Unsere Abhängigkeit vom Erdöl könnte nicht nur durch Elektroautos, sondern auch durch nachhaltige Kunststoffe sinken

Verwendung von Nutzpflanzen zur Herstellung nachhaltiger Kunststoffe

Wenn wir an Öl denken, denken wir vor allem an Treibstoff für Autos, Schiffe und Flugzeuge. Aber petrochemische Produkte, von denen ein großer Teil Kunststoffe oder Komponenten zur Herstellung von Kunststoffen sind, machen 12 % der globalen Ölnachfrage aus.

Während der Ölverbrauch oft als umweltschädlich wegen der CO₂-Emissionen angesehen wird, sind Mikroplastik ebenfalls ein wachsendes Problem. Die Kunststoffproduktion aus Öl trägt zur Emission sowohl von Kohlenstoff als auch von Mikroplastik bei.

Daher ist es eine gute Nachricht, dass jetzt mehr nachhaltige Kunststoffmaterialien am Horizont erscheinen.

Forscher von Schweizer Ecole Polytechnique Federale de Lausanne (EPFL), der Fachhochschule und Kunsthochschule Westschweiz sowie der Universität Manchester haben eine Quelle für nachhaltige Kunststoffe aus landwirtschaftlichen Abfällen entwickelt.

Genauer gesagt haben sie nachhaltige Polyamide hergestellt, die einen Zucker‑Kern aus landwirtschaftlichen Abfällen verwenden.

Warum Polyamide?

Viele Kunststoffprodukte, wie Nylons, eine Unterklasse der Polyamide, müssen sehr langlebig sein. Dafür verlassen sie sich auf eine spezifische chemische Struktur, die als aromatische Gruppe bezeichnet wird.

Diese aromatischen Gruppen verleihen dem Kunststoff Härte, Festigkeit und Hochtemperaturbeständigkeit. Sie sind jedoch häufig auch der Grund dafür, dass Kunststoffe nicht biologisch abbaubar und umweltgiftig sind.

Quelle: Master Organic Chemistry

Ein Polyamid, das organischen Zucker anstelle einer aromatischen Verbindung verwendet, wäre deutlich weniger giftig. Die Verwendung dieses Zuckers aus landwirtschaftlichen Abfällen im EPFL‑Polyamid erhöht den Nachhaltigkeitsaspekt ihrer Entdeckung noch weiter.

Eine neue Art von Kunststoff

Sie entwickelten ein katalysatorfreies Verfahren, um Dimethylglyoxylat‑Xylose, einen stabilisierten Zucker, der direkt aus Biomasse wie Holz oder Maiskolben gewonnen wird, in hochwertige Polyamide umzuwandeln. Das Verfahren beruht auf einer Reihe von Schritten, beginnend mit dem Erwärmen des Materials bei 140 °C und anschließend bei 250–260 °C.

Quelle: Nature.com

Der Prozess war zudem bemerkenswert effizient, mit einer Atomeffizienz von 97 %, was bedeutet, dass fast das gesamte Ausgangsmaterial in Polyamide umgewandelt wurde.

Das resultierende Material wurde getestet, um seine chemischen und physikalischen Eigenschaften zu prüfen.

Es erwies sich als ebenso, wenn nicht sogar stärker hitzebeständig als herkömmliche, fossilen Brennstoffen basierende Polyamide. Außerdem zeigte es gute Leistungen in Bezug auf Haltbarkeit und mechanische Belastbarkeit (Zugfestigkeit).

Quelle: Nature.com

Eine von den Forschern festgestellte Einschränkung ist, dass das Material empfindlich gegenüber großer Wassermenge sein könnte und daher nicht eingetaucht werden darf. Es könnte zudem zu durchlässig für Sauerstoff und Wasser sein, um in dünner Lebensmittelverpackung eingesetzt zu werden. Wichtig ist, dass zahlreiche mögliche Anwendungen weiterhin bestehen.

Nachhaltige Kunststoffe bereit für den industriellen Einsatz

Verwendbarkeit

Ein weiterer Faktor, der für industrielle Anwendungen zu berücksichtigen ist, ist die „Verarbeitbarkeit“. Also die Leichtigkeit, die rohen Kunststoffgrundkomponenten in nützliche Materialien umzuwandeln.

Die Forscher zeigten, dass ihr neues Material für Kolben‑Spritzguss und Hochscher‑Zwillingsschnecken‑Extrusion verwendet werden kann, beides gängige Verfahren zur Formgebung von Kunststoffen.

Quelle: EPFL

Sie testeten sogar seine Eigenschaften für den 3D‑Druck, indem sie Hochtemperatureinstellungen nutzten, um erfolgreich ein iPhone‑11‑Gehäuse zu produzieren.

Quelle: EPFL

Recycling

Ein weiterer Test bestand darin, das Recyclingpotenzial des neuen Polyamid‑Materials zu prüfen. Sie wiederverwerteten den Kunststoff dreimal mittels Hochscher‑Zwillingsschnecken‑Extrusion.

Die Zugfestigkeit blieb über die drei Zyklen hinweg nahezu unverändert.

Die Färbung nahm bei jedem Zyklus leicht zu. Sollte es jedoch nötig sein, kann die orange Farbe vollständig vermieden werden, indem der Produktionsprozess angepasst wird (verbesserte Reinigung der Diamine), sodass dies kein wesentliches Problem darstellt.

Insgesamt zeigte das mechanische Recycling eine gute Leistung, die gleichwertig oder überlegen zu bestehenden Kunststofflieferungen war.

Abschließend untersuchten sie auch die Möglichkeit des chemischen Recyclings als End‑of‑Life‑Option für Kunststoff. Dies basierte stark auf starken Säuren wie Schwefelsäure, zeigte jedoch, dass das Material am Ende vollständig chemisch recycelt werden kann.

Eine kosten‑wettbewerbsfähige Alternative

Damit die Industrie solche nachhaltigen Kunststoffe übernimmt (ohne regulatorische Änderungen), müssen sie kosten‑wettbewerbsfähig gegenüber etablierten, fossilen Chemikalien sein.

Der Preis für Nylon 66, das gängigste Polyamid, liegt in der Regel zwischen 3.000 $‑7.000 $/t. Die Preise des neuen Materials würden in einem ähnlichen Bereich liegen, selbst wenn man relativ hohe Kosten für das Ausgangsmaterial annimmt.

Möglicherweise könnte die Verwendung von Materialien aus günstigeren Quellen wie Maiskolben das Material noch preisgünstiger machen.

Quelle: Nature.com

Zusätzlich zur Preis‑wettbewerbsfähigkeit ist das neue Material ein deutlich geringerer Emittent von Kohlenstoff und Treibhausgasen als die derzeit auf dem Markt befindlichen Produkte, insbesondere wenn Xylose aus Maiskolben anstelle von kommerzieller Xylose verwendet wird.

Nachhaltige Kunststoffe – ein notwendiger Fortschritt

Neue Arten von Biokunststoffen, wie in dieser Studie, sind nötig, um den Verbrauch fossiler Brennstoffe zu reduzieren.

Dies stellt einen neuen Schritt dar, bei dem neue Kunststoffmoleküle mit ähnlichen oder überlegenen Leistungen geschaffen werden, anstatt zu versuchen, traditionelle Kunststoffchemikalien mit einer Biomaterial‑Quelle nachzubilden.

Wahrscheinlich ist der Ersatz aromatischer Gruppen aus fossilen Brennstoffen durch biologische Zucker erst der Anfang.

Dieser Ansatz ist schwieriger, ermöglicht jedoch auch neue Kunststofflieferungen, die im Vergleich zu herkömmlichen zahlreiche Vorteile bieten:

• Niedrigerer CO₂‑Fußabdruck.
• Weniger Verschmutzung.
• Wertschöpfung aus landwirtschaftlichen Abfallprodukten.
• Möglicher Kostenrückgang oder verbesserte chemische Eigenschaften.

Der Erfolg des EPFL‑Teams (und seiner Forschungspartner) sollte als Vorlage für weitere Innovationen dienen, bei denen Biomaterialien genutzt werden, um neue nützliche Industriechemikalien zu schaffen, anstatt lediglich zu versuchen, die bestehenden Kunststoffe exakt mit chemischen Strukturen, die im Öl reichlich vorkommen, nachzubilden.