Onze afhankelijkheid van petroleum kan niet alleen afnemen door elektrische voertuigen, maar ook door duurzame kunststoffen

Gebruik van gewassen om duurzame kunststoffen te produceren

When we think of oil, we think primarily of fuel for cars, ships, and planes. Maar petrochemicaliën, waarvan een groot deel kunststoffen of componenten voor de productie van kunststoffen zijn, vormen 12 % van de wereldwijde olievraag.

Hoewel het verbruik van olie vaak wordt gezien als een verontreiniging vanwege de CO₂‑emissies, zijn microplastics ook een groeiende zorg. De productie van kunststoffen uit olie draagt bij aan zowel koolstof- als microplasticuitstoot.

Daarom is het goed nieuws dat er nu meer duurzame kunststoffen op de horizon verschijnen.

Onderzoekers van de Zwitserse École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), de Universiteit voor Toegepaste Wetenschappen en Kunsten van West‑Zwitserland, en de Universiteit van Manchester, hebben een bron voor duurzame kunststoffen ontwikkeld uit landbouwafval.

Meer precies, hebben ze duurzame polyamiden gecreëerd met een suikerkern afgeleid van landbouwafval.

Waarom polyamiden?

Many plastic products, like nylons, a subclass of polyamides, need to be very durable. For this, they rely on a specific chemical structure called an aromatic group.

These aromatic groups give plastic hardness, strength, and high-temperature resistance. However, they are also often what make plastics non-biodegradable and toxic to the environment.

Bron: Master Organic Chemistry

Een polyamide die organische suiker gebruikt in plaats van een aromatische verbinding zou veel minder giftig zijn. Het gebruik van zo’n suiker, afkomstig uit landbouwafval, in de polyamide van EPFL vergroot de duurzaamheidsaspecten van hun ontdekking nog verder.

Een nieuw type kunststof

They developed a catalyst-free process to convert dimethyl glyoxylate xylose, a stabilized sugar made directly from biomass such as wood or corn cobs, into high-quality polyamides. The process relies on a series of steps, starting with the material being warmed at 140°C and then 250–260 °C.

Bron: Nature.com

Het proces was bovendien opmerkelijk efficiënt, met een atoomrendement van 97 %, wat betekent dat bijna al het oorspronkelijke materiaal werd omgezet in polyamiden.

Het resulterende materiaal werd getest om de chemische en fysieke eigenschappen te controleren.

Het bleek net zo, zo niet meer, hittebestendig te zijn dan traditionele op fossiele brandstoffen gebaseerde polyamiden. Het presteerde ook goed op het gebied van duurzaamheid en mechanische weerstand (treksterkte).

Bron: Nature.com

Een beperking die de onderzoekers vonden, is dat het materiaal gevoelig kan zijn voor blootstelling aan grote hoeveelheden water, waardoor het niet ondergedompeld kan worden. Het kan ook te permeabel voor zuurstof en water zijn om te worden gebruikt in dunne voedselverpakkingen. Belangrijk is dat er nog tal van mogelijke toepassingen zijn.

Duurzame kunststoffen klaar voor industrieel gebruik

Gebruiksvriendelijkheid

Another factor to take into account for industrial applications is “processability.” Or the ease of turning the raw plastic base components into useful materials.

De onderzoekers toonden aan dat hun nieuwe materiaal kan worden gebruikt voor zuiger-injectiegieten en hogesnelheids twin‑schroef extrusie, beide gangbare methoden voor het vormen van kunststoffen.

Bron: EPFL

Ze hebben zelfs de eigenschappen getest voor 3D‑printen, waarbij ze hoge temperatuurinstellingen gebruikten om succesvol een iPhone 11‑hoesje te produceren.

Bron: EPFL

Recycling

Another test was to check the potential for recycling of the new polyamide material. They re-used the plastic through high-shear twin-screw extrusion 3 times.

Een andere test was om het recyclepotentieel van het nieuwe polyamidemateriaal te onderzoeken. Ze hergebruikten het plastic via hogesnelheids twin‑schroef extrusie drie keer.

The tensile properties remained nearly identical across the three cycles.

De treksterkte bleef bijna identiek over de drie cycli.

The coloration increased slightly at each cycle. However, if needed, the orange color can be avoided entirely by tweaking the production process (improved purification of diamines), so this would not be a major issue.

De kleurintensiteit nam bij elke cyclus iets toe. Indien nodig kan de oranje kleur echter volledig worden vermeden door het productieproces aan te passen (verbeterde zuivering van diaminen), waardoor dit geen groot probleem vormt.

Overall, mechanical recycling showed good performance, which was equal or superior to existing plastic supplies.

Over het geheel genomen toonde mechanisch recyclen goede prestaties, die gelijk of beter waren dan bestaande kunststofleveringen.

Finally, they also investigated the possibility of chemical recycling as an end-of-life option for plastic. This relied heavily on powerful acids like sulfuric acid but demonstrated that it could be fully recycled with chemicals at the end.

Ten slotte onderzochten ze ook de mogelijkheid van chemisch recyclen als een eind‑of‑levensoptie voor kunststof. Dit hing sterk af van krachtige zuren zoals zwavelzuur, maar toonde aan dat het volledig kan worden gerecycled met chemicaliën aan het einde.

Een kostenefficiënt alternatief

For the industry to adopt such sustainable plastic (without regulation changes), it will need to be cost-competitive against established fossil fuel-based chemicals.

Voor de industrie om zo’n duurzame kunststof te omarmen (zonder wijziging van regelgeving), moet deze kostenefficiënt zijn ten opzichte van gevestigde op fossiele brandstoffen gebaseerde chemicaliën.

The price of nylon 66, the most common polyamide, is usually between $3,000-7,000/ton. The prices of the new material would be in a similar range, even when assuming relatively high costs for the source material.

De prijs van nylon 66, de meest voorkomende polyamide, ligt meestal tussen $3.000‑7.000 per ton. De prijzen van het nieuwe materiaal zouden in een vergelijkbaar bereik liggen, zelfs wanneer men relatief hoge kosten voor de grondstof aanneemt.

Potentially, using materials from cheaper sources like corn cobs could make it even cheaper.

Mogelijk kan het gebruik van materialen uit goedkopere bronnen zoals maïskolven het nog goedkoper maken.

Bron: Nature.com

Naast prijsconcurrentie stoot het nieuwe materiaal veel minder koolstof en broeikasgassen uit dan de bestaande producten op de markt, vooral bij gebruik van xylose uit maïskolven in plaats van commerciële xylose.

Duurzame kunststoffen – een noodzakelijke vooruitgang

Nieuwe soorten biokunststoffen, zoals in deze studie, zijn nodig om het verbruik van fossiele brandstoffen te verminderen.

Dit vormt een nieuwe stap, waarbij een nieuw type plasticmoleculen met vergelijkbare of superieure prestaties wordt gecreëerd in plaats van te proberen traditionele plasticchemicaliën te reproduceren met een biomateriaalbron.

Waarschijnlijk is het vervangen van aromatische groepen uit fossiele brandstoffen door biologische suikers slechts het begin.

Deze benadering is moeilijker, maar maakt ook nieuwe kunststofleveringen mogelijk die vele voordelen bieden ten opzichte van traditionele:

• Lagere CO₂‑voetafdruk.
• Minder vervuiling.
• Waardering van landbouwafvalproducten.
• Potentiële kostenverlaging of verbeterde chemische eigenschappen.

Het succes van het EPFL‑team (en haar onderzoekspartners) moet dienen als voorbeeld voor andere innovaties in het gebruik van biomaterialen om nieuwe bruikbare industriële chemicaliën te creëren, in plaats van alleen te proberen de bestaande kunststoffen exact te repliceren met chemische structuren die overvloedig aanwezig zijn in olie.