaften und Künste
- EPFL-Institut für Werkstoffe
- EPFL Wallis-Wallis
- Die Universität Manchester
Literatur
Lorenz P. Manker, Maxime A. Hedou, Clement Broggi, Marie J. Jones, Kristoffer Kortsen, Kalaiyarasi Puvanenthiran, Yildiz Kupper, Holger Frauenrath, François Marechal, Veronique Michaud, Roger Marti, Michael P. Shaver, Jeremy S. Luterbacher; "Performance polyamides built on a sustainable carbohydrate core"; Nature Sustainability, 2024-3-13
